离心纺丝技术的发展现状

2014-12-06黄冬徽陈廷吴丽莉

纺织导报 2014年11期

关键词：发展现状工艺设备

黄冬徽++陈廷+吴丽莉

摘要：离心纺丝是一种利用离心力进行纺丝的新型微纳米纤维制备技术。本文介绍了离心纺丝的基本原理，综述了离心纺丝设备的发展现状，阐述了纺丝过程中工艺参数对纤维的形貌、直径及结晶度的影响。

关键词：离心纺丝；设备；工艺；发展现状

中图分类号：TQ340.64 文献标志码：A

Development Status-quo of Centrifugal Spinning Technology

Abstract： Centrifugal spinning is a new micro-nano fiber manufacturing technology by the use of centrifugal force. The fundamental principle of centrifugal spinning and development status-quo of the centrifugal spinning equipments were introduced in this paper. Besides， the effects of the process parameters on the morphology， diameter and crystallinity of fibers were stated.

Key words： centrifugal spinning； equipment； process； development status-quo

近年来，由于纳米材料研究的迅速升温，激起了人们对纳米纤维制备的浓厚兴趣。而传统的制备纳米纤维的方法，如拉伸法、相分离法、静电纺丝法等都无法实现大规模生产，不能满足市场对纳米纤维的需求。离心纺丝是一种新型的微纳米纤维制备技术，是利用高速旋转的装置产生的离心力将聚合物熔体或溶液由喷丝孔甩出成纤。该技术的出现为纳米纤维的制备提供了一种新途径。

1 离心纺丝的基本原理

离心纺丝是聚合物熔体或溶液从喷丝孔甩出后在离心力作用下拉伸成纤维。在此过程中，离心力起着重要作用，它对聚合物熔体或溶液有一定的压实作用。聚合物熔体或溶液被挤出后，高速旋转所产生的离心力是聚合物拉伸的主要作用力之一，同时还造成了纤维的曲线运动轨迹。离心纺丝的基本原理如图 1 所示。

2 离心纺丝设备的发展

1967年，Chisholm等人发表了美国专利US3358323，据查这是将离心力用于聚合物加工的最早文献。这个专利设备可以提供造粒所需的挤出压力而不需要传统的挤出设备，并且该设备的结构比较简单。此后Chisholm等人对其进行了多方面研究与改进，并申请了美国专利，为离心纺丝技术的进一步研究奠定了基础。

1986年，欧洲专利EP0220727指出，离心纺丝时利用离心力代替压力泵，聚合物熔体经过挤压通过喷丝孔形成纤维。1999年，Jan？i？和Aleksi？利用旋转圆盘进行纺丝，研究了纺丝工艺参数以及溶液黏度等因素对所纺纤维直径的影响。

2007年，中国科学院长春应用化学研究所在专利“熔体和溶液离心纺丝制备非织造物的装置”中，提出了一种利用带孔环形隔片引导出多根丝的离心纺丝技术。该装置工作时先将物料送至旋转盘内腔，在离心力作用下溶液或熔体由环形隔片的小孔流出外腔，并进一步加速，通过喷丝口喷出纤维。该装置纺制的纤维具有尺寸范围宽、孔径大、孔隙率高等优点，尤其适合于聚酯类可生物降解组织工程支架材料的制备。

2010年，张以群等提出了一种水平盘式旋转离心纺丝法，利用旋转盘的离心力将聚合物熔体铺展于盘面，进而熔体膜变薄直至破裂，最终拉伸成丝。以上这些专利提出的大部分装置只能制备出微米级纤维，水平盘式纺丝装置可控性差，熔体膜的薄厚不易控制。

2009年，Sarkar等人研究了一种新型离心纺丝方法，命名为Forcespinning，专利号为US20090280325A1，该方法通过多个微孔实现了纺丝的量化生产。Forcespinning装置及其原理如图 2 和图 3 所示。同年，美国FibeRio科技股份有限公司成立。FibeRio公司在拉斯维加斯技术纺织品会议上，推出了基于Forcespinning技术的纳米纤维生产设备。这种离心纺丝设备的单孔产量可达 1 g/min，纺制纤维的直径约300 nm。

2013年，杨卫民等人研发了一种微分分流离心纺丝制备纳米纤维的装置。该装置采用流体微分结构及流体减薄锥面，在不改变喷丝孔结构的前提下，通过改变旋转体锥面倾角及中心距，控制不同黏度流体的减薄程度和所受到的离心力，梳齿状溶液或熔体分流结构使得熔体破裂更加均匀一致。

3 工艺参数对所纺纤维的影响

3.1 工艺参数对纤维形貌的影响

McEachin和Lozano在采用离心纺丝制备聚乙酸内酯（PCL）纳米纤维的实验中，利用扫描电镜观察到不同转速纺制的纤维的形貌，发现转速对纤维形貌有一定影响。在聚乙酸内酯溶液浓度为16%（wt%，下同）的条件下，当转速为3 000 r/min时，所纺纤维呈珠链状，纤维轴向直径不匀。随着转速提高，纤维上的珠子减少；当转速为9 000 r/min时，纤维上的珠子最少。

Vazquez等人采用离心纺丝技术纺制聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维，并对纺制出的纳米纤维进行了研究。研究表明，当溶液浓度为18%时，纤维中珠链状较多；当溶液浓度为25%时，纤维中几乎没有珠子，纤维轴向均匀。

Lozano与FibeRio科技股份有限公司合作，在制备碳纳米管-聚丙烯腈复合纤维（PAN/CNT）的研究中得到了与Vazquez相似的结论：当溶液溶度低于12%时，溶液黏度和弹性都很低，会形成珠链状长丝；随着溶液浓度的增加，珠链状长丝逐渐减少。

由以上研究可以发现：在离心纺丝中，当溶液浓度较低时，纺制的纤维多呈珠链状；随着溶液浓度的增加，这种现象减少，纤维轴向趋于均匀，纤维有序度提高。

3.2 工艺参数对纤维直径的影响

离心纺丝研究很重要的一个问题就是如何使纤维更细，为此很多研究者都做出了贡献。根据以往的研究，离心纺丝过程中影响纤维直径的因素可分为内、外两个方面。内因是纺丝原液本身固有的性质，如溶液的浓度。溶液的浓度直接影响到溶液的黏度，黏度过低，表面张力太大；黏度过高，分子链缠结在一起，都无法形成连续均匀的纤维。Padron等人利用离心纺丝制备聚苯撑乙烯衍生物（BEHPPV）纳米纤维时，改变BEH-PPV溶液浓度，得到了不同直径的纤维：在转速为3 000 r/min的条件下，当BEH-PPV溶液浓度为1%时，纤维平均直径为620 nm；当BEH-PPV溶液浓度为2.5%时，纤维平均直径为720 nm；当BEH-PPV溶液浓度为5%时，纤维平均直径为 1 μm。由此可见，在离心纺丝中，溶液浓度对纤维直径影响很大，在一定范围内，随着溶液浓度的增大，纺制纤维的直径逐渐增大。

离心纺丝中影响纤维直径的外因包括喷丝头的旋转速度、喷丝孔直径、喷丝头到收集装置的距离、温度等。Lu等人对利用离心纺丝技术制备的聚丙烯腈纳米纤维的性能特点进行了研究与分析。实验中当其他条件相同时仅改变喷丝头的旋转速度，转速为2 000、3 000及4 000 r/min时，得到的纤维平均直径分别为663、541及440 nm；实验中当其他条件相同时仅改变喷丝孔的直径，喷孔直径为1.0、0.8及0.4 mm时，得到的纤维平均直径分别为895、807及665 nm；实验中当其他条件相同时仅改变收集装置到喷丝头的距离，收集装置到喷丝头的距离为10、20及30 cm时，得到的纤维平均直径分别为665、658及647 nm。从上述实验结果可看出，转速增大 1 倍，纤维直径减少了约34%；喷丝孔直径减小一半，纤维直径减少了约18%；收集距离增大 1 倍，纤维直径仅减少了1%。

这些结果表明，喷丝头的旋转速度是影响纤维直径很重要的因素，在一定范围内，随着转速增加，离心力增大，纤维直径减小。喷丝孔直径越小，纺制的纤维越细。喷丝头到收集装置的距离对纤维直径影响较小，当收集距离已大到足以使溶剂挥发或熔体冷却时，聚合物溶液或熔体也得到充分拉伸，增大收集距离，纤维直径几乎不再变化。由此可知，在工艺优化中喷丝头的旋转速度是一个重要参数。

3.3 工艺参数对纤维结晶度的影响

Lu等人在上述研究中还讨论了离心纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维过程中纤维结晶度的影响因素。X射线衍射分析显示，纺制过程中聚丙烯腈纳米纤维的结晶度与溶液浓度、喷丝头的旋转速度、喷丝孔直径及喷丝头到收集装置的距离都有一定的关系。随着聚丙烯腈溶液浓度的增加，溶液黏度增大，分子链间的纠缠增多，纺制纤维的结晶度降低。而随着转速的增大，离心力增大，作用于聚合物溶液的拉伸力增大，从而使纤维的结晶度提高。喷丝孔直径的增大使得单位时间内物料的挤出量增大，纤维的结晶度降低。当收集距离增大时，聚合物溶液射流在空气中飞行的时间更长，分子链得到更好的拉伸，故纤维的结晶度增大。

关于离心纺丝中旋转速度与纤维结晶度之间的关系，McEachin得到了与 Lu不同的结论。McEachin在制备PCL纳米纤维的实验中发现，当溶液浓度为16%时，喷丝头旋转速度增大，纺制纤维的结晶度降低。与静电纺丝相似，离心纺丝纺制纤维的结晶度与溶剂的挥发速率及收集距离有很大关系，旋转速度的增大导致溶剂挥发时间的减少，从而限制了纤维中结晶区的形成。故在离心纺丝中，喷丝头的旋转速度对纺制纤维结晶度的影响仍有待探讨。

4 结语

目前关于离心纺丝技术的研究还主要处于实验阶段，在工业上的应用才刚刚起步，但已受到各国研究者的关注。相对于传统的纳米纤维制备方法，离心纺丝技术成本低，产量高，原料适应性广，纺丝原料既可以是溶液也可以是熔体，工艺参数可调易控，这些优势使得离心纺丝技术在未来将有广阔的应用前景。

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