靜電紡絲納米纖維：“萬(wàn)能”的薄膜

       當(dāng)李從舉把一大卷一米寬,類似于生料帶一樣的東西擺在桌子上時(shí)，記者還沒意識(shí)到，這些材料可能是很多產(chǎn)業(yè)的未來(lái)，而面前這個(gè)戴著眼鏡嗓音洪亮的北京服裝學(xué)院最年輕的教授，也是目前國(guó)內(nèi)唯一可以將其高效低成本批量化生產(chǎn)的人。

    “萬(wàn)能”薄膜功能奇特

    這是一卷白色的薄膜，觸感也與生料帶非常相似，像傳統(tǒng)布匹店里的布一樣卷著。

    就是這卷不太起眼的薄膜，讓北京服裝學(xué)院這座有著紡織學(xué)科傳統(tǒng)的高校，時(shí)隔十四年之后，再獲香港桑麻紡織科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。該獎(jiǎng)是紡織行業(yè)內(nèi)的權(quán)威獎(jiǎng)項(xiàng)，終評(píng)委員會(huì)由包括行業(yè)內(nèi)的8位院士一齊評(píng)出。

    這種薄膜就是傳說(shuō)中的靜電紡絲功能性納米纖維膜，一種功能強(qiáng)大的新材料。有多強(qiáng)？

    李從舉笑著告訴記者，有同事隔著它抽煙，發(fā)覺香煙沒什么味道了——這只是從一個(gè)側(cè)面反應(yīng)了其過(guò)濾效果。

    如果用作口罩。這是一種優(yōu)質(zhì)的過(guò)濾材料，可以很好地過(guò)濾PM2.5以及各種病毒、雜質(zhì)的同時(shí)，通氣更容易，這讓人呼吸起來(lái)順暢得多。而與目前大多空氣凈化器中使用的HEPA（高效過(guò)濾膜）相比，相同的過(guò)濾效果下，納米纖維過(guò)濾膜的空氣通過(guò)率更高，膜兩側(cè)壓力差也更小。更為關(guān)鍵的一點(diǎn)是，成本低。

    如果用于電池。把納米纖維膜用作動(dòng)力鋰電池隔膜，可以提高電池功率，減小內(nèi)部消耗，還能提升其內(nèi)部電化學(xué)性能，尤其可以極大地改善磷酸鐵鋰電池低溫性能，甚至在零下40℃也能正常工作。

    如果用來(lái)制衣。納米纖維膜可以把細(xì)小水滴（毛毛雨）擋在外面，只允許水蒸氣分子透過(guò)，這正是戶外運(yùn)動(dòng)服裝和特種防護(hù)服裝需要的材料特性。

    如果用作油水分離。目前海洋石油泄露事件都是用吸油棉處理，而如果采用這種材料吸附原油，不但效果更好，也能大幅降低成本。

    另外，電紡絲納米纖維無(wú)紡膜具有高孔隙率、低滲透阻力的特點(diǎn)，可以制成高通量、低能耗的便攜式超濾膜紡織品（如手絹），用于戶外快速凈水，為軍隊(duì)訓(xùn)練、作戰(zhàn)、森林救火、旅游、野外作業(yè)、探險(xiǎn)、礦業(yè)等快速提供清潔水源，做好后勤保障。

    還有，有些被開發(fā)出來(lái)的應(yīng)用，甚至連李從舉都沒有想到過(guò)。在他看來(lái)，一定還會(huì)有。

    結(jié)構(gòu)精細(xì)“帶電”生產(chǎn)

    這種材料的特殊性能來(lái)自于其特殊結(jié)構(gòu)。纖維的直徑可達(dá)200納米，甚至更細(xì)，這比頭發(fā)絲細(xì)了幾百倍，意味著其比表面積（單位質(zhì)量物料所具有的總面積）非常大，用其制成的材料也因此具備很多特殊功能。

    “看起來(lái)是一層細(xì)膩的薄膜，但如果用顯微鏡觀察，就能看到其內(nèi)部有很多小孔。”李從舉說(shuō)。

    要得到這樣的纖維膜需要通過(guò)靜電紡絲技術(shù)。靜電紡絲是一種能夠直接、連續(xù)制備聚合物納米纖維的方法，它可以將聚酯、聚氨酯、聚乙烯等聚合物，紡制出直徑范圍從小于3 納米到超過(guò)1微米的超細(xì)纖維，并沉積在接收板上得到無(wú)紡布。

    “普通編織是把線絲用機(jī)械力牽拉編制，靜電紡絲是先將聚合物溶液加上三萬(wàn)伏特高壓，使其極化，然后在電場(chǎng)力的作用下把材料拉出來(lái)紡織。”李從舉簡(jiǎn)單地說(shuō)明了一下原理。

    記者查閱的資料顯示，靜電紡絲不同于傳統(tǒng)的紡絲加工技術(shù)，其主要是借助于高壓靜電場(chǎng)使聚合物溶液或熔體帶電并產(chǎn)生形變，在噴頭末端處形成懸垂的錐狀液滴，當(dāng)液滴表面的電荷斥力超過(guò)其表面張力時(shí)，在液滴表面就會(huì)高速噴射出聚合物微小液體流，簡(jiǎn)稱“射流”。這些射流在一個(gè)較短的距離內(nèi)經(jīng)過(guò)電場(chǎng)力的高速拉伸、溶劑揮發(fā)與固化，最終沉積在接收板上，形成聚合物纖維。

    而在站在機(jī)器前的記者看來(lái)，高分子溶液似乎更像是被加熱過(guò)的砂糖，生成的糖絲又被規(guī)律地編織成了薄膜；如果沒有規(guī)律，就成了“棉花糖”。

    生產(chǎn)設(shè)備重中之重

    “幾乎全國(guó)的院校都在做靜電紡絲?！崩顝呐e說(shuō)。

    記者了解到，除了李從舉教授所在的北京服裝學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，絕大部分都還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，做出的薄膜一般為A4紙大小，或者需要有支撐層收集，而真正可以實(shí)現(xiàn)高效低成本批量化生產(chǎn)的唯此一家。目前其年生產(chǎn)能力可達(dá)50萬(wàn)平方米，而占地面積僅50平方米。

    “該成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)沒有針對(duì)靜電紡絲技術(shù)量產(chǎn)純納米纖維膜的設(shè)備及系統(tǒng)的空白，對(duì)我國(guó)納米纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要價(jià)值和意義，純納米纖維生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)效率高、穩(wěn)定性好，技術(shù)創(chuàng)新獨(dú)特，有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)，該成果在空氣凈化、水處理和新能源等領(lǐng)域同樣具有廣闊前景，符合產(chǎn)學(xué)研合作研究成果。”這是國(guó)內(nèi)權(quán)威院士專家，給予這一成果的評(píng)定。

    這其中最重要的一點(diǎn)就是“量產(chǎn)純納米纖維膜的設(shè)備及系統(tǒng)”，而當(dāng)記者問(wèn)他打造的設(shè)備有何不同時(shí)。李從舉只狡黠地笑笑說(shuō)，我有著十幾年的積累，一直在做這一件事，再說(shuō)我們是傳統(tǒng)的紡織院校，當(dāng)然是我們懂紡織多一些，我們時(shí)常泡在紡織企業(yè)里，也許一個(gè)高級(jí)工人就能給我們很大的啟發(fā)，這個(gè)可是文獻(xiàn)里看不到的。

    “我是四川人，以前沒有吃過(guò)皮皮蝦，第一次吃的時(shí)候總得有人教你。”李從舉打了一個(gè)只可意會(huì)的比方。

    空間巨大路修遠(yuǎn)兮

    在填補(bǔ)了設(shè)備制造的空白后，該技術(shù)獲獎(jiǎng)無(wú)數(shù)，但等在前方的是可以讓該技術(shù)得以施展的巨大的空間?？諝馕廴緺縿?dòng)人心，有資料顯示到2015年，包括空氣凈化器在內(nèi)的室內(nèi)環(huán)保產(chǎn)業(yè),其年產(chǎn)值將達(dá)到800億元，而與HEPA濾網(wǎng)相比有著成本和性能優(yōu)勢(shì)的納米纖維膜會(huì)遇到怎樣的發(fā)展？

    在新能源車等市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，全球鋰電池隔膜市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2013年全球鋰電池隔膜市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)26.39%，2013年全球鋰電隔膜市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到8.37億平方米。預(yù)計(jì)到2015年鋰電隔膜需求年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到25%，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)13.08億平方米。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)80%的鋰電池隔膜依靠進(jìn)口，進(jìn)口替代空間大。那么，年產(chǎn)5萬(wàn)平方米應(yīng)該只能被看做是一個(gè)起點(diǎn)。

    靜電紡絲技術(shù)在上世紀(jì)初就被美國(guó)人發(fā)明出，但是其快速發(fā)展也就是近年來(lái)的事情。當(dāng)技術(shù)和原理早已不在是秘密，真正的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)才是問(wèn)題之根本。

    “實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線完全是兩回事，產(chǎn)業(yè)化不僅要求操作簡(jiǎn)單、成本低、還要求能持續(xù)產(chǎn)出，質(zhì)量控制，不出差錯(cuò)。而納米纖維膜產(chǎn)業(yè)化最大的困難是設(shè)備的研發(fā)，在實(shí)驗(yàn)室為了確保實(shí)驗(yàn)的成功和準(zhǔn)確性，設(shè)備的很多附件都是進(jìn)口產(chǎn)品，而產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中，必須實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，這更要求我們踏踏實(shí)實(shí)地做下去。”李從舉坦言。