离心纺丝技术的新进展

1、离心纺丝技术的新进展New Developments of Centrifugal Spinning Technology： 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

2、and technology for centrifugal spinning were introduced in this paper.静电纺丝是制备纳米纤维的常用方法之一， 其纺丝过程虽然 简单可靠， 但也存在一些问题， 如生产过程需要高达上千伏的直 流电压， 且难以实现规模化生产。 而离心纺丝的出现解决了这一 问题。离心纺丝是聚合物溶液或熔体在高速旋转的装置下， 受到 离心力的作用， 从喷丝孔中挤出并拉伸成纤维的方法。 这是一种 既能用熔体又能用溶液作为原料制备纳米纤维的方法， 其适用原 料广泛， 能实现纳米纤维的规模化生产， 是纳米纤维生产技术上 的一个重要突破。 离心纺丝设备和工艺

3、的发展除了单一技术的完 善外，还体现出多种技术相互结合的趋势， 主要表现在离心纺丝 与其他纺丝方法相结合用于生产纳米纤维。1 常规离心纺丝装置最早的离心纺丝出现在1924年，Hooper发明的离心喷嘴能 将纤维胶及其相似物纺制成人造丝。 此后， 众多研究者致力于离 心纺丝装置的研发。 目前实现了商业化生产的离心纺丝设备主要 是 FibeRio 公司研发的，其原理如图 1 所示。通过发展 Forcespinning 技术，该公司设计出一系列纳米纤维生产设备， 在降低成本、实现原料多样化的同时大幅提高了生产效率。Fiber Engine FX 系列是 FibeRio 公司在 2014 年底研发成

4、功的最新的离心纺丝设备。 该设备能嵌入到熔喷或者其他非织造 材料的生产过程中，其产品主要应用于过滤领域。 Fiber Engine FX系列具有以下优点：（1）总产量高达200g/min，生产速度高 达 200m/min。产量是 Fiber Engine FS 系列的 10 倍；（2）原 料不依赖于聚合物的导电性或水溶性， 可以是溶液， 也可以是熔 体，最高熔融温度达到 350 C。如此广泛的原料为新型纳米纤 维的制备提供了可能性；（ 3）成本和能耗降低，生产效益高。 在溶液纺丝过程中，溶剂浓度更低；在熔体纺丝过程中，熔体利 用率几乎为 100%；（ 4）产品的过滤效率高、透气性好。2 溶液离

5、心静电纺丝装置静电纺丝的缺点是纤维产量低， 难以实现规模化生产。 将离 心纺丝和静电纺丝相结合，可以提高生产效率。瑞士 Rieter 公司和德国 ITV 研究所共同研发出一种离心纺 丝设备。 该设备将离心力和静电力相结合， 所得纤维直径可小于 80nm纤网均匀度比静电纺丝更好。 且其3个喷丝头挤出量是常 规 1250个喷嘴的静电纺丝设备的 1000倍，这意味着这种离心静 电纺丝设备可大大提高纤维的产量。李世江等结合离心纺丝技术与静电纺丝技术， 发明了一种离 心式静电纺丝装置。他们在90100目金属网眼的装置中制得了 51000nm的纤维。该装置将金属旋转甩筒作为电极和喷头使用， 旋转甩筒上的金

6、属网眼相当于喷丝孔。 这种装置在工作时， 利用 离心力将纺丝液从网眼中甩出， 在静电力的作用下， 将纤维收集 到收集器上。 与传统的静电纺丝喷丝头相比， 这种装置不仅可以 避免喷丝孔（即网眼）堵塞，而且喷丝孔数量大大增加。大量的 喷丝孔以及高速旋转的金属甩筒能够提高生产效率。邹守宝等发明了具有树枝状分布纺丝槽的离心静电纺丝设备，能实现连续纺制纳米纤维。纺丝槽内径最小可达0.1mm。与针筒式静电纺丝相比， 其优势是易于清洗， 避免溶液堵塞喷丝孔。 纺丝槽的纺丝液入口数量与出口数量呈 2n 的函数关系，这不但 有利于溶液的进一步分流，而且能有效地提高纤维的产量。Kan cheva等研制了一种高速离

7、心静电纺丝设备，其原理如 图 2 所示。通过高速旋转的纺丝液喂给器和固定的接收器，在 静电力和离心力的共同作用下， 将聚合物溶液制成杂乱纤网或整 齐排列的纤网。研究表明：（ 1）纤网的断裂强力随着喷嘴数量 的增加而增大。当用于纺丝的喷嘴个数为1、2、3 和 4 个时，纤网的断裂强力分别是 1.5、2.7、3.5 和 3.7 MPa ；（ 2）同时 使用4个喷嘴制备2200cm2的纤网所需时间最少（不到20min）。 由此可见，增加喂给器的喷嘴个数，不但可以缩短生产时间，还 可以提高纤网的机械性能。3 离心静电纺丝装置 绝大多数纳米纤维是用溶液纺丝方法制备的， 这种方法不仅 需要对溶剂进行回收利

8、用从而增加能耗和成本， 而且可能存在溶 剂残留、 溶剂污染环境等问题。 而熔体静电纺丝方法虽然没有环 境污染的问题，但很难大规模制备纳米纤维。为解决这些问题， 离心式熔体纺丝应运而生。 黄滔等发明了一种利用高速 旋转的分配盘将纺丝熔体制成纳米纤维的设备。其生产过程为： 聚合物熔体进入高速旋转的分配盘， 形成薄膜并向分配盘边缘排 出；旋转分配盘和纤维收集器之间形成静电场， 使排出的聚合物 熔体在离心力、 静电力的作用下拉伸变细， 形成直径小于 1000nm 的纤维。 该设备的优点之一是纺丝原料多样化， 特别是多组分体 系（例如复合物和共混物）更易于纺丝。该设备的一个应用是生 产由聚乙烯和聚丙烯制

9、成的聚烯烃纳米纤维。刘勇等研发出一种离心式静电纺丝设备， 包括电源、 供料部 件、测温部件、纺丝部件及接收部件，如图 3 所示。这种设备的 特点是两端开有喷丝头的储液槽与旋转轴相连， 实现储液槽的旋 转，产生离心力。接收部件和纺丝部件之间有高压静电场，形成 静电力； 纤维在离心力和静电力的共同作用下拉伸变细， 形成超 细纤维。同时，多个喷丝头大大提高了纤维生产效率，从而解决 了熔体静电纺丝无法大批量生产直径在500nm以下的纤维的问题。4 气流辅助熔体离心纺丝装置熔体离心纺丝制备的纤维直径较粗， 纤维的细化主要靠提高 转速或减小喷丝孔直径来实现。 然而，微小孔径的加工相当困难， 转速过高又会带

10、来安全问题。 而且在熔体离心纺丝过程中容易形 成熔体飞溅从而造成纤网不匀。 为解决这些问题， 气流辅助熔体 离心纺丝装置就出现了。Jin 研制了气流辅助熔体离心纺丝装置。该装置由聚合物喂 给器、聚合物加热器、气体喷射器以及旋转盘等组成。聚合物从 喂给器进入加热器进行熔融形成熔体。 熔体在热气流的辅助作用 下进入旋转着的旋转盘， 在离心力作用下从喷丝孔中甩出并拉伸 变细形成纳米纤维。杨卫民等发明了气流辅助熔体微分的离心纺丝设备， 如图 4 所示。该设备在熔体纺丝设备上添加离心微分盘， 熔体进入离心 微分盘后获得初始速度， 经过均化后受到高速气流力、 离心力及 锥面附着力的作用而分流并甩出， 最后

11、获得超细纤维。 该设备的 特点是：（ 1）微分盘及气流辅助的作用使得纤维直径大幅度减 小；（ 2）高速旋转的微分盘能使熔体迅速变成纤维，提高了生 产效率；（ 3）这种设备能在不改变喷丝孔结构的情况下使熔体 微分细化更加均匀，所制得的纤维性能优异，纤网克重大、取向 明显。5 离心纺丝工艺研究在离心纺丝过程中， 影响纤维形貌和直径的参数很多， 包括 转速、纺丝液浓度、 喷丝头几何形状以及喷丝头到收集装置的距离等。众多研究者在这方面做出了贡献，其中以 Lozano 课题组 研究最多。他们发现：相对于转速和纺丝液浓度而言，喷丝头到 收集装置的距离对纤维直径的影响很小； 对纤维形貌和直径影响 最大的是纺

12、丝液浓度。 此外，还发现： 纺制聚乙烯醇缩丁醛 （PVB） 纳米纤维时，当纺丝液浓度为 11%、12%、13%、 14%时，制得的 纤维平均直径分别为 400 nm、550 nm、720 nm及1卩m。可见， 在一定范围内， 纤维直径随纺丝液浓度的减小而减小。 这是由于 纺丝液浓度的减小造成其粘度减小， 同时射流在溶剂挥发之前得 到了充分的拉伸。当纺丝液浓度低于12%时，离心纺丝所得到的纤维多呈珠链状；随着纺丝液浓度的增加，纤维直径增大，但纤 维上的珠子会减少。他们在 2015 年发表的一篇文章中从受力分 析的角度解释了产生这种影响的原因， 即这是由纺丝液的表面张 力、粘弹力和离心力共同作用产生的。 表面张力使得纤维表面积 趋向于最小， 形成珠子， 它是射流从喷丝孔喷出后形成串珠状纤 维的始作俑者；而离心力和粘弹力则有利于细长纤维的形成。Salinas 等将离心纺丝工艺与微波照射工艺相结合，用聚苯 乙烯和聚羧甲基硅