納米纖維高通量制備方法規模化生產競爭優勢明顯

為實現先進納米纖維材料的工業化應用，發展高通量、高效率、低成本、連續穩定的納米纖維宏量制備方法具有重要的價值和意義。近日，清華大學材料學院副教授伍暉課題組與航天航空學院副教授趙立豪課題組合作開發了一種全新結合卡門渦街原理的無針頭溶液氣紡絲技術，提出利用卷對卷裝置連續輸送紡絲溶液進行氣紡絲制備納米纖維，成功實現了納米纖維的高通量制備，為納米纖維的規模化生產提供了新思路和新機遇。

卡門渦街現象，即一種流體流過圓柱體產生的不尋常的交替渦流，這種現象可以在流體運動的各種尺度上找到。該納米纖維制備方法將卡門渦流驅動的氣-液流相互作用應用于超細纖維的牽伸和成型。具體來看，研究人員采用全新設計的卷對卷系統來實現無針溶液傳輸以制造納米纖維，紡絲溶液被連續運動的閉環尼龍線從儲液槽中攜帶出后，在高速氣流的驅動下，形成泰勒錐并高速噴射，通過快速拉伸和擺動形成納米纖維。該技術精確設計了空氣射流與卡門渦街相結合的氣流結構。通過流體理論和計算流體動力學模擬的研究發現，穿過尼龍線的高速氣流在尼龍線的背風側產生強烈的剪切應力和卡門渦流。強剪切應力促進了泰勒錐的形成和溶液射流的細化，而卡門渦旋擾亂了流場并加速了氣流從層流到湍流的轉捩，促進了溶液射流的揮發。兩者的共同作用，極大促進了納米纖維的高通量生產。

此外，該技術還具有普適性，可制備高分子、碳、陶瓷、復合纖維等纖維材料。相比于傳統的納米纖維制造技術，該方法具有更高的制造效率，并且可以由單根線進一步拓展到多根線以及不銹鋼網，從而進一步提高纖維的制造效率，使得該技術在納米纖維規模化生產方面具有競爭優勢。