離心紡：一種高效制備微/納米纖維的紡絲方法(一)

徐淮中　　陳歡歡　　李祥龍　　劉　晨　　楊　斌

浙江理工大學材料與紡織學院， 浙江 杭州 310018

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離心紡：一種高效制備微/納米纖維的紡絲方法(一)

徐淮中陳歡歡李祥龍劉晨楊斌

浙江理工大學材料與紡織學院， 浙江 杭州 310018

摘要：介紹離心紡纖維的成形機制，分析可通過調控紡絲參數(即紡絲液性質、工藝參數、環境條件)誘導優質微/納米纖維的成形，并以自制的離心紡絲裝置為研究平臺，從紡絲類型、紡絲參數、射流成形機制三方面對離心紡技術進行梳理，旨在使國內同行更好地了解離心紡技術的特點及其發展趨勢，推動離心紡技術的發展。

關鍵詞：離心紡，微/納米纖維，紡絲參數，射流成形

生產納米纖維常用的紡絲方法有熔噴法、模板法、相分離法、雙組分法、自組裝法及靜電紡絲法等。其中，靜電紡絲法具有可紡纖維種類豐富、產品質量穩定、裝置組裝簡單等優勢，已被廣泛應用于生產有機及無機納米纖維。然而，高壓靜電(>10 kV)、紡絲液極性要求、溶劑毒性和生產效率低下等都不利于靜電紡纖維的應用與推廣[1]473,[2]677,[3],[4]12。雖然無噴嘴靜電紡技術極大地提高了紡絲效率，但與常規化纖紡絲相比仍有較大的差距。近幾年，離心紡正逐漸發展成一種制備納米纖維的新技術，其具有產量高、能耗低、污染小、對紡絲液極性無要求等優勢，可有效彌補靜電紡技術的先天不足[2]677,[4]12,[5-7],[8]429-435,[9]。當前，可利用離心紡技術生產的高聚物包括尼龍6(PA6)[10]、聚丙烯腈(PAN)[11]、聚己內酯(PCL)[1]473、聚偏二氟乙烯(PVDF)[12]、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[13]、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)[14]、聚丙烯(PP)[15-16]、聚乳酸(PLA)[17]等；可生產的無機物包括摻錫氧化銦(ITO)[18]、二氧化鈦(TiO2)[19]、二氧化硅(SiO2)[20]、二氧化鋯(ZrO2)[21]、鈦酸鋇(BaTiO3)[22]、氧化鋁(Al2O3)[23]等。鑒于靜電紡技術的發展，離心紡技術將在納米增強材料[24-26]、細胞培養[27-29],[30]2257-2261、藥物運輸[31]、柔性儲能材料[32]、醫用衛生、電池隔膜等領域中扮演重要角色。

離心紡技術與棉花糖機頗有淵源，它們有著共同的紡絲機理。棉花糖的制備過程如圖1所示：制作前先將糖加入儲料槽中加熱熔融，之后熔融態糖在離心力的作用下從噴嘴中甩出，射流經拉伸、冷卻、卷繞后形成棉花糖。糖屬天然高聚物，其相對分子質量較低、相對分子質量分布較寬，故棉花糖纖維較粗(>100 μm)。本課題組就曾利用棉花糖機對聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)進行了試紡，并獲得了直徑為數十微米的PET纖維。

(a) 加料　(b) 棉花糖卷繞

19世紀60年代，美國一紡絲企業就已開始利用離心紡技術生產玻璃纖維[2]684。該玻璃纖維的成形機理與棉花糖相似，但纖維的收集過程較為復雜，其在離心力及高速氣流對熔融態玻璃進行牽伸的同時，向射流噴灑黏合劑，最終獲得了纖維直徑為數十微米、纖維長度為數厘米的玻璃纖維非織造布，且成網烘干后具有一定強力。1970年，Chen和Miller曾利用改進后的離心機制備出合金纖維[33]，其熔融射流高速撞擊帶有凸形內表面的環形罩，纖維固化后便立即從環形罩坡面滑落，這有利于纖維與環形罩之間的熱傳遞，從而提高了合金纖維的力學性能。

盡管離心紡技術曾用于制備玻璃纖維與合金纖維，但其用于制備高聚物纖維，尤其是納米纖維(直徑<500 nm)，尚處于起步階段。1991年，專利US5075063描述了一種可進行熔融或溶液紡絲的離心機[34]；1995年，專利US5460498在上述裝置結構的基礎上，通過引入高速氣流對射流做進一步牽伸[35]；1996年，專利US5494616設計了一系列不同結構的紡絲模頭[36]。這些都在一定程度上提高了纖維的品質。2005年，日本帝人特威隆(Teijin Twaron)公司率先使用濕法離心紡技術生產了纖維素纖維[8]429-435。2008年，Weitz等[37]1187-1197利用旋涂儀意外獲得了直徑低至25 nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纖維。此后，離心紡作為一種制備納米纖維的新技術,得到了相關科研機構的廣泛關注。

據統計，2008—2014年有關離心紡的研究論文共計52篇，發文量隨時間呈指數式增長(圖2)。因此可以預見，離心紡技術將吸引更多的科研團隊，且相關的論文數量也將進一步增長。從論文發表所屬國家來看(圖3)，美國發文量占一半以上，主要有德州大學泛美分校Lozano研究組、北卡羅來納州立大學張向武研究組和紐約Ren研究組。FibeRio公司還利用專利US2009/0280325A1制造了產業用幅寬1.1 m的Cyclone Fiber Engine與實驗用Cyclone L-1000M/D 的離心紡設備，并注冊“Forcespinning”為商標[38]。中國發文量僅次于美國，主要科研團隊有浙江理工大學楊斌課題組、臺灣國立成功大學Chen Chuh-yung研究組、南京大學Liu Heyi研究組及青島大學Liu Shuliang研究組。此外，伊朗伊斯法罕科技大學Hosseini Ravandi研究組與印度安娜大學Mary研究組也在從事與離心紡技術相關的科研工作。

圖2　2008—2014年離心紡論文數量分布

圖3　2008—2014年各國發表關于離心紡論文的情況

1離心紡類型

結合本課題組已有的研究成果及相關的文獻報道，本文將離心紡劃分為有噴嘴離心紡、無噴嘴離心紡和離心-靜電紡等三大類。如不加特殊說明，離心紡即指有噴嘴離心紡。

1.1有噴嘴離心紡

噴絲器與纖維收集器是離心紡裝置中決定纖維

品質的關鍵部件。Lozano和Sarkar曾在專利EP2257660中詳細介紹了不同結構的離心紡噴絲器(圖4)，分別為狹縫式噴絲器、篩網式噴絲器、三板復合式噴絲器及針管式噴絲器[38]。

狹縫式噴絲器中，紡絲底盤與紡絲蓋之間留有狹縫，且狹縫尺寸可按紡絲要求進行調節。篩網式噴絲器以篩網作為噴嘴，這極大地增加了噴嘴的數量。這兩種噴絲器常用于棉花糖機，其特點是產量高，但射流軌跡難以控制，易導致纖維粗細不勻、纖網結構層次不清。

三板復合式噴絲器由Lozano課題組和FibeRio公司合作設計并制作而成。上托板與下托板用于固定中層基板，而中層基板又由儲料槽、導流槽、噴絲孔構成。這種結構可有效減弱噴絲器附近空氣的紊流程度，減少因溶劑揮發過快造成噴嘴堵塞現象的發生。

圖4　不同離心紡噴絲器結構

針管式噴絲器結構簡單，安裝、清洗方便，噴嘴尺寸和角度可根據紡絲液性質進行調節，適用于試驗研究。間歇式和連續式是常用的兩種纖維收集方式。間歇式收集器一般為環形罩或收集棒，或兩者的組合(圖5[38])。高速旋轉的噴絲器會形成向下氣流，若采用收集棒，氣流則從相鄰收集棒狹縫間逸散，纖維集結于收集棒中下部；而密閉的環形罩會形成向上氣流，纖維集結于環形罩中上部。間歇式收集方式簡易，但不同批次的產品質量差異較大，不同部位收集得到的纖維形貌也不同，如沿噴絲器徑向收集得到的纖維含珠粒較多。連續式纖維收集系統現已廣泛應用于工業化生產，如熔融或干法紡絲用的輸網簾，以及濕法紡絲用的凝固浴等(圖6[2]688)。輸網簾一般配合抽吸風或側吹風使用，這有利于分散纖維和提高纖網強力。不同紡絲液射流軌跡差異較大，應根據射流實際運行軌跡選擇合理的收集方式，詳見本文3.1節。

圖5　間歇式離心紡纖維收集器

圖6　連續式離心紡纖維收集系統

除了噴絲器結構和纖維收集方式外，儲料和供料的形式同樣對紡絲過程有影響。本課題組曾利用3D打印機制作了一系列以ABS塑料為基材的儲料槽，筒形和梭形是常用的兩種結構(圖7)。選用25 G(即內徑為0.26 mm)的針頭，利用鎖緊閥將針頭與儲料槽固定在一起，并注入2~4 mL的紡絲液；紡絲時，紡絲液在離心力的作用下，通過流線形的紡絲甬道離開噴絲器。該儲料槽結構的噴絲器加工制作簡易，適用于試驗室，缺點是紡絲后期噴嘴易堵塞。

間歇式供料會因紡絲液的減少而導致儲料槽側壁受到的擠壓力減小，進而作用于射流的合力逐漸減小，這不利于穩定紡絲。試驗采用半連續式供料系統(圖8)，即用針管向儲料槽內連續注入紡絲液，紡絲時可控制紡絲液輸出量與輸入量的平衡[30]6。目前，本課題組在設計一種適用于試驗用的熔融離心紡連續供料系統，而補償快速逸散的熱量及實現各紡絲段的精確控溫是該技術的難點。

(a) 筒形

(b) 梭形

圖8　溶液離心紡半連續供料系統

本課題組還曾利用自制的離心紡裝置對水溶性高聚物，如聚環氧乙烷(PEO)和PVP等，進行了加工。所得PVP纖維平均直徑為441 nm。從PVP離心紡纖維的整體形貌(圖9)來看，纖網疏松并伴有分層現象。若采用熱軋等后處理方式加固纖網，可獲得具有一定強力的非織造材料。

(a) 紡絲時

(b) 掃描電鏡圖

圖9離心紡制備的PVP纖維[重均相對分子質量(MW)

為1 300 000，PVP水溶液質量分數為20%]

1.2無噴嘴離心紡

相較于有噴嘴離心紡，無噴嘴離心紡摒棄了噴嘴，纖維產量進一步提高。

Weitz等[37]1187在進行旋轉涂覆試驗時意外獲得了直徑低至25 nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纖維，其成形過程如圖10所示：Rayleigh-Taylor不穩定，誘導液膜分裂形成“手指”，接著“手指”前端飛離盤面并隨即牽拉出大量纖維。

(a) 旋涂過程

(b)“手指”現象

本課題組基于此，設計了帶導流器的無噴嘴離心紡裝置(圖11)。利用導流器控制鋪展于盤面的液膜厚度及流量，誘導液膜均勻分裂形成“手指”。試驗發現，槽形噴絲器所得纖維的可紡性優于碟形噴絲器，這是因為槽側壁可緩存紡絲液，易形成更薄的液膜及更細的“手指”。

(a) 碟形噴絲器

(b) 槽形噴絲器

圖12[39]82為利用槽形噴絲器制備的PET和PVP纖維：熔融離心紡制備的PET纖維直徑為(2.0±0.8) μm，溶液離心紡制備的PVP纖維直徑為(400±100)nm。顯然，槽形噴絲器無噴嘴離心紡極大地減小了纖維線密度，更適合于高黏度溶液的紡絲，但液膜揮發固化與穩定供料等問題也亟待解決。

(a) PET纖維

(b) PVP纖維

1.3離心-靜電紡

離心紡相比靜電紡最大的優勢是產量高，但所得纖維的形貌及其直徑分布略遜于靜電紡纖維。而離心-靜電紡將離心紡與靜電紡的技術優勢相結合，提高纖維產量的同時還有效解決了串珠、并絲等問題，其裝置結構如圖13所示。轉軸與輸網簾分別連接正、負電極，這使得噴絲器與輸網簾之間形成高壓電場，射流同時受離心力和靜電力的拉伸作用。

圖13　離心-靜電紡裝置

Wang等較早研究了離心-靜電紡射流成形機理及纖維內部大分子鏈的聚集態結構，如文獻[40]指出，在離心與靜電場環境下，射流彎曲不穩定現象消失，這促進了大分子鏈的取向，進而提高了纖維的強力；文獻[41]介紹了利用離心-靜電紡技術制備的部分結晶雙酚A聚碳酸酯(BPAPC)纖維，指出BPAPC纖維在四氫呋喃(THF)體系中得到的結晶度較高；文獻[42]探討了特征數、特征群與射流曲率半徑、射流長度、泰勒錐形貌的關系，并結合試驗證實了在靜電場中引入適當的離心力可增強纖維的力學性能。Hosseinii研究組[43]就離心-靜電紡技術的紡絲參數與纖維形貌之間的關系進行了詳細研究，發現電場力的誘導可提高離心紡纖維的取向排列程度。本課題組陳歡歡曾利用自制的離心-靜電紡裝置試制了PVP纖維，發現所得纖網整體形貌均勻、致密，纖維無串珠、無并絲，且取向度較高(圖14)。

綜上所述，無噴嘴離心紡及離心-靜電紡是基于傳統離心紡衍生出的兩種紡絲方法。

不同紡絲方法各具特色：有噴嘴離心紡纖維均勻度較好，纖網蓬松；無噴嘴離心紡生產效率高，但纖維均勻度有待提高；離心-靜電紡纖維形貌最佳，纖網致密。因此，應根據紡絲原材料及纖網品質要求(如孔隙率、強力、取向度、纖維直徑及其分布等)，選擇合理的離心紡類型。

(a) 纖網

(b) 纖維掃描電鏡照片

圖14離心-靜電紡制備的PVP纖維(PVP溶液質量分數為20%，靜電壓為4 kV，收集距離為15 cm)

2紡絲參數對纖維形貌的影響

離心紡纖維形貌與紡絲液性質、操作條件等密切相關，本文就其中一些重要的參數加以闡述。

2.1紡絲液性質

紡絲液的性質是影響離心紡纖維品質的關鍵因素，具體包括紡絲液的黏度、表面張力、質量分數、分子鏈結構、相對分子質量及其分布、溶劑揮發性、流變性等，其中紡絲液的黏度及表面張力對纖維形貌的影響最為關鍵，而其他因素的改變也會影響紡絲液的黏度和表面張力。

2.1.1黏度

紡絲液的黏度與分子鏈結構、相對分子質量、紡絲液質量分數、加工溫度等因素相關。改變紡絲液質量分數可快速改變其黏度。本課題組對不同質量分數的PVP(MW=1 300 000)溶液進行離心紡絲，根據大分子鏈纏結理論將質量分數劃分成4個區間：稀溶液區(溶液中的大分子鏈不發生纏結，僅形成液滴)，半稀溶液非纏結區(溶液中的大分子鏈發生部分纏結，液滴牽拉出短纖)，半稀溶液纏結區(溶液中的大分子鏈纏結程度較高，形成的纖維中伴有部分珠粒)，濃溶液區(溶液中的大分子鏈充分纏結，形成的纖維連續、均勻)。試驗發現，溶液質量分數未達到濃溶液區前，部分成形的纖維會立即被液滴打斷、融化，無法收集到纖維，僅當溶液質量分數達到濃溶液區時才能形成纖網，且纖維直徑隨溶液濃度增加而減小。目前，多數文獻[44-50]支持“靜電紡絲的溶液質量分數在半稀溶液纏結區即可形成纖維”的觀點，因此，若要制備形貌相近的纖維，離心紡溶液質量分數需高于靜電紡溶液質量分數。

2.1.2表面張力

紡絲液的表面張力與纖維珠粒結構密切相關。紡絲時表面張力、黏滯力與離心力共同影響射流成形。表面張力使得溶液表面能降低，促進液滴的形成；黏滯力是大分子鏈間摩擦作用的宏觀表現，促使射流保持連續而不斷裂；離心力是射流拉伸的關鍵作用力。當溶液濃度與轉速區間合適時，減小溶液表面張力有助于減少珠粒。因此，最直接、最有效的方法是更換溶劑。如制備PVP纖維時，水作為溶劑易形成珠粒，而利用無水乙醇/水作為溶劑可有效減少珠粒，因為PVP溶液表面張力隨著乙醇質量分數的增加而減小。

2.2操作條件

除紡絲液性質外，紡絲操作條件如噴絲器轉速、噴嘴直徑、纖維收集距離等對離心紡纖維的形貌也會產生重要影響。

2.2.1噴絲器轉速

離心紡最本質的特征是通過離心力拉伸射流形成納米纖維。噴嘴出口處射流所受的離心力(Fc)：

Fc=mRΩ2

(1)

式中：m——紡絲液質量；

R——噴絲器半徑；

Ω——噴絲器轉速。

紡絲液在噴嘴內需克服流體與管壁間產生的摩擦力、高聚物黏彈力及表面張力；射流離開噴絲器后，摩擦力消失，射流受表面張力的作用增強。表1[39]83顯示：當轉速低于臨界轉速時，流體滯留于噴絲器內；當轉速達到臨界轉速后，射流從噴嘴內擠出并被牽伸，纖維直徑隨轉速增加呈先減小后增大的趨勢。因此可以認為：在合理的轉速范圍內，離心力對射流的牽伸起主導作用，纖維直徑隨離心力增大而減少；轉速過大時，流量增加明顯，射流到達收集器的時間減少，最終導致射流牽伸倍數減小，纖維變粗。

表1　轉速與熔融離心紡PET纖維直徑的關系

2.2.2噴嘴直徑

噴嘴直徑直接決定射流的流量與纖維初始直徑。本課題組選用20~30 G(即內徑為0.16~0.60 mm)的針頭進行離心紡絲，發現細針頭更易獲得超細纖維，但針頭越細，噴絲器的臨界轉速越大。在這種情況下，若聚合物的相對分子質量和紡絲液黏度都較低，則過高的轉速易導致纖維拉斷；反之，若聚合物的相對分子質量及紡絲液黏度較高，則易導致噴嘴堵塞。因此，應根據紡絲液的性質選擇合適的噴嘴直徑。

2.2.3纖維收集距離

纖維收集距離指噴嘴與收集器之間的間距。射流的牽伸及固化行為與纖維收集距離密切相關。適當增加纖維收集距離將促進溶劑的充分揮發，有利于射流的進一步牽伸；但射流運行一定距離后，會因完全固化而停止牽伸，此時若繼續增大收集距離，纖維直徑及形貌變化不大，但纖網會變得蓬松而不易收集。大量試驗表明：增大噴絲器轉速，射流的螺旋軌跡會擴張，此時應適當增大纖維收集距離；增加紡絲液黏度，射流的固化點會內移，此時應適當減小纖維收集距離。

綜上所述，紡絲液的黏度和表面張力、噴絲器轉速、噴嘴直徑、纖維收集距離等對纖維形貌的作用，既相互獨立又相互影響。紡絲液黏度與噴嘴直徑越小、噴絲器轉速與纖維收集距離越大，所得纖維越細，但也容易形成珠粒。可通過更換溶劑來適當降低溶液表面張力，以有效減少珠粒。此外，應特別關注各參數的閾值，即影響纖維形貌的拐點，驗證該閾值是否在所研究的參數范圍內，切不可主觀臆斷。

(未完待續)

參考文獻

[1] MCEACHIN Z, LOZANO K. Production and characterization of polycaprolactone nanofibers via ForcespinningTMtechnology[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2012, 126(2).

[2] ZHANG Xiangwu, LU Yao. Centrifugal spinning: An alternative approach to fabricate nanofibers at high speed and low cost[J]. Polymer Reviews, 2014, 54(4).

[3] SENTHILRAM T, MARY L A, VENUGOPAL J R, et al. Self crimped and aligned fibers[J]. Materials Today, 2011, 14(5): 226-229.

[4] SARKAR K, GOMEZ C, ZAMBRANO S, et al. Electrospinning to ForcespinningTM[J]. Materials Today, 2010, 13(11).

[5] TAGHAVI S M, LARSON R G. Regularized thin-fiber model for nanofiber formation by centrifugal spinning[J]. Physical Review E, 2014, 89(2):023011.

[6] PADRON S. 2D modeling of ForcespinningTMnanofiber formation with experimental study and validation[D]. Edinburg: University of Texas-Pan American Mechanical Engineering, 2012.

[7] MELLADO P, MCILWEE H A, BADROSSAMAY M R, et al. A simple model for nanofiber formation by rotary jet-spinning[J]. Applied Physics Letters, 2011, 99(20): 203107.

[8] KOLK E. Mathematical models for a rotor spinning process interim report[J]. Texas Center for Educational Research, 2005, 23(3).

[9] HLOD A. Curved jets of viscous fluid: Interactions with a moving wall[D]. Eindhoven: Eindhoven University of Technology, 2009.

[10] HAMMAMI M A, KRIFA M, HARZALLAH O. Centrifugal force spinning of PA6 nanofibers-processability and morphology of solution-spun fibers[J]. the Journal of the Textile Institute, 2014, 105(6): 637-647.

[11] LU Yao, LI Ying, ZHANG Shu, et al. Parameter study and characterization for polyacrylonitrile nanofibers fabricated via centrifugal spinning process[J]. European Polymer Journal, 2013, 49(12): 3834-3845.

[12] LEI Tingping, CAI Xiaomei, WANG Xiang, et al. Spectroscopic evidence for a high fraction of ferroelectric phase induced in electrospun polyvinylidene fluoride fibers[J]. RSC Advances, 2013, 47(3): 24952-24958.

[13] SEBE I, SZABO B, NAGY Z K, et al. Polymer structure and antimicrobial activity of polyvinylpyrrolidone-based iodine nanofibers prepared with high-speed rotary spinning technique[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2013, 458(1): 99-103.

[14] SHANMUGANATHAN K, FANG Y, CHOU D Y, et al. Solventless high throughput manufacturing of poly(butylene terephthalate) nanofibers[J]. ACS Macro Letters, 2012, 1(8): 960-964.

[15] ZANDER N E. Formation of melt and solution spun polycaprolactone fibers by centrifugal spinning[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2015, 32(2): 41261-41269.

[16] BHARATH R, HAIDY S, KAREN L. Fabrication of melt spun polypropylene nano-fibers by forcespinning[J]. Journal of Engineered Fibers and Fabrics, 2013, 8(1): 52-60.

[17] HUTTUNEN M, KELLOMAKI M. A simple and high production rate manufacturing method for submicron polymer fibres[J]. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 2011, 5(8): 239-243.

[18] ALTECOR A, MAO Y, LOZANO K. Large-scale synthesis of tin-doped indium oxide nanofibers using water as solvent[J]. Functional Materials Letters, 2012, 5(3):1500201-1500204

[19] LIU Heyi, ZHOU Xiangjun, CHEN Yan, et al. Titanium dioxide fibers prepared by sol-gel process and centrifugal spinning[J]. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2014, 71(1): 102-108.

[20] REN Liyun, OZISIK R, KOTHA S P. Rapid and efficient fabrication of multilevel structured silica micro-/nano-fibers by centrifugal jet spinning[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2014(1): 136-142.

[21] LIU Heyi, CHEN Yan, LIU Guishuang, et al. Preparation of high-quality zirconia fibers by super-high rotational centrifugal spinning of inorganic sol[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2013, 28(2): 133-138.

[22] REN Liyun, KOTHA S P. Centrifugal jet spinning for highly efficient and large-scale fabrication of barium titanate nanofibers[J]. Materials letters, 2014(2): 153-157.

[23] SEDAGHAT A, TAHERI-NASSAJ E, NAGHIZADEH R. An alumina mat with a nano microstructure prepared by centrifugal spinning method[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2006, 352(26/27): 2818-2828.

[24] WENG Baicheng, XU Fenghua, SALINAS A, et al. Mass production of carbon nanotube reinforced poly(methyl methacrylate) nonwoven nanofiber mats[J]. Carbon, 2014, 75(8): 217-226.

[25] O’HAIRE T, RIGOUT M, RUSSELL S, et al. Influence of nanotube dispersion and spinning conditions on nanofibre nanocomposites of polypropylene and multi-walled carbon nanotubes produced through ForcespinningTM[J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2013, 27(2): 205-214.

[26] BAICHENG W, FENGHUA X, LOZANO K. Mass production of carbon nanotube-reinforced polyacrylonitrile fine composite fibers[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2014, 131(11): 40302.

[27] WANG Li, SHI Jian, LIU Li, et al. Fabrication of polymer fiber scaffolds by centrifugal spinning for cell culture studies[J]. Microelectronic Engineering, 2011, 88(8): 1718-1721.

[28] LOORDHUSWAMY A M, KRISHNASWAMY V R, KORRAPATI P S, et al. Fabrication of highly aligned fibrous scaffolds for tissue regeneration by centrifugal spinning technology[J]. Materials Science and Engineering: C, 2014, 42(9): 799-807.

[29] REN Liyun, PANDIT V, ELKIN J, et al. Large-scale and highly efficient synthesis of micro- and nano-fibers with controlled fiber morphology by centrifugal jet spinning for tissue regeneration[J]. Nanoscale, 2013, 5(6): 2337-2345.

[30] BADROSSAMAY M R, MCILWEE H A, GOSS J A, et al. Nanofiber assembly by rotary jet-spinning[J]. Nano Letters, 2010, 10(6).

[31] AMALORPAVA MARY L. Centrifugal spun ultrafine fibrous web as a potential drug delivery vehicle[J]. Express Polymer Letters, 2013, 7(3): 238-248.

[32] ALTECOR A, LI Q, LOZANO K, et al. Mixed-valent VOx/polymer nanohybrid fibers for flexible energy storage materials[J]. Ceramics International, 2014, 40(3): 5073-5077.

[33] CHEN H S, MILLER C E. Centrifugal spinning of metallic glass filaments[J]. Materials Research Bulletin, 1976, 11(1): 49-54.

[34] LENK E. Spinning centrifuge: US5075063[P]. 1991-12-24.

[35] STEEL M L, NORTON-BERRY P. Centrifugal spinning: US5460498[P]. 1995-10-24.

[36] VOELKER H, ZETTLER H D, FATH W, et al. Production of fibers by centrifugal spinning: US5494616[P]. 1996-2-27.

[37] WEITZ R T, HARNAU L, RAUSCHENBACH S, et al. Polymer nanofibers via nozzle-free centrifugal spinning[J]. Nano Letters, 2008, 8(4).

[38] LOZANO K, SARKAR K. Methods and apparatuses for making superfine fibers: EP2257660[P]. 2009-03-16.

[39] CHEN Huanhuan, XU Huaizhong, SUN Jiaqi, et al. Effective method for high-throughput manufacturing of ultrafine fibres via needleless centrifugal spinning[J]. Micro & Nano Letters, 2015, 10(2).

[40] LIAO C C, HOU S S, WANG C C, et al. Electrospinning fabrication of partially crystalline bisphenol a polycarbonate nanofibers: The effects of molecular motion and conformation in solutions[J]. Polymer, 2010, 51(13): 2887-2896.

[41] LIAO C C, WANG C C, SHIH K C, et al. Electrospinning fabrication of partially crystalline bisphenol a polycarbonate nanofibers: Effects on conformation, crystallinity, and mechanical properties[J]. European Polymer Journal, 2011, 47(5): 911-924.

[42] CHANG Weimin, WANG C C, CHEN C Y. The combination of electrospinning and forcespinning: Effects on a viscoelastic jet and a single nanofiber[J]. Chemical Engineering Journal, 2014, 244(5): 540-551.

[43] DABIRIAN F, HOSSEINI R S A, PISHEVAR A R, et al. A comparative study of jet formation and nanofiber alignment in electrospinning and electrocentrifugal spinning systems[J]. Journal of Electrostatics, 2011, 69(6): 540-546.

[44] EDA G, SHIVKUMAR S. Bead-to-fiber transition in electrospun polystyrene[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2007, 106(1): 475-487.

[45] GUPTA P, ELKINS C, LONG T E, et al. Electrospinning of linear homopolymers of poly(methyl methacrylate): Exploring relationships between fiber formation, viscosity, molecular weight and concentration in a good solvent[J]. Polymer, 2005, 46(13): 4799-4810.

[46] HUANG C, CHEN S, LAI C, et al. Electrospun polymer nanofibres with small diameters[J]. Nanotechnology, 2006, 17(6): 1558-1563.

[47] HUNLEY M T, ENGLAND J P, LONG T E. Influence of counteranion on the thermal and solution behavior of poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)-based polyelectrolytes[J]. Macromolecules, 2010, 43(23): 9998-10005.

[48] MUNIR M M, SURYAMAS A B, ISKANDAR F, et al. Scaling law on particle-to-fiber formation during electrospinning[J]. Polymer, 2009, 50(20): 4935-4943.

[49] SHENOY S L, BATES W D, FRISCH H L, et al. Role of chain entanglements on fiber formation during electrospinning of polymer solutions: Good solvent, non-specific polymer-polymer interaction limit[J]. Polymer, 2005, 46(10): 3372-3384.

[50] TAO Jing, SHIVKUMAR S. Molecular weight dependent structural regimes during the electrospinning of PVA[J]. Materials Letters, 2007, 61(11/12): 2325-2328.

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Centrifugal spinning: A high-efficient approach to fabricate micro-/nano-fibers(Part 1)

XuHuaizhong,ChenHuanhuan,LiXianglong,LiuChen,YangBin

College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China

Abstract:Fiber formation mechanisms of centrifugal spinning were introduced, and superior micro-/nano-fibers which would be obtained through adjusting the spinning parameters, such as solution properties, processing parameters and environmental conditions, were analyzed. And based on the self-made centrifugal spinning set-up, the technology of centrifugal spinning was summarized from spinning types, spinning parameters, jet formation mechanisms, which would provide a better understanding for the characteristics and developing trends of centrifugal spinning technique, and promote its development.

Keywords:centrifugal spinning，micro-/nano-fiber，spinning parameter，jet formation

中圖分類號：TQ340.64

文獻標志碼:A

文章編號：1004-7093(2016)01-0025-09

作者簡介：徐淮中，男，1989年生,在讀碩士研究生，研究方向為離心紡纖維的成形機理通信作者：楊斌，E-mail: yangbin5959@zstu.edu.cn

收稿日期：2015-03-16