紡絲
關(guān)注創(chuàng)建者：Polyflow研究員 創(chuàng)建時(shí)間：2023-04-06
紡絲的實(shí)例教程
將紡絲流體，用紡絲泵（或稱計(jì)量泵）連續(xù)、定量而均勻地從噴絲頭或噴絲板的毛細(xì)孔中擠出而成液態(tài)細(xì)流，再在空氣、水或凝固浴中固化成絲條的過(guò)程稱為紡絲或纖維成形。
剛紡成的絲條稱為初生纖維。紡絲是化學(xué)纖維生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序，改變紡絲的工藝條件，可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)纖維的結(jié)構(gòu)，從而相應(yīng)地改變所得纖維的物理機(jī)械性能。
按成纖高聚物的性質(zhì)不同，化學(xué)纖維的紡絲方法主要有熔體紡絲法和熔液紡絲法兩大類，此外，還有特殊的或非常規(guī)的紡絲方法。其中，根據(jù)凝固方式的不同，熔液紡絲法又分為濕法紡絲和干法紡絲兩種。在化學(xué)纖維的生產(chǎn)時(shí)，多數(shù)采用熔體紡絲法生產(chǎn)，其次為濕法紡絲生產(chǎn)，只有少量的采用了干法或其他非常規(guī)紡絲方法生產(chǎn)。
01
熔體紡絲法
又稱熔融紡絲，簡(jiǎn)稱熔紡。是將聚合物加熱熔融，通過(guò)噴絲孔擠出，在空氣中冷卻固化形成纖維的化學(xué)纖維紡絲方法。用于熔體紡絲的聚合物，必須能熔融成粘流態(tài)而不發(fā)生顯著分解。聚酯纖維、聚酰胺纖維和聚丙烯纖維都可采用熔體紡絲法生產(chǎn)。
特點(diǎn)：
熔體紡絲方法的主要特點(diǎn)是紡絲速度高（1000~7000m/min），無(wú)需溶劑和沉淀劑及其回收、循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程短，是一種經(jīng)濟(jì)、方便和效率高的成形方法。但噴絲頭孔數(shù)相對(duì)較少。
工藝流程：
1. 紡絲熔體制備——連續(xù)聚合值得熔體獲獎(jiǎng)經(jīng)過(guò)預(yù)結(jié)晶、干燥后的成纖高聚物切片從聚合物料斗加入，泳客按要求分段加熱的螺桿擠壓機(jī)先后進(jìn)行熔融、混合、計(jì)量并擠出，經(jīng)擠出機(jī)遇紡絲箱體間的彎管送入熔體計(jì)量泵。
2. 熔體通過(guò)至于紡絲箱體內(nèi)的計(jì)量泵定量地將熔體有噴絲頭的小孔擠出形成熔體細(xì)流。
3. 熔體細(xì)流進(jìn)入用到后在較低溫度和冷卻吹風(fēng)環(huán)境下冷卻、固化并形成初生纖維。
4.
展開(kāi) 本文亮點(diǎn)
1、使用含偶氮苯的氟化線性液晶聚合物制備了具有微觀分級(jí)結(jié)構(gòu)的靜電紡絲墊，可以通過(guò)光誘導(dǎo)改變超疏水表面的潤(rùn)濕行為。
2、可通過(guò)光誘導(dǎo)在紡絲墊表面實(shí)現(xiàn)微小水滴的操控，實(shí)現(xiàn)3 μL超小水滴的陣列化操控。
Ⅰ. LLCP靜電紡絲墊的制備
作者首先通過(guò)開(kāi)環(huán)移位聚合得到氟化LLCP聚合物，分子側(cè)鏈尾端的氟化烷基鏈能夠有效降低材料表面能，保證材料具有較好的超疏水性。接著采用靜電紡絲技術(shù)將制備好的LLCP聚合物沉積在鐵板上，干燥后得到具有光響應(yīng)的紡絲墊。在紫外光和可見(jiàn)光照射下，偶氮基元發(fā)生順?lè)串悩?gòu)，協(xié)同液晶光化學(xué)相變引發(fā)的光致變形，能夠快速可逆地改變紡絲墊表面潤(rùn)濕行為，從而實(shí)現(xiàn)在紡絲墊表面操控微小液滴。
圖1（a）照片中顯示了不同光照下3微升超小水滴在超疏水LLCP紡絲墊表面自由滾動(dòng)（左）和被釘扎（右）兩種狀態(tài)（光照條件：紫外光，365 nm,30 mWcm-2，2秒；可見(jiàn)光，530 nm, 20 mWcm-2，20秒；SA為滾動(dòng)角）。（b）經(jīng)由開(kāi)環(huán)移位聚合得到的氟化LLCP聚合物分子結(jié)構(gòu)。（c）制備靜電紡絲墊的示意圖
Ⅱ. LLCP材料的結(jié)構(gòu)物性
為了探究材料結(jié)構(gòu)物性，作者使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、DSC、POM和XRD對(duì)LLCP材料進(jìn)行表征。UV-Vis光譜吸光度變化說(shuō)明了LLCP溶液在365 nm和530 nm光輻照下會(huì)發(fā)生明顯的順?lè)串悩?gòu)轉(zhuǎn)變。
展開(kāi) 靜電紡絲技術(shù)不僅操作簡(jiǎn)單，而且對(duì)纖維的直徑、形態(tài)和性質(zhì)的控制效果好。但是，簡(jiǎn)單的單軸靜電紡絲在構(gòu)建特定結(jié)構(gòu)方面存在局限性，并且難以在低分子量或無(wú)糾纏的聚合物溶液中形成纖維。然而，目前很少有研究通過(guò)不同噴嘴結(jié)構(gòu)的靜電紡絲來(lái)構(gòu)建獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。靜電紡絲技術(shù)因其在構(gòu)建連續(xù)納米纖維方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。
02
成果掠影
近期，桂林理工大學(xué)陸紹榮教授和中科院寧波材料與工程技術(shù)研究所虞錦洪研究員近期在開(kāi)發(fā)高熱導(dǎo)率的熱管理材料取得新進(jìn)展。
提出采用單軸靜電紡絲和同軸靜電紡絲的方法，制備了不同微觀形貌的單軸聚乙烯醇/納米金剛石片(U-PVA/ND)和同軸聚乙烯醇/納米金剛石片(C-PVA/ND)復(fù)合纖維薄膜。這兩種方法都不需要復(fù)雜的預(yù)處理程序和引入多余的添加劑。結(jié)果表明，ND含量為60 wt %的U-PVA/ND和C-PVA/ND復(fù)合纖維的導(dǎo)熱系數(shù)分別為71.3和85.3 W/(mK)，分別是純PVA纖維膜的171.2和205.1倍。此外，C-PVA/ND復(fù)合纖維膜的最高熱分解溫度和體積電阻率分別為364.3℃和2.29 × 1015 Ω·cm，表明復(fù)合纖維膜具有良好的熱穩(wěn)定性和電絕緣性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為靜電紡絲技術(shù)制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料提供了有力的證據(jù)。因此，導(dǎo)熱薄膜可以作為電子元件的外層，加速其散熱，延長(zhǎng)其使用壽命。
展開(kāi) 加州理工學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系Giapis教授組利用無(wú)針靜電紡絲技術(shù)，通過(guò)將電解質(zhì)磷酸二氫銫（CDP）與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙烯醇（PVA）聚合物溶液混合，并加入少量以DMF為溶劑的聚苯胺（PANI）溶液來(lái)增加樣品的電導(dǎo)率。在靜電紡絲后高溫?zé)崽幚砑{米纖維樣品，成功制得了可用于固體酸性燃料電池（SAFCs）的納米纖維電極。
在靜電紡絲過(guò)程中，DMF較低的蒸汽壓導(dǎo)致其不易揮發(fā)。磷酸二氫銫（CDP）由于不溶于DMF，在靜電紡絲末期易形成過(guò)飽和狀態(tài)，會(huì)在PVP或PVA納米纖維內(nèi)部及表面成核結(jié)晶“長(zhǎng)出”納米顆粒。同機(jī)械壓制磷酸二氫銫（CDP）粉末生產(chǎn)的陰極相比，該納米纖維電極在每個(gè)電流密度下都具有更高的電池電壓，其原因是納米纖維電極表面積（21m2/g）相比于傳統(tǒng)陰極表面積（2.4m2/g）更大，約為9倍。同時(shí)因?yàn)镻VP和PVA在氧化還原反應(yīng)中沒(méi)有活性，所以需要通過(guò)300℃高溫?zé)崽幚砣コＴ谠搶?shí)驗(yàn)中，PVP與PVA不同的熱解性質(zhì)導(dǎo)致了PVP基納米纖維相比于PVA基納米纖維具有更好的電化學(xué)性能。該方法維持了納米顆粒的分散狀態(tài)，為在納米纖維表面附著納米顆粒提供了新的思路。
該研究成果近期發(fā)表于《Nature Communications》上。
圖文速遞
圖1.靜電紡絲過(guò)程的示意圖。納米顆粒修飾的納米纖維由透明聚合物溶液一步制成，溶液中含有溶解的磷酸二氫銫（CDP）和聚合物。在浸入溶液中的旋轉(zhuǎn)電極上會(huì)形成多個(gè)泰勒錐。在收集電極上吹熱空氣，使得靜電紡絲能夠在低聚合物濃度下進(jìn)行。具有CDP納米顆粒的纖維會(huì)大面積地沉積到收集電極上。
圖2.橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。該圖顯示了靜電紡絲磷酸二氫銫（CDP）-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-聚苯胺（PANI）纖維，在纖維內(nèi)和表面有CDP顆粒。a.
展開(kāi) 靜電霧化與靜電紡絲的最大區(qū)別在于二者采用的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E4%BB%8B%E8%B4%A8" rel="noopener noreferrer" target="_blank">工作介質(zhì)</a>不同，靜電霧化采用的是低<a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%B2%98%E5%BA%A6" rel="noopener noreferrer" target="_blank">粘度</a>的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%89%9B%E9%A1%BF%E6%B5%81%E4%BD%93" rel="noopener noreferrer" target="_blank">牛頓流體</a>，而靜電紡絲采用的是較高粘度的非牛頓流體。這樣，靜電霧化技術(shù)的研究也為靜電紡絲體系提供了一定的理論依據(jù)和基礎(chǔ)。對(duì)靜電紡絲過(guò)程的深入研究涉及到靜電學(xué)、電流體力學(xué)、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%B5%81%E5%8F%98%E5%AD%A6" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流變學(xué)</a>、空氣動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域。20世紀(jì)30年代到80年代期間，靜電紡絲技術(shù)發(fā)展較為緩慢，科研人員大多集中在靜電紡絲裝置的研究上，發(fā)布了一系列的專利，但是尚未引起廣泛的關(guān)注。進(jìn)入90年代，Reneker研究小組對(duì)靜電紡絲工藝和應(yīng)用展開(kāi)了深入和廣泛的研究。特別是近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)獲得了快速發(fā)展，世界各國(guó)的科研界和工業(yè)界都對(duì)此技術(shù)表現(xiàn)出了極大的興趣。
展開(kāi) 
紡絲的最新內(nèi)容
掃描電鏡mapping圖在不同靜電紡絲纖維結(jié)構(gòu)以及纖維直徑觀察的應(yīng)用實(shí)例
CEM3000系列臺(tái)式掃描電鏡
掃描電鏡mapping圖以其直觀、準(zhǔn)確的元素分布分析能力，在靜電紡絲纖維結(jié)構(gòu)觀察以及眾多其他領(lǐng)域的研究中展現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢(shì)。
熔體強(qiáng)度高的材料能夠承受更大的拉伸形變而不破裂，這對(duì)于吹塑、熱成型、發(fā)泡和紡絲等涉及拉伸流動(dòng)的加工工藝至關(guān)重要。熔體強(qiáng)度主要取決于分子鏈的纏結(jié)程度、分子量大小、支化結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)鏈支化可顯著提高熔體強(qiáng)度）以及是否存在交聯(lián)。
值得注意的是，熔體粘度和熔體強(qiáng)度并不總是正相關(guān)。
熔體強(qiáng)度高的材料能夠承受更大的拉伸形變而不破裂，這對(duì)于吹塑、熱成型、發(fā)泡和紡絲等涉及拉伸流動(dòng)的加工工藝至關(guān)重要。熔體強(qiáng)度主要取決于分子鏈的纏結(jié)程度、分子量大小、支化結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)鏈支化可顯著提高熔體強(qiáng)度）以及是否存在交聯(lián)。
值得注意的是，熔體粘度和熔體強(qiáng)度并不總是正相關(guān)。
目前國(guó)內(nèi)UHMWPE纖維主要是采用濕法凍膠紡絲-超倍拉伸工藝，由于分子量不同的聚乙烯具有不同的溶脹、溶解性能，低分子量部分易于溶脹和溶解，率先進(jìn)入溶解階段，引起溶液黏度劇增，并占據(jù)大量溶劑，阻礙高分子量部分的溶解。因此要求UHMWPE原料的分子量分布盡可能的小，否則會(huì)影響UHMWPE的均勻溶解，難以獲得均勻的溶液，甚至?xí)绊懝に嚨捻樌M(jìn)行。通常分子量分布一般應(yīng)小于3.5。
這種塑化紡絲的工藝可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)制備，有利于石墨烯纖維的工程化。
為了解決這些問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一種雙冷卻紡織品(DCT)，具有3D熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)和Janus潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)，采用液體輔助超聲改性，高壓靜電紡絲和壓后處理相結(jié)合。具體來(lái)說(shuō)，織物的外層(mE)由親水性聚乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)與改性BNNS (mBNNS)共混而成，而織物的內(nèi)層(mP)由疏水性聚氨酯(PU)與mBNNS共混而成。
高性能氣凝膠纖維的高通量制備面臨以下挑戰(zhàn)：(1)實(shí)現(xiàn)紡絲溶液的快速動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變；(2)構(gòu)建高強(qiáng)度凝膠骨架并有效避免骨架在干燥過(guò)程中坍塌。
02
成果掠影
近日，江南大學(xué)劉天西和樊瑋團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種快速和可擴(kuò)展的交聯(lián)聚酰亞胺(CPI)氣凝膠纖維的制造策略。該方法是通過(guò)濕紡絲和紫外線增強(qiáng)動(dòng)態(tài)凝膠策略進(jìn)行環(huán)境壓力干燥。
采用靜電紡絲法制備柔性多孔TPU/PDMS織物作為彈性基體，在雙軸預(yù)拉伸的狀態(tài)下通過(guò)噴涂將AgNW和MXene依次沉積在織物一側(cè)，由于彈性TPU/PDMS基底與AgNW/MXene導(dǎo)電層之間的模量不匹配，在緩慢釋放預(yù)應(yīng)變后會(huì)形成塊狀堆疊的褶皺狀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
靜電紡絲作為最先進(jìn)的微/納米纖維制造方法，可以很容易地合成連續(xù)纖維膜，纖維直徑變小，孔隙率增加，孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)，在高性能保溫材料的制造中有前景。然而，目前的靜電紡絲纖維仍然存在一些關(guān)鍵的限制，包括孔徑不夠小(通常>2μm)、孔隙度不夠等因素極大地限制了材料的使用。因此，創(chuàng)造一種可行的和通用的策略來(lái)開(kāi)發(fā)既有效的空氣絕緣又具有動(dòng)態(tài)耐磨性的保溫材料面臨巨大的挑戰(zhàn)。
06
作者信息
陳蘇教授團(tuán)隊(duì)一直致力于微尺度下材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、性能調(diào)控研究, 探索材料結(jié)構(gòu)與功能間的映射關(guān)系，發(fā)展了一系列以微流控技術(shù)為代表的納微纖維新材料的設(shè)計(jì)與制備方法，如微流控紡絲技術(shù)、微流控靜電紡絲技術(shù)、微流控氣噴紡絲技術(shù)和微流控靜電3D打印技術(shù)。
