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静电纺丝纳米纤维:“”的薄膜

更新时间:2015-09-20      点击次数:4881

纳米纤维产品展室



纳米纤维防护口罩

    文·本报记者 滕继濮


  当李从举把一大卷一米宽,类似于生料带一样的东西摆在桌子上时,记者还没意识到,这些材料可能是很多产业的未来,而面前这个戴着眼镜嗓音洪亮的北京服装学院年轻的教授,也是目前国内*可以将其低成本批量化生产的人。


    “"薄膜功能奇特

    这是一卷白色的薄膜,触感也与生料带非常相似,像传统布匹店里的布一样卷着。

    就是这卷不太起眼的薄膜,让北京服装学院这座有着纺织学科传统的高校,时隔十四年之后,再获香港桑麻纺织科技奖一等奖。该奖是纺织行业内的奖项,终评委员会由包括行业内的8位院士一齐评出。

    这种薄膜就是传说中的静电纺丝功能性纳米纤维膜,一种功能强大的新材料。有多强?

    李从举笑着告诉记者,有同事隔着它抽烟,发觉香烟没什么味道了——这只是从一个侧面反应了其过滤效果。

    如果用作口罩。这是一种的过滤材料,可以很好地过滤PM2.5以及各种病毒、杂质的同时,通气更容易,这让人呼吸起来顺畅得多。而与目前大多空气净化器中使用的HEPA(过滤膜)相比,相同的过滤效果下,纳米纤维过滤膜的空气通过率更高,膜两侧压力差也更小。更为关键的一点是,成本低。

    如果用于电池。把纳米纤维膜用作动力锂电池隔膜,可以提高电池功率,减小内部消耗,还能提升其内部电化学性能,尤其可以极大地改善磷酸铁锂电池低温性能,甚至在零下40℃也能正常工作。

    如果用来制衣。纳米纤维膜可以把细小水滴(毛毛雨)挡在外面,只允许水蒸气分子透过,这正是户外运动服装和特种防护服装需要的材料特性。

    如果用作油水分离。目前海洋石油泄露事件都是用吸油棉处理,而如果采用这种材料吸附原油,不但效果更好,也能大幅降低成本。

    另外,电纺丝纳米纤维无纺膜具有高孔隙率、低渗透阻力的特点,可以制成高通量、低能耗的便携式超滤膜纺织品(如手绢),用于户外快速净水,为*训练、作战、森林救火、旅游、野外作业、探险、矿业等快速提供清洁水源,做好后勤保障。

    还有,有些被开发出来的应用,甚至连李从举都没有想到过。在他看来,一定还会有。


    结构精细“带电"生产
    这种材料的特殊性能来自于其特殊结构。纤维的直径可达200纳米,甚至更细,这比头发丝细了几百倍,意味着其比表面积(单位质量物料
所具有的总面积)非常大,用其制成的材料也因此具备很多特殊功能。

    “看起来是一层细腻的薄膜,但如果用显微镜观察,就能看到其内部有很多小孔。"李从举说。

    要得到这样的纤维膜需要通过静电纺丝技术。静电纺丝是一种能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法,它可以将聚酯、聚氨酯、聚乙烯等聚合物,纺制出直径范围从小于3 纳米到超过1微米的超细纤维,并沉积在接收板上得到无纺布。

    “普通编织是把线丝用机械力牵拉编制,静电纺丝是先将聚合物溶液加上三万伏特高压,使其极化,然后在电场力的作用下把材料拉出来纺织。"李从举简单地说明了一下原理。

    记者查阅的资料显示,静电纺丝不同于传统的纺丝加工技术,其主要是借助于高压静电场使聚合物溶液或熔体带电并产生形变,在喷头末端处形成悬垂的锥状液滴,当液滴表面的电荷斥力超过其表面张力时,在液滴表面就会高速喷射出聚合物微小液体流,简称“射流"。这些射流在一个较短的距离内经过电场力的高速拉伸、溶剂挥发与固化,终沉积在接收板上,形成聚合物纤维。

    而在站在机器前的记者看来,高分子溶液似乎更像是被加热过的砂糖,生成的糖丝又被规律地编织成了薄膜;如果没有规律,就成了“棉花糖"。


     生产设备重中之重

    “几乎全国的院校都在做静电纺丝。"李从举说。

    记者了解到,除了李从举教授所在的北京服装学院材料科学与工程学院,绝大部分都还停留在实验室阶段,做出的薄膜一般为A4纸大小,或者需要有支撑层收集,而真正可以实现低成本批量化生产的唯此一家。目前其年生产能力可达50万平方米,而占地面积仅50平方米。

    “该成果*国内没有针对静电纺丝技术量产纯纳米纤维膜的设备及系统的空白,对我国纳米纤维产业的发展具有重要价值和意义,纯纳米纤维生产系统生产效率高、稳定性好,技术创新*,有很强的经济效益和社会效益,同时,该成果在空气净化、水处理和新能源等领域同样具有广阔前景,符合产学研合作研究成果。"这是国内院士专家,给予这一成果的评定。

    这其中重要的一点就是“量产纯纳米纤维膜的设备及系统",而当记者问他打造的设备有何不同时。李从举只狡黠地笑笑说,我有着十几年的积累,一直在做这一件事,再说我们是传统的纺织院校,当然是我们懂纺织多一些,我们时常泡在纺织企业里,也许一个工人就能给我们很大的启发,这个可是文献里看不到的。

    “我是四川人,以前没有吃过皮皮虾,*次吃的时候总得有人教你。"李从举打了一个只可意会的比方。


    空间巨大路修远兮
    在*设备制造的空白后,该技术获奖无数,但等在前方的是可以让该技术得以施展的巨大的空间。空气污染牵动人心,有资料显示到2015年,包括空气净化器在内的室内环保产业,其年产值将达到800亿元,而与HEPA滤网相比有着成本和性能优势的纳米纤维膜会遇到怎样的发展?

    在新能源车等市场需求的推动下,锂电池隔膜市场快速增长。据统计,2009—2013年锂电池隔膜市场规模复合增长率达26.39%,2013年锂电隔膜市场规模达到8.37亿平方米。预计到2015年锂电隔膜需求年均复合增长率达到25%,市场规模将达13.08亿平方米。据了解,目前国内80%的锂电池隔膜依靠进口,进口替代空间大。那么,年产5万平方米应该只能被看做是一个起点。

    静电纺丝技术在上世纪初就被美国人发明出,但是其快速发展也就是近年来的事情。当技术和原理早已不在是秘密,真正的产业化生产才是问题之根本。

    “实验室和生产线*是两回事,产业化不仅要求操作简单、成本低、还要求能持续产出,质量控制,不出差错。而纳米纤维膜产业化大的困难是设备的研发,在实验室为了确保实验的成功和准确性,设备的很多附件都是进口产品,而产业化的进程中,必须实现国产化,这更要求我们踏踏实实地做下去。"李从举坦言。


来源:中国科技网-科技日报

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