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靜電紡絲納米纖維:“萬能”的薄膜

靜電紡絲納米纖維的特殊性能來自於其特殊結構。纖維的直徑可達200納米,甚至更細,這比頭發絲細了幾百倍,意味著其比表面積(單位質量物料所具有的總面積)非常大,用其制成的材料也因此具備很多特殊功能。 

這是一卷白色的薄膜,觸感也與生料帶非常相似,像傳統布匹店里的布一樣卷著。就是這卷不太起眼的薄膜,讓北京服裝學院這座有著紡織學科傳統的高校,時隔十四年之後,再獲香港桑麻紡織科技獎一等獎。該獎是紡織行業內的權威獎項,終評委員會由包括行業內的8位院士一齊評出。

  這種薄膜就是傳說中的靜電紡絲功能性納米纖維膜,一種功能強大的新材料。有多強?李從舉笑著告訴記者,有同事隔著它抽煙,發覺香煙沒什麽味道了——這只是從一個側面反應了其過濾效果。如果用作口罩。這是一種優質的過濾材料,可以很好地過濾PM2.5以及各種病毒、雜質的同時,通氣更容易,這讓人呼吸起來順暢得多。而與目前大多空氣凈化器中使用的HEPA(高效過濾膜)相比,相同的過濾效果下,納米纖維過濾膜的空氣通過率更高,膜兩側壓力差也更小。更為關鍵的一點是,成本低。

  如果用於電池。把納米纖維膜用作動力鋰電池隔膜,可以提高電池功率,減小內部消耗,還能提升其內部電化學性能,尤其可以極大地改善磷酸鐵鋰電池低溫性能,甚至在零下40℃也能正常工作。如果用來制衣。納米纖維膜可以把細小水滴(毛毛雨)擋在外面,只允許水蒸氣分子透過,這正是戶外運動服裝和特種防護服裝需要的材料特性。如果用作油水分離。目前海洋石油泄露事件都是用吸油棉處理,而如果采用這種材料吸附原油,不但效果更好,也能大幅降低成本。

  另外,電紡絲納米纖維無紡膜具有高孔隙率、低滲透阻力的特點,可以制成高通量、低能耗的便攜式超濾膜紡織品(如手絹),用於戶外快速凈水,為軍隊訓練、作戰、森林救火、旅遊、野外作業、探險、礦業等快速提供清潔水源,做好後勤保障。還有,有些被開發出來的應用,甚至連李從舉都沒有想到過。在他看來,一定還會有。環保袋

  這種材料的特殊性能來自於其特殊結構。纖維的直徑可達200納米,甚至更細,這比頭發絲細了幾百倍,意味著其比表面積(單位質量物料所具有的總面積)非常大,用其制成的材料也因此具備很多特殊功能。“看起來是一層細膩的薄膜,但如果用顯微鏡觀察,就能看到其內部有很多小孔。”李從舉說。

  要得到這樣的纖維膜需要通過靜電紡絲技術。靜電紡絲是一種能夠直接、連續制備聚合物納米纖維的方法,它可以將聚酯、聚氨酯、聚乙烯等聚合物,紡制出直徑範圍從小於3 納米到超過1微米的超細纖維,並沈積在接收板上得到無紡布。 “普通編織是把線絲用機械力牽拉編制,靜電紡絲是先將聚合物溶液加上三萬伏特高壓,使其極化,然後在電場力的作用下把材料拉出來紡織。”李從舉簡單地說明了一下原理。

  記者查閱的資料顯示,靜電紡絲不同於傳統的紡絲加工技術,其主要是借助於高壓靜電場使聚合物溶液或熔體帶電並產生形變,在噴頭末端處形成懸垂的錐狀液滴,當液滴表面的電荷斥力超過其表面張力時,在液滴表面就會高速噴射出聚合物微小液體流,簡稱“射流”。這些射流在一個較短的距離內經過電場力的高速拉伸、溶劑揮發與固化,最終沈積在接收板上,形成聚合物纖維。

  而在站在機器前的記者看來,高分子溶液似乎更像是被加熱過的砂糖,生成的糖絲又被規律地編織成了薄膜;如果沒有規律,就成了“棉花糖”。“幾乎全國的院校都在做靜電紡絲。”李從舉說。記者了解到,除了李從舉教授所在的北京服裝學院材料科學與工程學院,絕大部分都還停留在實驗室階段,做出的薄膜一般為A4紙大小,或者需要有支撐層收集,而真正可以實現高效低成本批量化生產的唯此一家。目前其年生產能力可達50萬平方米,而占地面積僅50平方米。

  “該成果填補了國內沒有針對靜電紡絲技術量產純納米纖維膜的設備及系統的空白,對我國納米纖維產業的發展具有重要價值和意義,純納米纖維生產系統生產效率高、穩定性好,技術創新獨特,有很強的經濟效益和社會效益,同時,該成果在空氣凈化、水處理和新能源等領域同樣具有廣闊前景,符合產學研合作研究成果。”這是國內權威院士專家,給予這一成果的評定。

  這其中最重要的一點就是“量產純納米纖維膜的設備及系統”,而當記者問他打造的設備有何不同時。李從舉只狡黠地笑笑說,我有著十幾年的積累,一直在做這一件事,再說我們是傳統的紡織院校,當然是我們懂紡織多一些,我們時常泡在紡織企業里,也許一個高級工人就能給我們很大的啟發,這個可是文獻里看不到的。“我是四川人,以前沒有吃過皮皮蝦,第一次吃的時候總得有人教你。”李從舉打了一個只可意會的比方。

  在填補了設備制造的空白後,該技術獲獎無數,但等在前方的是可以讓該技術得以施展的巨大的空間。空氣汙染牽動人心,有資料顯示到2015年,包括空氣凈化器在內的室內環保產業,其年產值將達到800億元,而與HEPA濾網相比有著成本和性能優勢的納米纖維膜會遇到怎樣的發展?

  在新能源車等市場需求的推動下,全球鋰電池隔膜市場快速增長。據統計,2009—2013年全球鋰電池隔膜市場規模複合增長率達26.39%,2013年全球鋰電隔膜市場規模達到8.37億平方米。預計到2015年鋰電隔膜需求年均複合增長率達到25%,市場規模將達13.08億平方米。據了解,目前國內80%的鋰電池隔膜依靠進口,進口替代空間大。那麽,年產5萬平方米應該只能被看做是一個起點。

  靜電紡絲技術在上世紀初就被美國人發明出,但是其快速發展也就是近年來的事情。當技術和原理早已不在是秘密,真正的產業化生產才是問題之根本。“實驗室和生產線完全是兩回事,產業化不僅要求操作簡單、成本低、還要求能持續產出,質量控制,不出差錯。而納米纖維膜產業化最大的困難是設備的研發,在實驗室為了確保實驗的成功和準確性,設備的很多附件都是進口產品,而產業化的進程中,必須實現國產化,這更要求我們踏踏實實地做下去。”李從舉坦言。