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静电纺丝产业发展现状与上海未来发展方向



静电纺丝技术作为一种亚微米、纳米级纤维的制备技术,扩展了纤维的功能性,有原材料来源广泛、纤维结构可调性好、制备技术扩展性强、多元技术结合性强等优点。近些年来该技术研究较多,技术发展迅速,在环境治理、个体防护、生物制药、清洁能源和国防军工等领域已达到应用前期水平,部分实现了产业化应用。从产业技术发展、应用及市场发展的规律看,该技术已进入产业化应用的前期,一旦实现突破将迅速形成市场规模,并快速增长。
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静电纺丝技术

纤维及其制品不仅可满足服饰、家纺、纸张、包装材料等日常生活的需求,还被广泛应用于环境治理、个体防护、能源、医疗卫生、国防军工等高新技术领域。但目前所用的传统纤维直径较粗(多大于1μm),导致其制品存在比表面积小、孔径大、孔隙率低等不足,难以满足高新技术领域对材料应用性能的要求。纤维直径的细化可赋予材料明显的尺寸效应和表面效应,有望显著提升其应用性能。但当纤维直径细化至100nm以下时,材料产率极低,难以满足工程化开发的需求。亚微米纤维(100nm~1μm)材料不仅可通过纤维聚集使微观小尺寸效应在宏观尺度上充分发挥,有利于应用性能提升,且该尺度的纤维材料易于实现规模化生产。因此,亚微米纤维材料的开发成为解决上述问题的关键。

目前制备亚微米纤维的方法主要包括拉伸法、模板合成法、海岛法、自组装法和静电纺丝法等。其中,静电纺丝是指在高压静电场的作用下,聚合物射流形成-高速拉伸-相分离固化成纤的过程。其具有原料来源范围广、纤维结构可调性好、制备技术扩展性强、多元技术结合性强等优势,近年来受到科研人员的高度关注,成为当前高性能纤维制品基础及产业化应用研究的热点。

图1. 静电纺丝技术原理图

 

静电纺丝法始于1934年,美国人福马斯第一次公开了利用高压静电制备纳米纤维的专利技术;但在此后的60年里,静电纺丝并未引起广泛关注,对其研究也主要集中在装置改进上,发展缓慢;直到20世纪90年代,美国阿克隆大学Reneker研究小组对静电纺丝的工艺和应用展开了全面研究,引起了科研工作者极大的兴趣,自此静电纺丝获得飞速发展。

 

 

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静电纺丝产业发展现状

 

在基础研究逐渐成熟的同时,静电纺纳米纤维的工程化应用也得到了持续不断的研究,静电纺纳米纤维的应用领域包括环境治理、个体防护、生物医疗、清洁能源、国防军工等。当前,静电纺纤维的商业化产品主要有空气过滤材料(如口罩、工业滤纸、防雾霾窗纱等)、水过滤用超滤膜材料、防水透湿面料、电池隔膜等。

图2. 静电纺纤维材料在各应用领域的发展现状

国外高技术企业如德国Freudenberg、美国Donaldson、日本Fuence等公司均拥有制备商业化静电纺纤维产品的核心技术。而我国在静电纺纤维产品开发方面存在企业规模小、零散度大、自主研发能力弱等问题,导致相关产品主要依赖进口。

静电纺丝是一种技术水平高、产品附加值大的高端制造技术,极具发展潜力,但国内在静电纺丝方面的研究起步较晚。21世纪初,东华大学、同济大学和复旦大学等一批科研院所率先在静电纺丝原料及纺丝工艺参数等方面展开了研究,随后苏州纳米技术与仿生研究所、江南大学、天津工业大学和北京服装学院等也相继开展了相关研究。与此同时,国内一些静电纺丝企业逐渐涌现出来并呈现迅速发展的趋势,比较知名的企业包括浙江日出纳米新材料有限公司、江苏宝泽高分子材料股份有限公司、上海东翔纳米科技有限公司、江西先材纳米纤维科技有限公司等。目前,与静电纺丝相关的科研院所及企业已覆盖全国32个省、市、区,其中超过半数分布在华东地区,尤其以江苏、上海最为集中。此外,华北、东北、华中等地区也有少量相关科研院所及企业分布,但其大多存在科研院所研究不系统,企业分布零散、规模小的问题。

 

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上海静电纺丝领域未来发展方向

上海在国内静电纺丝科技发展中居领先地位,从事该领域研究的高校和研究机构众多,并成立了多家企业进行产业化应用的开发。现阶段上海主要集中力量推动已应用的空气过滤、水过滤、柔性TiO2纤维膜、防水透湿材料等的产业化应用,加强有应用前景的油水分离、轻质保暖等的产业化共性技术研究,单向导湿静电纺纤维膜材料、高温隔热静电纺无机氧化物纤维体型材料、静电纺纤维组织工程支架材料、静电纺碳纤维柔性电极材料的前瞻性研究。

面向环境保护、个体防护、生物医用、能源等领域对功能性纤维制品的重大需求,着重拓宽已进入产业化阶段的静电纺纤维空气过滤材料的销售市场,提升市场竞争力。

加快推进防水透湿、水过滤、高温隔热、光催化用静电纺纤维材料的产业化进程。重点开发基础研究成熟、应用潜力巨大的轻质保暖、油水分离、传感监测用静电纺纤维材料规模化放大专属设备。

大力深化静电纺技术在单向导湿、航空航天、CO2分离与转化、组织工程支架等领域的基础研究工作,促进静电纺丝纤维材料的产业全方位快速增长。

 

依据静电纺丝技术和产业发展的规律和上海静电纺丝技术发展的现状,上海应加大政府的主导作用,急速产业应用和共性技术研究,做大产业规模,提升产业技术,加大投入具有领先优势的研究机构并形成产业技术的研究中心与服务平台等,集中上海的优势,形成研发、技术和产业的核心优势。
作者简介

张永旭,博士,主要从事纳米材料和光电功能材料研究,现任职于上海科学院直属上海市纳米科技与产业发展促进中心。

 

 

来源:微信创新   http://www.ctoutiao.com/791046.html


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