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小小静电场,纺丝大事业
2018/5/11 14:04:09 易丝帮 2 条评论 邀请点评

小小静电场,纺丝大事业

——访北京化工大学的杨冬芝教授

编者按:北京化工大学杨冬芝教授可称得上是国内较早从事静电纺丝研究人员之一。自2003年入清华大学高分子所博士后流动站工作伊始,首次接触到静电纺丝,到2005年入北京化工大学工作直至现在,杨教授一直从事微纳米纤维结构设计、加工及应用方面的研究。从最初的纯应用基础研究,如电纺成型、结构设计、机理研究,到后期主攻纤维的构效关系、功能化应用,她不断提升北京化工大学在静电纺丝方向的影响力,发表英文SCI论文50余篇,授权专利10项。其中的特色工作解决了天然大分子纳米纤维膜生物相容性佳、电纺成型难的问题,得到国内外同行的的肯定。近三年,杨教授又在石墨烯基纤维的结构设计、制备加工及在能源领域应用中取得可喜的科研成果日前,杨冬芝教授接受了易丝帮(www.espun.cn)的专访。

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?

杨冬芝教授:2003-2005年,我在清华大学化工系做博士后期间首次接触静电纺丝,最初的感觉是这项技术很神奇,一台简单的高压静电发生器,就可以带领我们进入神奇的纳米世界,当时的研究主要是将纳米纤维应用于生物材料领域,在2003年,首次将这一研究在会上上作特邀报告。(1.胡平,张璐,杨冬芝. 皮肤组织工程相关材料与技术.(特邀报告) 中华医学会烧伤外科学分会成立廿周年庆典暨烧伤学术会议论文集. 7-11,北京,2003年9月3日-5日. 2.胡平,张璐,方壮熙,杨冬芝. 电纺丝及其在生物医用材料中的应用.(特邀报告)第三届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集. 12-18,北京,2003年12月3日-5日.)

回望过去,看似小小的静电场,实则是一项纺丝大事业。2005年到北京化工大学工作之后,我将这一研究方向作为自己的主攻方向,由于静电纺丝技术具有创新性,有前景、纳米化、技术普适性强、设备投资少、应用领域广的特点,这一研究方向也得到了学校和院系领导的大力支持,时至今日,我们课题组在这一研究方向上已经砥砺前行12年。我们的团队侧重于微纳米纤维的各种微观结构设计,针对静电纺丝这一加工方式可以应用在多种交叉学科的特点,在相关领域开展研究。我们的研究从纤维的定向结构、仿生结构(如仿中空竹子、细颈、核壳结构、多孔结构、海岛结构、仿珊瑚结构、针、棒等)、多尺度结构(树枝状多级结构、多级孔结构)到1D-2D-3D材料结构构筑,纳米纤维的构效关系神奇而充满魔力,如纤维表面的海岛结构,可以增加纤维的生物相容性,作为生物支架材料使用;作为柔性超级电容器电极材料,仿中空竹子结构能够解决纳米碳纤维的柔性问题,而多通道、多级孔结构可提升纤维的比表面积,增加电解液的浸润性。这其中的奥秘让人忍不住去探索,并深陷其中。

1 多种不同纳米纤维的结构设计

ESPUN:您在纳米材料以及静电纺纳米纤维用于生物材料、光催化、能源材料等领域都颇有建树,能否向我们介绍下课题组的研究成果?

杨冬芝教授:在过去12年的科研过程中,最初我们的研究方向主要侧重在天然纳米纤维用于生物材料领域,例如药物载体释放膜、面膜、中药膜;组织工程支架领域,如骨组织工程支架、皮肤组织工程支架等。当中具有特色的研究是应用壳聚糖、胶原、明胶等天然高分子为基材,构建生物相容性好的医学材料相关的研究成果发表在Macromolecules, Biomacromolecules, Macromolecular Bioscience, Journal of Controlled Release, Acta Biomaterialia , Carbohydrate Polymers等杂志上

2013年开始,课题组将纳米纤维膜的结构设计瞄准光催化污染物的降解、水处理领域、柔性电极材料领域。将目前工业上应用最广泛的光催化剂二氧化钛、以及光催化降解速度最快的纳米磷酸银与静电纺丝有效结构,构建具有快速可见光响应特性的可循环再生利用的膜材料,同一般的粉末状光催化剂相比,不会造成二次污染,可以配合于分离膜使用,循环利用性好。此外,我们将石墨烯的快速吸附特性与电纺丝技术结合,实现10分钟内将有机染料、金属离子等快速吸附分离。利用电纺丝的比表面积大、孔隙率可调的特点,设计超级电容器电极材料,目前已经在柔性电极的相关性能方面取得很好的突破性进展。

ESPUN:您课题组在这些领域的研究能取得这些丰硕成果的原因是什么?

杨冬芝教授:除了导师以外,团队的研究氛围非常重要,博士、硕士对这一方向非常热爱,刻苦勤奋,研究出成果相对较快,每每调控出一种具有新功能的结构,对下一步的研究推动和激发热情都起到了催化剂的作用。

ESPUN:这些成果在学术界价值是什么呢?与其他成果的显著进步在于哪里?

杨冬芝教授:这些成果的学术价值在于纤维的微结构调控,利用高分子物理、化学的基础理论,通过在电场中调控纤维的结构,如核壳结构、多孔结构、海岛结构等,而一些结构调控是有普适性的,可以根据结构需要去选择材料,按照理论设计出期望的结构。与其他同类成果相比,我们在结构和材料设计上更侧重于应用前景,选择材料不追求于新,而着重选择那些工业常用材料,重点考虑成本、环保、性能、工艺。

ESPUN:课题组未来计划如何加强这些领域的研究,打算在哪些方向上还有出重大成果的计划?

杨冬芝教授:未来我们主要围绕生物、环境、能源应用方向的功能化、产业化道路去发展。目前课题组的博士和硕士联合团队正在进行集中攻关,把重点放在环境领域(如吸附、催化降解)和能源领域(如柔性超级电容器电极材料)。

ESPUN:您在电纺丝领域的这一系列成果是否有产业化可能呢?您目前有计划吗?

杨冬芝教授:近几年,环保、医学、能源材料等领域,与静电纺丝有关的产品如雨后春笋般进入等市场,虽然某些产品还有待进一步完善,但这一快速发展趋势和市场的高度认可和急切的需求让我们更加坚定信心,静电纺丝是一项非常有产业化应用前景的高科技技术。相信未来在能源领域,如电池隔膜、超级电容器电极、环保领域,如工业烟尘过滤、空气净化、废水处理、海水淡化、特种分离、医学领域,如伤口敷料、手术隔膜、组织工程支架等,每一种纤维结构,每一种特定功能,产品都会不断推陈出新。我们以市场需求为导向开展我们的研究课题,也在积极寻找机会,走向电纺产业化的道路。

ESPUN:您对纳米材料领域有何展望?

杨冬芝教授:学科与领域之间的交叉与拓展很重要,随着电纺丝技术和工艺的完善,一些基本的工业化放大难题已经逐步被攻克,静电纺丝发展冲破瓶颈期,从基础研究已经在快速走向工业化,真正走向了现实生活。电纺纳米纤维的成本在不断下降,功能在逐步完善,一些新的高端领域,比如军工领域、电子、传感等领域会有更多新产品出现。

ESPUN:您对有志从事该领域科学研究的学生有什么建议?

杨冬芝教授:对目前正在从事和以后即将从事静电纺丝研究的学生,我希望大家在科研和学习中坚定信念。科学技术是相通的,只有把基础理论知识学好,把基础打好,相信在纳米材料和纳米技术领域会大展宏图。

文章关键词: 光催化,水处理,柔性电极
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  • 徐波 2019/5/28 15:18:42
  • 学习了!
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  • 艾叶香 2018/11/27 9:53:02
  • 学习了!静电纺丝技术成功应用到纺丝领域,成就的不仅仅是纺丝事业,与之相关联的交叉行业同样获利匪浅。
  • 回复 0 条回复 收起回复 0

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