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静电纺丝制备有序纳米纤维的研究进展

文章作者:纺织皮革 上传时间:2020-05-07

项目名称:自由液面多射流静电纺非织造材料制备关键技术及产业化

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项目完成单位:东华大学、苏州九一高科无纺设备有限公司、中原工学院、苏州金泉新材料股份有限公司、苏州康富特环境科技有限公司、河南工程学院、长垣虎泰无纺布有限公司

纳米纤维是擗亢径处在纳米尺度范闱(1~100nm)内的纤维,它具有孔隙率高、比表面积大、长径比大、表面能和活性高、纤维精细程度和均一性高等特点。静电纺丝法是目前制备纳米级或微米级纤维最常用最有效的方法。相比于其它的方法,此方法装置简单、操作灵活,而且可以适用于大部分聚合物的连续电纺,已经得到了广泛的关注。通过静电纺丝制得的纳米纤维,有着广泛的应用领域,比如:过滤、生物组织工程、复合增强、传感器、防护服等。因为纺丝过程中存在着一种不稳定“鞭动”的状态,使得接收到的纤维往往是杂乱无章的,所以用传统的静电纺丝方法很难制备单根纳米纤维。但是在很多领域中需要用到特定形貌的有序纳米纤维,比如说在场效应管、气体及光学传感器等微纳米设备的制造和大于血管中等。因此静电纺丝制备有序纳米纤维成为了目前研究的热点。1、静电纺丝的基本原理

纺织工业是我国支柱产业,其中产业用纺织品占比已超过25%。然而国内此类材料存在低端同质化现象严重,高附加值、功能性产品严重依赖进口的瓶颈问题。静电纺制备的微纳米纤维非织造材料具有高比表面积、高吸附特性,可制备高效低阻过滤材料、定向扩散导水卫生材料等高附加值产业用纺织品,是我国“十三五”规划纺织工业重点发展方向之一。然而现有静电纺技术存在纺丝过程不稳定、纤维直径离散大、无法规模化制备等难题。为破解这一困境,该项目在国家科技支撑计划、国家自然科学基金、中国纺织工业联合会科技指导性项目资助下,历经十几年攻关,实现了自由液面多射流静电纺微纳米纤维非织造材料的可控稳定量产,通过与纺粘热轧、热风等非织造基材复合,为高附加值、功能性微纳米非织造材料产业化提供解决方案。

传统的静电纺丝装置主要由毛细管、收集装置、精密注射泵和高压电源叫部分组成,如图1所示。在静电纺丝的起始阶段,聚合物流体因表面张力作用贮积在毛细管内不外流。当外加电场开始作用于毛细管顶端,流体表面会产生大量静电荷。毛细管顶端液滴的表面张力受静电斥力削弱,被逐渐拉长形成带电锥体,即泰勒锥。当电场强度增大到临界值时,流体表面的电荷斥力大于表面张力,带电流体就会从泰勒锥的顶点喷射出来,形成带电射流。射流前先拉伸成直线至一定距高,然后弯曲,进而呈循环形或螺旋形路径运动。静电力伎射流伸长数千倍甚至数万倍,于是射流变得非常细。最后济剂挥发凝结或熔融体冷却同化形成聚合物纤维,在电场力作用下沉积在接地收集板上。

该项目创新性成果:(1)建立了单射流可控射流拉伸的微纳米纤维直径精准控制制备理论,建立了介质诱导下的射流拉伸细化模型,解决了微纳米纤维纺程不可控、直径离散度不可控的难题,将微纳米纤维直径CV值降低到30%以下。(2)构建了动态平衡自由液面多射流控制理论,研发出系列空间对称自由液面纺丝喷头,多射流间距仅为5mm,包络角稳定在100,纤维直径CV值降至15%以下,实现纤维直径分布大幅减小,单喷头产能250mL/小时以上,是传统针头的160倍。(3)发明了纵横向多模块相位补偿成网技术,分别实现了微纳米纤维梯度可变嵌入(横向)成网以及高取向(纵向)成网,为微纳米窄分布纤维非织造过滤材料和取向导湿定向扩散导水卫生材料的产业化制备奠定基础。项目组研发的1800mm幅宽4模块8喷头生产线年产能达到150万平方米以上。(4)研究了直径和孔隙梯度结构的微纳米非织造材料与PP/PE双组分热风基材的低速亚熔点热轧复合以及双向热风高速复合技术,制备的过滤材料滤效>99.999%,滤阻<106Pa;开发出PLA/ES基材的高取向PLA微纳米纤维复合热风工艺,制备的定向扩散导水卫生材料,不同方向液体扩散速比>6,液体穿透速率>3mL/s•cm2。

32007.com太阳集团,2 、有序纳米纤维的制备 由于聚合物射流的飞行轨迹是山自身无规则的运动造成的,故控制射流的飞行轨迹是相当困难的。目前有序纳米纤维的收集方法,主要分为两大类,一类是通过改进收集装置或采用某些机械结构从而改变电场、磁场、流场加以辅助控制获舣取有序纳米纤维。另一类是直接利用静电纺丝的直线射流阶段,避免射流的小规则运动阶段从而直写出有序纳米纤维。薄碟式收集极

该项目获授权国家专利46项,制定行业标准1项,发表SCI论文50篇,形成完整的知识产权体系。项目成果已实现推广应用,形成微纳米非织造材料生产线7条,近三年生产微纳米纤维复合非织造材料7175.6吨,新增营收2.41亿元,新增利润达到3556万元。成果鉴定结果表明:项目总体技术达到国际先进水平。

2001年,Theron等人采用用一个边缘尖锐的旋转的圆盘等机械装置进行纤维的收集,如图2。圆盘的边缘的集合尺度微小,使得电场充分集中,吸引了绝大多数纳米纤维,而且可以连续收集。这种方法已经成功的收集到于直径在100~400nm的有序排列的聚氧化乙烯纳米纤维。但是此种方法的缺点是随着圆盘边缘收集的纤维逐渐变厚,电场力逐渐减小,在同样的转速下,收集到的纤维有序度会明显降低。圆盘收集的纤维有序性虽然好,可是纤维只能收集在圆盘的棱上,接收区域极其有限。

外场式收集极

经典的静电纺丝中,喷出的溶液在到达收集极前是杂乱无章的,Deitzel等人在喷头与收集极之间添加于几个通正电的相连金属环,环与环之间是等间距的,如图3。实验中,他们将喷头和金属环通上+5~+15KV的电压,而收集极上却是一9~-12KV的电压。由于所加的金属环产生的电场是比较规则的,所以当纤维被喷出时会被此规则电场束缚,以至于沉积到收集极上的纳米纤维的有序度有一定程度的提高。山于此种方法能够将纤维束缚在圆形环之内,故此种方法对于纤维的可控沉积定位有着巨大的优势,缺点是装置复杂,圆环上需要通上正电压。

分离式收集极

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