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静电纺丝有新进展,可创造出空气过滤理想材料

文章出处:永利皇宫官网责任编辑:人气:-发表时间:2017-12-23 14:07【

最近,来自俄罗斯科学院理论与实验生物研究所的一个研究小组利用直径小于15 nm的聚酰胺纤维制成了一种过滤性和光学性能均优于其他同类材料的超轻织物,可以明显提升其空气净化效果。

据称,这种材料不仅满足轻量化要求——重量仅10 ~ 20 mg/m2,其光学效果更可以与玻璃相媲美,透光率达95%。同时,空气过滤性好,气流阻力低,对直径0.2-0.3μm粒子的过滤效率高达98%。

 

那究竟是什么让这种材料能够达到如此理想的效果呢?关键在于该研究小组对静电纺丝的技术改进:在电场作用下,溶解聚合物通过特殊的喷嘴喷向特定的目标,而另一方向上是已经过电喷雾处理过的乙醇。聚合物和酒精离子彼此带有相反的电荷,当它们在空中相撞时便能够紧密结合,形成超薄的静电纺丝纳米纤维薄膜。不同于在固体导电衬底上获得纳米聚合体,该新的技术在过滤器的导电聚碳酸酯基底上设有一个55mm的孔洞 ,可以吸引形成的纤维降落到表面。

1902年,美国第一次在静电场力作用下,利用溶液喷射流制备出纤维。1934年,Formhals在美国提出静电纺丝技术并申请了专利。早在上世纪50年代,静电纺纳米纤维就已经被应用于工业生产。发展至今,纳米纺丝技术已经经历了针头式、多喷头式和无针头式三个阶段。除此之外,各种新技术新、新工艺也层出不穷。

针头式静电纺丝

一般针头式静电纺丝基本装置主要包括高压电源、喷丝(针)头和接收装置三个部分。技术原理主要是利用高压静电场激发聚合物,使其表面产生大量静电电荷,在静电斥力的作用下,聚合物液滴形成射流通过针头喷出,聚合物加速拉伸而细化,最后固化冷却形成纳米级超细纤维,复合在基材上。美国Donaldson公司的Ultra-Web纳米纤维是产业化的针头式静电纺丝的代表产品,目前仍是静电纺丝纳米纤维符合滤料技术在世界范围内最为成熟的生产商。

针头式静电纺丝基本装置


针头式静电纺丝基本装置

多喷头静电纺丝

虽然静电纺丝是工业规模生产亚微米纤维的首选方法,但静电纺丝仍然存在许多限制,如生产率低。一些公司试图通过使用多喷嘴形成更多纤维而提高静电纺丝产量,如日本伊藤忠商事、美国NanoStatics公司、韩国Toptec等。但是,要达到商业化的生产率所需的喷射器的数目高达数千个。这将导致在生产过程的可靠性、质量的稳定性和机械的维护等多方面的挑战。

我国北京化工大学杨卫民教授团队开发出的熔体微分静电纺丝技术,解决了高粘度聚合物熔体微分流细化的难题,还发明了熔体微分多喷头并联技术,采用32喷头(每头50 ~ 90孔),可生产直径为500 ~ 800 nm的纤维,产量可达600 g/h。

无针头静电纺丝

由于针头式纺丝设备存在喷孔易堵塞,纤维产量低,多喷头产量提高但喷丝射流相互干扰等问题,捷克Elmarco公司生产出了世界上首台用于工业化的纳米纤维静电纺丝机——纳米蜘蛛(Nanospider;NS)。纳米蜘蛛的纺丝原理称为自由液体表面静电纺丝。纺丝过程实现从点 (针头) 到线 (电极丝) 的扩展,效率更高。

Elmarco最新的Nanospider生产设备 

Elmarco最新的Nanospider生产设备

我国苏州大学何吉欢教授团队根据气泡动力学原理提出了另一种具有产业化前景的纳米纤维的技术——气泡静电纺丝技术。气泡静电纺丝技术是基于气泡动力学,在纺丝溶液液面形成均匀的、破碎频率稳定的球形气泡,用静电和外加气流等作为动力克服气泡的表面张力而完成纺丝过程,极大提高了纳米纤维生产的可控性与效率,是我国具有完全自主知识产权的一种全新的纺丝方法。

气泡静电纺丝装置示意图 

气泡静电纺丝装置示意图

除此之外,新的聚合物纳米纤维的成形工艺不断涌现,一些较为成熟的技术也都完成了商业化运行,如:溶液喷射纺丝(Solution Blow Spinning)、强力纺丝(forcespinning)、混合膜法(HMT)和电喷法(electroblowing)纺丝、离心纺丝、液体剪切纺丝等。

离心纺纳米纤维技术 

离心纺纳米纤维技术

 

美国科学家已经利用喷枪原理制造出可以喷射并贴合伤口的纳米纤维技术

科学家们甚至试图采用用于图形艺术和汽车喷绘的普通喷枪制造纳米纤维,来替代医用缝合线。这些新技术的不断发展,必将为纳米纤维行业注入了新鲜血液,改变我们的生活。可以说,纳米纤维及这项技术本身所形成的市场并不是最终市场,它具有非常强的带动性和使能性。展望未来,相信纳米纤维技术将推动许多行业的设计准则、装备和系统的变革,并使其增加价值。


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