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  聚合物納米纖維具有高比表面積和優(yōu)異的分離、過(guò)濾等物理化學(xué)性能，在航空航天、國(guó)防、生物醫(yī)藥和健康防護(hù)中逐漸得到重要應(yīng)用。聚合物納米纖維制造技術(shù)主要包括溶液電紡和熔體電紡，其中，聚合物溶液電紡技術(shù)取得了較快發(fā)展，國(guó)內(nèi)外多個(gè)團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化突破。聚合物熔體電紡適用于聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯硫醚（PPS）等量大面廣的難溶聚合物，是納米纖維綠色制造的重要路徑，因此，發(fā)明和開(kāi)發(fā)“零溶劑”熔體靜電紡納米纖維技術(shù)受到廣泛關(guān)注。然而，熔體電紡中存在的“高壓靜電絕緣、毛細(xì)管堵塞和高粘原絲細(xì)化”等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題成為難啃的硬骨頭，其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)更具挑戰(zhàn)性。

  針對(duì)上述難題，北化大楊衛(wèi)民教授團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，自主發(fā)明了聚合物熔體微分電紡納米纖維制備新方法，已形成了獨(dú)具特色的“電極反轉(zhuǎn)”、“熔體微分”、“多場(chǎng)耦合細(xì)化”和“動(dòng)態(tài)電場(chǎng)均化”等多項(xiàng)技術(shù)發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了納米纖維綠色制造技術(shù)的創(chuàng)新突破。由于熔體微分多射流細(xì)化到了可見(jiàn)光尺度，呈現(xiàn)美麗的彩虹色，因此業(yè)界也將其稱為“彩虹絲”納米纖維技術(shù)（圖1）。“彩虹絲”工作，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注（圖2）。領(lǐng)域?qū)＜以凇禤rogress in Polymer Science》、《Chemical Reviews》等頂尖期刊發(fā)表的論文大量引用并充分肯定了該成果的原創(chuàng)性和工業(yè)應(yīng)用的突破性（圖3-7）。

圖1 聚合物熔體微分電紡彩虹絲裝備及多射流照片

圖2來(lái)源： 

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

圖3  來(lái)源：高崎綠，紡絲[J]成型加工，2012（24）：360-363.（日本）（左圖），

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

圖4 來(lái)源： 

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

圖 5 來(lái)源：https://doi.org/10.1039/C6RA09558E

圖6 來(lái)源：

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

圖7 來(lái)源 ADMET & DMPK, 2020, 8(4):325-353. 

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

  最近，北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民教授團(tuán)隊(duì)在聚合物熔體微分電紡內(nèi)錐面微分噴頭產(chǎn)業(yè)化工作基礎(chǔ)上，提出一種新型狹縫式熔體微分電紡新裝備及工藝，并系統(tǒng)驗(yàn)證了其宏量制造的可行性。

  狹縫微分噴頭的直線結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)聚合物射流在空間的均勻分布，避免了聚合物熔體與環(huán)境空氣的直接接觸，可精確地控制聚合物熔體狀態(tài)。該試驗(yàn)裝置主要包括（圖8（a））電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器、 伺服電機(jī)、喂料口、擠出機(jī)、加熱器、過(guò)濾器、加熱棒、直線狹縫噴頭、高壓靜電發(fā)生器以及纖維收集板。狹縫噴頭的剖面圖如圖8（b）所示，不同于熔噴模頭，其末端不是精密加工的毛細(xì)孔，而是一整條狹縫，聚合物熔體流出噴頭之前，在噴頭組件的約束下呈薄膜狀。

圖8 直線狹縫熔體微分電紡設(shè)備示意簡(jiǎn)圖（左）及微分多射流實(shí)物圖（右下）

  熔體流量對(duì)纖維直徑具有重要影響。實(shí)驗(yàn)研究了熔體流量在 0.906g/min~2.455g/min 間對(duì)射流間距和纖維直徑的影響。發(fā)現(xiàn)流量對(duì)射流間距影響不明顯（圖9），對(duì)纖維直徑影響呈指數(shù)關(guān)系（圖10）。

圖9 熔體流量對(duì)射流間距的影響     圖10纖維直徑隨熔體流量的變化

  除此之外，該研究還分析了紡絲溫度、平均電場(chǎng)強(qiáng)度及紡絲距離等對(duì)射流間距和纖維直徑的影響，并綜合上述紡絲工藝的研究結(jié)果，得到 PP 材料最佳的紡絲工藝。在此紡絲條件下，從圖11中可以看出，沿噴頭幅寬的方向上有大量的熔體射流產(chǎn)生，總計(jì)為 140 根，噴頭中部的射流分布與噴頭兩端的射流分布有明顯的區(qū)別。在噴頭中部，熔體射流數(shù)量多且分布更加均勻；在噴頭的兩端，熔體射流數(shù)量少且分布不均勻，通過(guò)電場(chǎng)分析這是由于電場(chǎng)分布的邊緣效應(yīng)造成的。進(jìn)一步模擬分析發(fā)現(xiàn)，邊緣效應(yīng)的影響區(qū)域不隨幅寬增加而變化，高效均勻射流區(qū)域隨著幅寬增加呈直線上升（圖12），有利于熔體電紡均勻纖維膜產(chǎn)量的提高。

圖11射流沿幅寬方向分布的照片   圖12噴頭幅寬對(duì)最大電場(chǎng)分布的影響

  楊衛(wèi)民教授團(tuán)隊(duì)陳明軍等人提出一種新型狹縫式熔體微分電紡新裝備及工藝，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合模擬分析總結(jié)了最佳工藝條件，最小射流間距達(dá)到1.9mm，單模塊流量為75.6g/h。研究分析了導(dǎo)致兩側(cè)射流不均的邊緣效應(yīng)，模擬分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)邊緣效應(yīng)的影響區(qū)域不隨幅寬增加而變化。該方法為熔體微分電紡穩(wěn)定宏量制造提供了新的途徑。

  上述工作以“Polymer melt differential electrospinning from a linear slot spinneret”為題發(fā)表在Journal of Applied Polymer Science，2020，137(31)期刊上（ DOI: 10.1002/APP.48922）。論文第一作者為北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士生陳明軍，由于他在熔體微分電紡裝備研究及電紡材料在煤礦井下防護(hù)面罩中的開(kāi)拓性應(yīng)用，獲得北京化工大學(xué)2020年校長(zhǎng)獎(jiǎng)學(xué)金。通訊作者為楊衛(wèi)民教授團(tuán)隊(duì)青年教師李好義博士。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/APP.48922

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