静电纺丝纳米纤维：“万能”的薄膜

添加时间：2015-01-30 11:07:56 来源：科技日报

           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最年轻的教授，也是目前国内唯一可以将其高效低成本批量化生产的人。
       “万能”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权威奖项，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。这是一种优质的过滤材料，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(高效过滤膜)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，为军队训练、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，最终沉积在接收板上，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，而真正可以实现高效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。
      “该成果填补了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，技术创新独特，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。”这是国内权威院士专家，给予这一成果的评定。
         这其中最重要的一点就是“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，也许一个高级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，第一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
         在填补了设备制造的空白后，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，全球锂电池隔膜市场快速增长。据统计，2009—2013年全球锂电池隔膜市场规模复合增长率达26.39%，2013年全球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。
       “实验室和生产线完全是两回事，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最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。