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科技资讯
纳米蜘蛛TM工业化电纺技术及其应用
时间:2014年5月13日  来源:张传文,朱国锋,格林施科技(深圳)有限公司 严玉蓉,华南理工大学材料学院

近年来,国内外关于电纺技术的研究报道不断涌现,但真正致力于产业化的报道并不多见。大多数研究都是基于针头电纺,且设备也多为自己开发或组装而成,没有先进的标准化研究设备。从某种程度而言,这种现状阻碍了电纺技术的发展。一方面,由于针头设备的固有缺陷,纺丝溶液易在针头处凝聚,堵塞针头,使纺丝过程不能连续,稳定性差,导致一些研究成果重复性差,而得不到认可或推广;另一方面,针头设备的生产效率低下,难以满足工业化生产的需要,使电纺技术的发展始终停留在实验室阶段。所以设备之于研究以及纳米纤维的产业化都是一个亟待解决的问题。

捷克爱尔玛科(Elmarco)公司率先迈出关键一步,在第一时间推出工业化的生产设备——纳米蜘蛛TM,为纳米纤维工业化生产奠定了基础。目前该设备已经成功商业化,并经过多次优化改良,性能有了大幅提升,已在欧洲、美国及日本销售多台工业化生产线。下面就简单介绍纳米蜘蛛电纺技术及其应用情况。

纳米蜘蛛TM电纺技术

Elmarco公司开发的纳米蜘蛛TM电纺技术摒弃了针头式设计,直接利用液体自由表面纺丝( free-liquid surface electrospinning )(如图1所示)。该技术具有操作简单、扩展性强、模块化设计、灵活应用的特点,可以通过该设备快速得到大量高品质的纳米纤维。其纺丝原理如图2所示,即将纺丝电极置于聚合物溶液内,通过电极的旋转,聚合物溶液在电极表面覆盖一层薄的液层,将该体系置于高压电场下,将施加电压升高到临界值后,在电极表面的液层上将形成很多突起,类似针头电纺中的泰勒锥,然后被进一步拉伸成一束束的射流,落在接收材料表面,得到纳米纤维毡。这种电纺方式最大优势在于,纺丝过程中,形成射流的数量及其在电极表面的分布是自然优化选择的结果,不需要人为设计。所以更加简便,更易实现大规模的生产。

 

纳米蜘蛛设备的效率是针头设备的50~100倍。采用更高的电压,可以更好地控制纤维的成型过程和形态,有利于得到更细更均匀的纤维。相比于针头设备适于理论研究,纳米蜘蛛有更广的应用范围,如基础研究和开发,大量样品制备及表征,工业化开发前期准备等。

 

纳米蜘蛛TM的应用

纳米纤维具有精细的结构、极大的比表面积、极高的孔隙率、极好的柔韧性、吸附性、过滤性、粘合性、保温性,以及光电热等性能,这些优异的性能使纳米纤维可以广泛应用于汽车和航天、消费品、电子、能源、机械/化工、医疗/生物技术/制药、传感器和催化,以及隔音隔热等诸多领域。而静电纺丝是目前制备纳米纤维最简单易行、可采用原料种类最广,也是最重要的方法,所以受到众多研究者的青睐。据英国BCC的研究报告显示,未来五年全球纳米纤维市场将快速增长,年均增长率都在30%以上,尤其是在机械化工(过滤领域),能源、电子等领域的增长更为迅速。

1)高效过滤

所采用纤维材料的直径越细,比表面积越大,相应的材料的容尘量和过滤效率就越高(如图3所示。高效过滤技术主要体现在提高过滤介质的比表面积和缩小介质材料的孔径尺寸。纳米纤维滤材的出现,使多种过滤应用的过滤效果在大多数场合下都得到显著提升,同时还可延长滤材的使用寿命,提高对污染物的容量和增强过滤效率。通过合理的设计,过滤介质设计者和过滤器开发者只需要通过简单地添加极轻极细的电纺纳米纤维层到传统过滤基质表面,即可实现过滤效果的成倍提升。

 

作为现今唯一可行的商用技术,纳米蜘蛛TM电纺技术可以生产较窄纤维直径分布且均匀性高的纳米纤维层,使现行商品利用纳米纤维结构特有的优化过滤行为成为可能。此技术有助于开发更小型化更紧凑型的部件和拥有更高初始效率,低初始压降,长寿命的过滤器。同时可用材料种类的多样性让纳米纤维滤材拥有更广阔的选择空间。使用纳米介质所带给产品过滤效果的提升与传统材料的不同之处在于,它是利用纳米级别材料本身的性能优势,而不是以牺牲压降为代价的。纳米纤维滤材的应用,使得低成本、低阻力、高效过滤产品的开发成为可能。

图4对比了通过纳米蜘蛛TM制备的一系列不同规格的纳米纤维过滤介质和基材在不同粒子尺寸下的过滤效率曲线。这些数据不仅突出了纳米纤维可以显著提高材料的过滤效率,而且还说明了选用纳米介质设计的灵活性。正如图中所示,可以通过采用不同直径及不同堆积厚度的纳米纤维组合来获得设定的目标过滤效率。由于最佳组合是由实际的过滤应用要求来决定,其它因素如:压降、成本、纳米纤维材料种类需在优化性能的过程中来平衡。

 

许多的研究成果也表明纳米纤维在过滤领域应用具有优异的性能。捷克Libelic大学和Elmarco的工程师对比了不同类型滤材在相同条件下的过滤行为,结果表明相比传统的过滤材料,纳米纤维材料的过滤效率提高明显(如图5)。Kim等利用静电纺丝法制备了PAN纳米纤维毡用作过滤材料,与普通的聚烯烃纤维、HEPA和ULPA过滤材料相比,过滤效率显著提高。Shin等人采用发泡聚苯乙烯(PS)回收料静电纺丝得到直径为500~700 nm的PS微纳米纤维,并与微米级的玻璃纤维过滤材料复合,使得该玻纤滤材的过滤效率从原来的68%提高到88%。Vitchuli 等电纺尼龙6纳米纤维与普通织物复合,得到过滤效率高达99.5%的保护性滤材。

 

在工业化产品开发方面,电纺纤维毡作为过滤材料最早是应用在开发高效空气过滤材料领域,并首先实现商品化。如空气净化器、工作场所和清洁房通风设备的过滤、工业用油和燃料的过滤、设备进气口空气过滤,以及汽车用过滤等方面;在液体过滤方面,电纺纳米材料在污水净化、去除水中病原体等方面也有很好的效果,此外,还可以通过在纳米纤维中添加一些功能性的材料,开发功能性过滤材料。美国Clakor公司利用ELmarco的纳米蜘蛛技术开发了新型的汽车用空气滤清器。康明斯过滤公司正在运用Elmarco的技术进行相关产品的研发。E-SpinTech公司开发的PAN基碳纳米纤维网经测试在气溶胶和化学过滤操作中具有优良的性能。美国Donaldson是最早开发纳米纤维滤材的公司,其Ultro-webTM牌号的产品已在市场有一定的知名度。其它品牌的商品化纳米纤维产品有:AntimicrobeWebTM, NanoFilterTM, Fibra-WebTM, Finetex MatsTM等。目前在国内市场,还没有类似的产品开发,企业还没有认识到纳米纤维应用在过滤领域的性能优势以及广阔的市场前景,仍需进一步的宣传和推广。

2)生物医用领域

纳米纤维的特性使其在医学方面具有特别的优势,尤其是在伤口修复和组织工程方面的应用。电纺技术因其能简单方便制备纳米纤维的无可比拟性,而且能利用生物可降解类聚合物或天然高分子材料纺制成纳米纤维材料,同时还允许多种起到增强效果的添加剂加入,以及可控的纳米纤维的结构和尺寸,因此特别适合应用于医用材料领域。目前,纳米纤维材料已经在组织工程、药物缓释材料、细胞培养支架,人造器官,伤口修复、血管移植以及防护衣物口罩等方面。

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