聚合物纳米纤维具有高比表面积和优异的分离、过滤等物理化学性能，在航空航天、国防、生物医药和健康防护中逐渐得到重要应用。聚合物纳米纤维制造技术主要包括溶液电纺和熔体电纺，其中，聚合物溶液电纺技术取得了较快发展，国内外多个团队已实现产业化突破。聚合物熔体电纺适用于聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯硫醚（PPS）等量大面广的难溶聚合物，是纳米纤维绿色制造的重要路径，因此，发明和开发“零溶剂”熔体静电纺纳米纤维技术受到广泛关注。然而，熔体电纺中存在的“高压静电绝缘、毛细管堵塞和高粘原丝细化”等关键技术问题成为难啃的硬骨头，其产业化技术更具挑战性。

  针对上述难题，北化大杨卫民教授团队独辟蹊径，自主发明了聚合物熔体微分电纺纳米纤维制备新方法，已形成了独具特色的“电极反转”、“熔体微分”、“多场耦合细化”和“动态电场均化”等多项技术发明，实现了纳米纤维绿色制造技术的创新突破。由于熔体微分多射流细化到了可见光尺度，呈现美丽的彩虹色，因此业界也将其称为“彩虹丝”纳米纤维技术（图1）。“彩虹丝”工作，近年来受到国内外广泛关注（图2）。领域专家在《Progress in Polymer Science》、《Chemical Reviews》等顶尖期刊发表的论文大量引用并充分肯定了该成果的原创性和工业应用的突破性（图3-7）。

图1 聚合物熔体微分电纺彩虹丝装备及多射流照片

图2来源： 

https://doi.org/10.1016/C2016-0-00130-4及Web of Science

图3  来源：高崎绿，纺丝[J]成型加工，2012（24）：360-363.（日本）（左图），

http://hdl.handle.net/10536/DRO/DU:30087763 （右图）

图4 来源： 

https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2016.01.001

图 5 来源：https://doi.org/10.1039/C6RA09558E

图6 来源：

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00593

图7 来源 ADMET & DMPK, 2020, 8(4):325-353. 

https://doi.org10.5599/admet.844

  最近，北京化工大学杨卫民教授团队在聚合物熔体微分电纺内锥面微分喷头产业化工作基础上，提出一种新型狭缝式熔体微分电纺新装备及工艺，并系统验证了其宏量制造的可行性。

  狭缝微分喷头的直线结构能够实现聚合物射流在空间的均匀分布，避免了聚合物熔体与环境空气的直接接触，可精确地控制聚合物熔体状态。该试验装置主要包括（图8（a））电机转速控制器、 伺服电机、喂料口、挤出机、加热器、过滤器、加热棒、直线狭缝喷头、高压静电发生器以及纤维收集板。狭缝喷头的剖面图如图8（b）所示，不同于熔喷模头，其末端不是精密加工的毛细孔，而是一整条狭缝，聚合物熔体流出喷头之前，在喷头组件的约束下呈薄膜状。

图8 直线狭缝熔体微分电纺设备示意简图（左）及微分多射流实物图（右下）

  熔体流量对纤维直径具有重要影响。实验研究了熔体流量在 0.906g/min~2.455g/min 间对射流间距和纤维直径的影响。发现流量对射流间距影响不明显（图9），对纤维直径影响呈指数关系（图10）。

图9 熔体流量对射流间距的影响     图10纤维直径随熔体流量的变化

  除此之外，该研究还分析了纺丝温度、平均电场强度及纺丝距离等对射流间距和纤维直径的影响，并综合上述纺丝工艺的研究结果，得到 PP 材料最佳的纺丝工艺。在此纺丝条件下，从图11中可以看出，沿喷头幅宽的方向上有大量的熔体射流产生，总计为 140 根，喷头中部的射流分布与喷头两端的射流分布有明显的区别。在喷头中部，熔体射流数量多且分布更加均匀；在喷头的两端，熔体射流数量少且分布不均匀，通过电场分析这是由于电场分布的边缘效应造成的。进一步模拟分析发现，边缘效应的影响区域不随幅宽增加而变化，高效均匀射流区域随着幅宽增加呈直线上升（图12），有利于熔体电纺均匀纤维膜产量的提高。

图11射流沿幅宽方向分布的照片   图12喷头幅宽对最大电场分布的影响

  杨卫民教授团队陈明军等人提出一种新型狭缝式熔体微分电纺新装备及工艺，实验研究结合模拟分析总结了最佳工艺条件，最小射流间距达到1.9mm，单模块流量为75.6g/h。研究分析了导致两侧射流不均的边缘效应，模拟分析进一步发现边缘效应的影响区域不随幅宽增加而变化。该方法为熔体微分电纺稳定宏量制造提供了新的途径。

  上述工作以“Polymer melt differential electrospinning from a linear slot spinneret”为题发表在Journal of Applied Polymer Science，2020，137(31)期刊上（ DOI: 10.1002/APP.48922）。论文第一作者为北京化工大学机电工程学院博士生陈明军，由于他在熔体微分电纺装备研究及电纺材料在煤矿井下防护面罩中的开拓性应用，获得北京化工大学2020年校长奖学金。通讯作者为杨卫民教授团队青年教师李好义博士。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/APP.48922

相关参考：

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