编者按­——

静电纺丝技术主要分为溶液静电纺和熔体静电纺。近年来溶液静电纺发展迅速,可制备得到纳米纤维,但是目前存在生产效率较低,溶剂回收或排放污染等问题。相比而言,熔体静电纺技术在某种上可弥补溶液静电纺的不足,因此熔体静电纺也成为新热点。

本专栏邀请了北京化工大学的博士生导师,也是国内近年来研究熔体静电纺丝较成功的研究者之一、并且已取得一定研究成果的刘勇老师,对熔体静电纺丝的特点以及发展状况进行介绍。

同时,我们也希望做到各位老师与学者的桥梁,让大家都能够对静电纺丝领域的发展有更全面、直观的了解,方便研究与探讨。

熔体静电纺丝的特点与工业化

刘勇1 ,杨卫民1 ,胡平2

1 北京化工大学机电工程学院,北京,100029

2 清华大学化工系高分子所,北京,100084

电纺丝(简称电纺)分为溶液电纺和熔体电纺两类。其中溶液电纺因为设备简单、溶液配制容易、方便添加多种成分、室温下即可纺丝等众多优点而受到广泛关注。目前大多数的电纺研究都是利用溶液电纺进行的。熔体电纺诞生较晚,关注和使用该法的人也相对较少,这主要是因为1. 熔体电纺设备包含加热及控制装置,比溶液电纺设备复杂;2. 熔体粘度比溶液的大很多,实现电纺所要求的电压要高很多,容易产生空气放电(击穿)现象;3. 熔体电纺所要求的温度不仅高于聚合物的熔点,而且一般比普通加工温度还要高,容易使高分子原料产生热降解; 4. 熔体电纺所得纳米纤维的直径一般比溶液电纺的要高一个数量级。但熔体电纺不需要溶剂,比溶液电纺环境友好、成本低、效率高,越来越受到国际科学界的重视,国内也有越来越多的科学家开始关注和研究熔体电纺。虽然溶液电纺和熔体电纺这两种纺丝方式的基本原理是一样的,但下落过程中纤维的形成有明显区别:溶液电纺纤维是靠大量溶剂蒸发,剩下的溶质固化形成的;熔体电纺纤维是靠热量散失,高分子逐渐冷凝固化形成的。因此这两种纺丝过程中纤维超分子结构(又称聚集态结构,是指大分子在空间的位置和排列的规整性,比如结晶和取向)的变化规律、环境因素对纤维运动规律的影响、纤维中高分子链的运动规律等都应该有明显不同。

熔体电纺与已经工业化的熔喷纺丝从原理上说也有些相似。熔喷纺丝是采用高速热空气流对模头喷丝孔挤出的聚合物熔体细流进行牵伸,由此形成超细纤维的一种纺丝工艺,如图1所示。熔体电纺与熔喷纺丝都是对高分子熔体进行拉伸,直接形成纤维,不需要使用有机溶剂。二者的区别首先是牵伸力的不同,一个是电场力,一个是热空气的拉力;其次是纤维直径的不同,熔喷纤维的直径一般在几十微米以上,少数纤维的直径在10微米以下,熔体电纺纤维的直径多在10微米以下,少数能达一二百纳米;还有纤维的长度不同,熔喷纤维受热空气波动的影响一般比较短,而电纺纤维则是连续的,理论上是无限长;另外纤维直径分布也不同,熔喷纤维的直径分布很宽,而电纺纤维的则比较窄;生产过程的能耗也差别明显,熔喷纺丝由于需要使用高温高压空气,且不是循环利用,导致生产过程耗能巨大,而熔体电纺虽然使用高达万伏的电压,但生产过程电流非常小,整套生产过程非常节能。

目前溶液电纺国外已有工业化生产设备在销售,但销量很小,原因在于溶液电纺过程中大量有机溶剂的挥发很容易产生环境污染,而当前对挥发后的有机溶剂进行回收的技术尚不成熟;另外这种生产方式的成本因昂贵溶剂的使用而太高,严重阻碍了其大规模应用。熔喷纺丝在我国已有大大小小上百家的生产厂家,生产线有近千条,2009年生产超细纤维3万多吨,但现在的熔喷技术发展到了瓶颈时期,一方面是因为该技术的原理决定了它不太可能生产出纳米级纤维,另一方面是大量高压热空气的使用很难使成本再降低了。熔体电纺的工业化因为研究基础薄弱而进展缓慢,尚未见到国内外有正式工业化生产的报道。目前作者所在研究组进行了多方面的工业化尝试,不仅成功设计制作了大型纺丝组件(64个伞形喷头),在螺杆直径45mm,长径比251的双螺杆挤出机上成功进行了熔体静电纺丝工业化初步实验,还利用专利技术一种一字架型纺丝喷头制作了幅宽300mm1200mm的纤维毡。

[1]刘勇;郝明凤;丁玉梅;杨卫民;王德禧. 一种新型一字架静电纺丝喷头 [P]. 中国专利:CN101871130A,2010-10-27.

[2]刘勇;王欣;丁玉梅;杨卫民. 一种喇叭状高效静电纺丝喷头 [P]. 中国专利:CN101985777A,2011-03-16.

[3]刘勇;王建强;丁玉梅. 一种静电纺丝的环境温度控制装置 [P]. 中国专利:CN102268746A,2011-12-07.

[4]刘勇;邓荣坚;杨卫民;丁玉梅. 一种熔体静电纺丝生产复合纤维的装置 [P]. 中国专利:CN101812734A,2010-08-25.

[5] Yong Liu, Xin Wang, Hua Yan, Changfeng Guan, Weimin Yang, Dissipative Particle Dynamics Simulation on the Fiber Dropping Process of Melt Electrospinning, J Mater Sci (2011) 46(24):7877–7882

[6]Yong Liu, Rongjian Deng, Mingfeng Hao, Hua Yan,Weimin Yang, Orthogonal design study on factors effecting on fibers diameter of melt electrospinning, Polymer Engineering and Science, 2010,50 (10), 2074 -2078.

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作者简介

刘勇,博士,北京化工大学副研究员,博士生导师。长期从事高分子材料研究,攻读博士期间曾参加国家自然科学基金重大项目的部分研究工作,并用理论模拟方法研究了高分子复杂两相界面相互作用问题。在做博士后研究期间,在中国博士后科学基金的资助下,采用多种分析方法对高分子基复合材料的微观结构进行了系统实验研究。2007年到北京化工大学工作以来,带领学生进行了熔体静电纺丝的实验和理论模拟研究,设计、搭建了熔体静电纺丝实验装置,并对纺丝装置、方法等方面进行了多方面创新性设计(申请17项专利,其中已授权12项)。利用该装置做过PEPPPAPETPLAPCL10多种高分子材料的静电纺丝探索,初步研究了熔体流动指数、电压、温度、距离等条件对纺丝纤维直径的影响,探索研究了抗氧剂对纺丝纤维分子量的影响和拉伸对取向度的影响,还进行了熔体静电纺丝的高速摄像实验,模拟研究了熔体电纺高分子链在下落过程中的变化情况。近5年发表SCIEI文章29篇(第一作者或通讯作者20篇)。在此诚心向各位同行学习。

关于溶液静电纺丝和熔融静电纺丝被引频次较多的文章

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