超細纖維的超快制造，清華團隊開發(fā)無針頭連續(xù)氣紡絲新技術(shù)，為納米纖維規(guī)模化生產(chǎn)提供新思路

“看著不銹鋼網(wǎng)上溶液射流密集的噴射而出，高效地進行紡絲，瞬間覺得一切的努力都沒有白費。”對于那個北京隆冬深夜的科研“勝利”場景，清華大學材料學院副教授伍暉表示。

（來源：Science Advances）

近日，其團隊聯(lián)合該校航天航空學院副教授趙立豪課題組，聯(lián)合開發(fā)出一種結(jié)合卡門渦街原理的無針頭溶液氣紡絲新技術(shù)，給規(guī)模化生產(chǎn)納米纖維提供了新思路。

圖 | 伍暉（來源：清華大學）

納米纖維因其獨特的物理化學性質(zhì)，在環(huán)境過濾、能量存儲、柔性電子、組織工程、智能織物、個人病毒防護等不同領(lǐng)域。要想促進納米纖維材料在終端產(chǎn)品中的進一步應用，必須開發(fā)出更先進的制造科學和相關(guān)技術(shù)，只有這樣才能實現(xiàn)高效率、低成本、連續(xù)穩(wěn)定的納米纖維規(guī)模化生產(chǎn)。

目前的一些納米纖維制造方法，例如模板合成法、水熱法和分子自組裝法，由于設備復雜且生產(chǎn)率低，仍處于實驗室規(guī)模的開發(fā)階段。熔噴是工業(yè)上廣泛使用的一種制備超細纖維的方法，但是這種方法很難制備直徑小于 1μm 的纖維，并且只適用于熱塑性聚合物。溶液紡絲法，包括靜電紡絲、離心紡絲、機械拉伸和溶液氣紡絲等，因此可以制備各種類型的超細纖維而受到廣泛關(guān)注。

（來源：Science Advances）

在典型的溶液紡絲過程中，聚合物溶液從針尖噴出，并通過靜電力、離心力或氣體剪切力進行拉伸，隨后蒸發(fā)溶劑以獲得纖維。靜電紡絲是一種廣泛采用的用于制造納米纖維的溶液紡絲技術(shù)。

然而，它的主要技術(shù)缺點，包括復雜的電場設計、溶劑蒸發(fā)和纖維收集困難、高壓安全問題、針頭阻塞、液滴形成，以及產(chǎn)量低的問題，阻礙了它在工業(yè)環(huán)境中的廣泛應用。

離心紡絲可以實現(xiàn)較高的纖維生產(chǎn)率，但與靜電紡絲相比，它的平均纖維直徑仍然較高。因此，盡管現(xiàn)有納米纖維制造技術(shù)發(fā)展迅速，但在不影響其質(zhì)量的情況下以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)仍然具有挑戰(zhàn)性。

（來源：Science Advances）

用靜電場作為替代方案

作為靜電場的替代方案，高速氣流作為從溶液中紡出超細纖維的驅(qū)動力，正引起越來越多的關(guān)注。在典型的溶液氣紡絲工藝中，在氣液界面由氣流誘導產(chǎn)生的剪切力用于細化從針尖擠出的溶液，形成沿流向方向的液體射流。

隨后，氣流有效地幫助溶劑蒸發(fā)，從而獲得高質(zhì)量的纖維。據(jù)悉，迄今為止，只有基于針頭的溶液氣紡絲技術(shù)被報道過，而無針頭的溶液氣紡絲技術(shù)尚未實現(xiàn)。

雖然通過針頭輸送溶液已經(jīng)取得了很大的成功，但諸如高流動阻力、液滴形成和噴射，以及由于溶液快速揮發(fā)或固化而可能導致的針頭堵塞等問題極大地限制了紡絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性、纖維質(zhì)量, 和生產(chǎn)效率。

此外，如能進一步加強液體射流的氣體剪切應力，增強溶液紡絲過程中的牽伸作用和溶劑揮發(fā)，溶液氣紡絲將更具有應用價值。因此，非常需要開發(fā)一種新的氣紡絲系統(tǒng)，使得氣流以更有效的方式與紡絲溶液相互作用，從而制備出高產(chǎn)量的納米纖維。

（來源：Science Advances）

1911 年，著名空氣動力學家西奧多·馮·卡門（Theodore von Kármán）發(fā)現(xiàn)了卡門渦街現(xiàn)象，即一種流體流過圓柱體產(chǎn)生的不尋常的交替渦流，這種現(xiàn)象可以在流體運動的各種尺度上找到。如果可以探索氣態(tài)的卡門渦流，以控制液體射流并進一步促進纖維形成，這將具有極大的科學意義和重要性。

構(gòu)建基于卡門渦街的無針頭溶液氣紡絲系統(tǒng)

基于此，伍暉團隊設計并構(gòu)建了基于卡門渦街的無針頭溶液氣紡絲系統(tǒng)，以實現(xiàn)納米纖維的高通量生產(chǎn)。該方法采用全新設計的卷對卷系統(tǒng)來實現(xiàn)無針溶液傳輸，借此制造出納米纖維。連續(xù)運動的閉環(huán)尼龍線，可將紡絲溶液從儲液槽中攜帶出，隨后在高速氣流的驅(qū)動下，可以形成泰勒錐并高速噴射，進而通過快速拉伸和擺動形成納米纖維。

該技術(shù)精確設計了空氣射流與卡門渦街相結(jié)合的氣流結(jié)構(gòu)。通過流體理論和計算流體動力學模擬的研究，他們發(fā)現(xiàn)穿過尼龍線的高速氣流，會在尼龍線的背風側(cè)產(chǎn)生強烈的剪切應力和卡門渦流，強剪切應力會促進泰勒錐的形成和溶液射流的細化，而卡門渦旋則擾亂流場、并加速氣流從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩，最終促進了溶液射流的揮發(fā)。兩者的共同作用，極大促進了納米纖維的高通量生產(chǎn)。

（來源：Science Advances）

3 月 16 日，相關(guān)論文以《通過卡門渦旋溶液吹紡高通量生產(chǎn)千克級納米纖維》（High-throughput production of kilogram-scale nanofibers by Kármán vortex solution blow spinning）發(fā)表在 Science Advances 上[1]。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Science Advances）

對于此次成果，其中一位審稿人評價稱：“伍及其同事提出一種改進的溶液氣紡絲制造大量高質(zhì)量納米纖維的原創(chuàng)性方法。該方法有幾個優(yōu)點——除了去除現(xiàn)有的噴嘴和針頭外，由于線的背風面形成的大的速度梯度，它使得纖維的進一步牽伸細化成為可能。由卡門渦流引起的氣流動力學也促進了溶液的快速蒸發(fā)。”

（來源：Science Advances）

另一位審稿人表示：“使用運動的線和卡門渦流是一個非常有趣和創(chuàng)新的想法。總的來說，我很欣賞卡門渦流噴射的新穎性和精美的使用，以比傳統(tǒng)噴嘴更高的速度制造納米纖維。這項工作得到了實驗數(shù)據(jù)的充分支持，并以清晰的方式呈現(xiàn)。”

還有一位審稿人評價稱：“納米纖維的大規(guī)模制備確實是一個值得關(guān)注的挑戰(zhàn)。作者在文章中提出的無針頭溶液氣紡絲策略（KV-SBS）使用線或者不銹鋼網(wǎng)代替針頭，引人注目。KV-SBS 對納米纖維的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)生了積極的影響，這無疑是一項有價值的工作。作者提出了一種具有高生產(chǎn)率和普遍適用性的溶液氣紡絲策略，并對該紡絲策略進行了充分的理論分析。”

實現(xiàn)紡絲系統(tǒng)的無針頭化

伍暉表示，他在做基于針頭的溶液紡絲時，常常會遇到溶液堵塞針頭的問題，影響纖維樣品的質(zhì)量，所以一直在思考如何實現(xiàn)紡絲系統(tǒng)的無針頭化。同時，考慮到溶液氣紡絲中氣流是溶液被牽伸的驅(qū)動力，也能夠起到輔助射流揮發(fā)的作用，也一直希望能夠巧妙設計氣液的作用形式，來加強氣流的剪切和輔助揮發(fā)作用。

他注意到，在卡門渦街現(xiàn)象中，流體會出現(xiàn)非常明顯的渦旋湍流。如果將射流置于這個湍流中，這對于紡絲過程中溶劑的揮發(fā)和纖維形成可能會很有幫助。

（來源：Science Advances）

有了想法后，伍暉立馬叫上學生一起驗證，DIY 了一個簡易的手動小裝置，將一根線從裝有溶液的燒杯中帶出點溶液，并用高速氣流進行吹掃，發(fā)現(xiàn)確實得到了纖維。盡管當時獲得的纖維質(zhì)量還不是特別好，但這還是讓其非常興奮，至少方向是對的。

但接下來的過程并非一帆風順。在探索如何讓紡絲系統(tǒng)穩(wěn)定制備高質(zhì)量納米纖維的過程中，遇到了很多技術(shù)性的問題，比如如何設計系統(tǒng)構(gòu)型和搭建裝置、如何更好地調(diào)控溶液的輸運等等。

期間，該團隊與合作者從理論上探索了纖維成型的機理，并利用高速相機對紡絲過程進行了大量的實驗觀察，借助理論和實踐的聯(lián)動，一步步探索裝置改進和實驗參數(shù)優(yōu)化。最終，實現(xiàn)了紡絲系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

讓伍暉尤為難忘的是，在利用高速相機對實驗過程進行拍攝時，為了拍攝出較好的效果，常常會帶著防護眼鏡進行很長時間的拍攝。而使用不銹鋼網(wǎng)作為溶液載體進行紡絲時，對于拍攝的光線強弱、強弱等更是提出了更高的要求。當時他們連續(xù)拍攝了很久，終于在一個很晚的冬夜里，拍攝出了比較滿意的視頻。

在環(huán)境過濾和組織工程等具有廣闊應用

納米纖維在環(huán)境過濾、能量存儲、柔性電子、組織工程等諸多領(lǐng)域具有十分廣闊的應用前景。為了促進納米纖維材料真正走向商業(yè)化應用，開發(fā)更加高效的納米纖維制造技術(shù)很有必要。

該課題組長期以來致力于納米纖維的基礎科學問題的探索、規(guī)模化制造技術(shù)的研發(fā)和納米纖維實際應用的研究。作為一個方法學的論文，伍暉希望這一成果能夠推動納米纖維在諸多領(lǐng)域的應用推廣。

此外，該課題組已探索過納米纖維在多個領(lǐng)域的應用。未來，他們將在已有工作的基礎上，繼續(xù)開發(fā)無針頭溶液氣紡絲系統(tǒng)，以推動高分子、碳、陶瓷等多種納米纖維材料的制備，推動納米纖維在過濾與吸附、高溫隔熱和柔性電子等多個領(lǐng)域的應用。

在后續(xù)計劃上，一方面該團隊將進一步放大該研究搭建的無針頭紡絲的平臺，探索進一步擴大納米纖維的制造規(guī)模；另一方面，也將致力于從理論與實踐上進一步探索設計與優(yōu)化無針頭紡絲系統(tǒng)，以進一步提高纖維的生產(chǎn)效率。

-End-