最近，來(lái)自俄羅斯科學(xué)院理論與實(shí)驗(yàn)生物研究所的一個(gè)研究小組利用直徑小于15 nm的聚酰胺纖維制成了一種過(guò)濾性和光學(xué)性能均優(yōu)于其他同類材料的超輕織物，可以明顯提升其空氣凈化效果。

據(jù)稱，這種材料不僅滿足輕量化要求——重量?jī)H10 ～ 20 mg/m²，其光學(xué)效果更可以與玻璃相媲美，透光率達(dá)95%。同時(shí)，空氣過(guò)濾性好，氣流阻力低，對(duì)直徑0.2-0.3μm粒子的過(guò)濾效率高達(dá)98%。

那究竟是什么讓這種材料能夠達(dá)到如此理想的效果呢？關(guān)鍵在于該研究小組對(duì)靜電紡絲的技術(shù)改進(jìn)：在電場(chǎng)作用下，溶解聚合物通過(guò)特殊的噴嘴噴向特定的目標(biāo)，而另一方向上是已經(jīng)過(guò)電噴霧處理過(guò)的乙醇。聚合物和酒精離子彼此帶有相反的電荷，當(dāng)它們?cè)诳罩邢嘧矔r(shí)便能夠緊密結(jié)合，形成超薄的靜電紡絲納米纖維薄膜。不同于在固體導(dǎo)電襯底上獲得納米聚合體，該新的技術(shù)在過(guò)濾器的導(dǎo)電聚碳酸酯基底上設(shè)有一個(gè)55mm的孔洞 ，可以吸引形成的纖維降落到表面。

1902年，美國(guó)第一次在靜電場(chǎng)力作用下，利用溶液噴射流制備出纖維。1934年，F(xiàn)ormhals在美國(guó)提出靜電紡絲技術(shù)并申請(qǐng)了專利。早在上世紀(jì)50年代，靜電紡納米纖維就已經(jīng)被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。發(fā)展至今，納米紡絲技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了針頭式、多噴頭式和無(wú)針頭式三個(gè)階段。除此之外，各種新技術(shù)新、新工藝也層出不窮。

針頭式靜電紡絲

一般針頭式靜電紡絲基本裝置主要包括高壓電源、噴絲（針）頭和接收裝置三個(gè)部分。技術(shù)原理主要是利用高壓靜電場(chǎng)激發(fā)聚合物，使其表面產(chǎn)生大量靜電電荷，在靜電斥力的作用下，聚合物液滴形成射流通過(guò)針頭噴出，聚合物加速拉伸而細(xì)化，最后固化冷卻形成納米級(jí)超細(xì)纖維，復(fù)合在基材上。美國(guó)Donaldson公司的Ultra-Web納米纖維是產(chǎn)業(yè)化的針頭式靜電紡絲的代表產(chǎn)品，目前仍是靜電紡絲納米纖維符合濾料技術(shù)在世界范圍內(nèi)最為成熟的生產(chǎn)商。

針頭式靜電紡絲基本裝置

多噴頭靜電紡絲

雖然靜電紡絲是工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)亞微米纖維的首選方法，但靜電紡絲仍然存在許多限制，如生產(chǎn)率低。一些公司試圖通過(guò)使用多噴嘴形成更多纖維而提高靜電紡絲產(chǎn)量，如日本伊藤忠商事、美國(guó)NanoStatics公司、韓國(guó)Toptec等。但是，要達(dá)到商業(yè)化的生產(chǎn)率所需的噴射器的數(shù)目高達(dá)數(shù)千個(gè)。這將導(dǎo)致在生產(chǎn)過(guò)程的可靠性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和機(jī)械的維護(hù)等多方面的挑戰(zhàn)。

我國(guó)北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的熔體微分靜電紡絲技術(shù)，解決了高粘度聚合物熔體微分流細(xì)化的難題，還發(fā)明了熔體微分多噴頭并聯(lián)技術(shù)，采用32噴頭（每頭50 ～ 90孔），可生產(chǎn)直徑為500 ～ 800 nm的纖維，產(chǎn)量可達(dá)600 g/h。

無(wú)針頭靜電紡絲

由于針頭式紡絲設(shè)備存在噴孔易堵塞，纖維產(chǎn)量低，多噴頭產(chǎn)量提高但噴絲射流相互干擾等問(wèn)題，捷克Elmarco公司生產(chǎn)出了世界上首臺(tái)用于工業(yè)化的納米纖維靜電紡絲機(jī)——納米蜘蛛（Nanospider；NS）。納米蜘蛛的紡絲原理稱為自由液體表面靜電紡絲。紡絲過(guò)程實(shí)現(xiàn)從點(diǎn) (針頭) 到線 (電極絲) 的擴(kuò)展，效率更高。

Elmarco最新的Nanospider生產(chǎn)設(shè)備

我國(guó)蘇州大學(xué)何吉?dú)g教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)氣泡動(dòng)力學(xué)原理提出了另一種具有產(chǎn)業(yè)化前景的納米纖維的技術(shù)——氣泡靜電紡絲技術(shù)。氣泡靜電紡絲技術(shù)是基于氣泡動(dòng)力學(xué)，在紡絲溶液液面形成均勻的、破碎頻率穩(wěn)定的球形氣泡，用靜電和外加氣流等作為動(dòng)力克服氣泡的表面張力而完成紡絲過(guò)程，極大提高了納米纖維生產(chǎn)的可控性與效率，是我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種全新的紡絲方法。

氣泡靜電紡絲裝置示意圖

除此之外，新的聚合物納米纖維的成形工藝不斷涌現(xiàn)，一些較為成熟的技術(shù)也都完成了商業(yè)化運(yùn)行，如：溶液噴射紡絲（Solution Blow Spinning）、強(qiáng)力紡絲（forcespinning）、混合膜法（HMT）和電噴法（electroblowing）紡絲、離心紡絲、液體剪切紡絲等。

離心紡納米纖維技術(shù)

美國(guó)科學(xué)家已經(jīng)利用噴槍原理制造出可以噴射并貼合傷口的納米纖維技術(shù)

科學(xué)家們甚至試圖采用用于圖形藝術(shù)和汽車噴繪的普通噴槍制造納米纖維，來(lái)替代醫(yī)用縫合線。這些新技術(shù)的不斷發(fā)展，必將為納米纖維行業(yè)注入了新鮮血液，改變我們的生活?？梢哉f(shuō)，納米纖維及這項(xiàng)技術(shù)本身所形成的市場(chǎng)并不是最終市場(chǎng)，它具有非常強(qiáng)的帶動(dòng)性和使能性。展望未來(lái)，相信納米纖維技術(shù)將推動(dòng)許多行業(yè)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、裝備和系統(tǒng)的變革，并使其增加價(jià)值。