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5月纺织黑科技丨几乎被纳米材料与3D打印技术垄断!
发布者:产业用及无纺布展 | 发布日期:2019/5/16 16:45:26


  01
  
  东华大学:
  
  二维网状纳米纤维材料制备  

  近年来,二维纳米网状结构纤维材料在环境防护、电子器件、生物工程等领域应用前景广阔。现有纳米网状结构材料通常由一维纳米纤维材料(直径 <100nm,如纳米管、纳米线等)作为构筑单元组装而成,但该构筑单元普遍存在连续性差的问题,导致其聚集体材料面临结构难以精确调控、固有纳米特性难以保持等局限性,严重限制了材料应用性能的大幅提升。
  
  针对上述问题,东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬教授带领的纳米纤维研究团队提出了一种将高分子量、低浓度聚合物溶液直接喷射形成二维纳米网状结构材料的新技术,并将其命名为“静电喷网”。通过优化溶液本体特性,控制泰勒锥尖端荷电流体喷射模式,获得了高压电场中均匀悬浮分布的荷电液滴簇,进而通过调控收集器耦合诱导微电场的分布状态,实现了荷电液滴的形变、相变、自组装的精确调控,获得了纤维直径 10~40nm 的二维纳米网状结构材料(纳米蛛网),并成功实现了蛛网制备原料种类的有效拓展,目前已成功制备了 PVDF、PAN、carbon、TiO2等多种有机 / 无机纳米蛛网材料。
  
  该工作不仅提出了一种新型的电流体动力加工技术,制备出了高性能、多功能的二维纳米网状结构材料,也为下一代尖端纳米纤维材料的设计与开发提供了指导与借鉴。
  
  02
  
  香港理工大学:
  
  纳米纤维过滤材料阻隔空气污染

  
  近日,香港理工大学机械工程学系成功研发一种带有静电的纳米纤维过滤材料,可以有效阻隔空气中的污染微粒,以及大部分以空气传播的致命病毒,包括流感、非典等。
  
  这种纳米纤维过滤材料是由香港理工大学创新产品与科技讲座教授梁焕方领导的研究团队,经测试采用聚偏二氟乙烯(PVDF)制成,用电晕放电技术把静电加入PVDF 纳米纤维,使其能够在近距离与微粒产生电荷相互作用,从而有效吸附微粒。该带静电纳米纤维可用于有效释放蛋白质类药物 ( 如哮喘药 ),让病人更易吸入,药物更容易释放。
  
  对比已有的带电荷微纤维或没有带电荷的过滤材料,该项新科技突破采用多重静电隔离层设计,具有更高的过滤效率,其过滤效果比现有带静电的口罩高 10%。此外,在透气度、电荷稳定性及耐用程度上,该材料都有更优质的表现,静电可维持 3 个月。
  
  梁焕方称,病毒通常带有负静电荷,容易被带正静电纳米吸附。这种充电纳米纤维最适宜在传染病爆发及流感时使用,因其独特的设计能吸附直径小于 100 纳米的污染微粒及病毒,防御效果会很理想。而且,用此技术生产的口罩和现在市面上的其他口罩价格上也不会有太大差异。
  
  03
  
  新加坡国立大学:
  
  3D 打印纤维素实现高效油水分离
  
  近年来 , 油水分离方案备受科研人员的关注。油水分离方案可用于海上油污污染问题的治理,工业含油废水的处理以及化学工业产品的分离。其中,网格过滤系统由于其低廉的成本,便捷的操作以及高效的分离效率,成为了界面材料领域的研究热点。
  
  这种方案关键在于材料表面润湿性和微纳结构的合理搭配。通过表面化学和形貌的控制,可以实现超疏水或者超亲水的过滤网膜。然而,目前大多数研究都集中在金属网格的表面涂层研究。一旦涂层剥离或者表面粗糙度下降,网膜会丧失高效分离功能。
  
  针对上述存在的问题,新加坡国立大学 Chaobin He课题组, Jun Ding 课题组和新加坡制造技术研究院共同合作,先利用挤出式 3D 打印技术打印醋酸纤维素网膜, 再通过水解转换为无定形纤维素,制备出可用于高效油水分离的分离网膜。
  
  通过挤出式 3D 打印技术可以很好地控制最终产品的形貌和孔径,从而获得不同形貌和孔径的分离网膜。通过控制孔径的大小,分离网膜的性能(流量和穿透压力)可以被很好地调控。此外,打印的分辨率限制还能通过打印不同的离网膜结构体来得以克服,从而更好地控制分离网膜的性能。
  
  更重要的是,纤维素分离网膜表现出了优异的水下自清洁性能。实验表明,即使网膜在干燥状态下被高粘度的油相(如硅油:PDMS)污染,一旦和水接触,油相会自动脱离其表面,实现自清洁功能。这得益于无定形纤维素优异的亲水性以及强力的吸水性。它能在水下产生一定溶胀,同时保存一定的机械性能。与之前研究不同的是,本次提出的方法并不依赖材料表面的微纳结构,而是利用了纤维素本身的强力亲水性能。该研究为用于油水分离的网格过滤系统提供了新的方案思路。
  
  04
  
  兰州大学& 俄罗斯人民友谊大学:
  
  纳米材料催化剂处理染料废水快速高效
  
  推动污水处理技术进步的因素不仅包括生物工艺、机械设备的优化,还在很大程度上取决于材料化学领域的突破。最近,兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室教授刘伟生、唐瑜,联合俄罗斯人民友谊大学(RUDN)的化学家研发了一种纳米混合催化剂,可以快速去除污水中的顽固有机染料,这种催化剂不需要任何额外的强侵蚀性溶剂。研究成果发表在“Inorganic Chemistry”上。
  
  他们采用了一种称为纳米金属有机骨架(NMOF),即 将 纳 米 技 术 引 入 到 金 属 有 机 骨 架(Metal-Orgainc Frameworks,MOFs)材料中制成的混合纳米材料。NMOF如今已经是材料科学界的一个热门研究领域,这种材料除了具备传统 MOF 晶体材料可设计性的优点之外,还兼备纳米材料独特的物理、化学特性,具有优异的吸附、传质和催化性能,因此被认为在生物医药、物质分离、化学传感器、磁共振成像等方面都具备潜在的应用价值。
  
  研究员用这种纳米材料作催化剂,对含有亚甲蓝、刚果红、甲基橙等有机染料的污水进行实验,结果显示,这种混合纳米材料能够快速去除水中的染料:甲基橙在 1 分钟左右的时间内失活,一种叫罗丹明 6G 的稳定荧光染料也在几分钟内被中和。研究团队还称,这种新材料在首次使用之后性能没有损失,他们认为可能在重复使用超过 5次以上时它的催化效果才会有所削减。
  
  RUDN 化 学 系 的 亚 历 山 大· 基 列 洛 夫(Alexander Kirillov)博士表示:“我们的研究工作改善了原有材料的功能属性,将促进新材料在绿色化学领域的应用,希望未来可以获得去除其他污染物的纳米材料。”
  
  05
  
  清华大学:
  
  3D 打印电子纤维和织物成为现实
  
  3D 打印在可穿戴技术领域的应用受到了广泛的关注。之前,苹果与美国国防部投入资金超过 1.71 亿美元合作开发柔性可穿戴电子传感器;韩国电气研究院 2017年也提出了 3D 打印电子微结构的新方法,将有助于构建各种元件,特别是可穿戴技术。
  
  近日,我国清华大学化学系张莹莹教授团队,使用配备自制同轴喷嘴的 3D 打印机直接在纺织品上实现了纤维的印刷,并使用两种墨水制作了第一批 3D 打印电子纺织品,这是一种基于碳纳米管的导电解决方案,用于构建纤维的导电芯和绝缘护套。
  
  这种方法不同于将电子元件(例如 LED 光纤)手工缝制到织物上的方式,其过程是劳动密集且耗时的。使用 3D 打印机的优势在于它可以在一个步骤中为织物构建多种功能。该方法不仅便宜还易于扩展,因为喷嘴与现有的 3D 打印机兼容,不过也有其局限性,即可打印的分辨率受限于 3D 打印机的机械运动精度和喷嘴的尺寸。
  
  项目组希望通过这项工作能够激励其他人建造不同类型的 3D 打印机喷嘴,这些喷嘴可以生成具有丰富成分和结构多样性的设计,甚至可以集成多个同轴喷嘴,实现一步生成多功能的电子纺织品。长期目标是实现具有前所未有的灵活性,用于可穿戴的混合材料和电子产品的开发,同时用于开发具有集成功能的智能可穿戴系统的实际生产的新技术,例如传感器、驱动器、通信器材等。
  
  06
  
  天津大学:
  
  纳米杂化水凝胶变身速黏“创可贴”
  
  黏附水凝胶不仅可以用作伤口敷料,修复破损的组织,也可以用来止血以及制备人造电子皮肤。目前,科研人员通过模仿贻贝、藤壶以及沙堡蠕虫等海洋生物分泌的黏附胶,制备了一系列新型的能够黏附多种基质的水凝胶,这些水凝胶中起到黏附作用的基团为邻苯二酚,其通过与黏附基质之间形成氢键、离子络合以及 π-π 共轭等作用实现黏附。但是邻苯二酚基团易被氧化,但对使用环境要求苛刻,应用受到了限制。
  
  基于上述背景,天津大学刘文广教授课题组设计了一种有机—无机杂化的纳米复合黏附水凝胶。将氨基酸的衍生物 — N- 丙烯酰 -2- 氨基乙酸(ACG)与纳米生物活性玻璃(BG)进行复合,通过紫外光引发可快速地制备出具有黏附作用的高强 PACG-BG 水凝胶。该水凝胶的黏附强度随着体系内BG含量的变化而改变,通过调节BG含量,可以使水凝胶的表面黏附能和内聚能达到平衡,进而调控水凝胶的黏附强度使其达到最佳,其对陶瓷、铁片和猪皮的黏附强度可分别达 125、142 和 120kPa。
  
  所制备的纳米杂化水凝胶具有良好的黏附强度、优良的力学性能、室温快速自修复性能及生物相容性。将该水凝胶用于体外模拟胃穿孔的修复,结果显示,水凝胶可以完好地将兔胃的破洞密封,并且倒置时不会发生模拟胃液的泄漏。将修补好的兔胃在潮湿的环境中放置 3 天,水凝胶依然很好地黏附在破洞处,未发生液体的泄漏。该水凝胶可随身携带,即开即用,即使干燥后复水,仍能恢复黏附性能,有望成为紧急情况自救用的“创可贴”。
  
  07
  
  便于水面作战穿着的防弹救生衣
  
  在各种水域巡逻稽查的军警若有一件入水不沉、枪打不透的“宝衣”自然有助其更有效地完成任务。为实现这个愿望,俄罗斯研究人员最新研制出一种轻便防弹救生衣。
  
  据俄罗斯《贝加尔日报》报道,按照俄联邦国民近卫军水面部队的要求,位于莫斯科州的加固复合高强度材料中心制作出了这种使人既能水上漂又可短暂潜水、防步枪射击的防护服,并将其命名为“两栖”。“两栖”防弹衣主体部分是一件前胸、后背及两肋均有护甲的马甲。依据防护级别不同,护甲的材质种类包括混有加固材料的超高分子聚乙烯、钢材和陶瓷。这些护甲外添加了一层“负责”漂浮的衬板,其材质按任务要求不同分为两种,一种是混有聚丙烯的芳族聚酰胺材料,另一种则是带有封闭微孔的泡沫聚乙烯与超高分子聚乙烯的合成物。
  
  研发专家介绍,与其他国家同类产品相比,“两栖”防弹衣更加轻便且便于水面作战。俄国民近卫军目前正在黑海和贝加尔湖某水域模拟实战测试这款防弹衣,测试结果将决定该产品的应用前景。
  
  08
  
  可在水中进行呼吸的 3D 打印服装
  
  近日,英国科学家 Jun Kamei 提出了一个有趣的解决方案 amphibio( 两栖动物 ),这是一种 3D 打印服装,由柔软的面罩和身体周围的“鳃”组成,取代了笨重的潜水服和氧气瓶,让穿着者直接从液体环境中过滤出氧气从而进行呼吸。
  
  据悉,amphibio 凹凸不平的外形是根据鱼鳃的形状设计的。而功能上,amphibio 的灵感则来源于能在水里呼吸的昆虫。在水下,它们的身体和水之间会形成一层氧气隔层,在保持干燥的同时,也给了呼吸系统充分的时间过滤水中的氧气。
  
  09
  
  能实现自修复的 3D 打印橡胶材料
  
  美国南加州大学维特比工程学院的研究人员开发出一种 3D 打印橡胶材料,如果它破裂或被刺破,可以自行修复。这种材料可以改变鞋子、轮胎、软机器人甚至电子等行业的产品制造模式,缩短制造时间,同时提高产品的耐用性和使用寿命。
  
  该材料使用 3D 打印方法制造,该方法应用光聚合原理,通过光来固化所需形状或几何形状的液体树脂。通过与称为硫醇的某些化学基团的反应实现光聚合。
  
  当使用光聚合进行测试时,科学家们在短短 5 秒钟内就能够打印出 17.5 平方毫米的方块,在大约 20 分钟内完成整个物体的打印,并可以在几个小时内修复。
  
  在他们的研究中,展示了材料在一系列产品上的应用性,包括鞋垫、软机器人、多相复合材料和电子传感器。
  
  该团队正在努力开发不同的自密封材料,从现有的软橡胶到刚性硬塑料等各种强度的材料,可用于车辆部件,复合材料和防弹衣。
  
  10
  
  回收材料制作的新款包袋
  
  以回收利用卡车篷布制作包袋为名的瑞士配饰品牌Freitag,最近推出了用新材料制作的包袋。
  
  自品牌创立 25 年以来,Freitag 的产品一直以回收一种表面防水的卡车篷布为主要材料。尽管品牌使用另外一种环保可降解布料用于其服装系列,但对于包袋,卡车篷布一直是绝对的主角。这种极具识别性的卡车篷布有不少优点——环保、耐磨、防水以及独一无二的印花,但在柔韧性、重量和透气度上有局限性。
  
  而 Freitag 新发布的“ToP”系列则试图解决这一问题。
  
  近期,Freitag 发布了新系列“ToP”的第一款包 F610 CINNAMON,以及其他三款 F600 CARTER、F640 ROLLIN、F645 PHELPS。这些包款除了继续使用回收卡车篷布外,还结合了柔韧轻巧、由 100% 可循环使用的聚酯瓶回收加工而成的纺织材料。
  
  “ToP”是“Tarp on PET”的缩写,“Tarp”指的是卡车篷布,PET 则是用来制作矿泉水瓶的塑料。新材料的出现,一方面增加了 Freitag 包袋设计上的灵活性,另一方面也让品牌在环保上更进一步。新材料使用的是废弃的矿泉水瓶和饮料瓶,这符合 Freitag 一贯的“Upcycle”(即把废弃品经回收再造后,使其增值成为新的材料或产品的过程)理念。