日本技术开发机构中的纳米纤维研发

2010-03-02

    近年来,由于各种功能的纤维被制造出来,纤维的消费开始转向产业用途,同时对纤维制造商提出了更多多功能、高功能的要求。另一方面,由于环境问题,非石油的原料(从植物来资源)日益受到重视。

    日本在纤维的多功能、高功能及环境保护方面的研究处于世界领先地位。

本文介绍了日本技术开发机构(NEDO)有关纳米纤维的研究开发项目及调查状况。

1 NEDO纳米技术、材料技术开发内容

    NEDO没有纳米技术、材料技术开发部,现在纳米纤维方面的研究有如下6个项目。

    (1)顶尖功能型新纤维材料基础技术的开发

    概要:该项目在给人民带来丰富而舒适生活的目标下,为实现高度信息化社会、节约能源、安全健康长寿的社会目标,以科学为基础,通过革新的材料创新技术来实现上述目标。

    具体内容:用静电纺丝及纳米熔融分散纺丝技术,对纤维材料进行纳米级成形加工及表面加工以及混合运用,使材料高功能化,最大限度地利用超细纤维的超比表面积效应、纳米级效应及超分子排列效应的三大效应,在燃料电池、信息家电、环境能源、医疗福利、安全等领域,制造革新材料以增强日本产业的竞争力。

    (2)应用纳米纤维的隔热、耐热、舒适性优良的先进消防服的开发

    概要:为了有效灭火及迅速救助受灾者,需要阻燃性、耐热性非常高的消防服;纳米纤维使纤维材料高功能化,因此可开发出纳米纤维的织物、积层结构体及消防服,制造出防护性和舒适性兼备的世界最高水平的先进消防服。

    (3)从熔融纺丝制得以天然物为原料的新型纤维的研究

    概要:有效利用光合成可再生的生物资源是十分重要的课题。纤维素纤维(粘胶等)一般都用有害的试剂经湿法纺丝制得,因此不能说它是环境友好的材料。利用新型纤维素纺丝技术,使其达到热可塑性化,可用熔融纺丝法制成纤维。

    (4)高性能聚酮纤维的工业化基础技术的开发

    概要:芳香族聚酰胺等高性能纤维,原料价格高,性价比不高,因此用途受到限制。我们采用低价的一氧化碳和乙烯作为原料的脂肪族聚酮,用其浓盐水溶液经凝胶纺制得低成本的超纤维,掌握了基础技术。在此基础技术上该研究确立了聚酮纤维工业生产技术,并了解了聚酮纤维的应用特性,目的在于聚酮纤维的工业化。

    (5)汽车用、轻质碳纤维增强复合材料的研发

    概要:汽车节能符合抑制地球温室效应(CO2削减排放)的要求,日本正积极探讨燃油降低问题。燃油降低的有效手段就是减轻车重,目前汽车制造商在着重探讨由钢向铝等轻金属材料转换,下一步计划利用先进的复合材料。碳纤维增强复合材料(CFRP)具有比高强度钢的比强度更高的轻质效果,被寄予非常高的期望。目前正积极开发 CFRP材料设计成形技术、组装技术、冲击安全技术以及回用技术,努力使其达到实用化。

    (6)精密高分子

    概要:为了发挥高分子材料原有的极限性能、功能,着眼于分子间互相作用,进行纳米级高序结构控制,通过发现多种高分子材料物性,来适应用户的高标准要求。因此在项目的后期,明确了更实用化的研究目标,不限于确立单项基础技术。

下面就上述前四项内容,以及2006NEDO所作的关于欧美生物纳米纤维的制造和利用研究动向的调查”作简单介绍。

11顶尖功能型新纤维材料的基础技术开发

受托方为东京工业大学,项目负责人谷冈明彦教授,协助方为帝人、Sinanokensi、日本电气、住友精化、大日本油墨化学工业、栗田工业、日本气滤材、帝人Techno Products、东洋纺、日清纺。

111混合型垂直-水平合作

    混合型垂直-水平合作项目是在共同进行基础技术开发时,以水平方向协作形式在基地开发,利用基地研究成果,再向各产业界指明方向,进行实用开发。

比如登喜马拉雅山,水平相当于基地,垂直是投入,产品在顶点。图1表示混合型垂直-水平合作项目的概要。

112共同基础技术开发(水平)

共同基础技术开发(水平)的第一目标是静电纺丝大型装置化(2)和纤维高功能化。静电纺丝是利用电场制造超细纤维的技术,在常温纺丝、表面结构控制及混合化较为容易,几乎所有高分子都可适用。

    第二目标是由纳米熔融分散纺丝法制造超细碳纤维,确立可以大量制造超细碳纤维技术,最终使用大型装置,确立超微细混炼纺丝及碳素高速不熔化煅烧和结晶结构控制等技术,制造时间短,成本低的技术开发,以及表面纳米多孔化的技术开发。

113实用化技术开发(垂直和产品)

根据上述出来的成果转向叫做实用化技术开发(垂直和水平)模式。首先是高性能、高功能电池用部件的开发,有:被动型燃料电池;小型蓄电池;薄型电池,是利用极超细纤维开发的(3)。被动型燃料电池,由于无需燃料及强制供氧,可达到薄层化,因此可期待超小型化,应用于便携式电视、电话、小型个人电脑等。小型蓄电池的功率及能量密度高,瞬时性和持续性优,可用于高性能信息家电器械、混合动力汽车、燃料电池车。薄型电池是薄型可弯曲、可高速充电的电池,可用于主动型IC卡及终端、电子纸等。

其次是开发高性能、高功能过滤器用构件技术。具体用超细纤维开发的有:超纯水过滤器;超耐热性无机过滤器;耐热性有机过滤器(4)。超纯水过滤器充分去除非离子及离子,装置的杂质流出近乎为零,因此可用于仪器、食品、服装等产业。超耐热性无机过滤器具有柔软性,耐热温度达1 000℃以上,无需冷却措施,可用来除去焚烧废气及有害化学物质等。耐热性有机过滤器保持必需的耐热性,可焚烧废弃,因此可用来替代玻璃纤维过滤器,用于焚烧炉和其他排气过滤器。

    关于高性能、高功能医疗卫生及产业用部件,可用超细纤维来开发超清洁室用部件和人与外界接触界面医疗卫生部件。超清洁室用部件是与超细活性碳纤维一体成型而制成的超性能化学过滤器。

人与外界接触界面医疗卫生部件有抗菌消臭、防止针刺、防止超徽尘埃及细菌侵入功能,有长时间穿着舒适性的复合一体型高功能部件。

12应用纳米纤维的,有优良隔热性、耐热性、舒适性的高级消防服的开发

    受托方是帝人Techno Products公司和Hosokawa粉体技术研究所。

该项目计划在2006年到2008年的三年间取得实用化目标,第五年完成高级消防服开发。其内容是制造防护性和舒适性兼备,世界最高水平的高级消防服。为了有效灭火,迅速救助受灾者,除轻质外,为防止消防员在灭火中中暑,衣服内散热是不可或缺的,因此采用纳米纤维制成织物,使用积层结构材料制造消防服。

13熔融纺丝制取新型天然原料纤维的研究

    受托方是东丽公司,从2002年到2007年完成。近年来,有效利用光合成可再生的生物资源,是越来越重要的课题。一般纤维素纤维(粘胶等)是用有害试剂经湿法纺丝制成的,因此不能说是对人类友好的材料。因此,通过热塑性化,用环境负荷低的熔融纺丝法,来制造出大量新型纤维素材料。用熔融纺丝制造的纤维素纤维特点是:石油消耗量减少,除了吸湿性、抗静电性、穿着舒适性、发色性好外,还具备一般纤维素纤维所没有的截面形状设计性。

东丽公司世界首创的熔融纺丝法纤维素纤维,定名为“Foresse”纤维。

14高性能聚酮纤维的工业化基础技术的开发

    技术开发实施者是旭化成纤维公司,在2002年到2007年用5年时间完成。这项技术用一氧化碳和乙烯作为制取聚酮纤维原料,制造的聚酮纤维显示以高强度、高弹性模量,加上粘合性、耐疲劳性、高温弹性保持性、尺寸稳定性好,对解决环境问题也有意义。特别是可期望在轮胎帘子线、水泥增强材料方面大量应用。

旭化成公司世界首创的聚酮超纤维,商品名定为Cyberlon,已开始销售。

15欧美有关生物纳米纤维制造和应用的研究动向调查

    以京都大学矢野教授为主,于2006年进行了一年的调查。

    纤维素微原纤(生物纳米纤维)是所有植物的基本骨架物质,宽为4 nm左右。它具有钢铁的5倍强度,玻璃的150以下的线性热膨胀系数。为此,作为环境和经济同时都可持续发展的关键材料”——纳米纤维的制造技术及其复合材料等的研发在日、欧、美快速发展。

    为设立世界最早的生物材料产业的国家项目,广泛调查了欧美有关技术动向,探寻国际共同研究的可能性,同时为明确生物纳米纤维系列材料的现状、潜力以及未来前景而进行调查。成果有:

    (1)报道加工工艺在材料开发中的重要性。在材料开发时:找出材料的特性,提出有关如何发现高性能的学术观点;提出如何制造低价材料的有关经济观点;提出如何有效制造高性能材料的有关加工观点。在这次调查中,访问了主要的大学教育研究机构,对纤维素纳米纤维,各国兴趣集中于学术观点,即所描述的重点。

    今后日本将采取产、官、学强力协作的形式。特别是在第③条的加工工艺上的突破,可使日本处于世界的顶点。这种纤维素开纤而纤维化纳米及其分散和取向的控制及评估,是今后研发的关键。

    (2)复合材料的表面重要性。从国外进行的研究来看,在纤维表面的化学修饰和表面控制技术方面取得突破,取得发明的可能性很高,因此日本对其研发是当务之急。

    关于这种纤维素系列材料的开发,农学、机械工程学、应用化学的研究者和技术人员集合合作非常重要。

(3)明确方向的重要性。关于生物纳米纤维能产业化是非常重要的。大学取得的基础知识和产业的具体要求协调配合是必要的。

2结语

    纤维技术从纺丝到纺纱、染色、织布、成型加工等工艺有各种技术。现在由于技术的发展、扩大,纤维和其他材料组成的纤维复合材料技术得到发展,纤维织物和本身原有的功能,诞生出高功能化等技术。

    纤维从天然纤维发展到化纤,为适应用户的需求,一面进行技术革新,同时提高纤维制品的附加值,从衣料到产业材料,向广大产业领域提供各种产品及材料。

    纤维产业对日本现代化作出了贡献,同时如今也是日本产业中重要的基础产业。

在这样状况的前提下,NEDO提出了发挥纤维原有优点的技术开发课题和立足未来的基础技术开发课题等,明确优先实施的重要技术开发主题,来有效推进将来的研究开发。

最新评论

暂无评论。

登录后可以发表评论

意见反馈
返回顶部