【叶博士在线】第五十四期 熔体电纺

本期“叶博士在线”的主题是【熔体电纺】！溶液静电纺丝法已经成为实验室内制备纳米纤维的通用手段，可使用大量有机...





本期“叶博士在线”的主题是熔体电纺！

溶液静电纺丝法已经成为实验室内制备纳米纤维的通用手段，可使用大量有机溶剂造成的纺丝效率低、成本高、环境污染等问题，限制了其工业化应用前景。熔体电纺则提供了另一种可能，它不需使用有机溶剂，成本低且纺丝效率高，若能通过技术改造与现有的熔纺/熔喷装置结合，则马上就能实现工业化生产。

熔体电纺也存在一些难点：聚合物熔体黏度高、导电性差，因此需要极高电场强度，容易发生静电击穿危险；装置复杂，需附加高温加热装置，容易和高压装置发生静电干扰；最关键的是纤维细化如果只靠静电牵伸作用，纺丝过程中射流遇冷迅速固化，导致制备的纤维直径多在微米级别，与熔喷相比并无突出优势。正因如此，熔体电纺近30年来进展缓慢。

国内一直坚持做熔体电纺的就是北京化工大学的杨卫民老师课题组，小编曾于2009年在天津举行的高分子年会上听过他们课题组刘勇老师的报告，那时候他们采用螺杆挤出机来进行了熔体电纺尝试。一晃几年过去了，杨老师在熔体电纺这个领域越做越深，也越来越好，小编还看到过他们开发的窗纱、口罩等产品宣传。今天要介绍的就是他们最近发表在《Fibersand Polymers》上的文章《LargeScaled Fabrication of Microfibers by Air-Suction Assisted Needleless MeltElectrospinning》，一起来看看最新的进展吧。



上图为改进的熔体电纺装置2D和3D示意图：纺丝头采用锥体形式，聚合物熔体通过重力作用在锥体表面流淌时，厚度会逐渐变薄，最终在锥体尖端在高压电场作用下形成大量射流，杨老师称其为微分纺丝法；高压电场连接在纺丝头下方中空圆盘电极上，锥体纺丝头接地，就避免了高压电场和加热丝之间的干扰；采用空气放大器提供空气吸力来辅助纺丝（类似纺粘无纺布），滚筒收集可以进一步提供机械牵伸力来细化纤维。

锥体纺丝头的好处在于避免了针头纺丝的堵塞问题，同时可以形成大量射流，提高纺丝效率。下图分别为电压30KV、35KV、40KV和45KV是的射流情况，锥体外径为26mm，随着电压增加，射流数量为30，38，50和80，进一步提高电压射流开始不稳定。在10min纺丝时间内，得到了质量为2.2g，大小为30cm*9 cm的聚丙烯无纺布，相较常规的溶液纺丝，效率大大提升。



装置的另一大改进是引入了空气放大器结构（只用少量压缩空气作为动力源，带动周围空气流动形成高压、高速气流，流量为耗气量的50倍）。原先为借鉴熔喷体系，在纺丝过程中引入空气喷吹，来细化纤维直径；本文采用的空气放大器，会形成空气抽吸作用，气流流速为10～20m/s，常温即可。比较几种方法制备的纤维平均直径及直径分布可以看到，空气喷吹辅助的熔体电纺确实降低了纤维直径，且比熔喷纤维直径更细，但是高速熔喷气流（110～300m/s）在接触到收集装置时，会出现回弹气流，导致纤维直径分布变宽，这也是为什么熔喷无纺布克重分布不均匀的原因。而空气抽吸辅助的熔体电纺，不仅纤维平均直径最细，为3.12mm，而且直径分布标准差只有0.19mm，远远小于熔喷的5.77 mm。



希望熔体电纺能早日实现工业化！

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