2013年全國高分子學術論文報告會--2013年10月12日聚合物熔體微分靜電紡絲研究進展北京化工大學英藍研究室楊衛民研究背景—Researchbackground.國內外研究現狀—Workinprogress.熔體靜電紡絲技術難點—Technicaldifficulties.熔體微分靜電紡絲技術—Newsolution！中試線運行效果—Recentresults!學術成果及未來展望—Futureprospects!匯報內容表面效應：粒子尺寸越小，表面積越大，由于表面粒子缺少相鄰原子的配位，因而表面能增大極不穩定，易于其他原子結合，顯出較強的活性。表面活性可能增加。小尺寸效應：微粒的尺寸小到與光波的波長、傳導電子的德布羅意波長和超導態的相干長度透射深度近似或更小時，其周期性的邊界條件將被破壞，粒子的聲、光、電磁、熱力學性質將會改變。其他如量子尺寸效應及宏觀量子的陽隧道效應等聚合物納米纖維聚合物納米纖維應用空氣過濾及凈化高效水處理用膜動力鋰電池隔膜特殊功能無紡布敷料、組織支架催化劑負載材料靜電紡絲與納米纖維現有聚合物納米纖維制備技術對比

1熔體電紡無溶劑，無污染，工藝簡單，可以制備溶液電紡常溫下無法制備的PP、PE、PPS等聚合物超細纖維2無溶劑揮發，原料轉化率100%，同等條件下紡絲效率比溶液電紡高一個數量級3無溶劑揮發留下的孔隙，纖維表面光滑，同等細度的纖維具有更高的強度熔體靜電紡絲和溶液靜電紡絲的對比熔體靜電紡絲和熔噴紡絲的對比

生產效率：熔體靜電紡絲代替熔噴法目前要解決的關鍵問題是進一步提高其生產效率，需要提高一個數量級。纖維直徑：熔體靜電紡絲法更易制備超細纖維，可實現非織造布高效過濾，而且直徑分布更加均一。尺度可控：熔噴法尺度可控性差，纖維直徑分布較寬，纖維連續性差，影響高效過濾精度。熔噴紡絲（對比技術）

熔體靜電紡絲（發明技術）研究背景—Researchbackground.國內外研究現狀—Researchinprogress.熔體靜電紡絲技術難點—Technicaldifficulties.熔體微分靜電紡絲技術—Newsolution！中試線運行效果—Recentresults!學術成果及未來展望—Futureprospects!匯報內容靜電紡絲的基本原理靜電紡絲技術簡介聚合物溶液/熔體電荷聚集或分子鏈極化克服表面張力和粘滯阻力，溶劑揮發，熔體固化高壓靜電場間接收集或電極板收集學術界共識：人造納米纖維工業化希望之路：靜電紡絲靜電紡絲研究熱度分析左圖為基于“SciFinder”搜索的靜電紡絲相關文獻數量直方圖（截止2012年），右圖為“丁香花基金檢索平臺”檢索到的靜電紡絲相關資助項目數統計圖（截止2012年）溶液靜電紡絲與熔體靜電紡絲相比，學術論文發表數量前者為后者近百倍!溶液靜電紡絲技術研究進展多噴針技術無噴針技術Participators

：DuPont’sfacilityinSouthKorea；NFTC-NanofibreFutureTechnologiesCorporation；NanoStaticsCorporation&TexasTechUniversity；DonalsonCO；KXIndustries；HillsInc；Rieter；Fanacarannano-meghyas伊朗；東華大學覃小紅團隊；江西先材納米纖維科技有限公司侯豪情團隊；Participators

：捷克Elmarco（已銷售100臺，銷售額近10億）紡絲效率低噴頭易堵塞維護困難無堵塞，但溶液無法連續供應，無紡布強度有限熔體靜電紡絲技術研究進展1981Larrondo和Manley首次報道熔體電紡，制備的PP、PE纖維直徑接近百微米級別直到20年后的2001年才有RenekerandRangkupan在寫的概述里介紹了PP、PE、PET、PEN在容器里進行熔體靜電紡絲。01-06年相關文獻或專利不及30篇，06年后逐漸豐富，研究內容大部分都是基于針或微孔形式電紡裝置進行紡絲工藝及機理研究。針頭式紡絲裝置：報道過的針式熔體電紡裝置德國的ITAAachen生產的多頭熔體電紡設備熔體靜電紡絲技術研究進展NaokiSHIMADA等人將聚合物薄板伸到調整過的激光下，沿著薄板的長度方向熔融聚合物，會在一條線上形成多個泰勒錐。泰勒錐每隔大約4-6mm一個，時有時無，該方法成本仍然高，產量低，激光安全性需要評估，難以用于批量化生產。

狹縫式紡絲裝置示意圖、電場分布分析及試驗射流照片捷克CzechRepublic大學提出狹縫式的紡絲裝置，但是該裝置并沒有結合螺桿式連續擠出裝置，而且狹縫式紡絲裝置并沒有很好解決熔體在狹縫處的均勻分布,所得紡絲條數也不足以適合產業化應用。無針頭式紡絲裝置：熔體靜電紡絲的發展歷程單針激光加熱熔融靜電紡絲裝置雙螺桿熔體靜電紡絲裝置狹縫式紡絲裝置無針盤式熔體靜電紡絲熔體靜電紡絲技術如同溶液靜電紡絲技術，逐漸從針頭型或微孔型紡絲裝置過渡到無針紡絲裝置，以適應大規模生產的需要，但是將該方法直接用于熔體，也存在閾值電壓奇高、熔體易降解、連續生產能力差等問題.CONCLUTIONNEEDLESORORIFICESTONEEDLELESSSNOZZLES研究背景—Researchbackground.國內外研究現狀—Workinprogress.熔體靜電紡絲技術難點—Technicaldifficulties.熔體微分靜電紡絲技術—Newsolution！中試線運行效果—Recentresults!學術成果及未來展望—Futureprospects!匯報內容聚合物熔體的高介電性；高熔體粘度；高壓靜電的設置與安全性；批量化中微流量的精確控制有難度前途光明，為什么少人問津溶液電紡熔體電紡0.8-4Pa.s40-200Pa.s10-6-10-2S/cm10-11-10-13S/cm小于20kv；無加熱元件，微量擠出裝置做好接地及屏蔽40-100kv；有加熱元件，一般采取間接加熱，高壓電易擊穿0.1-10g/h*needle微型推進器，微量泵，溶液池0.01-10g/h*needle精確的熔體分配，耐高溫微型熔體計量泵關鍵問題：纖維粗，產量低！以純聚丙烯為例：目前制備的最小纖維直徑3.22μm（澳大利亞，熔融指數2000g/10min，0.0013mg/min,RajkishoreNayak等人

）；以低密度聚乙烯為例：目前制備的最小纖維平均直徑5.45μm（本實驗室鄧榮堅等，熔融指數2g/10min,熔體溫度345℃，0.6mm毛細管）Elmarco’sNanospider?NS8S1600U纖維細度:80-700nm;年產量：600kg，是熔噴同幅寬機型產量1/1000因此，降低纖維直徑，提高制備效率，是熔體靜電紡絲的研究重點和難點有沒有技術克服上述難點實現無添加劑的聚合物微納米超細纖維的批量化制備？研究背景—Researchbackground.國內外研究現狀—Workinprogress.熔體靜電紡絲技術難點—Technicaldifficulties.熔體微分靜電紡絲技術—Newsolution！中試線運行效果—Recentresults!學術成果及未來展望—Futureprospects!匯報內容利用微型螺桿連續供給噴頭的微流量熔體在微分噴頭錐面展薄后，在電場力作用下，于噴頭周向內錐面均勻分布形成多個泰勒錐，這一過程稱之為靜電場下的熔體微分過程。該內錐面泰勒錐的形成類似于溶液靜電紡絲自由液體表面泰勒錐的產生,和本過程相關的配套技術稱為熔體微分靜電紡絲技術（MD-ESP）。NEWSOLUTION:熔體微分靜電紡絲技術熔體微分靜電紡絲技術原理示意圖TPU的MD-ESP紡絲照片MD-ESP實驗樣機PP的MD-ESP紡絲照片MD-ESP實驗樣機關鍵技術：熔體微分技術熔體微分分流及熔體微分多射流技術（微積分思想）解決方案：紡絲模頭組件獨特結構改進的注塑機熱流道結構的一級分流內錐面導流噴嘴的熔體二級分流熱空氣對內錐面熔體的減薄作用+氣流輔助內錐面最小射流間距可達1.1mm在熱噴嘴內部加熱氣導流柱，熱氣流有3種作用：熔體流道的保溫作用加速射流細化保持較高的環境溫度

環境溫度高于軟化點，增加電場力作用時間，纖維細化。熔體溫差減小，纖維直徑均勻性提高無熱風1-2μm加熱風0.2-0.8μm關鍵技術：熱氣流輔助關鍵技術：多電場耦合強力牽伸技術多電場耦合強力牽伸技術是利用純物理方法制備納米纖維有效解決路徑。利用可升降絕緣支架在噴頭下方安裝一級或多級帶孔電極板及接收端電極板，噴頭接地，一級或多級帶孔電極板接較低的高壓靜電輸出端，接收端電極板接較高電勢的高壓靜電輸出端。關鍵技術：加熱方式的選擇及電極倒置紡絲頭接高壓端，接收部分使得熔體加熱方式復雜化，限制產業化研究，實驗室早期提出電極倒置的方法，熔體塑化可直接采用電加熱，使得產業化易實現日本《成形加工》學會志在紡絲研究總覽中重點介紹了本實驗室熔體靜電紡絲電極倒置方法的重要意義超支化聚合物改性：不加超支化樹脂PP5-6μm加入超支化樹脂PP1-2μm關鍵技術：超支化降粘改性研究背景—Researchbackground.國內外研究現狀—Workinprogress.熔體靜電紡絲技術難點—Technicaldifficulties.熔體微分靜電紡絲技術—Newsolution！中試線運行效果—Recentresults!學術成果及未來展望—Futureprospects!匯報內容MD-ESP中試樣機基本特征：集成了32個微分噴嘴;幅寬0.8m，產量：300-600g/h；纖維平均直徑：200-800nm;無紡布厚度：10-1000μm可調；工作速度：1-10m/min。熔體連續供給；可進行在線共混聚合物紡絲；可模塊化擴展；MD-ESP中試樣機鋪網運行MD-ESP紡絲效果對比MD-ESP中試樣機紡絲照片MD-ESP纖維顯微鏡照片MD-ESP纖維電鏡圖：D=645nmNanospider紡絲過程照片Reneker溶液電紡纖維顯微鏡照片3M公司8210V9口罩芯層纖維電鏡圖熔體電紡溶液電紡研究背景—Researchbackground.國內外研究現狀—Workinprogress.熔體靜電紡絲技術難點—Technicaldifficulties.熔體微分靜電紡絲技術—Newsolution！中試線運行效果—Recentresults!學術成果及未來展望—Futureprospects!匯報內容相關專利列表

（1）形成了系列自主知識產權的熔融靜電紡專利技術，共申請專利21項，其中發明專利14項，授權7項，實用新型7項，授權7項（在已公開國家發明專利中，有關熔融靜電紡絲裝置與技術專利均為本項目申請單位擁有）

專利名稱

專利號授權狀態一種磁場輔助的聚合物熔體靜電紡絲裝置2007101769158授權一種高效率的靜電紡絲噴頭2008101054018授權一種可連續生產的高效熔體靜電紡絲裝置2009100773776授權一種結合靜電紡絲技術的快速成型方法及裝置2009100801225授權靜電紡絲法連續制備無紡布制品的裝置201010556163.X授權一種靜電紡絲多股絲噴頭201010556187.5授權一種利用爬桿效應促進高黏度聚合物熔體靜電紡絲的裝置201010125099.x授權一種絲刷式微分熔體靜電紡絲裝置及方法201110240911.8未授權氣流輔助內錐面分流式靜電紡絲噴嘴201210371918未授權熔體靜電紡絲法批量生產納米纖維裝置及工藝201210370948.7未授權一種微分分流離心紡絲法制備納米纖維的裝置201310095434X未授權一種熔體微分靜電紡絲噴頭2013101595700未授權一種多電場耦合強力牽伸的靜電紡絲裝置及方法2013101595645未授權一種熔體微分式注射靜電紡絲裝置2013101739016未授權發明專利授權相關英文文章Orthogonaldesignstudyonfactorsaffectingthedegradationofpolylacticacidfibersofmeltelectrospinning，JournalofAppliedPolymerScience，2012，Vol.125Solvent-freepreparationofpoly(lacticacid)fibersbymeltJ.Serb.Chem.Soc，2012，Vol.77Dissipativeparticledynamicssimulationonthefiberdroppingprocessofmeltelectrospinning，JournalofMaterialsScience，2011，Vol.46Orthogonaldesignstudyonfactorseffectingonfibersdiameterofmeltelectrospinning，PolymerEngineeringandScience，2010，Vol.50Meltelectrospinningoflow-densitypolyethylenehavingalow-meltflowindex，JournalofAppliedPolymerScience，2009，Vol.114FactorsInfluencingDiameterofPolypropyleneFiberinMeltElectrospinning，JournalAdvancedMaterialsResearch，2011，Vol.221超支化聚合物在熔體靜電紡絲中的應用，塑料，2012(6).熔體靜電紡絲纖維下落過程的DPD探索模擬，化工學報，2012(1).靜電紡絲過程中泰勒錐、射流鞭動和電暈現象分析，塑料2012(3).應用于組織工程支架制備的電紡技術生物工程學報，2012(1).熔體電紡制備無光去除甲醛功能纖維的研究.紡織科學研究，2011(3).材料研究中的介觀模擬方法.高分子通報，2011(7).泰勒錐的形成及應用.計算機與應用化學，2011(11).典型材料的熔體靜電紡絲研究.工程塑料應用，2010(3).熔體靜電紡絲法制備微納米纖維的探索.材料科學與工藝2010(3).相關中文文章正在開發的產品PM2.5紗窗卷軸形式易更換回收；高空氣通量；有效隔離室外空氣中的細顆粒物；可回收處理聚丙烯高效吸油氈高吸油倍率（75倍，普通紡粘或熔噴布10-20倍）；可重復使用上百次；輸水纖維氈通過超細纖維親水改性；是地球生態皮膚再造的良好材料；可根據