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天津工业大学程博闻团队:溶液喷射纺纳米纤维制备技术及其应用进展
2018/8/10 9:02:04 纺织学报 0 条评论 邀请点评

溶液喷射纺纳米纤维制备技术及其应用进展

本文作者:王航,庄旭品,董锋,石磊,康卫民,徐先林,程博闻

作者单位:

1.天津工业大学 分离膜与膜过程国家重点实验室 

2.天津工业大学 纺织学院

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研究背景 

纳米纤维相比于常规纤维,具有高比表面积、超高长径比等优异性能,在过滤、吸附、防护材料、催化剂以及复合材料等方面具有很好的应用前景。纳米纤维的制备方法主要有离心纺丝法、纳米刻蚀技术、自组装技术、溶液喷射纺丝以及静电纺丝等方法。其中静电纺丝技术是目前为研究者所熟知的可制备连续纳米纤维的有效方法,其原理是通过高压电场的作用对聚合物溶液或熔体进行拉伸细化,从而得到纳米级纤维。而溶液喷射纺丝技术作为近年来新兴起的新型纳米纤维制备技术,受到了国内外科研工作者的广泛关注。

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 论文研究目的

本文系统综述了溶液喷射纺丝技术的基础研究及其纤维应用等方面的研究进展,并对溶液喷射纺丝技术的未来发展前景进行了展望,以期为溶液喷射纺丝技术的进一步研究提供参考依据。

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论文重点研究内容

1.溶液喷射纺丝机制及技术

溶液喷射纺丝技术最早是由Medeiros等结合熔喷技术和干法纺丝技术特点而提出的纳米纤维制备技术。该技术的基本原理是利用高速气流对溶液细流进行超细拉伸,并伴随着溶剂蒸发而固化为纳米纤维,原理简图如图1所示。

图1  溶液喷射纺丝过程示意图

溶液喷射纺丝技术与熔喷和静电纺丝技术相比具有明显优势。与熔喷成网技术相比:原料适用性广,由于很多聚合物无法熔融或其热分解温度低于熔融温度(聚丙烯腈等),从而无法利用熔喷技术纺制纤维;纤维直径更细,聚合物溶液相比于熔融态的黏度更小,所以溶液喷射纺丝技术最终形成的纤维直径更细;无需高温加热设备,因而工艺能耗低、装置简单。与静电纺丝技术相比:溶液喷射纺丝技术生产效率高,其单针头纺丝速度可达静电纺丝速度的10倍;无需高压电场及相关配套保护装置,生产操作灵活、简单,更适合于工业化生产。最重要的是,与上述2种制备技术相比,溶液喷射纺丝技术可直接将纤维沉积到任何材料的表面,如常规的多孔成网帘、实验桌台面等,甚至在生物组织表面,因此,利用该方法还可实现廉价和可移动的手持简易纺丝设备,从而大大促进纺丝设备的小型化、简易化进程。

2.溶液喷射纺纤维形貌与结构调控

相比于静电纺纳米纤维,溶液喷射纳米纤维网最显著的特点是三维卷曲,二者对比如图2所示。此外,其制备的材料具有结构蓬松、孔隙率高(可95%以上)等特点。同时,溶液喷射纺纳米纤维直径相比于静电纺纤维分布范围更广,小至几十纳米,大则可达几微米。纳米纤维的可控制备是纺丝技术是否成熟的一个重要标志,而溶液喷射纺纳米纤维的微观形貌、结构等主要可以通过溶液聚合物的分子量、浓度、黏度以及过程变量(如气体压力、聚合物溶液流量)等参数进行控制。

图2 溶液喷射纺与静电纺丝PVDF纳米纤维对比图

3.溶液喷射纺纳米纤维的应用

溶液喷射纺丝纳米纤维具有很高的孔隙率、比表面积以及良好的透气性,通过相关参数的控制,可实现纳米纤维形貌、孔隙结构的调控。最重要的是溶液喷射丝技术提供了一种简易控制的批量化纳米纤维制备方法,因此,溶液喷射纺纳米纤维凭借其结构及制备方面的优势可在创口敷料、细胞载体骨架、过滤材料、电池材料、生化防护材料、亲和吸附材料、传感器等领域广泛应用。

3.1 生物医用材料

高孔隙率的纳米纤维应用于生物医用材料中,可促进细胞增殖、分化和浸润,因此,是医用敷料和细胞载体的理想材料。此外,溶液喷射纺丝技术可将纤维直接沉积在目标材料的表面,甚至生物组织表面,因此,利用溶液喷射纺丝技术的这种特性,选择低毒和具有生物相容性的聚合物和溶剂材料,可制备快速、高效医用创口材料。

3.2 过滤材料

溶液喷射纺纳米纤维毡具有独特的三维卷曲结构、高孔隙率及微孔孔隙,同时其内部空间有高相互关联性,因此,作为过滤材料具有高通量、低阻力的优势。

3.3 电极材料

碳材料以比表面积大、可塑性高、可直接用作电极等优势,在电极材料应用方面受到广泛关注。利用纳米纤维制备技术制备前驱体,经过烧结工艺得到连续的碳纳米纤维,这种方法操作简单,制备效率高,已成为国内外研究者制备碳纳米纤维的最主要方法。溶液喷射纺纳米纤维凭借其稳定的结构优势,在电极材料领域也逐渐得到研究者的重视。

3.4 吸附材料

溶液喷射纺纳米纤维膜内部具有极高孔隙率和大的比表面积,相比于传统的吸附、亲和膜,更有利于膜材料与目标分子或离子发生作用,因而溶液喷射纺丝技术在吸附材料中有广泛应用。

3.5 其他应用材料

溶液喷射纺丝技术凭借其制备纳米纤维的高效性及孔隙结构方面的优势,在致密复合膜材料和高温超导材料等领域也具有广阔的应用前景。

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结束语 

作为一种新型而高效的纳米纤维制备技术,溶液喷射纺丝技术在近年来取得了快速发展。基于聚合物溶液浓度、牵伸风速和纤维直径的基本关系方面,国内外科研工作者做了许多探索研究工作,不断致力于对设备纺丝工艺的改善及产品的应用性研究。但相比于已经相对成熟的静电纺丝技术,溶液喷射纺丝技术还存在许多缺陷与不足,尤其是在基础理论研究及材料应用研究方面,尚需不断完善和发展。

然而从另一方面来讲,溶液喷射纺丝技术简易的操作方法和较低的设备配置为研究者不断开发纳米纤维的新型应用研究工作提供了便利。在纤维结构方面,溶液喷射纺纳米纤维具有明显区别于静电纺纳米纤维的独特纤维形态结构(如三维卷曲、孔隙率高等),并凭借其结构方面的优势,在医用、过滤、电极、吸附及电池隔膜材料方面得到了广泛应用。溶液喷射纺丝技术可转化为手持简易纺丝设备,再加上其纳米纤维的易附着、沉积的特性,如能在相关技术上得到突破,相信其在未来的手持式快速伤口敷料材料的应用上必将前景广阔。溶液喷射纺丝技术的纺丝效率可达静电纺技术的10倍甚至更多,同时不需要高压电场,能源消耗低,设备配置简单,在纳米纤维的批量化商业生产上,该技术提供了一种崭新并具有前景的技术路线。

作者团队介绍

天津工业大学“新型纤维与非织造材料”创新团队依托天津工业大学纺织工程国家重点学科,整合校内各学科优势资源,以分离膜与膜过程省部共建国家重点实验室、高性能纤维及纺织复合材料制备技术国家地方联合工程研究中心为平台,面向我国在环境保护、医疗卫生、国防、能源等领域对产业用纺织品及其应用技术的重大需求,以产业用纤维新材料为先导,以新型非织造材料关键技术为核心,以产业用纺织品技术的创新和应用为研究重点,紧密围绕学科发展前沿,加强自主创新能力和产学研交叉融合,开发具有自主知识产权的新技术、新方法和新产品,组建成了目前国内具有鲜明特色的集纤维材料设计和制备、非织造布加工和应用等为一体的创新团队和研究开发基地;团队以中青年专家为骨干,培养和造就了一大批高水平创新性人才,现拥有“百千万”人才工程国家级人选1人、天津市131第一层人才4人、天津市青年科技奖获得者1人、全国纺织青年科技创新人才1人,团队获批天津市131创新人才团队和天津市高校学科创新团队滚动支持,团队在国内外学术界具有较强影响力和创新潜力。

团队在产业用纤维材料、非织造材料和功能纺织品等方面紧密合作和共同攻关,承担了国家863计划、国家973计划、国家支撑计划、国防科工局军品配套项目、国家自然科学基金、天津市科委、中石化委等课题近百项,取得了多项具有自主知识产权并达到国际先进水平的研究成果,获得国家科技奖3项、省部级科技奖20余项,近年来发表SCI收录论文300多篇,获授权中国发明专利120多项,获国家专利优秀奖1项,天津市专利金奖1项。

团队积极参与教学和人才培养工作,积极推动国际交流与合作,参与非织造材料与工程精品专业和国家特色专业建设,获教学成果奖3项。

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文章关键词: 静电纺丝 , 程博闻 , 天津工业大学
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