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深耕納米材料領(lǐng)域 探索靜電紡絲技術(shù)
2024-02-20 14:38:32來(lái)源: 今日熱點(diǎn)網(wǎng)

原標(biāo)題:深耕納米材料領(lǐng)域 探索靜電紡絲技術(shù)

——武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院 劉延波

作為納米世界的主要成員,納米纖維一經(jīng)問(wèn)世,便引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注,從氣 / 液過(guò)濾、生物醫(yī)療到 電子傳感、能源環(huán)境等領(lǐng)域,都有其應(yīng)用的背影。

靜電紡絲法是世界上最普遍的生產(chǎn)納米纖維的方法,也是被廣泛應(yīng)用的方法。從事靜電紡絲技術(shù)原理研究的劉延波教授,用16年的深耕探索,換來(lái)了靜電紡絲技術(shù)的改善和創(chuàng)新,為實(shí)現(xiàn)納米纖維的宏量制備,提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

造夢(mèng)者的探索之旅

納米纖維的制造方法有很多,但靜電紡絲技術(shù)卻有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),比如,這種技術(shù)可以控制纖維直徑、控制纖維取向、控制纖維結(jié)構(gòu),可以控制,意味著可以創(chuàng)造。以現(xiàn)代最常用的鋰離子電池為例。如果將PAN的靜電紡絲和惰性氣體下的熱處理用特別的方法進(jìn)行融合,就可制備出更為純粹的碳納米纖維機(jī)構(gòu),而這種結(jié)構(gòu)是可以改變鋰離子電池的電容率的。舉一反三,如果將這種不走尋常的改變推廣到其他的領(lǐng)域,那么,靜電紡絲技術(shù),將帶來(lái)前所未有的技術(shù)革命。

遺憾的是,現(xiàn)在的靜電紡絲技術(shù),難以達(dá)到連續(xù)、穩(wěn)定、安全、 高效、高產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化制備要求,在質(zhì)量和產(chǎn)量受到限制的前提下,技術(shù)推廣和應(yīng)用更是無(wú)從談起。所以,劉延波教授,以現(xiàn)實(shí)需求為目標(biāo),以亂云飛渡仍從容的定力,以乘風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)的決心,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì),拉開(kāi)了靜電紡絲的研發(fā)序幕。

完善現(xiàn)有的技術(shù),是劉延波教授深耕探索的第一步。她針對(duì)現(xiàn)有各種靜電紡絲過(guò)程進(jìn)行建模和電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有靜電紡絲過(guò)程中電場(chǎng)強(qiáng)度分布的科學(xué)規(guī)律,進(jìn)而提出電場(chǎng)強(qiáng)度與分布均勻性的改進(jìn)措施。其中,最佳改善措施可使電場(chǎng)強(qiáng)度提高82.9%,使電場(chǎng)強(qiáng)度CV值降低到1.1%。這種電場(chǎng)強(qiáng)度的改善可有效提高電壓利用率、降低生產(chǎn)成本并提高納米纖維制備效率,同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)比較均勻一致的納米纖維和電紡膜產(chǎn)品。

當(dāng)別人還在追夢(mèng)的時(shí)候,劉延波已經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了造夢(mèng)之路。比如,她所研發(fā)的分形靜電紡絲技術(shù)可獲得更高的電場(chǎng)強(qiáng)度和更好的電場(chǎng)分布均勻性,降低紡絲電壓和空氣擊穿風(fēng)險(xiǎn),降低能耗和過(guò)程成本,提高納米纖維細(xì)度和均勻性,提高電紡膜結(jié)構(gòu)均勻性和產(chǎn)量;多葉片環(huán)狀靜電紡絲技術(shù),納米纖維產(chǎn)率可提高3~6倍,可提高電場(chǎng)強(qiáng)度,降低臨界紡絲電壓,不僅節(jié)省電能、降低成本,還降低了事故的發(fā)生率。

驅(qū)動(dòng)力,競(jìng)爭(zhēng)力,創(chuàng)新力,都是靜電紡絲探索的源動(dòng)力。劉延波教授的每一次研發(fā),都直指靜電紡絲技術(shù)的核心,自從發(fā)現(xiàn)線性排列的多針頭靜電紡絲過(guò)程中存在邊緣效應(yīng)現(xiàn)象后,劉延波教授便提出了基于二次拋物線的曲面紡絲頭結(jié)構(gòu),可矯正和補(bǔ)償線性多針頭電紡過(guò)程中場(chǎng)強(qiáng)分布不勻的問(wèn)題。此外,她還發(fā)現(xiàn),組合使用相鄰紡絲孔分別朝向不同方向噴絲的微孔交錯(cuò)靜電紡絲技術(shù),可避免相鄰紡絲射流之間的庫(kù)侖斥力干擾,從而極大的提高了紡絲射流密度和電紡納米纖維產(chǎn)率。

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創(chuàng)造靜電紡絲的未來(lái)

創(chuàng)新性、價(jià)值性,可行性、效益性,是科學(xué)發(fā)展必然遵循的一些原則,靜電紡絲的探索同樣如此。劉延波以多年靜電紡絲過(guò)程原理研究和試驗(yàn)研究為基礎(chǔ),對(duì)現(xiàn)有靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行了重新分類,將其分為毛細(xì)式靜電紡絲技術(shù)(包括針頭式、微孔式和噴嘴式靜電紡)和非毛細(xì)式靜電紡絲技術(shù)(包括各類無(wú)針頭式靜電紡),并指出未來(lái)靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該是毛細(xì)式和非毛細(xì)式電紡機(jī)理的組合,即取兩者之優(yōu)點(diǎn),去兩者之缺點(diǎn),以強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的方式,打造靜電紡絲的未來(lái)。

在劉延波的目標(biāo)中,未來(lái)的技術(shù)應(yīng)該是這樣的——實(shí)現(xiàn)基于電流體自發(fā)射、封閉式可控喂液、高效高產(chǎn),并可連續(xù)、安全、穩(wěn)定地制備結(jié)構(gòu)均勻納米纖維和電紡膜的新型靜電紡絲技術(shù)。她將這種技術(shù)稱為“閃電紡”技術(shù)。

有了目標(biāo),就有了前行的方向。劉延波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)基于流場(chǎng)穩(wěn)定鋪展的流體力學(xué)原理初步建立閃電紡紡絲噴嘴模型,再通過(guò)電場(chǎng) - 流場(chǎng) - 電場(chǎng)分步耦合模擬、電場(chǎng)強(qiáng)度增益和分布均勻性改善,最終獲得了最佳噴嘴結(jié)構(gòu)模型。

試驗(yàn)結(jié)果表明:閃電紡技術(shù)具有可控連續(xù)喂液、過(guò)程穩(wěn)定、低電壓、低能耗、高安全性以及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)特點(diǎn);所紡納米纖維(14% PAN 為例)平均直徑 358 nm,CV=11.2%;直徑 10 mm 的閃電紡單噴嘴的 PAN 納米纖維產(chǎn)率為42 g/h,是傳統(tǒng)單針頭產(chǎn)量的 897 倍(干重)。

由此可見(jiàn),閃電紡納米纖維制備技術(shù)突破靜電紡絲產(chǎn)能瓶頸,引領(lǐng)了靜電紡絲的未來(lái)技術(shù),為實(shí)現(xiàn)靜電紡絲的工業(yè)化和商業(yè)化,奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

在未知的世界探索,不動(dòng)搖、不含糊、不偏離,不懈怠,是科研工作者成績(jī)斐然的思想基礎(chǔ)。毫無(wú)疑問(wèn),劉延波,就是這樣一位堅(jiān)定的探索者。

多年來(lái),她,不僅主持或參與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 5 項(xiàng)、省部級(jí)項(xiàng)目 5 項(xiàng),主持橫向項(xiàng)目 20 余項(xiàng),發(fā)表論文 100 余篇,獲授權(quán)PCT 國(guó)際發(fā)明專利 1 件,中國(guó)發(fā)明專利 16 件,還曾獲天津市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、 二等獎(jiǎng),江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng),中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng),以及英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)(RSC) “Llectropsinning Book”獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。

然而,面對(duì)成績(jī)和榮譽(yù),劉延波始終保持平常心。她深知:作為一名新時(shí)代的奮斗者,要同時(shí)間賽跑,同時(shí)代并進(jìn),無(wú)論何時(shí),都要將創(chuàng)新和奮斗,視為搖籃和起點(diǎn),唯有如此,才能不忘初心,方得始終。

心懷希望,目有星辰。未來(lái),劉延波將繼續(xù)追風(fēng)趕月,砥礪前行;繼續(xù)運(yùn)用所學(xué),所悟,助力中國(guó)電紡納米纖維產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展。

免責(zé)聲明:市場(chǎng)有風(fēng)險(xiǎn),選擇需謹(jǐn)慎!此文僅供參考,不作買賣依據(jù)。

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