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第48卷（总第589期） 探讨耐高温超细纤维的研究现状和应用进展。从超细纤维的生产方式和性能特点出发，总结了 静电纺丝法、熔喷纺丝法、离心纺丝法、闪蒸纺丝法和火焰喷吹法等耐高温超细纤维生产技术的研究现状，概述 了耐高温超细纤维在高温过滤材料、保温隔热材料和传感器材料上的应用情况。认为：耐高温超细纤维的纤维 直径、空隙密度对产品性能起着重要作用。 超细纤维；耐高温性；静电纺丝；闪蒸纺丝；高温过滤材料；传感器材料 随着科学技术的发展，人们对纤维性能的要 求越来越高，纤维的应用从服饰、家纺等轻工业 领域逐渐步入重工业领域。我国对耐高温纤维 的研究逐渐深入，耐高温纤维已经从一直依赖进 口到自主研发，但是生产耐高温纤维的技术相对 国外而言比较落后，耐高温纤维的耐高温程度及 其他综合性能较低。由于超细纤维单纤细度极 低，比表面积大，赋予了其更加优越的性能，人们 逐渐研究用超细纤维生产耐高温材料的技术。目前，耐高温超细纤维的制备方法有熔喷法、静 电纺丝法、离心纺丝法、闪蒸法、火焰喷吹法等。 1 超细纤维的生产方式 超细纤维的主要生产方式有直接纺丝法、复 合纺丝法、共混纺丝法 3 种；除此之外还有熔喷纺 丝法、闪蒸纺丝法、离心纺丝法、静电纺丝法以及 离心静电纺丝法等。直接纺丝法和复合纺丝法 更适合生产超细长丝，后几种方法适合生产超细 短纤维。 直接纺丝法可制得 0. 1 dtex（最小线密度，下同）的超细纤维，该方式较简单，纤维可纺性差， 对纤维原料和工艺条件要求高，可应用于生产制 造聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚酰胺（PA）、聚 丙 烯 腈（PAN）等 纤 维 。复 合 纺 丝 法 可 制 得 0. 15 dtex 的裂片型超细 纤 维 、0. 003 dtex 的 海 岛 型 超 细 纤 维 以 及 0. 1 dtex 的 多 层 型 超 细 纤 维，可应用在桃皮绒、鹿皮绒、仿真丝绸织物、人 造皮革等领域。共混纺丝法可制得 0. 000 3 dtex 的超细纤维，该方式采用交替排列的聚合物挤出 方式，纤维粗细、长短不一，易断头，不适合生产 连续长丝，可应用在过滤材料、高性能清洁抹布、 吸 液 材 料 、皮 革 等 领 域 。熔 喷 纺 丝 法 可 制 得 0. 005 dtex 的超细纤维，该方式操作容易、设备简 单，得到的非织造材料成形性好，可应用在高级过滤材料、保温隔热材料 、吸 油 材 料 等 领 域 ；闪 蒸 纺 丝 法 可 制 得 0. 01 dtex 的超细纤维非织造 材料，具有较好的强度和抗撕裂、耐穿刺性能，可 应用在增强材料、耐高温材料等领域。离心纺丝 法可制得 0. 1 dtex 的超细纤维，该方式类似棉花 糖的生产原理，技术简单，不需使用高电压，对纺 丝液要求也低，可应用在锂电池隔膜、药物载体、 金属氧化物、光催化材料等领域。静电纺丝法可 制 得 0. 000 044 dtex 的 超 细 纤 维（直 径 可 达 4 nm~500 nm），且具有连续结构，可应用在过滤 材料、电池隔膜、医用敷料等领域。 2 耐高温超细纤维的种类与性能 根据超细纤维和耐高温纤维的性能特点，耐 高温超细纤维通常是指单纤线密度在 0. 1 dtex~ 0. 33 dtex，并且能在 200 ℃以上条件下长时间保 持其常温下所具备的物理化学性能的纤维。目 前可生产的耐高温超细纤维种类很多，按照其材 料属性可分为有机纤维和无机纤维。无机耐高 温超细纤维本身具有阻燃性、不燃性以及很好的 耐热性，而有机耐高温超细纤维相对线密度小、 强度高、延伸度好、柔软性好、伸长回弹性较高。由于有机纤维价格昂贵，而且超细纤维极低的线 密度对纺丝技术的要求较高，限制了有机耐高温 超细纤维的发展，目前已经投入生产的有机耐高温超细纤维不多。按照其耐高温等级可分为普 通纤维、特种纤维。普通纤维相比特种纤维而 言，其热稳定性、加工性能以及耐切割性等比较 低，主要是用作家具防火材料、车辆装饰用品、消防服等；特种耐高温超细纤维由于其高的耐温 性、强的耐热性、阻燃性，可用作高温过滤材料、 建筑保温、军事、航天航空等领域。按照其纤维 长度可分为超细长纤和超细短纤。 耐高温超细纤维结合了超细纤维和耐高温 纤维的特点，从而具有更好的综合性能，拓宽了 超细纤维的应用领域。耐高温超细纤维具有以 下性能特点：单纤绝对强力小、纤维密度小，因 而纱线总的强度大，有利于后续加工；高温下尺 寸稳定性好，较长时间内维持其物理和化学性 能；纤维密度小、弯曲刚度小，具有良好的柔软 性、弹性和可加工性；着火点、发火点高；具有阻 燃性和不燃性。 3 耐高温超细纤维的生产技术 3. 1 静电纺丝法 静电纺丝法是利用聚合物液体在静电场中 拉伸变形，最终在接收板上形成纤维膜的一种连 续生产纳米级超细纤维的技术，其中纤维直径在 纳米到几微米之间。HANG Z S 等提出了反应 静电纺丝的概念，采用聚氯乙烯（PVC）作为纺丝 剂，首次成功地制备了耐高温三聚氰胺超细纤 维。由于三聚氰胺超细纤维分解温度高、耐热性 好，可用作耐火材料、复合分离器等。周兴海以硝酸铈、氯化铝、金属铝粉等为原料，配制了前 驱体纺丝液，首次采用同轴气电纺丝技术制备了 具有氧化铈/氧化铝（CeO2/Al2O3）中空结构的超细纤维 ，经 700 ℃ 高温煅烧 后纤维直径可达1. 89 μm，为开发无机耐高温超细纤维提供了一 种新的途径。郭乔辉等利用溶剂二甲基甲酰胺 （DMF）溶解的含有 15% 乙酰丙酮钯［Pd（Ac）2］ 的聚丙烯腈（PAN）均相纺丝液通过静电纺丝技 术 制 备 得 到 Pd（Ac）2/PAN 纳米纤维 ，在氢气 （H2）中还原和在 900 ℃中碳化得到钯纳米粒子负 载的碳纳米纤维复合材料（Pd/CNF）。这种复合 材料比传统的钯/碳（Pd/C）催化剂有较高的催化 活性、催化稳定性和选择性，可以广泛应用于生物传感和燃料电池中。静电纺丝技术生产的耐 高温超细纤维具有更高的比表面积和复杂的空 间结构，可用作高温防护材料、过滤材料、复合 增强材料等领域，具有很大的发展潜力。 3. 2 熔喷纺丝法 熔融聚合物从喷丝孔挤出时，用热气流喷吹 的形式将其挤压细化，然后聚集在铺网帘或运动 中的辊筒上，依靠热黏合或自身黏合固结成非织 造材料的制备技术称为熔喷纺丝法。熊思维利用具有优异稳定性、阻燃性以及良好电绝缘性 的高性能纤维材料——聚苯硫醚（PPS），通过自主设计的熔喷试验机纺制出高吸油性能的 PPS 超细纤维毡（纤维直径大多集中在1 μ m~ 2 μm），并且在 15 ℃~45 ℃中保持较高的吸油量。由于 PPS 聚合物熔点高、流动性差、熔体黏度大， PPS 的熔体经过高速高温热风牵伸后，处于未成 纤状态，会快速掉落并且相互黏结在铺网帘上， 经过冷却后就会以短棒状颗粒形态存在。胡宝继等从 4 种不同性能的聚苯硫醚原料中筛选出适合熔喷的原料，对熔喷纺丝工艺进行探究，得 到连续均匀的聚苯硫醚无纺布，可以广泛应用于 功能性过滤材料、绝缘隔膜等。目前，通常采用 海岛法制备 PPS 纤维，但工艺流程长，使用溶剂 量大，而熔喷纺丝法制备的 PPS 纤维可以有效避 免产生海岛法所带来的缺陷。辛长征将制备 的脲醛树脂（UF）/低熔点石蜡微胶囊与聚丙烯 （PP）共混熔融纺丝，可以得到纤维细度在 1 μm~ 5 μm 的超细纤维，为生产耐高温超细纤维提供了 一个新的思路。耐高温熔喷非织造材料由于其纤维直径细、孔径小、比表面积大等优点而广泛应用于空气过滤材料、仿生超疏水材料等领域 。 3. 3 离心纺丝法 离心纺丝法是一种新型的纳米级纤维制备 技术，在高速旋转的装置产生离心力作用，置于 装置内部的样品受到离心力被甩出成丝。章凯 翔［16］利用二氯甲烷（DCM）/N，N ⁃二甲基甲酰胺 （DMF）配比为 2. 5∶1 的溶剂溶解聚乳酸（PLA）， 并且分别加入环氧氯丙基三甲基氯化铵（GTA） 和聚乙二醇（PEG）改善 PLA 的亲水性能。该溶 剂配比制备出的纺丝原液通过离心纺丝法能制 得直径范围 1. 32 μm~7. 99 μm 的纤维，纺制得出 的 PLA 纤维热性能稳定。在研究过程中发现，随 着溶剂 DMF 含量的增加，纤维的多孔结构转变 为褶皱结构，DCM/DMF 的溶剂配比减小，纤维 的 直 径 会 出 现 先 增 大 后 减 小 的 现 象 。此外 ， CALISIR M D 等运用离心纺丝法纺制出纳米 二氧化硅纤维，蓬松的纳米二氧化硅毡热稳定性 好，将有效利用在保温应用的领域。 3. 4 闪蒸纺丝法 闪蒸纺丝法是将成纤高聚物在高温高压条 件下溶于特殊溶剂配制成一定浓度的均相纺丝 液，在喷丝孔压力的降低下，溶剂吸收大量的热 量快速蒸发，使得聚合物快速冷却结晶、高度取 向，从而制得超细纤维无纺布。闪蒸纺丝技术最早是用于制备超高分子量聚乙烯超细纤维，一般利用 1，2⁃二氯乙烷作为溶剂溶解超高分 子量聚乙烯（UHMWPE）纤维聚合物，在纺丝温 度 186 ℃左右、纺丝压力 6. 10 MPa 以及纺丝液 浓度 3. 06% 条件下加工而成，可适用于过滤器、 微传感器等领域［20⁃21］，也可以应用于包装材料、 防护服以及盖布等产业领域。文献［23］和文 献［24］已经成功利用闪蒸技术生产耐高温超细 纤维非织造布，但是纺丝设备压力及纺丝工艺 的温度、时间不易控制，直接影响超细纤维非织 造布的耐高温效果，难以实现闪蒸技术耐高温 超细纤维的工业化生产。文献［25］提供了一种 闪蒸纺丝超细纤维的设备和方法，并且提出了 亟需解决服装材料需有高回弹性等技术问题和 更低的结晶度，该方法生产工艺容易控制且耐 高温超细纤维质量优良，是我国闪蒸法生产耐 高温超细纤维的一次创新，但是由于纤维原料 来源狭隘，工业化生产困难。 3. 5 火焰喷吹法 火焰喷吹法是生产超细无机纤维的方法之 一。利用火焰喷吹法生产的耐高温超细玻璃纤 维平均单纤维直径不大于 4. 5 μm，不仅具有普通 玻璃纤维的一切优良性能，还改善了普通玻璃纤 维的脆性、耐折性、耐磨性等，是目前生产超细玻 璃纤维的一种重要方法。超细玻璃纤维比表面 积大、抗弯刚度小、过滤效果高，是过滤领域的理 想材料，可以复合其他材料广泛应用于冶金、锅 炉、烟气等高温过滤材料。陈照峰等利用火焰 喷吹工艺制备航空级超细玻璃纤维，纤维直径主 要集中在 1. 2 μm~3. 2 μm，平均直径 2. 2 μm，然 后在纤维表面喷涂三聚氰胺和尿素改性的酚醛 树脂胶黏剂，使得纤维具有优异的憎水隔音隔热 性能，能够长时间保持稳定性和隔音隔热性能。同时，航空级超细玻璃纤维棉毡呈层状分布结 构，提高了棉毡的保温、隔音效果。 4 耐高温超细纤维的应用 4. 1 高温过滤材料 材料的过滤效果与纤维之间的空隙、比表面 积有着较大关联。如果过滤材料纤维间隙越小， 比表面积越大，微粒与纤维充分接触，从而停留 在纤维中的可能性越大。与常规的过滤材料相 比，耐高温超细纤维具有耐高温、比表面积高、孔 径小、间隙多等特点，在高温行业具有更加理想 的过滤效果。成沙［27］以超细玻璃纤维（4 μm）和 P84 纤维（聚酰亚胺纤维）作为原料，并与玻璃纤 维基布针刺复合得到 P84/超细玻璃纤维复合过 滤材料；与普通玻璃纤维过滤材料相比，由于超 细玻璃纤维直径更细，纤维之间的孔径小，可有效增大过滤效率，同时还可以利用聚四氟乙烯 （PTFE）乳液对复合过滤材料浸渍，以增加复合 针刺过滤材料的耐化学性能。钱幺等［28］利用具 有优良耐高温性能的 PPS 针刺布作为外表层，中 间 复 合 一 层 超 细 无 碱 玻 璃 纤 维（直 径 1 μm~ 5 μm）作为里层制备了耐高温超细无碱玻璃纤维 复 合 过 滤 材 料 。此 复 合 过 滤 材 料 对 直 径 在 0. 2 μm 左右的气溶胶过滤精度高达 99. 99 %；携 带粉尘后的该滤材对超过 1 μm 的颗粒物能高效 率截留，随着颗粒物直径的增加，使得该滤材表 面会积累一层粉尘初层，一定程度上提高了过滤 的精度。目前，耐高温超细纤维已成功应用于高 温锅炉中过滤焦油、烟尘等颗粒。 4. 2 保温隔热材料 保温隔热材料的性能取决于材料的导热系 数，导热系数愈小其保温隔热效果愈好。耐高温 超细纤维单纤密度极低、空隙率大、导热系数低， 具有良好的保温隔热性能。在长时间的航天飞 行中，超高速航天飞行器会受到外表层高温笼 罩。为保证航天飞行器的主体结构以及飞行安 全，需要使用这种特殊的保温隔热材料防止外部 热量向内部扩散。无机纤维由于其优异的机械 性能、耐高温性和耐腐蚀性可广泛应用于恶劣环 境中。而高性能碳化硅纤维可以作为隔热复合 材料、催化剂载体和吸波材料逐渐引起广泛关 注，人们已经通过简单的单喷嘴静电纺成功制备 了超细高性能碳化硅纤维，可耐 1 200 ℃高温 。由超细纤维构成的纤维素纳米晶，因其自身具备 高弹性模量、高强度、低密度的优点，作为构筑基 元，可以使得高分子纳米纤维气凝胶在弯曲至 180 °时仍以大于 200 kPa 的应力回复。在此种基 础上，王雪琴等经过研究，发现超弹性气凝胶 陶瓷纳米纤维结构稳定性好，是一种利用陶瓷纤 维增强的 SiO2纳米气凝胶材料，能在高温环境中 不分解，并且起到隔热的效果，是航天航空行业 中隔热保护的主要复合材料之一。将增强 SiO2 颗粒均匀分散在铝硼硅溶胶中，可以形成稳定不 变形且不易脱落的隔热分散液层，干燥后经过高 温煅烧可以形成网孔纤维互相缠结的纤维网络， 其稳定结构能确保航天飞行器内部结构免受大 气摩擦的高温影响。保温隔热材料经常应用于 航天航空、建筑行业、室内取暖设备、空调等。 4. 3 传感器材料 耐高温超细纤维耐热性好，具有阻燃性或不 燃性的性能特点，纤维吸附性能强，可用于制作 温度传感器以及气敏传感器等原材料。王兵在碳化硅纳米纤维（SiC NFs）上可控生长二氧化 锡纳米片（SnO2 NSs），得到分级结构纳米金属氧 化物/碳化硅超细纤维（SnO2 NSs@SiC NFs），在 500 ℃下，该超细纤维对浓度 0. 01% 的乙醇灵敏 度是 SnO2 NSs的 2. 3倍。这种基于超细光纤的温 度传感器也广泛应用于生物医学、国防等工业领 域，具有响应时间快的特点 。由于二氧化硅的 软化温度高，纯的二氧化硅温度计对温度有较高 的灵敏性，使得改进后的微光纤温度传感器测试 温度升高。基于 SiO2光纤和聚酰亚胺微光纤的混 合结构盐度传感器可以精确检测到海水中盐度的 实时变化，将乙基纤维素涂覆在混合结构的盐度 传感器上，可用于提高盐度检测的精确性 。该盐度传感器制作简单、成本较低，但灵敏度高，在 精细研究海洋资源方面提供了一个思路。 5 结语 目前，我国虽然有一些关于耐高温超细纤维
的生产技术和产品研究，但是生产耐高温超细纤
维的原料、技术、产品质量、成本等方面尚存在诸
多问题，限制了我国耐高温超细纤维的工业化生
产。近年来在纺丝设备及技术方面，除了纺黏和
熔喷技术的发展以外，静电纺丝技术也在不断提
升，但仍然需要对现有的纺丝设备进行改造，建
立更加完善的生产设施，研发更加先进的纺丝技
术，增加耐高温超细纤维产品的品种，实现耐高
温超细纤维的大规模生产。此外，闪蒸技术生产
耐高温超细纤维也具有广阔的应用前景和发展
潜力，但长期受国外技术的垄断和封锁，应向自
主创新方向发展，逐渐突破技术难关。 资料来源：《棉纺织技术》 |
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