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    北化大楊衛民教授團隊:聚合物熔體微分電紡裝備及工藝新進展
    2021-01-14  來源:高分子科技

      聚合物納米纖維具有高比表面積和優異的分離、過濾等物理化學性能,在航空航天、國防、生物醫藥和健康防護中逐漸得到重要應用。聚合物納米纖維制造技術主要包括溶液電紡和熔體電紡,其中,聚合物溶液電紡技術取得了較快發展,國內外多個團隊已實現產業化突破。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,發明和開發“零溶劑”熔體靜電紡納米纖維技術受到廣泛關注。然而,熔體電紡中存在的“高壓靜電絕緣、毛細管堵塞和高粘原絲細化”等關鍵技術問題成為難啃的硬骨頭,其產業化技術更具挑戰性。


      針對上述難題,北化大楊衛民教授團隊獨辟蹊徑,自主發明了聚合物熔體微分電紡納米纖維制備新方法,已形成了獨具特色的“電極反轉”、“熔體微分”、“多場耦合細化”和“動態電場均化”等多項技術發明,實現了納米纖維綠色制造技術的創新突破。由于熔體微分多射流細化到了可見光尺度,呈現美麗的彩虹色,因此業界也將其稱為“彩虹絲”納米纖維技術(圖1)。“彩虹絲”工作,近年來受到國內外廣泛關注(圖2)。領域專家在《Progress in Polymer Science》、《Chemical Reviews》等頂尖期刊發表的論文大量引用并充分肯定了該成果的原創性和工業應用的突破性(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來源: 

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


    圖3  來源: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 來源: 

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


    圖 5 來源:https://doi.org/10.1039/C6RA09558E


    圖6 來源:

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


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

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


      最近,北京化工大學楊衛民教授團隊在聚合物熔體微分電紡內錐面微分噴頭產業化工作基礎上,提出一種新型狹縫式熔體微分電紡新裝備及工藝,并系統驗證了其宏量制造的可行性。


      狹縫微分噴頭的直線結構能夠實現聚合物射流在空間的均勻分布,避免了聚合物熔體與環境空氣的直接接觸,可精確地控制聚合物熔體狀態。該試驗裝置主要包括(圖8(a))電機轉速控制器、 伺服電機、喂料口、擠出機、加熱器、過濾器、加熱棒、直線狹縫噴頭、高壓靜電發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備示意簡圖(左)及微分多射流實物圖(右下)


      熔體流量對纖維直徑具有重要影響。實驗研究了熔體流量在 0.906g/min~2.455g/min 間對射流間距和纖維直徑的影響。發現流量對射流間距影響不明顯(圖9),對纖維直徑影響呈指數關系(圖10)。


    圖9 熔體流量對射流間距的影響     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、平均電場強度及紡絲距離等對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生,總計為 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別。在噴頭中部,熔體射流數量多且分布更加均勻;在噴頭的兩端,熔體射流數量少且分布不均勻,通過電場分析這是由于電場分布的邊緣效應造成的。進一步模擬分析發現,邊緣效應的影響區域不隨幅寬增加而變化,高效均勻射流區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噴頭幅寬對最大電場分布的影響


      楊衛民教授團隊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,實驗研究結合模擬分析總結了最佳工藝條件,最小射流間距達到1.9mm,單模塊流量為75.6g/h。研究分析了導致兩側射流不均的邊緣效應,模擬分析進一步發現邊緣效應的影響區域不隨幅寬增加而變化。該方法為熔體微分電紡穩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機電工程學院博士生陳明軍,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面罩中的開拓性應用,獲得北京化工大學2020年校長獎學金。通訊作者為楊衛民教授團隊青年教師李好義博士


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


    相關參考:

    [1] Yang Weimin, Li Haoyi. Principle and equipment of polymer melt differential electrospinning preparing ultrafine fiber [J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2014, 64(1).

    [2] Li H, Wu W, Bubakir M M, et al. Polypropylene fibers fabricated via a needleless melt‐electrospinning device for marine oil‐spill cleanup[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2014, 131(7).

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    [4] Chen H, Li H, Ma X, et al. Large scaled fabrication of microfibers by air-suction assisted needleless melt electrospinning[J]. Fibers and Polymers, 2016, 17(4): 576-581.

    [5] Yang W, Li H, Jiao Z, et al. Melt differential electrospinning device and process: [P]. U.S. Patent 10,344,400,2019-7-9.

    [6] 楊衛民.高分子材料先進制造的微積分思想[J].中國塑料,2010,24(07):1-6.

    [7] 楊衛民,李好義,焦志偉,等;熔體靜電紡絲法批量生產納米纖維裝置及工藝[P]中國,發明專利,201210370948.7

    [8] 楊衛民,鐘祥烽,李好義,等;一種靜電紡絲纖維沉積均化裝置及方法[P]中國,發明專利,201310431816.5

    [9] 楊衛民,李小虎,馬帥,等;一種批量制備納米纖維的熔體微分電噴紡絲裝置及工藝[P]中國,發明專利,201310438091.2

    [10] 楊衛民,陳宏波,李好義,等;一種氣流輔助外錐面型靜電紡絲噴頭[P]中國,發明專利,201310651395.7

    [11] 楊衛民,鐘祥烽,李好義,等;一種熔體微分靜電紡絲噴頭[P]中國,發明專利,201310159570.0

    [12] 楊衛民,馬小路,譚晶,等;一種熔體微分靜電紡絲裝置[P]中國,發明專利,201510234583.9

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