離心紡絲的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

范燕生　夏磊

【摘 要】本文首先對(duì)離心紡絲技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了綜述。其次，結(jié)合離心紡絲技術(shù)特點(diǎn)以及所成纖維的結(jié)構(gòu)性能，分別從生物領(lǐng)域的應(yīng)用，電池隔膜制備等幾個(gè)方面，介紹了離心紡絲技術(shù)在這些領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。此外，尚有更多的領(lǐng)域有待離心紡絲技術(shù)及產(chǎn)品的進(jìn)入。將離心紡絲技術(shù)與其它方法的結(jié)合使用，也是離心紡絲技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。

【關(guān)鍵詞】離心紡絲；離心紡絲設(shè)備；納米纖維；應(yīng)用

納米纖維具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，其比表面積大，透濕透氣性能好，孔隙率高，具有極強(qiáng)的吸附力和較好的過濾性和阻隔性。利用納米纖維的這些特性，可制作過濾材料，其過濾效率較常規(guī)的過濾材料效率大大提高，并可有效地應(yīng)用于原子工業(yè)、無菌室等。近年來，生產(chǎn)納米纖維常用的方法有相分離，模板合成，自組裝以及靜電紡絲等。但這些生產(chǎn)方法都具有一定的局限性。離心紡絲作為一種新型技術(shù)，其產(chǎn)量高、生產(chǎn)速度快、對(duì)紡絲溶液要求低，不需要使用高電壓。它的技術(shù)特點(diǎn)可以彌補(bǔ)上述納米纖維制備方法的局限，為納米纖維的制備提供新的發(fā)展空間。

1 離心紡絲技術(shù)介紹

離心紡絲是一種新型的納米纖維制備技術(shù)，在高速旋轉(zhuǎn)的離心紡絲裝置產(chǎn)生的離心力作用下，聚合物溶液或熔體由噴絲孔甩出成纖。

2 離心紡絲技術(shù)的發(fā)展

1924年，美國專利US1500931[1]中介紹了一種離心紡絲設(shè)備，主要用于將纖維膠紡成人造絲線。

19世紀(jì)60年代，離心紡絲最初被用來生產(chǎn)玻璃纖維[2]，所成纖維直徑達(dá)數(shù)十微米、纖維長度達(dá)數(shù)厘米，且具有一定的強(qiáng)力。1970年，Chen和Miller[3]利用離心紡絲技術(shù)生產(chǎn)出合金纖維，合金纖維的力學(xué)性能有所提高。

1995年，專利US5460498[4]在上述裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入高速氣流對(duì)射流做進(jìn)一步牽伸。1996年，專利US5494616[5]設(shè)計(jì)了一系列不同結(jié)構(gòu)的紡絲模頭。這些都在一定程度上改善了纖維的品質(zhì)。

李世江等[6]結(jié)合離心紡絲技術(shù)與靜電紡絲技術(shù)，發(fā)明出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。2009年，Sarkar等人[7]研究出一種新型離心紡絲方法，命名為Forcespinning。離心紡絲技術(shù)仍在不斷發(fā)展、改進(jìn)，其工業(yè)化應(yīng)用尚處于起步階段，但其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)使其具有廣闊的發(fā)展前景和市場潛力。

3 離心紡產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域

離心紡絲技術(shù)發(fā)展迅速，其產(chǎn)品已經(jīng)在多種領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。利用離心紡絲不同的技術(shù)特點(diǎn)，可以制備出具有不同結(jié)構(gòu)形態(tài)和性能的纖維制品，滿足不同領(lǐng)域的產(chǎn)品要求。

3.1 藥物載體的應(yīng)用

納米纖維具有特殊的多孔結(jié)構(gòu)和較高的表面積體積比，能有效地改善藥物溶解性和生物可利用性。

采用離心紡絲技術(shù)生產(chǎn)納米纖維時(shí)，紡制過程快，溶液物質(zhì)暴露于高溫的時(shí)間短，可以減小物質(zhì)降解的可能[8]。離心紡絲生產(chǎn)的多孔納米纖維，比表面積較大，能夠增強(qiáng)溶解。對(duì)水溶性差的藥物來說，使用該纖維制品制備藥物載體非常有效。

3.2 SiO2/PAN鋰離子電池隔膜

放置在電池的兩個(gè)電極之間的電池隔膜，阻止兩電極的接觸，同時(shí)保證鋰離子在兩極之間的運(yùn)動(dòng)。含有電池隔膜的鋰離子電池具有很好的電容性。

Meltem Yanilmaz等[9]以PAN、SiO2為原料，利用離心紡絲技術(shù)，制備鋰離子電池的隔膜。所制得的SiO2/PAN膜，具有較強(qiáng)的電解液吸收能力，高度多孔的纖維結(jié)構(gòu)使得該隔膜具有高離子電導(dǎo)率。相比于靜電紡絲，離心紡絲技術(shù)生產(chǎn)的成本更低，更加安全，生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)靜電紡絲的500倍。

3.3 金屬氧化物

金屬氧化物比表面積大，吸附性能好，具有優(yōu)良的耐熱性以及催化性能等。因此，在污水處理、傳感器、磁性材料及熱催化材料等領(lǐng)域，具有很大的應(yīng)用前景。同樣，相比于其它的制備方法，離心紡絲技術(shù)制得的金屬氧化物超細(xì)纖維（如：Fe2O3超細(xì)纖維的制備[10]），產(chǎn)品形式更多樣化，產(chǎn)量更高。因此，利用離心紡絲技術(shù)制備金屬氧化物超細(xì)纖維，具有很高的研究價(jià)值。

3.4 與溶膠-凝膠法的結(jié)合

離心紡絲技術(shù)本身具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，若與其它紡絲方法相結(jié)合，能達(dá)到更好的效果。如：將離心紡絲與溶膠-凝膠法結(jié)合。

利用溶膠-凝膠法制備纖維時(shí)，必須要使用模板，煅燒之后才能將模板去除。所使用的高溫條件，會(huì)使纖維的表面積急速降低，光催化性能也會(huì)隨之降低。產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性不能滿足要求，制備過程中添加模板也會(huì)增加費(fèi)用。

而將離心紡絲與溶膠-凝膠法結(jié)合，紡制的纖維具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，并且易從溶液中分離出來[11]。由此制得的光催化劑材料，可以作為去除和降解水中有機(jī)污染物的一種重要材料。

4 結(jié)論

綜上所述，離心紡絲技術(shù)的研究，為納米纖維的制備提供了新的發(fā)展空間。而離心紡絲技術(shù)作為一種新型技術(shù)，尚在不斷地發(fā)展階段。

所紡纖維的多孔結(jié)構(gòu)以及高吸水性，讓它在生物領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而其纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)的多樣化，也使其在電池隔膜方面得以應(yīng)用。相比于其它制備纖維的方法，離心紡絲技術(shù)簡單方便，成本低，效率高，安全性好。

除此之外，離心紡絲產(chǎn)品尚有更廣闊的應(yīng)用市場有待開拓。另外，將離心紡絲技術(shù)與其他方法相結(jié)合，以及通過調(diào)整參數(shù)或者改變條件，來制備性能更優(yōu)的纖維，開拓更大的應(yīng)用領(lǐng)域，將是持續(xù)研究的目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Hooper J P. Centrifugal spinneret：US，1500931[P].1924-07-08.

[2]ZHANG Xiangwu，LU Yao.Centrifugal spinning： An alternative approach to fabricate nanofibers at high speed and low cost[J].Polymer Reviews，2014，54（4）.

[3]CHEN HS，MILLR CE.Centrifugal spinning of metallic glass filaments[J].Materials Research Bulletin.1976，11（1）：49-54.

[4]STEELML，NORTON-BERRY P.Centrifugal spinning：US，5460498[P].1995-10-24.

[5]VOELKERH，ZETTLERHD，F(xiàn)ATHW，et al.Production of fibers by centrifugal spinning： US，5494616[P].1996-2-27.

[6]李世江，李杰，張迎晨等.離心式靜電紡絲裝置：中國，102061530[P].2011-05-18.

[7]Sarkar K，Gomez C，Zambrano S， et al.Electrospinning to forcespinning[J]. Materials Today，2010，13（11）：12-14.

[8]Stefania Marano，Susan Anne Barker，Bahijja Tolulope Raimi-Abraham.Development of micro-fibrous solid dispersions of poorly water-soluble drugs in sucrose using temperature-controlled centrifugal spinning[J].European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，103（2016）84-94.

[責(zé)任編輯：張濤]