離心紡絲的發展現狀及前景

宋天丹+李秀紅+陳志遠+劉勇+邢長民+李松年+劉月星

摘要：離心紡絲是一種新的制備納米纖維的方法，紡絲效率高，紡絲原料多樣化，并且克服了很多熔體靜電紡絲和溶液靜電紡絲的缺點。本文對離心紡絲的發展過程進行了綜述，并簡要介紹了高速離心紡絲與離心靜電紡絲的原理。其中，針對高速離心紡絲過程，總結了影響纖維質量和產量的因素，對離心紡絲今后的深入研究具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：高速離心紡絲；離心靜電紡絲；影響因素

中圖分類號：TQ340.64 文獻標志碼：A

Development Status-quo and Prospect of Centrifugal Spinning Technology

Abstract： The centrifugal spinning has been proven to be a new method to produce nanofibers， which has higher efficiency and material diversity than traditional electrospinning. At the same time， this technology overcomes some limitations of melt electrospinning and solution electrospinning. This paper introduced the development of centrifugal spinning， as well as the mechanism of forcespinning and centrifugal electrospinning. Besides， the factors impacting the quality and output of fiber with centrifugal spinning were also analyzed.

Key words： high-speed centrifugal spinning； centrifugal electrospinning； impact factors

離心紡絲法是聚合物熔體或溶液借助高速旋轉的裝置所產生的離心力和剪切力由細孔甩出而成纖的方法。隨著科學技術的發展，離心紡絲已由最初的用來制備人造絲發展到現在的制備納米纖維膜。據報道，相較于傳統的靜電紡絲法，新的離心紡絲納米技術的生產效率約提高了1 000倍，成本低、紡絲效率高，可用來制備高聚物、金屬、陶瓷、復合材料纖維等。

1 國內外離心紡絲技術的研究進展

早在1924年，美國專利US1500931就提出了一種離心紡絲設備，主要用于將纖維膠紡成人造絲線；1986年歐洲專利EP0168817中發明了一種用擠出機為喂料系統的離心紡絲裝置，用來大規模制備非織造布；2008年章培標等在專利CN101220544中發明了一種熔體和溶液離心紡絲制備非織造布的裝置，其中離心旋轉部分采用旋轉盤、旋轉盤蓋以及環狀隔片結構，并且利用紅外溫控系統，使裝置既可滿足熔體紡絲條件也適用于溶液紡絲，使紡絲原料多樣化；2010年專利US7763228中提出了利用離心方法制備納米級碳纖維的構想；2010年張以群等提出一種水平盤式旋轉離心紡絲法，該法采用電磁加熱技術，可精確控制紡絲溫度，解決熔體紡絲在裝置上因為加熱部分而復雜、難控制的問題；Karen Lozano等在專利US20090280207中提出一種制備超細纖維的離心紡絲裝置，屬于高速離心紡絲領域（Forcespinning），之后在該專利的基礎上又做了大量的實驗研究，對各種紡絲原料進行實驗，研究離心紡絲中各種外部因素（轉速、溫度、噴嘴幾何工藝參數、收集器與噴絲口距離、圓盤直徑等）以及材料本身（粘度、溶劑配比、溶劑蒸發率等）對纖維（纖維直徑、液珠形成、熱穩定性、纖維形態和膜結構、結晶度等）的影響，并建立了詳細的數學模型，深入分析了射流的動力學和流變學特征；美國FibeRio公司通過發展其離心紡絲技術，極大地提高了生產效率，并實現了工業化生產，生產出的纖維直徑平均值≤500 nm，在之后的生產過程中，得到了巨大的收益；納幕爾杜邦公司在專利CN101755081中闡述的高速旋轉裝置，結合了離心紡絲、靜電紡絲和熔噴紡絲的優點，其發明裝置的特點在于其溫度場分布，從旋轉噴絲頭到收集器之間分別有 3 個溫度區域，使纖維得到充分拉伸，并指出分配盤的直徑d和α角可影響纖維的形成和纖維尺寸。

隨著離心紡絲的不斷發展，離心靜電紡絲應運而生，離心靜電紡絲是將離心紡絲與靜電紡絲相結合的一種新紡絲形式，Rieter OFT公司與德國ITV研究所共同開發了一種離心靜電紡絲裝置，所紡纖維直徑可小至80 nm，離心紡絲機只有 3 個頭，但它的擠出量是25排1 250個噴頭的常規靜電紡絲裝置的1 000倍；劉術亮等利用新型低壓離心靜電紡絲法制備了有序排列、交叉排列以及絞線結構的熒光納米纖維；多氟多化工股份有限公司在專利CN102061530B中介紹了一種離心式靜電紡絲裝置，利用金屬網制成的旋轉甩筒，大大提高了靜電紡絲裝置的工作效率，并可有效避免傳統噴頭紡絲時噴孔的堵塞問題。

2 高速離心紡絲機理及其影響因素

高速離心紡絲是指高分子熔體或者溶液在離心力的作用下，被甩至轉盤圓周的噴口處，當離心力克服紡絲原料的粘度和表面張力時，紡絲原料被拉伸成纖維。高速離心紡絲不需要加設高壓電場，不要求原料有特殊的介電性能，同時也不需要熔噴紡絲中的快速高溫氣流，可大大節約成本。高速離心紡絲裝置如圖 1 所示，實驗裝置如圖 2 所示。

Padron等經過大量實驗后得出：影響納米纖維直徑的因素是多方面的，轉盤旋轉速度增大可使纖維直徑減小，但當增加到一個臨界值時，纖維開始出現崩裂，再繼續增大會使射流成為珠狀，導致纖維直徑增大或者無法成絲。

對于聚合物熔體而言，如果粘度太大，分子鏈纏結在一起，外力不能使之產生射流；如果粘度太小，射流會被打散或產生液珠，低纏結、低粘度的紡絲原料易產生珠狀射流，且粘度大小直接影響熔體流動速率，隨著熔體流動速率的增大纖維直徑減小，纖維直徑的標準偏差也減小。

對于噴頭到收集端的距離而言，所需距離大小取決于溶劑揮發速率或射流冷卻速率，同時這個距離需要允許纖維向外旋轉，如果距離太小不能使纖維充分拉伸，所得纖維直徑較大，若距離太大，紡絲纖維則到達不了。

噴口的大小、方向、幾何特征以及轉盤內部結構都會影響纖維直徑，高分子熔體或者溶液在轉盤內部不僅受到離心力的作用，而且會受到轉盤壁的邊界效應，產生剪切力，同時高分子熔體或者溶液內部各點由于不同的速度、溫度、組成也會產生剪切力，外力作用會使分子鏈解纏、取向，影響到達噴頭處高分子熔體或者溶液的狀態，進一步影響纖維直徑或纖維產量。

高速離心紡絲可以大大降低分子降解現象，在通過示差掃描量熱法分析后得出，聚丙烯通過離心熔體紡絲沒有產生降解。

總之，影響纖維質量和產量的因素有很多，只有通過大量實驗，或者建立合適的數學模型和計算機模擬來深入系統化研究，才能準確把握規律，為實際生產做出正確指導。

3 離心靜電紡絲裝置

離心靜電紡絲是將靜電紡絲和離心紡絲結合起來，采用低電壓和低轉速即可紡絲，一種離心靜電紡絲裝置如圖 3所示。

同現有的靜電紡絲相比，離心靜電紡絲法由于附加的電壓比噴頭法小，因此可以紡導電度高的紡絲溶液。另外，納米纖維網本身往往并不很結實，基質通常被涂覆，采用離心靜電紡絲技術，當電場基質阻擋時，即使是很重的基質，仍能可靠地被涂覆，不會影響到纖維的生產。離心靜電紡絲在低壓情況下（小于 3 kV）就可制備有序排列的納米纖維，且效果極好，纖維有序度可達90%以上，也可用于制備交叉排列或絞線結構的微納米纖維氈。

通過對比實驗得到的靜電紡絲和離心靜電紡絲纖維電鏡圖像，可以更直觀地看到纖維品質的差異。圖 4 為靜電紡絲與離心靜電紡絲纖維的電鏡照片對比，其中圖4（a）為20%（wt%）PVDF溶液在電壓為12 kV、電極間距離為20 cm、轉速為 0 的條件下紡絲，圖4（b）為同種PVDF溶液在同樣條件下，轉速為300 r/min時紡絲。從圖 4 可以清晰看出，在轉速為0時，即傳統的靜電紡絲，纖維表面出現許多珠狀體，且纖維排布很不均勻，而當轉速為300 r/min時，纖維排布均勻，珠狀體明顯變小或不見，纖維外觀品質較好。

北京化工大學離心靜電紡絲課題組自行設計了離心靜電紡絲設備，并申請了專利，對離心靜電紡絲的動力系統、供料系統（間斷式和連續式）、紡絲系統、加熱系統、收集系統都有詳細說明。在動力系統中，采用的高轉速電機與變頻器配合使用，可使甩盤轉速控制在0 ～ 12 000 r/min之間，調節轉速方便且精確；供料系統中，采用間斷式和連續式兩種，間斷式主要為實驗設備，而連續式主要為工業化生產設備；紡絲系統中，課題組將根據實驗研究，對紡絲甩盤結構以及紡絲噴頭做進一步創新與改進。

4 結論

高速離心紡絲可制備納米纖維膜并已實現工業化生產，但仍然存在一些問題，例如高速旋轉對電機的高要求以及軸承的質量、壽命、減震等問題，另外當高速離心紡熔體時，加熱裝置以及測溫、控溫系統的設計與選擇也比較復雜。此外，在離心靜電紡絲過程中，還需要對離心力與電場力的耦合作用進行深入研究，并以此為依據設計噴口方向或噴頭結構。總之，離心靜電紡絲為納米纖維的制備開拓了一條新道路，工業化也相對容易，具有較好的發展前景。

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