紡絲的案例
化學纖維幾種常用的紡絲方法，你知道么？
將紡絲流體，用紡絲泵（或稱計量泵）連續、定量而均勻地從噴絲頭或噴絲板的毛細孔中擠出而成液態細流，再在空氣、水或凝固浴中固化成絲條的過程稱為紡絲或纖維成形。
剛紡成的絲條稱為初生纖維。紡絲是化學纖維生產過程中的關鍵工序，改變紡絲的工藝條件，可在較大范圍內調節纖維的結構，從而相應地改變所得纖維的物理機械性能。
按成纖高聚物的性質不同，化學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的紡絲方法。其中，根據凝固方式的不同，熔液紡絲法又分為濕法紡絲和干法紡絲兩種。在化學纖維的生產時，多數采用熔體紡絲法生產，其次為濕法紡絲生產，只有少量的采用了干法或其他非常規紡絲方法生產。
01
熔體紡絲法
又稱熔融紡絲，簡稱熔紡。是將聚合物加熱熔融，通過噴絲孔擠出，在空氣中冷卻固化形成纖維的化學纖維紡絲方法。用于熔體紡絲的聚合物，必須能熔融成粘流態而不發生顯著分解。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。
特點：
熔體紡絲方法的主要特點是紡絲速度高（1000~7000m/min），無需溶劑和沉淀劑及其回收、循環系統，設備簡單，工藝流程短，是一種經濟、方便和效率高的成形方法。但噴絲頭孔數相對較少。
工藝流程：
1. 紡絲熔體制備——連續聚合值得熔體獲獎經過預結晶、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先后進行熔融、混合、計量并擠出，經擠出機遇紡絲箱體間的彎管送入熔體計量泵。
2. 熔體通過至于紡絲箱體內的計量泵定量地將熔體有噴絲頭的小孔擠出形成熔體細流。
3. 熔體細流進入用到后在較低溫度和冷卻吹風環境下冷卻、固化并形成初生纖維。
4.
展開 復旦大學俞燕蕾教授課題組：可操控微型水滴的光驅動超疏水智能紡絲墊
本文亮點
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結構的靜電紡絲墊，可以通過光誘導改變超疏水表面的潤濕行為。
2、可通過光誘導在紡絲墊表面實現微小水滴的操控，實現3 μL超小水滴的陣列化操控。
Ⅰ. LLCP靜電紡絲墊的制備
作者首先通過開環移位聚合得到氟化LLCP聚合物，分子側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的紡絲墊。在紫外光和可見光照射下，偶氮基元發生順反異構，協同液晶光化學相變引發的光致變形，能夠快速可逆地改變紡絲墊表面潤濕行為，從而實現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（左）和被釘扎（右）兩種狀態（光照條件：紫外光，365 nm,30 mWcm-2，2秒；可見光，530 nm, 20 mWcm-2，20秒；SA為滾動角）。（b）經由開環移位聚合得到的氟化LLCP聚合物分子結構。（c）制備靜電紡絲墊的示意圖
Ⅱ. LLCP材料的結構物性
為了探究材料結構物性，作者使用紫外可見分光光度計、DSC、POM和XRD對LLCP材料進行表征。UV-Vis光譜吸光度變化說明了LLCP溶液在365 nm和530 nm光輻照下會發生明顯的順反異構轉變。
展開 靜電紡絲技術增強金剛石納米片/聚合物復合膜的熱導率
靜電紡絲技術不僅操作簡單，而且對纖維的直徑、形態和性質的控制效果好。但是，簡單的單軸靜電紡絲在構建特定結構方面存在局限性，并且難以在低分子量或無糾纏的聚合物溶液中形成纖維。然而，目前很少有研究通過不同噴嘴結構的靜電紡絲來構建獨特的結構，從而提高復合材料的導熱性能。靜電紡絲技術因其在構建連續納米纖維方面的獨特優勢而受到廣泛關注。
02
成果掠影
近期，桂林理工大學陸紹榮教授和中科院寧波材料與工程技術研究所虞錦洪研究員近期在開發高熱導率的熱管理材料取得新進展。
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)復合纖維薄膜。這兩種方法都不需要復雜的預處理程序和引入多余的添加劑。結果表明，ND含量為60 wt %的U-PVA/ND和C-PVA/ND復合纖維的導熱系數分別為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，表明復合纖維膜具有良好的熱穩定性和電絕緣性。實驗結果為靜電紡絲技術制備高導熱復合材料提供了有力的證據。因此，導熱薄膜可以作為電子元件的外層，加速其散熱，延長其使用壽命。
展開 在靜電紡絲納米纖維上“長出”納米顆粒，用作電池陰極材料
加州理工學院化學與化學工程系Giapis教授組利用無針靜電紡絲技術，通過將電解質磷酸二氫銫（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）溶液來增加樣品的電導率。在靜電紡絲后高溫熱處理納米纖維樣品，成功制得了可用于固體酸性燃料電池（SAFCs）的納米纖維電極。
在靜電紡絲過程中，DMF較低的蒸汽壓導致其不易揮發。磷酸二氫銫（CDP）由于不溶于DMF，在靜電紡絲末期易形成過飽和狀態，會在PVP或PVA納米纖維內部及表面成核結晶“長出”納米顆粒。同機械壓制磷酸二氫銫（CDP）粉末生產的陰極相比，該納米纖維電極在每個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）相比于傳統陰極表面積（2.4m2/g）更大，約為9倍。同時因為PVP和PVA在氧化還原反應中沒有活性，所以需要通過300℃高溫熱處理去除。在該實驗中，PVP與PVA不同的熱解性質導致了PVP基納米纖維相比于PVA基納米纖維具有更好的電化學性能。該方法維持了納米顆粒的分散狀態，為在納米纖維表面附著納米顆粒提供了新的思路。
該研究成果近期發表于《Nature Communications》上。
圖文速遞
圖1.靜電紡絲過程的示意圖。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電極上會形成多個泰勒錐。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行。具有CDP納米顆粒的纖維會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，在纖維內和表面有CDP顆粒。a.
展開 
基于comsol的電流體動力噴印泰勒錐仿真分析-靜電紡絲 ￥1560
靜電霧化與靜電紡絲的最大區別在于二者采用的<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</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，靜電霧化技術的研究也為靜電紡絲體系提供了一定的理論依據和基礎。對靜電紡絲過程的深入研究涉及到靜電學、電流體力學、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%B5%81%E5%8F%98%E5%AD%A6" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流變學</a>、空氣動力學等領域。20世紀30年代到80年代期間，靜電紡絲技術發展較為緩慢，科研人員大多集中在靜電紡絲裝置的研究上，發布了一系列的專利，但是尚未引起廣泛的關注。進入90年代，Reneker研究小組對靜電紡絲工藝和應用展開了深入和廣泛的研究。特別是近年來，隨著納米技術的發展，靜電紡絲技術獲得了快速發展，世界各國的科研界和工業界都對此技術表現出了極大的興趣。
展開 復旦大學俞燕蕾教授課題組：可操控微型水滴的光驅動超疏水智能紡絲墊
本文亮點
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結構的靜電紡絲墊，可以通過光誘導改變超疏水表面的潤濕行為。
2、可通過光誘導在紡絲墊表面實現微小水滴的操控，實現3 μL超小水滴的陣列化操控。
Ⅰ. LLCP靜電紡絲墊的制備
作者首先通過開環移位聚合得到氟化LLCP聚合物，分子側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的紡絲墊。在紫外光和可見光照射下，偶氮基元發生順反異構，協同液晶光化學相變引發的光致變形，能夠快速可逆地改變紡絲墊表面潤濕行為，從而實現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（左）和被釘扎（右）兩種狀態（光照條件：紫外光，365 nm,30 mWcm-2，2秒；可見光，530 nm, 20 mWcm-2，20秒；SA為滾動角）。（b）經由開環移位聚合得到的氟化LLCP聚合物分子結構。（c）制備靜電紡絲墊的示意圖
Ⅱ. LLCP材料的結構物性
為了探究材料結構物性，作者使用紫外可見分光光度計、DSC、POM和XRD對LLCP材料進行表征。UV-Vis光譜吸光度變化說明了LLCP溶液在365 nm和530 nm光輻照下會發生明顯的順反異構轉變。
展開 靜電紡絲納米纖維在膜法水處理方面的應用
并且，有大量研究通過調整紡絲溶液或者后處理方法制備超疏水納米纖維復合膜，從而進一步提高膜材料在膜蒸餾過程中的穩定性。另外，該綜述還討論了改性納米纖維膜對重金屬的吸附回收及其殺菌作用。
【總結與展望】
本文總結了納米纖維膜在膜法水處理方向的最新研究進展,包括納米纖維膜制備的主要影響因素、納米纖維膜的后處理改性方法以及納米纖維膜在膜法水處理方面的應用及其存在的問題。雖然納米纖維膜針對水處理過程的研發工作已經取得了令人矚目的進展，但仍然具有廣闊的進步空間。作者提出了靜電紡絲納米纖維膜仍需改善的幾個方面：（1）超細納米纖維的制備。靜電紡絲所制備的納米纖維尺寸通常在100納米至1微米之間。而由這些尺寸的納米纖維重疊覆蓋而成的納米纖維膜孔徑通常在微濾范圍內。為了進一步縮小膜孔徑、提高納米纖維膜的截留效果、有效支撐復合膜皮層，有必要研究如何通過靜電紡絲得到直徑低于100納米的超細纖維。（2）增強復合膜皮層與納米纖維膜基體的結合力。由于納米纖維膜的高表面粗糙度及高表面孔隙率，納米纖維基體與表面皮層的結合作用及其在長期使用過程中的穩定性還需進一步研究及優化。（3）納米纖維膜的膜污染問題。同樣由于納米纖維膜的高表面粗糙度及高孔隙率，污染物容易停留在納米纖維膜的表面及內部，難以清洗。如何通過選擇基體材料、調整膜孔徑、及有效的后處理方法減輕膜污染仍需更深入的系統研究。（4）靜電紡絲可用于制備得到多種功能化納米結構，例如中空納米纖維、取向納米纖維等。而如何在工業上大規模生產這些功能納米纖維尚需從業人員的努力。
本稿由南洋理工大學王蓉教授研究團隊撰寫。
展開 南工陳蘇教授團隊開發出微流控紡絲導向的碳量子點柔性穿戴器件
附圖1 封底
附圖2 微流體紡絲機
小結
研究者利用微流體紡絲技術和納米材料組裝技術，在微流體限域通道內構筑了“Dot-Sheet”結構的碳量子點/石墨烯納米纖維，碳量子點的加入，顯著提高了復合纖維的機械性能、比表面積和電化學性能。基于該纖維的微型超級電容器具有較高的比電容、能量密度和功率密度，成功實現為WLEDs，智能手表、紅綠燈等微型電子器件的供能應用。該微流控紡絲技術及納米材料共組裝方法為新型電極材料的設計和規模化制備提供了新思路，將促進新一代柔性可穿戴電子的發展。
全文鏈接：
http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2018/ta/c8ta02124d
來源：高分子科學前沿
展開 南工大陳蘇團隊《自然·通訊》：微流體紡絲構筑柔性納米結構黑磷無紡布
針對上述挑戰，南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室、化工學院陳蘇教授和武觀老師，在國家自然科學基金的資助下，通過微流控紡絲技術，利用捷納思微流體紡絲機，制備黑磷復合纖維無紡布電極，并將其構筑具有高能量密度輸出的柔性超級電容器。通過在二維黑磷（BP）片層橋接一維碳納米管（CNTs），增加黑磷片層間的電子傳導、機械穩定性、離子擴散通道和氧化還原作用，從而促進離子在電極-電解質層界面處更快的傳輸及更多的累積。得益于這種異質結構和微流體紡絲的設計，獲得基于無紡布電極的超級電容器表現出較高的能量密度和穩定形變供能能力，并成功實現為LEDs、智能手表、彩色顯示屏等電子器件供能的應用。該方法不僅為先進電極材料的設計提供新思路，還極大促進柔性超級電容器在可穿戴電子領域的發展，有望取代微電池并廣泛應用于新能源能量存儲領域。該研究成果于近日發表在被國際重要刊物《Nature Communications》上。“Microfluidic-spinning construction of black-phosphorus-hybrid microfibres for non-woven fabrics toward a high energy density flexible supercapacitor, 2018, 9: 4573.”
圖1. (a) BP-CNTs的合成以及鈍化示意圖；(b) 基于微流體紡絲技術制備黑磷復合纖維無紡布示意圖；(c) 柔性超級電容器的構筑及應用示意圖。
圖2.
展開 掃描電鏡mapping圖如何助力靜電紡絲纖維結構觀察
掃描電鏡mapping圖在不同靜電紡絲纖維結構以及纖維直徑觀察的應用實例
CEM3000系列臺式掃描電鏡
掃描電鏡mapping圖以其直觀、準確的元素分布分析能力，在靜電紡絲纖維結構觀察以及眾多其他領域的研究中展現出了很大的優勢。隨著科技的不斷進步，掃描電鏡技術也在持續發展。未來，掃描電鏡有望在分辨率、分析速度和多功能集成等方面取得更大突破。更高的分辨率將使我們能夠觀察到更細微的纖維結構和元素分布細節；更快的分析速度將大大提高研究效率；而多功能集成則可能將掃描電鏡與其他分析技術相結合，為我們提供更全面、深入的材料微觀信息。這不僅將進一步推動科學研究的發展，也將為材料研發、生物醫學、環境保護等眾多領域帶來更多的創新機遇和便利，幫助我們更好地理解微觀世界，解決實際問題。
展開 南工陳蘇教授團隊開發基于微流控紡絲技術原位合成自愈合凝膠纖維及其自組裝構筑纖維織物
基此，南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室、化工學院陳蘇教授團隊在國家自然科學基金重點基金的資助下，以微流控紡絲技術為手段原位合成了自愈合凝膠纖維，并利用原纖維間的自愈合作用力實現了1D纖維到多維織物的編織。該研究成果以“Microfluidic-DirectedHydrogel Fabrics Based on Interfibrillar Self-Healing Effects”為題發表在國際材料頂級期刊《Chemistry of Materials》（Qing Li, Zhi Xu,Xiafang Du, Xiangyun Du, Hengyang Cheng, Guan Wu, Cai-Feng Wang, Zhanfeng Cui,and Su Chen*, 2018, DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03579）上。
研究者通過分子設計，利用國內南京捷納思微流體紡絲機原位合成了自愈合凝膠纖維（圖1、圖2、附圖）。微流體紡絲技術由于其簡單，高效，靈活的可控性和環境友好的化學過程為凝膠纖維和纖維微反應器的連續化構造提供了強大的平臺。基于主客體作用力，凝膠纖維表現出優異的自愈合性能。研究者巧妙地利用自愈合凝膠纖維作為組裝單元，借助原纖維間的固有的超分子作用力，實現了多維纖維織物的簡單快速構筑（圖3），織物具有良好的柔性、可拉伸性能和較高的機械性能。此外，研究者將凝膠纖維與導電納米材料相結合，利用該方法成功制備了自愈合復合導線和超級電容器（圖4）。這項研究成果為多維纖維結構材料的設計和快速構筑提供了一種新思路。
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南京工業大學孫世鵬《JMCA》封面：基于靜電紡絲納米纖維制備耐有機溶劑納濾膜方向取得進展
實驗室基于高壓溶液靜電紡絲法制備支撐層，①通過化學交聯法在聚合物鏈間形成穩定的交聯結構以及在極性溶劑中的化學穩定性；②通過采用靜電紡絲納米纖維基膜，利用其孔隙率高，孔道彎曲率低的特點降低基膜傳質阻力，且納米纖維膜相對于傳統非對稱基膜而言具有非常良好的機械強度。
圖1. (a) 傳統非溶劑致相分離法制備的納濾膜致密皮層有較高的傳質阻力，(b) 高壓靜電紡絲法制備的高通量復合膜為低彎曲率的貫通孔結構，降低了基膜傳質阻力。水合肼交聯法提高了聚丙烯腈材料在極性溶劑中的穩定性。
通過高壓溶液靜電紡絲法直接在接收器上堆積的納米纖維較為疏松，可以在高溫高壓下對其進行后處理以降低表面粗糙度。在水合肼溶液中進行化學交聯制備出有良好耐溶劑性能的改性PAN基膜，再通過界面聚合法制備得到聚酰胺選擇層。在特殊膜結構的作用下，交聯PAN納米纖維基膜的機械強度要強于傳統相轉化PAN膜20倍，且由于其低膜阻的特點提高了交聯劑在膜內的傳質分散，提高了對膜主體交聯的均勻性，提高了聚丙烯腈基膜在極性溶劑中的穩定性。
圖2. (a) 兩種交聯膜的物理外觀對比說明納米纖維膜在水合肼溶液中交聯程度更高,(b)兩種交聯膜的機械強度對比，(c) 高壓電場的誘導作用提高了PAN鏈段在纖維中的取向性， 使其具有了較高的機械強度。
在截留率相同的前提下，納米纖維復合膜的純水通量達到自制非對稱復合膜的9倍，顯示出納米纖維膜低膜阻的特性。納米纖維復合膜在溶劑體系中也具有良好性能，在不犧牲截留率的前提下，該膜在甲醇中能達到10LMH/BAR的通量，性能優于相似條件下的多數文獻值。且在二甲基亞砜(DMSO)中運行約50小時仍然能夠保持較好的穩定性，這表明納米纖維膜在有機溶劑體系中具有良好的應用前景。
展開 ：熔融電紡絲書寫技術新應用——制備磁性微型機器人
哈爾濱工業大學化工與化學學院韓曉軍課題組和奧胡斯大學生物化學工程Menglin Chen課題組將熔融電紡絲書寫技術（MEW）、微成型和切削技術技術相結合，成功地批量化制備出可人工設計的磁性微機器人。在外部磁場下，實現了可控的滾動和推進運動，并展現出優異的貨物操縱和運輸能力。
微型機器人的研發對微型無人飛行器、未知環境檢查和探索、微創醫療手術及靶向給藥等方面具有重要的意義。目前的微機器人可由超聲波、光、熱、氣泡和磁場驅動。其中磁場驅動的微機器人由于其高度可控，引起了人們更多關注。磁性螺旋、納米線和膠體多功能馬達均被報道。精子模板法、磁控濺射沉積法和自卷曲法也是制備磁性馬達常用方法。而新一代馬達要求特定的設計以實現預期功能，因而可結構設計的馬達制造新策略（例如掠角沉積技術和3D激光打印技術）被提出來。普通用戶無法利用該技術實現微機器人的制造。因此，需要一種簡單且廉價的技術實現微機器人的設計及制備。
熔融靜電紡絲書寫技術（MEW）融合了熔體靜電紡絲和3D打印技術，相比于與傳統的3D打印，MEW可以得到小2個數量級的微米纖維。MEW所制備的產品可作為生物相容性支架，用于細胞培養和組織工程。MEW實現了可編程的靜電紡絲，并以批量生產的方式沉積在特定部位，纖維直徑和纖維形狀均顯示出高度的可控性，可在計算機控制下設計復雜的形狀或幾何形狀。在科研中，切片機不僅可產生超薄切片，用于獲得光學或電子顯微圖像，而且還可用于制造微納米材料，被命名為“切削技術”，可用于制備單獨的納米線或陣列、量子點和聚合物納米圓筒。
展開 泰勒錐靜電紡絲過程仿真
所謂靜電紡絲，是在靜電場作用下，從極細（微米級）的毛細管噴出聚合物熔體（或溶液），生產出亞微米級聚合物纖維的一種加工工藝，是目前最常用的無紡布的生產方法。
在這個過程中，電荷從電極通過聚合物分子的極化以及電解質電離等方式進入流體，形成電流體。在外加電場作用下，流體將受到電場力、內部慣性力、粘性力，而且由于是相當小的直徑，所以表面張力也是不可忽視的力。通過分析這些力，我們會發現毛細管的管口處的帶電液滴在電場力作用下掙脫表面張力發生變形，隨著電場強度的增強，管口處的帶電液體將由半球形逐漸變為錐形，這就是題主關心的泰勒錐。顯然，整個研究對象就是一個復雜的多物理場過程，涉及電學、流體流動（包括多相流）等物理現象，對其進行仿真需要使用多物理場耦合建模。
本篇文檔基于COMSOL軟件模擬了靜電紡絲的過程。如有興趣的朋友，可聯系我，交流模型
展開 基于COMSOL軟件的泰勒錐紡絲模擬 ￥1000
<p>本案例基于COMSOL軟件進行了泰勒錐紡絲模擬過程，幾何模型如圖1所示，仿真結果如圖2和圖3所示。</p><div contenteditable="false" width="100%">
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