杨卫民：中国熔融静电纺丝第一人.pdfVIP

中国熔融静电纺丝第一人:杨卫民 发明背景 1.纳米纤维 百年追梦 纳米纤维是比头发丝还细上百倍！狭义上指直径小于100纳米，而从广义上是直径小于1 微米的超细纤维。头发丝的直径约为60至80微米，桑蚕丝直径 13至18微米。自然界只有蜘蛛 能生产纳米纤维，因而早在二战时期蛛丝就被用作瞄准系统的十字准线。纳米纤维在防弹服装、 人造血管、生化防护、海水淡化、空气过滤、高能电池等领域有着广阔的应用前景。从薄如蝉翼 的蛛丝华服到尖端领域的潜在需求，纳米纤维是人类的百年梦想！ 从上世纪30年代发表第一份专利起步，直到90年代美国阿克隆大学的DarrelReneker 教授 (图1)关于“聚合物溶液静电纺丝”的研究成果发表，才隐约看到人造纳米纤维的希望之光。本世 纪初，捷克的ELmarco 公司率先成功实现溶液静电纺丝的工业化，并将其命名为“纳米蜘蛛”(图 2Nano Spider)推向全球市场，2010年作为捷克的国家重大科研成果在上海世博会(图3)隆重展出。 2.溶液电纺 遇到瓶颈 聚合物溶液静电纺丝的基本原理如图4 所示：把浆糊状的聚合物溶液用毛细管等手段形成微 液滴并置于高压静电场中，微液滴在静电力牵引下形成“泰勒锥”并突破表面张力的束缚形成奔向 另一电极的高速射流，溶剂挥发而溶质成丝。图5是在光学显微镜下呈现五彩缤纷的纤维，生动 地表明其直径已达到300至700nm 的可见光波长范围。自从Reneker 教授点燃星星之火，便在 全世界迅速形成燎原之势。目前，关于溶液静电纺丝的研究论文已有数万篇。但是，溶液静电纺 丝却存在着难以克服的三大原生缺陷： 1）溶剂回收和残留问题(有些材料如聚丙烯等根本就没有合适的溶剂)； 2）溶剂挥发产生的孔洞导致纤维强度大幅消弱(图6)； 3）设备运行能耗大、产量低、成本高。 因此，包括Reneker 教授在内的许多研究者都断言，不使用溶剂的聚合物熔体静电纺丝，将 是造福人类的纳米纤维绿色制造技术。当时这条道路崎岖坎坷，涉足者寥寥，且须突破三大瓶颈 问题： 1）高压静电场与高温塑化系统的绝缘问题； 2）高粘度聚合物熔体流的微细化问题； 3）超细纤维的宏量制备问题。 发明创新 纳米纤维绿色制造 针对纳米纤维制造的瓶颈问题，从2006年以来经过八年研究已取得系列发明专利： 1）从溶液静电纺丝转变到环保绿色的熔体静电纺丝，特别针对毛细管在聚合物熔体静电纺丝中 存在阻力大和易堵塞的难题，发明人受到自然界瀑布(图7)的启示，独创了熔体微分静电纺丝的 全新原理，设计了内外锥面熔体自由流动界面，还辅助气流控温与增压减薄的措施，在边界上形 成大量微细熔滴泰勒锥(图8)，实现熔体微分静电纺丝。 2）为使高粘度聚合物熔体微分静电纺丝进一步微细化，发明了气体辅助融膜减薄和多级电场接 力牵伸等方法和装备，从而使纤维直径达到纳米尺度 （图9、10）。 3）为解决超细纤维宏量制备的工业化难题，以单元组合的熔体微分喷丝头并联的方式，成功实 现大批量纳米纤维膜的连续制备(图11)。 此外，还解决了熔体微分静电纺丝的高压静电绝缘等难题，围绕高效节能的产业化设备开发还申 请了多项发明专利，整体上构成了一个包含20余项发明的专利池。 应用举例 本发明聚合物熔体微分静电纺丝生产的超细纤维膜应用例举3 项： 1）PM2.5 口罩(图12)，与市售某著名品牌PM2.5 口罩滤膜电镜照片(图13)对比，纤维直径小而 且直径分布更窄，因而具有更好的透气性和过滤效果； 2）为了在严重污染的大环境中(图14)营造一个健康清洁的小环境，基于本专利技术还独创发明 具有防霾透气神奇功能的“英蓝窗花”(图15)，基本原理就是给窗户戴上“口罩”，并可制成各种艺 术造型的功能性窗花； 3）将聚丙烯材料采用本发明专利技术制造的纳米纤维棉,经测试吸油倍率高达 120倍以上，该成 [6] 果已发表在国际期刊上 。 创新启示 1. 问：杨老师，您是怎样想到这项发明的呢？ 答：我的研究领域是“聚合加工原理及设备”，在此前的十多年时间里主要是做橡胶和塑料加工方 面的项目，先后成功研制过橡胶工业的特大型鼓式硫化机和塑料工业用的精密注塑机，但研究工 作未曾涉足化纤领域，直到2005年第一次访问美国之后才引发了这一系列发明。那次是王校长 带队和材料学院几位教授一起，到美国阿克隆大学参观，同行的材料学教授们十分急切地要去参 观Reneker 教授的溶液静电纺丝实验室(图1)。当走进实验室看到从注射器中喷出来的东西在铜 电极板上形成纳米纤维，我当时并不觉得有多么神