離心紡絲技術的新發展*

張 銘 吳麗莉 陳 廷

蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021

目前，納米纖維的制備方法主要包括：自組裝法、相分離法、模板合成法、離心紡絲法和靜電紡絲法等。許多學者利用靜電紡絲法制備納米纖維，并對其性能進行了研究，但靜電紡絲效率較低且難以實現規模化生產[1]。相比于靜電紡絲，離心紡絲具有機械結構簡單、無高壓、無污染、產出率高等特點[2]，是一種具有工業化應用前景的微納米纖維制備方法。離心紡絲的技術原理為聚合物溶液或熔體在高速旋轉的裝置中，受到離心力的作用，從噴絲孔中擠出并被拉伸成纖維。利用離心紡絲法制備的微納米纖維制品已被應用于諸多領域。

1 離心紡絲設備的發展

離心紡絲設備最早出現在1924年，Hooper[3]提出的專利“Centrifugal Spinning”中設計了一種可紡制人造絲的離心紡絲裝置。隨著離心紡絲技術的不斷發展，當前使用的離心紡絲設備主要有常規離心紡絲設備、溶液離心靜電紡絲設備、熔體離心靜電紡絲設備、氣流輔助熔體離心紡絲設備等[4]。這些設備存在紡絲過程不連續，如紡絲過程中需停機添加紡絲液，增大離心紡絲轉速會導致溶劑揮發時間減少，纖維結晶度和取向度達不到要求等問題，束縛了其產業化的進程。近年來，許多學者針對現有設備存在的不足進行了改進和提高。

1.1 離心紡絲輔助設備

在離心紡絲過程中，紡絲前的準備工作及纖維成形后的收集工作對于離心紡絲纖維網的形貌及產量都有重要影響。因此，部分學者設計并制造了離心紡絲輔助設備。

楊斌等[5]發明了一種適用于溶液法離心紡絲的連續供料設備(圖1)。該輔助設備對以往的離心紡絲設備進行了優化，紡絲液可源源不斷地進入噴絲器中，無需停機添加紡絲液。

圖1 離心紡絲連續供料設備

該連續供料設備利用一根橡膠軟管將進料口與注射泵的出口連接，出料口懸空伸入噴絲器中且不與噴絲器內其他部件接觸。運行方式為：以質量分數為20%的聚乙烯吡咯烷酮溶液為紡絲液，使用注射泵以0.1 mL/min的推進速度將紡絲液經橡膠軟管輸送至噴絲器內，此時電機的轉速設置為3 500 r/min。紡絲液在離心力作用下甩出至噴絲器邊緣并通過噴嘴擠出，最終得到微納米纖維。該設備也可應用于離心靜電紡絲的制備，有利于離心靜電紡絲的批量化生產。

2017年，鄒守寶等[6]發明了一種高速離心紡絲設備，解決了現有離心紡絲設備的螺旋線拉伸問題。與以往設備不同，該設備在噴絲孔前配有直線拉伸通道，通道將容納腔與旋轉體的外部空間相連接，在聚合物溶液或熔體擠出噴絲孔前受到數十至數百倍的拉伸，這有利于獲得線密度更小的微納米纖維。

目前，大部分離心紡絲設備的射流是以環狀形分布在噴絲器的周圍，離心紡絲的收集裝置一般也按照環形排布，但該收集方式存在一定的缺陷，不利于離心紡絲技術的產業化。

楊鍇等[7]以聚乙烯醇縮丁醛(Polyvinyl butyral，PVB)為主要材料，設計了一種平面收集式離心紡絲裝備(圖2)。他們在研究過程中發現，離心紡絲技術制備纖維的下降軌跡呈螺旋形，故纖維可被噴絲器下方的收集裝置自動收集。該收集裝置可通過升降調整纖維的接收距離，裝置主體傳送帶的速度范圍為0～10 m/min，可連續收集纖維，并將纖維直接輸送至下道工序，避免纖維在收集裝置上堆疊而影響紡絲效果。當轉速設定為6 000 r/min時，可將收集高度調整為50 mm，此時的紡絲軌跡較為穩定，且復絲情況有所改善，纖維網的表面形貌較好。

圖2 平面收集式離心紡絲裝置

1.2 離心紡絲成紗設備

離心紡絲法生產微納米纖維效率較高, 應用前景廣泛。但是, 由于收集方式和成紗設備不成熟，微納米纖維多用作非織造布的原料，很少用于制作納米纖維紗線。因此，一些研究者設計了離心紡絲成紗設備, 實現了納米纖維的有序收集和自動加捻，拓寬了微納米纖維產品的應用范圍。如彭忠凱等[8]進行了連續納米離心紡紗設備的設計與優化，采用傳送帶作為收集裝置。傳送帶的設計參考了集網簾的結構，帶有均勻分布的導流孔，纖維可以很好地附著于傳送帶上，然后被輸送至加捻區域，經兩道加捻工序后得到納米纖維紗線。其中，摩擦輥的安裝傾角為5°～15°，實際轉速比所需要的轉速快5%～10%時，可確保紗線不越過摩擦輥。

鄭良才等[9]開發了一種離心紡絲成紗設備(圖3)。該成紗設備主要對集絲裝置和加捻裝置進行了設計。集絲裝置使用帶有均勻網孔的傳送帶對纖維進行收集，同時傳送帶為圓筒式布置，可確保有序集絲。加捻裝置主要對纖維進行2次加捻：當傳送帶將收集的纖維運輸至摩擦輥時，對纖維進行第一次加捻；當加捻后的紗線通過皮圈加捻器時，為第二次加捻，并將紗線卷繞成筒，完成離心紡絲纖維成紗的一整套工藝流程。

圖3 離心紡絲成紗設備

1.3 新型離心紡絲設備

在常規離心紡絲設備的基礎上，除了對其輔助設備、成紗設備等進行設計外，一些研究者還對離心紡絲設備本身的結構進行了優化設計，從而可直接制備不同線密度和結構的微納米纖維，同時可對紡絲產量進行調節，有利于微納米纖維的批量化生產。

張勇[10]發明了一種能夠生產若干種形狀纖維的離心紡絲設備(圖4)。該紡絲設備的特點是含有不同孔徑的噴絲孔，同時還包含了磁體端頭。在聚合物熔體進入離心筒后，根據制備纖維所需的形狀，對應形狀處的金屬端頭吸附的磁體端頭斷電并失去磁性，離心筒內的聚合物熔體在離心力的作用下，通過特定孔徑的噴絲孔甩出，從而獲得所需形狀的纖維。

圖4 可生產若干形狀纖維的離心紡絲設備

劉勇等[11]發明了一種非接觸加熱離心靜電紡絲設備。與常規離心紡絲設備不同，該設備在紡絲甩盤下增加了一個通過電磁感應加熱紡絲甩盤而非直接接觸加熱的組件。當紡絲甩盤將聚合物熔體的溫度加熱到預設溫度時，聚合物熔體的溫度將保持在該溫度范圍內進行紡絲。同時，該設備實現了多種紡絲方式，即不加熱時為離心靜電紡絲，不開啟高壓電時為離心紡絲。使用該設備紡制的纖維直徑較小，紡絲產量較高，可達10 kg/h。

段曉博[12]發明了一種離心螺旋紡絲設備(圖5)。該設備包含了中空螺桿及螺旋葉片，噴絲孔置于螺旋葉片上。該設備結構簡單，多個中空螺桿并聯可大大提高設備的運行效率。在離心紡絲過程中，聚合物溶液或熔體經中空螺桿流至螺旋葉片，并在離心力的作用下經邊緣的噴絲孔甩出。如以聚乙烯醇溶液為原料，在5 000 r/min的轉速下進行離心紡絲，可得到平均直徑為800 nm的纖維。同時，若在該設備上加設高壓電場，也可實現靜電離心紡絲。

圖5 螺旋紡絲頭

2 離心紡絲產品的應用

2.1 醫療衛生領域

離心紡絲技術可以將大多數可溶、可熔的天然高分子材料、合成高分子材料、陶瓷材料等紡制成微納米纖維。此外，離心紡絲技術還可以紡制較為蓬松且適用于生物工程、組織工程的纖維制品。

劉晨[13]利用離心紡絲技術制備了不同相對分子質量的再生絲素蛋白/聚己內酯纖維。在對其可紡性進行分析時發現：當再生絲素蛋白與聚己內酯的質量比為5∶1時，可制備出再生絲素蛋白/聚己內酯纖維。當紡絲液具有較高質量分數和較大相對分子質量時，保持噴絲頭較高轉速，可以紡出形貌更好、產量更高的纖維。

侯騰[14]對離心紡絲技術制備乙基纖維素(Ethylcellulose，EC)/聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone，PVP)纖維工藝進行探究，對混紡纖維的形貌與性能進行測試與分析。研究表明：當針頭規格為30G、噴絲器轉速為4 000 r/min、接收距離為12 cm、EC與PVP的質量比為8∶2、乙醇與水的質量比為9∶1時，纖維平均直徑在2 μm左右且形貌較好；當EC質量分數增加至85%～95%，水的質量分數增至25%～35%時，可通過離心紡絲方式紡制出平均直徑約為7 μm的多孔EC/PVP纖維。

Li等[15]利用離心靜電紡絲方式制備了單軸取向殼聚糖納米纖維，研究了離心紡絲系統中控制纖維直徑的關鍵參數，包括濃度、轉速、噴嘴直徑和噴嘴長度等。通過試驗得出了纖維直徑隨濃度、噴嘴直徑和噴嘴長度的增加而增大、隨轉速的增加而減小的結論，并成功制備出了線密度均勻的羧基化殼聚糖/聚環氧乙烷復合納米纖維，為生物醫學材料的研究提供了理論依據。

楊紅軍等[16]研究了一種基于離心紡絲的可改善人造血管滲透性能的方法。其將離心紡絲和機織兩種工藝相結合，先通過機織制備管狀織物，并在其表面均勻涂覆一層膠原蛋白與聚己內酯的混合液；接著以膠原蛋白/聚己內酯溶液為原料，設置離心管轉速為2 000～7 000 r/min、接收距離為10～20 cm進行離心紡絲，使纖維膜均勻覆蓋在管狀織物表面，最終得到納米纖維人造血管。該人造血管基本無微孔，不易滲血，不易形變，生物活性較優。

2.2 環境保護領域

離心紡絲對紡絲液的要求較少且方法簡單高效，制備成本較低，近些年被廣泛應用于光催化材料的制備中。

劉佳[17]采用離心紡絲法結合后續熱處理工藝，通過優化紡絲液配比、離心紡絲工藝參數等相關條件，成功制備出二氧化鈦(TiO2)纖維、石墨相氮化碳復合纖維、N-Si摻雜的TiO2纖維和還原氧化石墨烯復合纖維。研究表明：紡絲液質量分數越高，TiO2纖維的直徑越小，離心紡絲旋轉速度的增大也有利于減小纖維的直徑。使用該方式制備的TiO2復合纖維具有良好的光催化性能。

李亞男等[18]將TiO2與聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride，簡稱PVDF)添加至N,N-二甲基甲酰胺(Dimethyl Formamide，簡稱DMF)和丙酮的混合溶液中制備紡絲液，通過離心紡絲技術制備了具有光催化降解性能的TiO2/PVDF纖維膜。其制備工藝為，將紡絲液添加至離心紡絲機內，離心紡絲機噴絲頭的噴嘴孔徑為0.4 mm，接收距離為12 cm，旋轉速度為10 000 r/min。該纖維膜具有良好的光催化降解性能和重復使用性能，重復使用5次后仍能使亞甲基藍染液脫色。

李永強等[19]在文獻[8]的研究基礎上，提出一種TiO2/PVDF微納米纖維膜及其離心紡絲制備方法。離心紡絲機的旋轉速度為8 000 r/min，噴絲頭的噴嘴孔徑為0.4 mm，接收距離為12 cm時，利用質量分數為6%的TiO2紡絲液紡絲得到的纖維膜表現出更好地降解性能，同時可重復利用。

2.3 電化學領域

隨著電動汽車的興起和電子通訊設備的不斷發展, 超級電容器作為儲能元件備受關注。提升超級電容器性能的關鍵是研發電化學性能優異的電極材料。離心紡絲技術具有產出率高、工藝簡單等優勢，近年來被越來越多地應用于電極材料的制備中。

呂海龍[20]以離心干法紡絲和高溫煅燒為加工方式，得到了包含TiO2、Fe3O4和Fe3C顆粒的復合纖維，碳包覆于纖維表面，纖維直徑在10 μm左右。該復合纖維具有較高的鋰離子存儲能力、較好的催化活性，以及較為優異的電極穩定性，各組分間的相互作用提升了該復合纖維電極材料的電化學性能。

倪冬靜[21]利用離心紡絲方式制備了多孔柔性碳纖維。其以聚丙烯腈溶液為原料，在轉速3 500 r/min、接收距離12 cm、電壓10 kV的條件下制備聚丙烯腈纖維，并經水處理、預氧化和碳化工藝后，最終得到多孔柔性碳纖維。使用離心紡絲技術制備碳纖維的產出率較高，力學性能也較好，其比電容可達194.4 F/g，多次循環使用后仍可保持較高的比電容。

趙航[22]利用加壓離心紡絲方式制備了聚丙烯腈/N-N二甲基甲酰胺碳納米纖維，并對其電化學性能進行研究。使用聚丙烯腈溶液為原料，在紡絲轉速8 000 r/min、接收距離15 cm的工藝條件下進行離心紡絲，得到聚丙烯腈纖維，并將該纖維進行碳化處理。研究表明，提高紡絲壓力，纖維直徑均有不同程度的減小，平均直徑最低的一組為430 nm。以多壁碳納米管為添加劑，紡絲纖維呈網絡狀結構，當添加劑含量增加時，纖維比電容也相應增加，最大比電容為79.0 F/g。

3 結論

目前，對于離心紡絲技術的研究主要集中于離心紡絲設備的改進和功能性微納米纖維的制備。一方面，如何對現有離心紡絲設備進行進一步改進和優化，從而提升紡絲產量和纖維質量，仍有待深入研究。另一方面，離心紡絲技術在微納米纖維的制備方面表現優異，如何利用離心紡絲技術制備功能性微納米纖維，從而拓寬離心紡絲技術的應用領域，也是極具吸引力的研究方向。