超细纤维的超快制造，清华团队开发无针头连续气纺丝新技术，为纳米纤维规模化生产提供新思路

“看着不锈钢网上溶液射流密集的喷射而出，高效地进行纺丝，瞬间觉得一切的努力都没有白费。”对于那个北京隆冬深夜的科研“胜利”场景，清华大学材料学院副教授伍晖表示。

（来源：Science Advances）

近日，其团队联合该校航天航空学院副教授赵立豪课题组，联合开发出一种结合卡门涡街原理的无针头溶液气纺丝新技术，给规模化生产纳米纤维提供了新思路。

图 | 伍晖（来源：清华大学）

纳米纤维因其独特的物理化学性质，在环境过滤、能量存储、柔性电子、组织工程、智能织物、个人病毒防护等不同领域。要想促进纳米纤维材料在终端产品中的进一步应用，必须开发出更先进的制造科学和相关技术，只有这样才能实现高效率、低成本、连续稳定的纳米纤维规模化生产。

目前的一些纳米纤维制造方法，例如模板合成法、水热法和分子自组装法，由于设备复杂且生产率低，仍处于实验室规模的开发阶段。熔喷是工业上广泛使用的一种制备超细纤维的方法，但是这种方法很难制备直径小于 1μm 的纤维，并且只适用于热塑性聚合物。溶液纺丝法，包括静电纺丝、离心纺丝、机械拉伸和溶液气纺丝等，因此可以制备各种类型的超细纤维而受到广泛关注。

（来源：Science Advances）

在典型的溶液纺丝过程中，聚合物溶液从针尖喷出，并通过静电力、离心力或气体剪切力进行拉伸，随后蒸发溶剂以获得纤维。静电纺丝是一种广泛采用的用于制造纳米纤维的溶液纺丝技术。

然而，它的主要技术缺点，包括复杂的电场设计、溶剂蒸发和纤维收集困难、高压安全问题、针头阻塞、液滴形成，以及产量低的问题，阻碍了它在工业环境中的广泛应用。

离心纺丝可以实现较高的纤维生产率，但与静电纺丝相比，它的平均纤维直径仍然较高。因此，尽管现有纳米纤维制造技术发展迅速，但在不影响其质量的情况下以工业规模生产仍然具有挑战性。

（来源：Science Advances）

用静电场作为替代方案

作为静电场的替代方案，高速气流作为从溶液中纺出超细纤维的驱动力，正引起越来越多的关注。在典型的溶液气纺丝工艺中，在气液界面由气流诱导产生的剪切力用于细化从针尖挤出的溶液，形成沿流向方向的液体射流。

随后，气流有效地帮助溶剂蒸发，从而获得高质量的纤维。据悉，迄今为止，只有基于针头的溶液气纺丝技术被报道过，而无针头的溶液气纺丝技术尚未实现。

虽然通过针头输送溶液已经取得了很大的成功，但诸如高流动阻力、液滴形成和喷射，以及由于溶液快速挥发或固化而可能导致的针头堵塞等问题极大地限制了纺丝系统的稳定性、纤维质量, 和生产效率。

此外，如能进一步加强液体射流的气体剪切应力，增强溶液纺丝过程中的牵伸作用和溶剂挥发，溶液气纺丝将更具有应用价值。因此，非常需要开发一种新的气纺丝系统，使得气流以更有效的方式与纺丝溶液相互作用，从而制备出高产量的纳米纤维。

（来源：Science Advances）

1911 年，著名空气动力学家西奥多·冯·卡门（Theodore von Kármán）发现了卡门涡街现象，即一种流体流过圆柱体产生的不寻常的交替涡流，这种现象可以在流体运动的各种尺度上找到。如果可以探索气态的卡门涡流，以控制液体射流并进一步促进纤维形成，这将具有极大的科学意义和重要性。

构建基于卡门涡街的无针头溶液气纺丝系统

基于此，伍晖团队设计并构建了基于卡门涡街的无针头溶液气纺丝系统，以实现纳米纤维的高通量生产。该方法采用全新设计的卷对卷系统来实现无针溶液传输，借此制造出纳米纤维。连续运动的闭环尼龙线，可将纺丝溶液从储液槽中携带出，随后在高速气流的驱动下，可以形成泰勒锥并高速喷射，进而通过快速拉伸和摆动形成纳米纤维。

该技术精确设计了空气射流与卡门涡街相结合的气流结构。通过流体理论和计算流体动力学模拟的研究，他们发现穿过尼龙线的高速气流，会在尼龙线的背风侧产生强烈的剪切应力和卡门涡流，强剪切应力会促进泰勒锥的形成和溶液射流的细化，而卡门涡旋则扰乱流场、并加速气流从层流到湍流的转捩，最终促进了溶液射流的挥发。两者的共同作用，极大促进了纳米纤维的高通量生产。

（来源：Science Advances）

3 月 16 日，相关论文以《通过卡门涡旋溶液吹纺高通量生产千克级纳米纤维》（High-throughput production of kilogram-scale nanofibers by Kármán vortex solution blow spinning）发表在 Science Advances 上[1]。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

对于此次成果，其中一位审稿人评价称：“伍及其同事提出一种改进的溶液气纺丝制造大量高质量纳米纤维的原创性方法。该方法有几个优点——除了去除现有的喷嘴和针头外，由于线的背风面形成的大的速度梯度，它使得纤维的进一步牵伸细化成为可能。由卡门涡流引起的气流动力学也促进了溶液的快速蒸发。”

（来源：Science Advances）

另一位审稿人表示：“使用运动的线和卡门涡流是一个非常有趣和创新的想法。总的来说，我很欣赏卡门涡流喷射的新颖性和精美的使用，以比传统喷嘴更高的速度制造纳米纤维。这项工作得到了实验数据的充分支持，并以清晰的方式呈现。”

还有一位审稿人评价称：“纳米纤维的大规模制备确实是一个值得关注的挑战。作者在文章中提出的无针头溶液气纺丝策略（KV-SBS）使用线或者不锈钢网代替针头，引人注目。KV-SBS 对纳米纤维的产业化产生了积极的影响，这无疑是一项有价值的工作。作者提出了一种具有高生产率和普遍适用性的溶液气纺丝策略，并对该纺丝策略进行了充分的理论分析。”

实现纺丝系统的无针头化

伍晖表示，他在做基于针头的溶液纺丝时，常常会遇到溶液堵塞针头的问题，影响纤维样品的质量，所以一直在思考如何实现纺丝系统的无针头化。同时，考虑到溶液气纺丝中气流是溶液被牵伸的驱动力，也能够起到辅助射流挥发的作用，也一直希望能够巧妙设计气液的作用形式，来加强气流的剪切和辅助挥发作用。

他注意到，在卡门涡街现象中，流体会出现非常明显的涡旋湍流。如果将射流置于这个湍流中，这对于纺丝过程中溶剂的挥发和纤维形成可能会很有帮助。

（来源：Science Advances）

有了想法后，伍晖立马叫上学生一起验证，DIY 了一个简易的手动小装置，将一根线从装有溶液的烧杯中带出点溶液，并用高速气流进行吹扫，发现确实得到了纤维。尽管当时获得的纤维质量还不是特别好，但这还是让其非常兴奋，至少方向是对的。

但接下来的过程并非一帆风顺。在探索如何让纺丝系统稳定制备高质量纳米纤维的过程中，遇到了很多技术性的问题，比如如何设计系统构型和搭建装置、如何更好地调控溶液的输运等等。

期间，该团队与合作者从理论上探索了纤维成型的机理，并利用高速相机对纺丝过程进行了大量的实验观察，借助理论和实践的联动，一步步探索装置改进和实验参数优化。最终，实现了纺丝系统的稳定运行。

让伍晖尤为难忘的是，在利用高速相机对实验过程进行拍摄时，为了拍摄出较好的效果，常常会带着防护眼镜进行很长时间的拍摄。而使用不锈钢网作为溶液载体进行纺丝时，对于拍摄的光线强弱、强弱等更是提出了更高的要求。当时他们连续拍摄了很久，终于在一个很晚的冬夜里，拍摄出了比较满意的视频。

在环境过滤和组织工程等具有广阔应用

纳米纤维在环境过滤、能量存储、柔性电子、组织工程等诸多领域具有十分广阔的应用前景。为了促进纳米纤维材料真正走向商业化应用，开发更加高效的纳米纤维制造技术很有必要。

该课题组长期以来致力于纳米纤维的基础科学问题的探索、规模化制造技术的研发和纳米纤维实际应用的研究。作为一个方法学的论文，伍晖希望这一成果能够推动纳米纤维在诸多领域的应用推广。

此外，该课题组已探索过纳米纤维在多个领域的应用。未来，他们将在已有工作的基础上，继续开发无针头溶液气纺丝系统，以推动高分子、碳、陶瓷等多种纳米纤维材料的制备，推动纳米纤维在过滤与吸附、高温隔热和柔性电子等多个领域的应用。

在后续计划上，一方面该团队将进一步放大该研究搭建的无针头纺丝的平台，探索进一步扩大纳米纤维的制造规模；另一方面，也将致力于从理论与实践上进一步探索设计与优化无针头纺丝系统，以进一步提高纤维的生产效率。

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