離心紡絲技術(shù)的新進(jìn)展

孫婉瑩+吳麗莉+陳廷

摘要：離心紡絲是一種生產(chǎn)納米纖維的新方法。它能實(shí)現(xiàn)納米纖維的規(guī)模化生產(chǎn)，是納米纖維生產(chǎn)技術(shù)上的一個(gè)重要突破。本文主要介紹了離心紡絲技術(shù)在設(shè)備和工藝上的最新發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞：離心紡絲；設(shè)備；工藝；新進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TQ340.64 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

New Developments of Centrifugal Spinning Technology

Abstract： Centrifugal spinning is a novel method for manufacturing nanofibers. It is a significant breakthrough in the nanofiber manufacturing technology because of its advantage of mass production of nanofibers. New developments of the equipment and technology for centrifugal spinning were introduced in this paper.

Key words： centrifugal spinning； equipment； technology； new developments

靜電紡絲是制備納米纖維的常用方法之一，其紡絲過程雖然簡(jiǎn)單可靠，但也存在一些問題，如生產(chǎn)過程需要高達(dá)上千伏的直流電壓，且難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。而離心紡絲的出現(xiàn)解決了這一問題。離心紡絲是聚合物溶液或熔體在高速旋轉(zhuǎn)的裝置下，受到離心力的作用，從噴絲孔中擠出并拉伸成纖維的方法。這是一種既能用熔體又能用溶液作為原料制備納米纖維的方法，其適用原料廣泛，能實(shí)現(xiàn)納米纖維的規(guī)?；a(chǎn)，是納米纖維生產(chǎn)技術(shù)上的一個(gè)重要突破。離心紡絲設(shè)備和工藝的發(fā)展除了單一技術(shù)的完善外，還體現(xiàn)出多種技術(shù)相互結(jié)合的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在離心紡絲與其他紡絲方法相結(jié)合用于生產(chǎn)納米纖維。

1 常規(guī)離心紡絲裝置

最早的離心紡絲出現(xiàn)在1924年，Hooper發(fā)明的離心噴嘴能將纖維膠及其相似物紡制成人造絲。此后，眾多研究者致力于離心紡絲裝置的研發(fā)。目前實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)的離心紡絲設(shè)備主要是FibeRio公司研發(fā)的，其原理如圖1所示。通過發(fā)展Forcespinning技術(shù)，該公司設(shè)計(jì)出一系列納米纖維生產(chǎn)設(shè)備，在降低成本、實(shí)現(xiàn)原料多樣化的同時(shí)大幅提高了生產(chǎn)效率。

Fiber Engine FX系列是FibeRio公司在2014年底研發(fā)成功的最新的離心紡絲設(shè)備。該設(shè)備能嵌入到熔噴或者其他非織造材料的生產(chǎn)過程中，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于過濾領(lǐng)域。Fiber Engine FX系列具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）總產(chǎn)量高達(dá)200g/min，生產(chǎn)速度高達(dá)200m/min。產(chǎn)量是Fiber Engine FS系列的10倍；（2）原料不依賴于聚合物的導(dǎo)電性或水溶性，可以是溶液，也可以是熔體，最高熔融溫度達(dá)到350 ℃。如此廣泛的原料為新型納米纖維的制備提供了可能性；（3）成本和能耗降低，生產(chǎn)效益高。在溶液紡絲過程中，溶劑濃度更低；在熔體紡絲過程中，熔體利用率幾乎為100%；（4）產(chǎn)品的過濾效率高、透氣性好。

2 溶液離心靜電紡絲裝置

靜電紡絲的缺點(diǎn)是纖維產(chǎn)量低，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。將離心紡絲和靜電紡絲相結(jié)合，可以提高生產(chǎn)效率。

瑞士Rieter公司和德國(guó)ITV研究所共同研發(fā)出一種離心紡絲設(shè)備。該設(shè)備將離心力和靜電力相結(jié)合，所得纖維直徑可小于80nm，纖網(wǎng)均勻度比靜電紡絲更好。且其3個(gè)噴絲頭擠出量是常規(guī)1250個(gè)噴嘴的靜電紡絲設(shè)備的1000倍，這意味著這種離心靜電紡絲設(shè)備可大大提高纖維的產(chǎn)量。

李世江等結(jié)合離心紡絲技術(shù)與靜電紡絲技術(shù)，發(fā)明了一種離心式靜電紡絲裝置。他們?cè)?0～100目金屬網(wǎng)眼的裝置中制得了5～1000nm的纖維。該裝置將金屬旋轉(zhuǎn)甩筒作為電極和噴頭使用，旋轉(zhuǎn)甩筒上的金屬網(wǎng)眼相當(dāng)于噴絲孔。這種裝置在工作時(shí)，利用離心力將紡絲液從網(wǎng)眼中甩出，在靜電力的作用下，將纖維收集到收集器上。與傳統(tǒng)的靜電紡絲噴絲頭相比，這種裝置不僅可以避免噴絲孔（即網(wǎng)眼）堵塞，而且噴絲孔數(shù)量大大增加。大量的噴絲孔以及高速旋轉(zhuǎn)的金屬甩筒能夠提高生產(chǎn)效率。

鄒守寶等發(fā)明了具有樹枝狀分布紡絲槽的離心靜電紡絲設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)紡制納米纖維。紡絲槽內(nèi)徑最小可達(dá)0.1mm。與針筒式靜電紡絲相比，其優(yōu)勢(shì)是易于清洗，避免溶液堵塞噴絲孔。紡絲槽的紡絲液入口數(shù)量與出口數(shù)量呈2n的函數(shù)關(guān)系，這不但有利于溶液的進(jìn)一步分流，而且能有效地提高纖維的產(chǎn)量。

Kancheva等研制了一種高速離心靜電紡絲設(shè)備，其原理如圖 2 所示。通過高速旋轉(zhuǎn)的紡絲液喂給器和固定的接收器，在靜電力和離心力的共同作用下，將聚合物溶液制成雜亂纖網(wǎng)或整齊排列的纖網(wǎng)。研究表明：（1）纖網(wǎng)的斷裂強(qiáng)力隨著噴嘴數(shù)量的增加而增大。當(dāng)用于紡絲的噴嘴個(gè)數(shù)為1、2、3 和4個(gè)時(shí)，纖網(wǎng)的斷裂強(qiáng)力分別是1.5、2.7、3.5和3.7 MPa；（2）同時(shí)使用4個(gè)噴嘴制備2200cm2的纖網(wǎng)所需時(shí)間最少（不到20min）。由此可見，增加喂給器的噴嘴個(gè)數(shù)，不但可以縮短生產(chǎn)時(shí)間，還可以提高纖網(wǎng)的機(jī)械性能。

3 離心靜電紡絲裝置

絕大多數(shù)納米纖維是用溶液紡絲方法制備的，這種方法不僅需要對(duì)溶劑進(jìn)行回收利用從而增加能耗和成本，而且可能存在溶劑殘留、溶劑污染環(huán)境等問題。而熔體靜電紡絲方法雖然沒有環(huán)境污染的問題，但很難大規(guī)模制備納米纖維。為解決這些問題，離心式熔體紡絲應(yīng)運(yùn)而生。

黃滔等發(fā)明了一種利用高速旋轉(zhuǎn)的分配盤將紡絲熔體制成納米纖維的設(shè)備。其生產(chǎn)過程為：聚合物熔體進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的分配盤，形成薄膜并向分配盤邊緣排出；旋轉(zhuǎn)分配盤和纖維收集器之間形成靜電場(chǎng)，使排出的聚合物熔體在離心力、靜電力的作用下拉伸變細(xì)，形成直徑小于1000nm的纖維。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)之一是紡絲原料多樣化，特別是多組分體系（例如復(fù)合物和共混物）更易于紡絲。該設(shè)備的一個(gè)應(yīng)用是生產(chǎn)由聚乙烯和聚丙烯制成的聚烯烴納米纖維。

劉勇等研發(fā)出一種離心式靜電紡絲設(shè)備，包括電源、供料部件、測(cè)溫部件、紡絲部件及接收部件，如圖3所示。這種設(shè)備的特點(diǎn)是兩端開有噴絲頭的儲(chǔ)液槽與旋轉(zhuǎn)軸相連，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液槽的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力。接收部件和紡絲部件之間有高壓靜電場(chǎng)，形成靜電力；纖維在離心力和靜電力的共同作用下拉伸變細(xì)，形成超細(xì)纖維。同時(shí)，多個(gè)噴絲頭大大提高了纖維生產(chǎn)效率，從而解決了熔體靜電紡絲無法大批量生產(chǎn)直徑在500nm以下的纖維的問題。

4 氣流輔助熔體離心紡絲裝置

熔體離心紡絲制備的纖維直徑較粗，纖維的細(xì)化主要靠提高轉(zhuǎn)速或減小噴絲孔直徑來實(shí)現(xiàn)。然而，微小孔徑的加工相當(dāng)困難，轉(zhuǎn)速過高又會(huì)帶來安全問題。而且在熔體離心紡絲過程中容易形成熔體飛濺從而造成纖網(wǎng)不勻。為解決這些問題，氣流輔助熔體離心紡絲裝置就出現(xiàn)了。

Jin研制了氣流輔助熔體離心紡絲裝置。該裝置由聚合物喂給器、聚合物加熱器、氣體噴射器以及旋轉(zhuǎn)盤等組成。聚合物從喂給器進(jìn)入加熱器進(jìn)行熔融形成熔體。熔體在熱氣流的輔助作用下進(jìn)入旋轉(zhuǎn)著的旋轉(zhuǎn)盤，在離心力作用下從噴絲孔中甩出并拉伸變細(xì)形成納米纖維。

楊衛(wèi)民等發(fā)明了氣流輔助熔體微分的離心紡絲設(shè)備，如圖 4 所示。該設(shè)備在熔體紡絲設(shè)備上添加離心微分盤，熔體進(jìn)入離心微分盤后獲得初始速度，經(jīng)過均化后受到高速氣流力、離心力及錐面附著力的作用而分流并甩出，最后獲得超細(xì)纖維。該設(shè)備的特點(diǎn)是：（1）微分盤及氣流輔助的作用使得纖維直徑大幅度減??；（2）高速旋轉(zhuǎn)的微分盤能使熔體迅速變成纖維，提高了生產(chǎn)效率；（3）這種設(shè)備能在不改變噴絲孔結(jié)構(gòu)的情況下使熔體微分細(xì)化更加均勻，所制得的纖維性能優(yōu)異，纖網(wǎng)克重大、取向明顯。

5 離心紡絲工藝研究

在離心紡絲過程中，影響纖維形貌和直徑的參數(shù)很多，包括轉(zhuǎn)速、紡絲液濃度、噴絲頭幾何形狀以及噴絲頭到收集裝置的距離等。眾多研究者在這方面做出了貢獻(xiàn)，其中以Lozano課題組研究最多。他們發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于轉(zhuǎn)速和紡絲液濃度而言，噴絲頭到收集裝置的距離對(duì)纖維直徑的影響很小；對(duì)纖維形貌和直徑影響最大的是紡絲液濃度。此外，還發(fā)現(xiàn)：紡制聚乙烯醇縮丁醛（PVB）納米纖維時(shí)，當(dāng)紡絲液濃度為11%、12%、13%、14%時(shí)，制得的纖維平均直徑分別為400 nm、550 nm、720 nm及 1 μm?？梢?，在一定范圍內(nèi)，纖維直徑隨紡絲液濃度的減小而減小。這是由于紡絲液濃度的減小造成其粘度減小，同時(shí)射流在溶劑揮發(fā)之前得到了充分的拉伸。當(dāng)紡絲液濃度低于12%時(shí)，離心紡絲所得到的纖維多呈珠鏈狀；隨著紡絲液濃度的增加，纖維直徑增大，但纖維上的珠子會(huì)減少。他們?cè)?015年發(fā)表的一篇文章中從受力分析的角度解釋了產(chǎn)生這種影響的原因，即這是由紡絲液的表面張力、粘彈力和離心力共同作用產(chǎn)生的。表面張力使得纖維表面積趨向于最小，形成珠子，它是射流從噴絲孔噴出后形成串珠狀纖維的始作俑者；而離心力和粘彈力則有利于細(xì)長(zhǎng)纖維的形成。

Salinas等將離心紡絲工藝與微波照射工藝相結(jié)合，用聚苯乙烯和聚羧甲基硅烷制備出β-SiC超細(xì)纖維，其平均直徑為270 nm ～ 2 μm。微波照射的目的是提高β-SiC纖維的結(jié)晶度。用這種方法生產(chǎn)纖維不僅產(chǎn)量高，而且纖維直徑小、無串珠狀纖維、纖網(wǎng)均勻度好，可應(yīng)用于纖維復(fù)合增強(qiáng)和耐高溫過濾等領(lǐng)域。

6 結(jié)語

離心紡絲技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用雖然尚處于起步階段，但成本低、原料限制性小、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益高、產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)使其具有廣闊的市場(chǎng)潛力和發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：孫婉瑩，女，1990年生，碩士在讀。

通訊作者：陳 廷，E-mail：tingchen@suda.edu.cn。

作者單位：蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：51303121）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助課題（編號(hào)：20123201120015）；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：2015M571808）。