“面對新一輪科技革命浪潮，紡織科技研發(fā)、培育及發(fā)展在面臨諸多挑戰(zhàn)的同時，也蘊含著巨大的機遇。靜電紡絲非織造材料的研發(fā)和應(yīng)用，已經(jīng)在航空、汽車、建筑、醫(yī)療、衛(wèi)生、環(huán)保、電子、制藥等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的市場前景。” 中國紡織工業(yè)聯(lián)合會副會長李陵申在近日舉行的2024年中國靜電紡絲非織造材料大會上表示，要充分挖掘靜電紡絲非織造材料的高精尖技術(shù)優(yōu)勢，讓其成為推動行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力。
賦能新能源 引領(lǐng)綠色發(fā)展
近年來，具有獨特性能的靜電紡納米纖維材料在全固態(tài)電池、鋰電池等新能源領(lǐng)域，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
聚酰亞胺是綜合性能極佳的有機高分子材料之一，被譽為高分子材料金字塔的頂端材料。
“沒有聚酰亞胺就不會有今天的微電子技術(shù)。”江西師范大學(xué)教授侯豪情說。
他介紹，高強度電紡聚酰亞胺納米纖維可以有不同的制備方法，比如水溶液電紡制備、共聚合法制備。電紡納米纖維在制備技術(shù)、單絲收集和機械性能測試等領(lǐng)域的技術(shù)不斷提高，應(yīng)用也得到極大拓展。
基于聚酰亞胺納米纖維隔膜的寬溫度和高倍率充放特性動力鋰電池制備技術(shù)，能使電池的充放倍率提高4倍以上，循環(huán)壽命提高700%以上，具有廣闊的市場前景，已形成單條生產(chǎn)線日產(chǎn)4000平方米以上聚酰亞胺納米纖維非織造布的工業(yè)化生產(chǎn)能力。
新能源儲存技術(shù)是高端智能化的可穿戴設(shè)備行業(yè)的基石。為滿足可穿戴電子產(chǎn)品的供電需求，開發(fā)高能量密度的柔性超級電容器是當(dāng)今新能源領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的課題之一。為此，南京工業(yè)大學(xué)教授陳蘇提出了微流控靜電紡絲化學(xué)（FSC）的全新概念。
據(jù)介紹，在微流控靜電紡絲過程中，以微納纖維為載體，借助微流控芯片，將反應(yīng)物在紡絲過程中原位發(fā)生反應(yīng)生成的納米纖維雜化材料，利用微納纖維納米反應(yīng)器的限域效應(yīng)，可以方便制備出理想的納米材料。
陳蘇表示，采用微流控靜電紡絲的方法，通過單分散膠體納米顆粒和尼龍66紡絲溶液在微通道限域空間內(nèi)的反應(yīng)和組裝，得到具有獨特點線結(jié)構(gòu)的異質(zhì)尼龍66復(fù)合納米纖維，其拉伸強度比純尼龍66納米纖維提高了近五倍，能有效抵御高溫、高濕環(huán)境的侵蝕。用該纖維基制作的顯示器背光膜的壽命值高達6萬小時，色域值可達116% （NTSC標準），極大地提高了量子點顯示器的效率和穩(wěn)定性，為柔性可穿戴產(chǎn)品光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供新途徑。
微生物燃料電池（MFC）能通過微生物將廢水和其他有機廢物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是替代化石能源的新能源發(fā)展方向之一，然而微生物燃料電池陰極反應(yīng)通常慢于陽極，極大程度限制了燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)電性能。因此，在陰極添加高活性和耐久性的電催化劑用于加速陰極氧還原反應(yīng)（ORR）是微生物燃料電池研發(fā)的突破點。
北京科技大學(xué)教授李從舉在介紹靜電紡納米纖維燃料電池催化劑的探索研究時表示，利用獨特的金屬靜電紡絲技術(shù)，將鎳鈷合金通過模板介導(dǎo)的生長方法固定在納米纖維表面，形成穩(wěn)定、導(dǎo)電性能優(yōu)異、比表面積大和豐富的鎳鈷合金活性位點的ORR催化劑，并將其應(yīng)用于微生物燃料電池陰極，獲得的電子輸出功率高且長期穩(wěn)定，具有低成本、環(huán)保、高效的優(yōu)勢，為微生物燃料電池的陰極催化劑提供了新的發(fā)展方向。
跨界生物醫(yī)療 展現(xiàn)智能“魔力”
利用靜電紡絲工藝來設(shè)計各種微納米纖維材料，具有通用、靈活且經(jīng)濟高效的優(yōu)勢，為生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的技術(shù)支撐。
一個智能仿生手指“觸摸”了人體表面后，一張準確描繪出肌肉組織和骨骼、血管位置的3D建模輪廓圖立刻展現(xiàn)在眼前。
五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長羅堅義表示，碳纖維材料對溫度和力度具有高靈敏傳感特性，同時碳纖維結(jié)構(gòu)對感溫感力具有很強的專一性，微小的結(jié)構(gòu)變化就能感受和傳導(dǎo)不同的溫度和力度。利用碳纖維的這一特性，通過靜電紡絲技術(shù)，控制碳纖維納米級的結(jié)構(gòu)變化，以同一結(jié)構(gòu)碳纖維絲為“積木”單元，構(gòu)建超敏感的受力和感溫結(jié)構(gòu)，可制備出不同感知類型的碳纖維柔性傳感器。碳纖維柔性傳感材料仿生手指為遠程醫(yī)療領(lǐng)域帶來了重大突破。應(yīng)用這一新技術(shù)，五邑大學(xué)研發(fā)的碳纖維柔性材料“舌壓儀”，打破了部分國家在這一領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。
病原空氣凈化已成為感染防控的重要組成部分。如何讓空氣過濾器在過濾同時，有效滅活空氣中的病原體？東華大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院院長丁彬給出了答案。他介紹，二氧化硅作為優(yōu)異的過濾材料，具有獨特的光學(xué)和熱穩(wěn)定性。將二氧化硅制備成一維柔性纖維、二維納米纖維膜和三維納米纖維氣凝膠三種結(jié)構(gòu)時，會具有完全不同的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。通過靜電紡絲技術(shù)，將二氧化硅納米纖維、細菌纖維素納米纖維和疏水性硅氧鏈彈性粘合劑有序結(jié)合，構(gòu)建具有可再生抗菌性能的籠狀結(jié)構(gòu)超柔性納米纖維氣凝膠（CSA），可廣泛應(yīng)用在物理防護、醫(yī)療保健、衛(wèi)生過濾等領(lǐng)域。
能夠排出汗液，具有溫度與壓力雙功能傳感性能的電子皮膚，是清華大學(xué)教授張瑩瑩的最新研究成果。她介紹了以天然蠶絲素為主體，以碳酸鈣納米晶體作為模板的納米級強韌蠶絲纖維的靜電紡絲技術(shù)。
張瑩瑩表示，這種靜電紡蠶絲纖維不僅保持了天然蠶絲的特性，還具有蜘蛛絲一樣的強度和韌度，單絲納米級纖維的抗拉強度和韌性分別達到0.83±0.15吉帕斯卡和181.98±52.42兆焦耳/立方米，能夠根據(jù)生物醫(yī)療衛(wèi)生的需要制成不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)的產(chǎn)品，可用于PM2.5過濾、電子皮膚、人體熱管理芯鞘結(jié)構(gòu)電子纖維材料等生物醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域。
應(yīng)用場景廣闊 彰顯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新
“露珠的大小遠遠超過蜘蛛絲的直徑，為什么卻能穩(wěn)穩(wěn)地掛在蜘蛛絲上？”北京航空航天大學(xué)教授趙勇在介紹仿生多層次中空結(jié)構(gòu)納米纖維精準制備及催化能源應(yīng)用時，不僅揭開了其中的奧秘，還揭示了靜電紡絲技術(shù)在制備“人工蜘蛛絲”中起到的關(guān)鍵作用，及其多場景應(yīng)用的重大意義。
他說，從原理上發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲復(fù)雜、超微小的中空結(jié)構(gòu)嚴重阻礙了液滴的運動。從方法上探尋，受到蜘蛛多吐絲口器的啟發(fā)，通過控制靜電紡絲過程中帶電外層流體和多股互不相溶的內(nèi)層流體之間穩(wěn)定的層流作用，保證了多相流體在百納米尺度上仍然互不干擾，從而成功制備了具有獨特多通道結(jié)構(gòu)的微納米中空纖維，且通道數(shù)目精確可控。在實際應(yīng)用中，這種仿生材料對于設(shè)計大規(guī)模的人造纖維網(wǎng)以收集霧水，滿足水源缺乏地區(qū)人們的淡水需求具有重要意義，此外，還可以設(shè)計成纖維網(wǎng)狀材料，用到局部地區(qū)除霧、工業(yè)加工和生產(chǎn)過程中的浮質(zhì)過濾等場景。
靜電紡絲技術(shù)值得拓展的應(yīng)用場景還有很多。
僅利用4米外的0.6瓦低功率激光，基于靜電紡絲技術(shù)制備的光學(xué)微納功能纖維能瞬間釋放大量熱量，最高溫度可達318.9攝氏度，可用于近紅外遠程激光點火。蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院院長張克勤介紹了利用靜電紡絲技術(shù)對有機共晶光熱材料微納纖維進行規(guī)模化制造等方面研究取得的成果。光學(xué)微納功能纖維的優(yōu)勢包括多維度可控、多種功能可實現(xiàn)、多種形態(tài)可設(shè)計、多種可能性持續(xù)出現(xiàn)。日常生活中，它還可應(yīng)用于可穿戴太陽能熱電器件、可穿戴光譜調(diào)節(jié)熱能收集紡織品、全天候熱能收集織物等場景。
受自然界中沙塔蠕蟲構(gòu)筑巢穴過程啟發(fā)，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員王樹濤利用靜電紡絲技術(shù)成功研發(fā)了在低溫常壓條件下制備力學(xué)性能優(yōu)異的仿生低碳新型建筑材料，為建筑領(lǐng)域節(jié)能減排提供了新思路。
王樹濤提出，從粘附蛋白中提取的諸如二羥基苯丙氨酸（DOPA）等物質(zhì)，通過靜電紡絲制成的超微納米纖維結(jié)構(gòu)仿生粘附界面材料，可以在基底表面形成極強的共價和非共價相互作用，實現(xiàn)牢固的界面粘附。與傳統(tǒng)的水泥基建材在生產(chǎn)過程中需消耗大量能量相比，這類新型建筑材料對降低碳排放具有重要意義。
