聚合物熔体静电纺丝研究进展

内 锥 面
最小射流间距可达1.1mm
关键技术：热气流辅助
在热喷嘴内部加热气导流柱，热气流有3 种作用：
熔体流道的保温作用
熔体温差减小， 纤维直径均匀性 提高
加速射流细化
无热风1-2μm
保持较高的环境温度
环境温度高 于软化点， 增加电场力 作用时间， 纤维细化。
加热风0.2-0.8μm
关键技术：多电场耦合强力牵伸技术
基于针或微孔形式电纺装置进行纺丝工艺及机理研究。
报道过的针式熔体电纺装置 德国的ITAAachen生产的多头熔体电纺设
熔体静电纺丝技术研究进展
无针头式纺丝装置：
Naoki SHIMADA等人将聚合物薄板伸到调整过的激光下，沿着薄板的长度方向熔 融聚合物，会在一条线上形成多个泰勒锥。泰勒锥每隔大约4-6mm一个，时有时 无，该方法成本仍然高，产量低，激光安全性需要评估，难以用于批量化生产。
多电场耦合强力牵伸技术是利用纯物理方法制备纳米纤维有效 解决路径。利用可升降绝缘支架在喷头下方安装一级或多级带 孔电极板及接收端电极板，喷头接地，一级或多级带孔电极板 接较低的高压静电输出端，接收端电极板接较高电势的高压静 电输出端。
关键技术：加热方式的选择及电极倒置
日本《成形加工》学会志在 纺丝研究总览中重点介绍了 本实验室熔体静电纺丝电极 倒置方法的重要意义
NEW SOLUTION:熔体微分静电纺丝技 术
熔体微分静电纺丝技术原理示意图
利用微型螺杆连续供给喷头的微 流量熔体在微分喷头锥面展薄后， 在电场力作用下，于喷头周向内 锥面均匀分布形成多个泰勒锥， 这一过程称之为静电场下的熔体 微分过程。该内锥面泰勒锥的形 成类似于溶液静电纺丝自由液体 表面泰勒锥的产生,和本过程相 关的配套技术称为熔体微分静电 纺丝技术（MD-ESP）。
汇报内容
1.
研究背景—Research background.
2.
国内外研究现状—Work in progress.
3.
熔体静电纺丝技术难点—Technical difficulties.
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熔体微分静电纺丝技术—New solution！
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中试线运行效果—Recent results!
6.
学术成果及未来展望—Future prospects!
尺度可控：熔喷法尺度可控性差，纤维直径分布较宽，纤维连续性 差，影响高效过滤精度。
生产效率：熔体静电纺丝代替熔喷法目前要解决的关键问题是进 一步提高其生产效率，需要提高一个数量级。
汇报内容
1.
研究背景—Research background.
2.
国内外研究现状—Research in progress.
狭缝式纺丝装置
无针盘式熔体静电纺丝
CONCLUTION
熔体静电纺丝技术如同溶液静电纺丝技术，逐渐 从针头型或微孔型纺丝装置过渡到无针纺丝装置， 以适应大规模生产的需要，但是将该方法直接用 于熔体，也存在阈值电压奇高、熔体易降解、连 续生产能力差等问题.
汇报内容
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研究背景—Research background.
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熔体静电纺丝技术难点—Technical difficulties.
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熔体微分静电纺丝技术—New solution！
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中试线运行效果—Recent results!
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学术成果及未来展望—Future prospects!
静电纺丝技术简介
静电纺丝的基本原理
电荷聚集 或分子链
极化
聚合物 溶液/熔体
专利中，有关熔融静电纺丝装置与技术专利均为本项目申请单位拥有）
专利名称
专利号
授权状态
一种磁场辅助的聚合物熔体静电纺丝装置
2007101769158
授权
一种高效率的静电纺丝喷头
2008101054018
授权
一种可连续生产的高效熔体静电纺丝装置
2009100773776
授权
一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置
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熔体微分静电纺丝技术—New solution！
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中试线运行效果—Recent results!
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学术成果及未来展望—Future prospects!
相关专利列表
（1）形成了系列自主知识产权的熔融静电纺专利技术，共申请专利21项，
其中发明专利14项，授权7项，实用新型7项，授权7项（在已公开国家发明
汇报内容
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研究背景—Research background.
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国内外研究现状—Work in progress.
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熔体静电纺丝技术难点—Technical difficulties.
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熔体微分静电纺丝技术—New solution！
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中试线运行效果—Recent results!
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学术成果及未来展望—Future prospects!
克服表面 张力和粘 滞阻力， 溶剂挥发， 熔体固化
间接收集 或电极板
收集
学术界共识：
人造纳米纤维工业化 希望之路：静电纺丝
来自百度文库
3500 3000
熔体静电纺丝文献数量 28530041
75
2500 溶液静电纺丝文献数量 2431
60
67 58
2000
1769
45
1500 1000 500
1430
32
静电纺丝研究热度分析 770 969
聚合物纳米纤维
表面效应：粒子尺寸越小，表面积越大，由于表面粒子缺少相邻原子的配位，因而表面能 增大极不稳定，易于其他原子结合，显出较强的活性。表面活性可能增加。 小尺寸效应：微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德布罗意波长和超导态的相干长
度透射深度近似或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性 质将会改变。
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国内外研究现状—Work in progress.
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熔体静电纺丝技术难点—Technical difficulties.
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熔体微分静电纺丝技术—New solution！
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中试线运行效果—Recent results!
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学术成果及未来展望—Future prospects!
前途光明，为什么少人问津
NFTC - Nanofibre Future Technologies Corporation；
NanoStatics Corporation & Texas Tech University；
Donalson CO； KX Industries； Hills Inc；Rieter； Fanacaran nano-meghyas伊朗； 东华大学覃小红团队； 江西先材纳米纤维科技有限公司侯豪情团队；
年）
溶液静电纺丝与熔体静电纺丝相比，学 术论文发表数量前者为后者近百倍!
溶液静电纺丝技术研究进展
多喷针技术
纺丝效率低 喷头易堵塞 维护困难
无喷针技术
Participators ：
Participators ：
DuPont’s facility in South Korea；
捷克Elmarco（已销售100台，销售额近10亿）
200-800nm; ✓无纺布厚度：101000μm可调； ✓工 作 速 度 ： 110m/min。 ✓熔体连续供给； ✓可 进 行 在 线 共 混 聚合物纺丝； ✓可模块化扩展；
MD-ESP中试样机铺网运 行
MD-ESP纺丝效果对比
熔体电纺
MD-ESP中试样机纺丝照片
MD-ESP纤维显微镜照片 MD-ESP纤维电镜图：D=645nm
289
277
4
320 492
3 3 17
6
12 13 24
28 32
30
18 17
15
11 165
0
0
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
左图为基于“SciFinder”搜索的静电纺丝相关文献数量直方图（截止2012年），右 图为“丁香花基金检索平台”检索到的静电纺丝相关资助项目数统计图（截止2012
熔体微分静电纺丝技术—New solution！
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中试线运行效果—Recent results!
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学术成果及未来展望—Future prospects!
MD-ESP中试样 机
基本特征：
✓集 成 了 32 个 微 分 喷嘴; ✓幅 宽 0.8m ， 产 量 ： 300- 600g/h； ✓纤 维 平 均 直 径 ：
、PE、PPS等聚合物超细纤维
2
无溶剂挥发，原料转化率100%，同等条 件下纺丝效率比溶液电纺高一个数量级
3
无溶剂挥发留下的孔隙，纤维表面光滑 ，同等细度的纤维具有更高的强度
熔体静电纺丝和熔喷纺丝的对比
熔体静电纺丝（发明技术）
熔喷纺丝（对比技术）
纤维直径：熔体静电纺丝法更易制备超细纤维，可实现非 织造布高效过滤，而且直径分布更加均一。
溶液电纺 熔体电纺
➢聚合物熔体的高介电性； ➢高熔体粘度； ➢高压静电的设置与安全性； ➢批量化中微流量的精确控制有难度
10-6-102S/cm
10-11-10-13S/cm
0.8-4Pa.s
小于20kv；
无加热元件，微 量挤出装置做好 接地及屏蔽
40200Pa.s
40-100kv；
有加热元件，一 般采取间接加热， 高压电易击穿
0.1-
10g/h*needle
微型推进器，微量 泵，溶液池
0.01-
10g/h*needle
精确的熔体分配， 耐高温微型熔体计 量泵
关键问题：纤维粗，产量低！
以纯聚丙烯为例：目前制备的最小纤维直径 3.22μm（澳大利亚，熔融指数2000g/10min， 0.0013mg/min, Rajkishore Nayak等人 ）；
2009100801225
授权
静电纺丝法连续制备无纺布制品的装置
201010556163.X
授权
一种静电纺丝多股丝喷头
201010556187.5
授权
捷克Czech Republic大学提出狭缝式的纺丝装置，但是该装置并没有结合螺杆式 连续挤出装置，而且狭缝式纺丝装置并没有很好解决熔体在狭缝处的均匀分布, 所得纺丝条数也不足以适合产业化应用。
狭缝式纺丝装置示意图、电场分布分析及试验射流照片
熔体静电纺丝的发展历程
单针激光加热熔融静电纺丝装置
双螺杆熔体静电纺丝装置
无堵塞，但溶 液无法连续供 应，无纺布强 度有限
熔体静电纺丝技术研究进展
针头式纺丝装置： 1981Larrondo和Manley首次报道熔体电纺，制备的PP、PE纤维直径接近百
微米级别 直到20年后的2001年才有Reneker and Rangkupan在写的概述里介绍了PP、
PE、PET、PEN在容器里进行熔体静电纺丝。 01-06年相关文献或专利不及30篇，06年后逐渐丰富，研究内容大部分都是
Elmarco’s Nanospider™ NS 8S1600U
以低密度聚乙烯为例：目前制备的最小纤维 平均直径5.45μm（本实验室邓荣坚等，熔融 指数2g/10min,熔体温度345℃，0.6mm毛细 管）
纤维细度:80-700nm;年产 量：600kg，是熔喷同幅 宽机型产量1/1000
因此，降低纤维直径，提 高制备效率，是熔体静电 纺丝的研究重点和难点
其他如量子尺寸效应及宏观量子的阳隧道效应等
空气过滤及净化
聚合物纳米纤维应用
高效水处理用膜
动力锂电池隔膜
特殊功能无纺布
敷料、组织支架
催化剂负载材料
静电纺丝与纳米纤维 现有聚合物纳米纤维制备技术对比
熔体静电纺丝和溶液静电纺丝的对比
1
熔体电纺无溶剂，无污染，工艺简单， 可以制备溶液电纺常温下无法制备的PP
关键技术：超支化降粘改性
超支化聚合物改性：
不加超支化树脂 PP 5-6μm
加入超支化树脂 PP 1-2μm
汇报内容
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研究背景—Research background.
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国内外研究现状—Work in progress.
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熔体静电纺丝技术难点—Technical difficulties.
4.
MD-ESP实验样 机
MD-ESP实验样机
PP的MD-ESP纺丝照片 TPU的MD-ESP纺丝照
关键技术：熔体微分技术
熔体微分分流及熔体微分多射流技术（微积分思想）
解决方案：纺丝模头组件独特结构
改进的注塑机热流 道结构的一级分流
内锥面导流喷嘴的 熔体二级分流
热空气对内锥面熔 体的减薄作用
+ 气流辅助
溶液电纺
Nanospider 纺丝过程照片 Reneker 溶液电纺纤维显微镜照片 3M公司8210V9口罩芯层纤维电镜图
汇报内容
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研究背景—Research background.
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国内外研究现状—Work in progress.
3.
熔体静电纺丝技术难点—Technical difficulties.