離心紡絲的發展現狀及前景

范燕生　夏磊

【摘 要】本文首先對離心紡絲技術發展進行了綜述。其次，結合離心紡絲技術特點以及所成纖維的結構性能，分別從生物領域的應用，電池隔膜制備等幾個方面，介紹了離心紡絲技術在這些領域的發展優勢。此外，尚有更多的領域有待離心紡絲技術及產品的進入。將離心紡絲技術與其它方法的結合使用，也是離心紡絲技術發展的一個新方向。

【關鍵詞】離心紡絲；離心紡絲設備；納米纖維；應用

納米纖維具有獨特的結構和性能，其比表面積大，透濕透氣性能好，孔隙率高，具有極強的吸附力和較好的過濾性和阻隔性。利用納米纖維的這些特性，可制作過濾材料，其過濾效率較常規的過濾材料效率大大提高，并可有效地應用于原子工業、無菌室等。近年來，生產納米纖維常用的方法有相分離，模板合成，自組裝以及靜電紡絲等。但這些生產方法都具有一定的局限性。離心紡絲作為一種新型技術，其產量高、生產速度快、對紡絲溶液要求低，不需要使用高電壓。它的技術特點可以彌補上述納米纖維制備方法的局限，為納米纖維的制備提供新的發展空間。

1 離心紡絲技術介紹

離心紡絲是一種新型的納米纖維制備技術，在高速旋轉的離心紡絲裝置產生的離心力作用下，聚合物溶液或熔體由噴絲孔甩出成纖。

2 離心紡絲技術的發展

1924年，美國專利US1500931[1]中介紹了一種離心紡絲設備，主要用于將纖維膠紡成人造絲線。

19世紀60年代，離心紡絲最初被用來生產玻璃纖維[2]，所成纖維直徑達數十微米、纖維長度達數厘米，且具有一定的強力。1970年，Chen和Miller[3]利用離心紡絲技術生產出合金纖維，合金纖維的力學性能有所提高。

1995年，專利US5460498[4]在上述裝置結構的基礎上，引入高速氣流對射流做進一步牽伸。1996年，專利US5494616[5]設計了一系列不同結構的紡絲模頭。這些都在一定程度上改善了纖維的品質。

李世江等[6]結合離心紡絲技術與靜電紡絲技術，發明出一種離心式靜電紡絲裝置。他們在90-100目金屬網眼的裝置中制得了5-1000nm的纖維。2009年，Sarkar等人[7]研究出一種新型離心紡絲方法，命名為Forcespinning。離心紡絲技術仍在不斷發展、改進，其工業化應用尚處于起步階段，但其獨特的技術優點使其具有廣闊的發展前景和市場潛力。

3 離心紡產品的應用領域

離心紡絲技術發展迅速，其產品已經在多種領域中得以廣泛應用。利用離心紡絲不同的技術特點，可以制備出具有不同結構形態和性能的纖維制品，滿足不同領域的產品要求。

3.1 藥物載體的應用

納米纖維具有特殊的多孔結構和較高的表面積體積比，能有效地改善藥物溶解性和生物可利用性。

采用離心紡絲技術生產納米纖維時，紡制過程快，溶液物質暴露于高溫的時間短，可以減小物質降解的可能[8]。離心紡絲生產的多孔納米纖維，比表面積較大，能夠增強溶解。對水溶性差的藥物來說，使用該纖維制品制備藥物載體非常有效。

3.2 SiO2/PAN鋰離子電池隔膜

放置在電池的兩個電極之間的電池隔膜，阻止兩電極的接觸，同時保證鋰離子在兩極之間的運動。含有電池隔膜的鋰離子電池具有很好的電容性。

Meltem Yanilmaz等[9]以PAN、SiO2為原料，利用離心紡絲技術，制備鋰離子電池的隔膜。所制得的SiO2/PAN膜，具有較強的電解液吸收能力，高度多孔的纖維結構使得該隔膜具有高離子電導率。相比于靜電紡絲，離心紡絲技術生產的成本更低，更加安全，生產效率是傳統靜電紡絲的500倍。

3.3 金屬氧化物

金屬氧化物比表面積大，吸附性能好，具有優良的耐熱性以及催化性能等。因此，在污水處理、傳感器、磁性材料及熱催化材料等領域，具有很大的應用前景。同樣，相比于其它的制備方法，離心紡絲技術制得的金屬氧化物超細纖維（如：Fe2O3超細纖維的制備[10]），產品形式更多樣化，產量更高。因此，利用離心紡絲技術制備金屬氧化物超細纖維，具有很高的研究價值。

3.4 與溶膠-凝膠法的結合

離心紡絲技術本身具有一定的技術優勢，若與其它紡絲方法相結合，能達到更好的效果。如：將離心紡絲與溶膠-凝膠法結合。

利用溶膠-凝膠法制備纖維時，必須要使用模板，煅燒之后才能將模板去除。所使用的高溫條件，會使纖維的表面積急速降低，光催化性能也會隨之降低。產品的熱穩定性不能滿足要求，制備過程中添加模板也會增加費用。

而將離心紡絲與溶膠-凝膠法結合，紡制的纖維具有獨特的結構，并且易從溶液中分離出來[11]。由此制得的光催化劑材料，可以作為去除和降解水中有機污染物的一種重要材料。

4 結論

綜上所述，離心紡絲技術的研究，為納米纖維的制備提供了新的發展空間。而離心紡絲技術作為一種新型技術，尚在不斷地發展階段。

所紡纖維的多孔結構以及高吸水性，讓它在生物領域應用廣泛。而其纖維結構形態的多樣化，也使其在電池隔膜方面得以應用。相比于其它制備纖維的方法，離心紡絲技術簡單方便，成本低，效率高，安全性好。

除此之外，離心紡絲產品尚有更廣闊的應用市場有待開拓。另外，將離心紡絲技術與其他方法相結合，以及通過調整參數或者改變條件，來制備性能更優的纖維，開拓更大的應用領域，將是持續研究的目標。

【參考文獻】

[1]Hooper J P. Centrifugal spinneret：US，1500931[P].1924-07-08.

[2]ZHANG Xiangwu，LU Yao.Centrifugal spinning： An alternative approach to fabricate nanofibers at high speed and low cost[J].Polymer Reviews，2014，54（4）.

[3]CHEN HS，MILLR CE.Centrifugal spinning of metallic glass filaments[J].Materials Research Bulletin.1976，11（1）：49-54.

[4]STEELML，NORTON-BERRY P.Centrifugal spinning：US，5460498[P].1995-10-24.

[5]VOELKERH，ZETTLERHD，FATHW，et al.Production of fibers by centrifugal spinning： US，5494616[P].1996-2-27.

[6]李世江，李杰，張迎晨等.離心式靜電紡絲裝置：中國，102061530[P].2011-05-18.

[7]Sarkar K，Gomez C，Zambrano S， et al.Electrospinning to forcespinning[J]. Materials Today，2010，13（11）：12-14.

[8]Stefania Marano，Susan Anne Barker，Bahijja Tolulope Raimi-Abraham.Development of micro-fibrous solid dispersions of poorly water-soluble drugs in sucrose using temperature-controlled centrifugal spinning[J].European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，103（2016）84-94.

[責任編輯：張濤]