光刻法异型喷嘴制造及高性能纳米复合纤维制备技术介绍.doc

光刻法异型喷嘴制造及高性能纳米复合纤维制备技术 项目建议及研发执行单位： 清华大学：原子分子纳米科学中心，化学工程系，工程物理系。 项目推荐：李家明院士，中国科学院院士、上海交通大学物理系教授、 清华大学原子分子纳米科学中心主任 程曜教授，清华大学工程物理系教授、 清华大学原子分子纳米科学中心副主任 魏飞，清华大学化学工程系教授 金涌院士，中国工程院院士、清华大学化学工程系教授 日期：2005-5-10 摘要：本项目将综合清华大学原子分子纳米科学已有的异型纺丝喷嘴光刻制造技术和清华大学化学工程系已有的碳纳米管可控制备技术（国家863项目）之优势，在短期内研究开发出2-3种高性能纳米复合高分子纤维，将在高强度、抗静电、吸波阻燃方面达到国际先进水平，使我国特种纤维行业从精密微加工到终端材料都拥有自己的系列化专利技术。 项目分析： 一．化纤工业现状及发展趋势 近几年中国化纤工业高速发展，２００３年化纤产量已经达到１１８１万吨，增速高达１９．２％，占世界总产量的３７．４％，是全球化纤产量第一大国。但中国化纤产量仍不能满足国内快速增长的市场需求，每年仍然需要大量进口，２００３年化纤进口１８５．８万吨，增长速度达８．１％。随着人们生活水平的不断提高和产业用需求快速增长，中国化纤发展空间仍然很大中国化纤中国化纤[DRY-TEX]纤维，其透湿度便比纯棉高三倍，产品强调快速吸湿排汗，干爽透气，冬暖夏凉以及易洗快干等特性。杜邦生产的[coolmax]等布料，也都是强调其防水透气，排汗干爽，阻风保暖等高性能的纺织品。0.3丹尼（丹尼为纤维重量与长度之比，1丹尼表示1g材料拉伸9000m长的细丝）以下者，具有外观蓬松，自然，防风防水透气覆盖性及柔软性等优异性质，属于高价的化纤。图二：复合超细异型纺口 为了制造出化纤工业中所需的各种异型纺口，我们利用微加工和纳米技术，通过光刻及纳米复合电铸等先进技术的改良，以实现下列技术目标： 制造任意截面形状的纺口； 制造流量最优化喷嘴导角，加快抽丝速率； 加强喷嘴硬度及耐磨性，保持喷丝品质； 提高喷嘴精密度，提高抽丝的均匀度。 目前，异型纤维纺口主要是使用电火花和线切割加工制得，最细的实用宽度为0.2mm。其加工成本随截面的复杂程度急速上升，这也导致异型纤维研发成本上升。已开发的异型纤维的形状较为简单。 如果需要形状更为复杂的纺口，我们采用自行设计的紫外线光刻机，利用其高解析力和穿透力，可制造任意截面形状和宽度，并且具有超高横向精度（0.5微米），纵深为0.5mm的微结构喷嘴。利用光刻技术加工的喷嘴，其加工成本和截面形状无关，而只与深度有关。另外，我们采用复合电铸硬合金等纳米材料，将纺口中微孔喷嘴的局部硬度提高。增加了对纤维中的二氧化钛的耐磨性，从而大幅度提高“喷嘴”的品质。 “化纤制造工艺流程”的改进技术 化学纤维通常为圆形，以期获得高强度、耐磨性及纤维束之致密性。通常，每根纤维的细度在数丹尼。要达到0.3丹尼以下的超细纤维就需要采取复合纺丝法，即将两种互不相容的纤维高分子予以混合纺丝，再将纺成的复合丝加以溶解或者分离处理，以溶去其中一部分或分别析出，这样便能制成超细纤维。其制造流程可简单图示如下： A种纤维高分子 溶解处理 复合纺丝 或 超细纤维 B种纤维高分子 分离处理 上述为圆形超细纤维的制造。但异型超细纤维的制造，目前世界上尚未有成熟的制造技术。 复合纺丝的技术重点在于： 特殊喷嘴的设计与制造； 化性不相容，但纺丝粘弹性相近高分子的选择和制备； 复合纺丝条件的设定； 复合纺丝的分纤处理技术。 基于我们所掌握的光刻及纳米复合电铸等先进技术，相信经过几年的努力是能够制造出“异型超细复合喷嘴”的。这项技术将在世界上处于领先地位。 研究目标将以国产化的PPS（或PPTA）及本组大批量制备的CNTS（超长MWNTS/SWNTS）为原料，共混制备综合性能优良的新型PPS纳米复合材料，进一步通过异型喷嘴熔融纺丝工艺制备高性能纤维。此纤维将具有高强度、阻燃与耐磨、抗静电与吸波、耐热与抗化学腐蚀，可应用于国防、航空航天等领域。在碳纳米管PPS复合材料研究方面努力实现从应用基础研究、工艺工程开发、到产品设计的全面突破，申报自己的专利，形成系列化专利体系，开发2-3种高附加值产品。为我国纳米复合特种纤维的开发提供技术平台。以下为本课题组已成功制备的毫米级多壁CNT阵列的SEM图片，其直径在30纳米左右，长径比达百万级。实验测试已证明了其良好的分散性优异的微波吸收性能，展示了作为一维吸波