单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,0,聚合物熔,体微分静电纺丝,研究进展,聚合物熔体微分静电纺丝,1,研究背景,Research background.,国内外研究现状,Work in progress.,熔体静电纺丝技术,难点,Technical difficulties.,熔,体微分静电纺丝技术,New solution,！,中,试线运行效果,Recent results!,学术成果及未来展望,Future prospects!,汇报内容,研究背景Research background.汇报内容,2,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。,其他如,量子尺寸效应,及,宏观量子的阳隧道效应,等,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,3,聚合物纳米纤维应用,空气过滤及净化,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,聚合物纳米纤维应用空气过滤及净化高效水处理用膜动力锂电池隔膜,4,静电纺丝与纳米纤维,现有聚合物纳米纤维,制备技术对比,静电纺丝与纳米纤维现有聚合物纳米纤维制备技术对比,5,1,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,、,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,6,熔,体静电纺丝和熔喷纺丝的对比,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。,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。,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。,熔喷纺丝,（对比技术）,熔体静电纺丝,（发明技术）,熔体静电纺丝和熔喷纺丝的对比 生产效率：熔体静电纺丝,7,研究背景,Research background.,国内外研究现状,Research,in progress.,熔体静电纺丝技术,难点,Technical difficulties.,熔,体微分静电纺丝技术,New solution,！,中,试线运行效果,Recent results!,学术成果及未来展望,Future prospects!,汇报内容,研究背景Research background.汇报内容,8,静电纺丝的基本原理,静电,纺丝,技术简介,聚合物,溶液,/,熔体,电荷聚集,或分子链,极化,克服表面张力和粘滞阻力，溶剂挥发，熔体固化,高压静电,场,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,静电纺丝的基本原理静电纺丝技术简介聚合物电荷聚集克服表面张力,9,静电纺丝研究热度分析,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,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,!,静电纺丝研究热度分析左图为基于“SciFinder”搜索的静,10,溶液静电纺丝技术研究进展,多,喷针技术,无,喷针技术,Participator,s,：,DuPonts facility in South Korea,；,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；,Participator,s,：,捷克,Elmarco,（,已销售,100,台，销售额近,10,亿）,纺丝效率低,喷头易堵塞,维护困难,无,堵塞，但溶液,无法连续,供应，无纺布,强度有限,溶液静电纺丝技术研究进展多喷针技术无喷针技术Particip,11,熔体静电纺丝,技术研究进展,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基于针或微孔形式电纺装置进行纺丝工艺及机理研究。,针头式纺丝装置：,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备,熔体静电纺丝技术研究进展1981Larrondo和Manle,12,熔体静电纺丝,技术研究进展,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。,狭缝式纺丝装置示意图、电场分布分析及试验射流照片,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。,无针头式纺丝装置：,熔体静电纺丝技术研究进展Naoki SHIMADA等人将聚合,13,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,狭缝式纺丝装置,无针盘式,熔体静电纺丝,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,14,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,.,CONCLUTION,NEEDLES OR ORIFICES,TO,NEEDLELESSS NOZZLES,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,15,研究背景,Research background.,国内外,研究现状,Work in progress.,熔体静电纺丝技术,难点,Technical difficulties.,熔,体微分静电纺丝技术,New solution,！,中,试线运行效果,Recent results!,学术成果及未来展望,Future prospects!,汇报内容,研究背景Research background.汇报内容,16,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,前途光明，为什么少人问津,溶液电纺 熔体电纺,0.8-4Pa.s,40-200Pa.s,10,-6,-10,-2,S/cm,10,-11,-10,-13,S/cm,小于,20kv,；,无加热元件，微量挤出装置做好接地及屏蔽,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,前途光明，为什么少人问津溶液电纺 熔体电纺0.8-4,17,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,3.22m,（澳大利亚，熔融指数,2000g/10min,，,0.0013mg/min,Rajkishore Nayak,等人,）；,以低密度聚乙烯为例：目前制备的最小纤维平均直径,5.45m,（本实验室邓荣坚等，熔融指数,2g/10min,熔体温度,345,，,0.6mm,毛细管）,Elmarcos Nanospider,NS 8S1600U,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,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,18,有没有技术克服上述难点实现,无添加剂,的聚合物微纳米超细纤维的,批量化制备,？,有没有技术克服上述难点实现无添加剂的聚合物微纳米超细纤维的？,19,研究背景,Research background.,国内外研究现状,Work in progress.,熔体静电纺丝技术,难点,Technical difficulties.,熔,体微分静电纺丝技术,New solution,！,中,试线运行效果,Recent results!,学术成果及未来展望,Future prospects!,汇报内容,研究背景Research background.汇报内容,20,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,）,。,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,21,TPU,的,MD-ESP,纺丝照片,MD-ESP,实验样机,PP,的,MD-ESP,纺丝照片,MD-ESP,实验样机,TPU的MD-ESP纺丝照片MD-ESP实验样机PP的MD-,22,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,内锥面,最小射流间距可达,1.1mm,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,23,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,加速射流细化,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。,熔体温差减小，纤维直径均匀性提高,无热风,1-2m,加热风,0.2-0.8m,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,24,关键技术：,多电场耦合强力牵伸技术,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：多电场耦合强力牵伸技术多电场耦合强力牵伸技术是利用,25,关键技术,：,加热方式的选择及电极倒置,纺丝头接高压端，接收部分使得熔体加热方式复杂化，限制产业化研究，实验室早期提出电极倒置的方法，熔体塑化可直接采用电加热，,使得产业化易实现,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,关键技术：加热方式的选择及电极倒置纺丝头接高压端，接收部分使,26,超支化聚合物改