潜心研究 实现技术突破

我国电纺纳米纤维材料研究不论在数量上还是在水平上均位居世界前列，但绝大多数研究只限于实验室级别。电纺技术的规模化突破至关重要，迫在眉睫。多年来，武汉纺织大学纺织科学与工程学院刘延波教授带领团队探索静电纺丝技术原理研究和纳米纤维制备实践，开发出一系列新型静电纺丝技术，为我国静电纺纳米纤维工业化制备奠定了坚实的理论和实践基础。

刘延波从解决规模化静电纺丝技术问题出发，对现有各种类型静电纺丝过程进行了建模和电场强度及其分布的数值模拟，研究了纺丝头结构、纺丝头数量、接收器表面形貌和结构以及电纺工艺参数对电场强度和分布的影响机制，发现了现有静电纺丝过程中电场强度分布的普遍规律，而后提出了改善电场强度与分布均匀性的多项改进措施，并通过实际电纺实验论证了这些举措的可行性和科学性。

针对目前规模化毛细式和非毛细式静电纺丝技术存在的问题，刘延波提出了模块化、活塞式、离心式、曲面交错射流等毛细式静电纺丝技术，和锯齿式、双盘式、尖端式、分形式等非毛细式静电纺丝技术，以及共轭纺和闪电纺等毛细－非毛细组合式静电纺丝技术。此外，针对电纺纳米纤维材料机械强度低的共性问题，她提出了双组份交叉静电纺丝技术。

经过多年对静电纺丝过程原理的研究，刘延波发现了规模化电纺过程中电场强度分布的科学规律，随之提出了多种行之有效的电场强度和分布的改善措施。其中之一就是模块化毛细电纺技术，可彻底消除或最小化电纺过程中的End effect现象及其导致的电纺膜厚度均匀性问题和原料浪费问题。

受前期End effect效应问题研究结果的启发，刘延波提出交错射流静电纺丝技术，可有效避免射流间的相互干扰和排斥，大幅度提高纳米纤维材料的产量和电纺膜质量。经刘延波团队研究发现，20微孔射流交错曲线纺丝头的纳米纤维产量是单针头产量的118倍，是等长多针头纺丝头产量的23.6倍，也即相当于每个微孔的纳米纤维产率是单针头的23.4倍，且不存在堵孔和滴液现象， End effect效应问题不复存在，故此纳米纤维产量得到大幅度提高。

结合广袤的多学科交叉背景知识，刘延波带领团队发明了基于漫流效应、重力导向和静电屏蔽理论的新型静电纺丝技术，可彻底解决现有毛细式静电纺丝过程存在的所有问题，并可实现双组份皮芯静电纺。

经过4年多的努力，刘延波团队已经成功开发出第三代毛细式共轭纺喷嘴。其特点包括连续、封闭、可控喂液，和快速、安全、稳定（不堵孔、不歪斜、不滴液、不溅液、不排斥）的纺丝过程，可获得纤维形貌结构均匀、电纺膜厚度均匀的优质纳米纤维材料，纺丝速度远超针头式静电纺，且易于规模化实施。

针对现有国内外非毛细式静电纺丝技术存在的共性问题，刘延波团队提出了一系列新型静电纺丝技术，将毛细式静电纺的封闭式可控喂液方式，和非毛细式静电纺的电流体自发射多射流优势结合起来，设计和发明了独具特色的“闪电纺”技术。这项世界前沿新技术整合了毛细式和非毛细式电纺机理，在实现封闭式连续稳定可控喂液的同时，基于开放液面电流体自主发射多个纺丝射流，可高速且安全地制备结构均匀的纳米纤维（束）、纳米纤维纱、电纺膜、纳米纤维絮片等不同形式的纳米纤维材料。

针对现有便携式静电纺丝仪存在的问题，刘延波引领团队发明了一种移动式电流体喷射技术和手持式纳米纤维喷枪。与现有技术相比，该静电喷枪可使用普通针头或自制的电纺喷嘴，可连续、稳定、安全、高效地进行电纺，制备的纳米纤维集束性高、可在接收表面精准沉积，较低电压即可形成很高的电场强度，节能省耗；可反复充电，不需拆机更换电池即可直接充电、连续使用，可进一步延长静电喷枪的工作时间，也可即插即用。采用自制喷嘴时不堵孔、不滴液；无需拆开喷枪外壳、不更换储液器的情况下，即可实现纺丝液及时补充，且不会发生溢流，喂液速率精准；结构紧凑、体积小巧、便携移动性更好。（武汉纺织大学纺织科学与工程学院供稿）

（责编：张若涵）