“新能源与生物医学领域”电纺大有作为
——访北京化工大学的刘勇教授
ESPUN：您为什么热衷于电纺丝技术制备纳米纤维材料这一领域的呢？
刘勇教授：静电纺丝的诞生并不是特别早，它比较新，大约1980年左右才正式得到大家的广泛认识，九十年代一些科学家开始研究静电纺丝，到了2000年才逐渐地推广开来。静电纺丝是一种新型高分子材料加工技术，尤其是它贴合了纳米科技的发展趋势，能够将高分子原料直接制造出纳米级纤维，而纳米级纤维又有很多特殊性能，诸如纤维直径小、比表面积大等，因此静电纺丝技术是很有发展前途的，我的实验室一直在从事着静电纺丝方面的研究。
ESPUN：离心电纺是您的一个特色研究课题，能不能给我们讲一讲？
刘勇教授：一开始我们一直研究熔体静电纺丝，后来我觉得它存在一些缺点，比如纺丝效率仍不能满足我们的需要，所以结合离心纺丝，发展出一种离心静电纺丝技术。离心静电纺丝既可以纺溶液也可以纺熔体，纺丝效率很高，纤维性能优良。作为我们课题组的一个特色研究方向，离心静电纺丝目前在国内乃至世界范围内，从事该研究的人员还不是特别多，尤其是离心熔体电纺，应该很有发展前途。离心电纺在原理和设备上与普通的针纺都有所区别，针纺是靠一根针，在高压静电场中，通过静电力对液体的拉伸，产生鞭动，导致溶剂快速挥发或热量迅速散失而形成超细纤维。普通电纺有个缺点，就是效率比较低。离心电纺既有离心力又有静电力，它是两种作用力共同作用到高分子的分子链段上，作用力更强，并且拉伸效果非常好，因为需要旋转，所以设备肯定跟传统的不太一样。实际上这里面的离心力是一种虚拟的力，液滴在旋转过程中，应该还受科氏力等。这里面还有很多科学问题，我们也在深入研究当中。目前离心电纺还存在一些难点，比如温度的测量，现在测量温度采取热电偶的形式，但测温不是特别准，我们仍在寻找更好的解决方案，现已有初步的思路。如果能把测温问题有效解决，那么纺丝工艺参数会控制地更精确。
ESPUN： 您课题组主要在静电纺丝哪些应用领域进行研究，未来有什么计划？
刘勇教授：目前我们的研究主要集中在新能源与生物医药两个领域，未来我们计划继续在这两个领域开展研究。能源方向，特别是新能源，比如说太阳能电池、燃料电池。我们觉得这两种电池在未来会很有发展前途，并且能够解决当前社会上的一些问题，比如环境污染，所以我们重点发展静电纺丝纳米纤维在新能源领域的应用。静电纺丝实际上是做电池里面的一小部分，比如在太阳能电池里面，有一个染料敏化太阳能电池，它有一个染料层，需要与TiO2充分结合，TiO2需要大的比表面积，而静电纺丝纳米纤维正好能做到大的比表面积，所以我们把TiO2纺成纳米纤维，经过烧结，这样的话直径更小，比表面积更大，与染料结合更多，有利于提高染料分子中光生电子的传导效率，另外我们通过结构调控，从各方面来提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。燃料电池，多数是以氢气作为燃料，这种氢气不通过燃烧，而是通过一种电化学反应，把氢气的化学能量转化成电能，它的转化效率要比普通燃油汽车高的多，因为普通燃油汽车要经过燃烧，里面有大量热能损失，而氢气通过催化剂作用下，不经过燃烧，直接将化学能转化成电能，这样的话它的能量利用率比较高，并且它只有水产生，没有二氧化碳，没有任何污染性气体，所以燃料电池应该是很有发展前途的。我们在这里面做了两方面的工作，一方面是燃料电池里面的质子交换膜，用静电纺丝的方法尝试做了一块膜，目前来看性能不错。另外一个工作是做了一个膜电极，在静电纺丝纤维上面有一些催化剂——铂碳催化剂，氢气会扩散到催化剂层里面，在催化剂表面氢气会发生一些电化学反应，正好利用了纳米纤维的多孔、比表面积大的特点，可以提高质子生成效率。我们的另一大块（研究领域）就是生物医学方面，像血竭、膏药、乏氧探针都在做尝试，目前出了一些成果，还有一部分正在研究当中。举个例子，血竭是传统的名贵中药，油溶性，像胡萝卜素似的，在人体当中溶解性不佳，为了提高它的利用率，我们通过跟纳米纤维结合，对其进行表面处理，使其有效物质溶解得更多，大大提高了血竭的利用率。另外我们还有一些其他方面的应用，比如最近我们用离心熔体静电纺丝纺聚乳酸纤维，做成一定的结构，用在生物肌腱恢复上，这项研究发表于BIOFABRICATION. 2017, 9(4). (DOI: 10.1088/1758-5090/aa8fb8)
ESPUN：您在电纺丝领域的这一系列成果是否有产业化可能呢？
刘勇教授：电纺产业化的时代已经开始，目前中国已有不少于十家在做产业化的事情。尤其在口罩过滤方面，已经做得非常好，用静电纺丝技术制备的纳米纤维膜能够有效地阻隔PM2.5。将来随着工业化发展，我觉得会有更多的企业投入到静电纺丝方向中来。目前我的课题组也在尝试，如果有机会的话，我们也想把离心静电纺丝做到产业化。
ESPUN：您认为静电纺丝产业化的难点在哪？
刘勇教授：静电纺丝作为一项新技术，需要一个发展的过程。首先静电纺丝技术还未达到非常成熟的地步，仍在发展当中；另外静电纺丝产品的性能还有待于提高；第三，希望通过宣传推广，得到国家有关部门的重视，从而推动该产业的发展。目前静电纺丝技术及其产品作为一种新生事物，人们只是远观一下，如何让普通大众也能深入了解到静电纺丝产品的优良性能，需要得到广泛的宣传。希望大家一起努力，使静电纺丝产业得到快速发展，并学以致用，将各种先进研究转化成生产力，进而促进该产业造福社会。
ESPUN：您招研究生一般希望学生具备什么素质？
刘勇教授：我喜欢招具有独立意识，能够不怕困难的学生。因为在搞科研的过程中，你会发现任何一步往前走都会碰到或大或小的困难，在这个过程当中虽然会遇到困难，但是坚持克服困难的过程就是不断成长的过程，不仅自身收获非常大，相信研究成果也不差。所以，我一直很欣赏那些自主意识强，不停地向目标努力，克服所有困难的学生，对自己的学生我也一直这样要求他们。目前我的课题组有13人，未来计划再招几个博后，也欢迎对电纺感兴趣的学生报考我课题组。
