静电纺丝技术制备纳米纤维介绍

近来随着静电纺丝技术本身的发展和新能源领域中锂离子电池的研发与应用热潮，静电纺丝方法在锂离子电池隔膜的领域越来越受到业界的重视。众所周知，传统的针式静电纺丝，产量低是制约产业化的最大技术瓶颈。为此，相关企业与科研机构均投入大量的人力物力进行了研究，根据国内外研究人员在静电纺丝产业化领域的相关研究来看，目前比较适合于规模化纺丝的设计方式主要有两种：一是多针方式，二是无针方式。

1.多针方式

多针方式是单针特定方式下数量的自然扩展，以此达到连续生产和获得面积大、均匀性好的纤维网。多针方式的规模化静电纺丝技术以德国的Freudenburg Nonwoven、美国的Finetex Technology Inc.、eSpin Technologies、Nanomatrix和韩国的TOPTECH等公司为代表。但是，多针最主要的问题是针头之间电场的相互干扰，不对称的电场会造成单针的射流呈现明显的偏移。虽然通过增加电场辅助装置和改变针头的布置形式，可以减小针头之间电场的相互影响，但并不能彻底避免，同时多针的设计还存在装置结构复杂，针头易堵塞、针头数量受限制、各针头的流量均匀性不易控制、供料系统复杂等问题，这些因素限制了多针式静电纺丝装置的大规模生产的应用。

2. 无针方式

为克服针式纺丝方式的固有缺点，相关机构开始着手无针方式静电纺丝装置的研发。无针方式的规模化静电纺丝技术以美国的Donalson Company和捷克的Elmarco公司为代表。理论而言，要增加单位时间内静电纺丝的产量就要设法在聚合物溶液的自由表面制造尽可能多的泰勒锥，即自由表面扰动，目前比较有代表性的扰动方式有如下几种：磁场扰动、气泡扰动、旋转表面扰动、旋转螺旋扰动、旋转盘扰动等。这些扰动方式的静电纺丝的产量普遍得到了提高，但在使用过程中还存在各自的一些不足。

（1）磁场扰动技术

基本原理是将一个分层溶液体系置于垂直的磁场中，其下层为铁磁性液体，上层为聚合物悬浮溶液。磁场对磁性流体的自由表面产生不稳定作用，流体的自由表面产生了许多尖锐的圆锥状波纹，在高压电场的作用下，圆锥状波纹突起可以演变为多束向上喷射的射流。由于该方法利用了磁场和电场的协同作用，纺丝所需电场临界值低于传统的针式，可制备直径在200~800nm的纳米纤维，生产效率也明显提高，同时避免了针孔堵塞问题。但是该装置复杂、控制困难，射流中的杂质严重影响纤维直径的分布。

（2）气泡扰动技术

基本原理是向溶液内充气在溶液的表面形成气泡，高压电场使气泡表面充斥电荷，表面电荷与外部电场的耦合作用产生切应力，导致小气泡形变且向上凸出并进一步诱导为向上的喷射。一旦电场力超过克服表面张力的临界值，就从锥形泡的最高点喷出液体丝，该方法制备的纳米纤维的直径可小至50nm，同时电场强度要求较低，对溶液粘性的依赖程度较弱。但该方法的气泡均匀性等控制困难，难以保证稳定的纳米纤维产量。

（3）旋转表面扰动技术

2003 年捷克Liberec 技术大学通过旋转表面电极，实现了从聚合物液体自由表面制备纳米纤维，又称滚筒式静电纺丝装置，并申请国际专利，专利号“WO2005/024101”，原理如图2所示：

图2. 滚筒式纺丝原理

对于滚筒式静电纺丝装置，由于滚筒中间部分的场强分布远远小于两端，这样影响了整体的纺丝效率，且滚筒不同部位产生的纳米纤维的直径的分布也很不均匀。

（4）旋转螺旋扰动技术

该项技术主要涉及两项专利，一是国际专利号“WO2010/043002”，名称“Electrostatic Spinning Assembly”，发明人林童教授，专利权属于迪肯大学，美国，中国，澳大利亚等国家都在该专利保护范围内。纺丝部分为弹簧状螺旋结构，该装置的示意图如图3所示：

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图3. Electrostatic Spinning Assembly装置示意图

二是专利申请号为“201020650021.5”，专利名称为“螺旋叶片纳米纤维发生器及静电纺丝装置”，发明人为赵晓利。纺丝部分为螺旋片状结构，装置示意图如图4所示：

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图4. 螺旋叶片状静电纺丝装置示意图

研究者用弹簧和圆盘代替了滚筒，在某种程度上解决了滚筒式旋转电极电场强度分布不均的问题，改善了电场的分布的均匀性和稳定性，提高了单位长度纺丝电极的纺丝效率，提高了纤维直径分布的质量。但无论是弹簧状螺旋还是螺旋叶片都是一个连续的旋转的装置，这种装置固有的特征导致没有合适的方法对体系进行封闭，对于有机溶剂体系而言，纺丝过程中开放的料液体系会造成溶剂的过度挥发，从而难以保证料液粘度的一致性，影响纺丝工艺的稳定性。

目前，中材集团(SINOMA)与专利所有人以“螺旋叶片纳米纤维发生器及静电纺丝装置”专利为基础组建合资公司，约在2年前已经前开始了螺旋式静电纺丝装置的产业化的研究。

（5）旋转盘扰动技术

旋转盘扰动技术所涉及的代表性的专利申请号为“201310414922.2”，专利名称为“一种圆盘式无针头静电纺丝装置”，发明人为天津工业大学的刘延波老师。装置的示意图如图5所示：

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图5. 旋转盘式静电纺丝装置示意图

本装置的技术特点是：采用特殊结构的圆盘作为纺丝单元，通过内置导线的聚四氟乙烯转轴对各纺丝单元实现分别施加电压，使纺丝单元之间的电场更为均匀；通过高度可调的圆弧形聚四氟乙烯屏蔽罩控制纺丝点的带液量，使纳米纤维细度均匀，并节省电能。

（6）层叠器交替层叠技术

层叠器交替层叠技术涉及专利申请号为“201310636940.5”，专利名称为“一种基于微积分层叠的熔体静电纺丝装置及方法”，发明人为北京化工大学的杨卫民。装置的示意图如图6所示。

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图6. 层叠熔体静电纺丝装置示意图

本装置将层叠器和熔体静电纺丝装置相结合，利用层叠器交替层叠减小熔体层厚度，聚合物熔体反复层叠可得每层的厚度可达到纳米级的交替多层复合材料；其次，本装置的热气辅助结构通过将热气体以高速射向内锥面，起到了内锥面减薄的作用，有利于纤维拉伸和细化，为生产纳米级纤维产品提供了新的方法。