原標(biāo)題：深耕納米材料領(lǐng)域 探索靜電紡絲技術(shù)

——武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院 劉延波

作為納米世界的主要成員，納米纖維一經(jīng)問世，便引起了世界各國的廣泛關(guān)注，從氣 / 液過濾、生物醫(yī)療到 電子傳感、能源環(huán)境等領(lǐng)域，都有其應(yīng)用的背影。

靜電紡絲法是世界上最普遍的生產(chǎn)納米纖維的方法，也是被廣泛應(yīng)用的方法。從事靜電紡絲技術(shù)原理研究的劉延波教授，用16年的深耕探索，換來了靜電紡絲技術(shù)的改善和創(chuàng)新，為實(shí)現(xiàn)納米纖維的宏量制備，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

造夢(mèng)者的探索之旅

納米纖維的制造方法有很多，但靜電紡絲技術(shù)卻有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如，這種技術(shù)可以控制纖維直徑、控制纖維取向、控制纖維結(jié)構(gòu)，可以控制，意味著可以創(chuàng)造。以現(xiàn)代最常用的鋰離子電池為例。如果將PAN的靜電紡絲和惰性氣體下的熱處理用特別的方法進(jìn)行融合，就可制備出更為純粹的碳納米纖維機(jī)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)是可以改變鋰離子電池的電容率的。舉一反三，如果將這種不走尋常的改變推廣到其他的領(lǐng)域，那么，靜電紡絲技術(shù)，將帶來前所未有的技術(shù)革命。

遺憾的是，現(xiàn)在的靜電紡絲技術(shù)，難以達(dá)到連續(xù)、穩(wěn)定、安全、 高效、高產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化制備要求，在質(zhì)量和產(chǎn)量受到限制的前提下，技術(shù)推廣和應(yīng)用更是無從談起。所以，劉延波教授，以現(xiàn)實(shí)需求為目標(biāo)，以亂云飛渡仍從容的定力，以乘風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)的決心，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，拉開了靜電紡絲的研發(fā)序幕。

完善現(xiàn)有的技術(shù)，是劉延波教授深耕探索的第一步。她針對(duì)現(xiàn)有各種靜電紡絲過程進(jìn)行建模和電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有靜電紡絲過程中電場(chǎng)強(qiáng)度分布的科學(xué)規(guī)律，進(jìn)而提出電場(chǎng)強(qiáng)度與分布均勻性的改進(jìn)措施。其中，最佳改善措施可使電場(chǎng)強(qiáng)度提高82.9%，使電場(chǎng)強(qiáng)度CV值降低到1.1%。這種電場(chǎng)強(qiáng)度的改善可有效提高電壓利用率、降低生產(chǎn)成本并提高納米纖維制備效率，同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)比較均勻一致的納米纖維和電紡膜產(chǎn)品。

當(dāng)別人還在追夢(mèng)的時(shí)候，劉延波已經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開啟了造夢(mèng)之路。比如，她所研發(fā)的分形靜電紡絲技術(shù)可獲得更高的電場(chǎng)強(qiáng)度和更好的電場(chǎng)分布均勻性，降低紡絲電壓和空氣擊穿風(fēng)險(xiǎn)，降低能耗和過程成本，提高納米纖維細(xì)度和均勻性，提高電紡膜結(jié)構(gòu)均勻性和產(chǎn)量；多葉片環(huán)狀靜電紡絲技術(shù)，納米纖維產(chǎn)率可提高3～6倍，可提高電場(chǎng)強(qiáng)度，降低臨界紡絲電壓，不僅節(jié)省電能、降低成本，還降低了事故的發(fā)生率。

驅(qū)動(dòng)力，競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)新力，都是靜電紡絲探索的源動(dòng)力。劉延波教授的每一次研發(fā)，都直指靜電紡絲技術(shù)的核心，自從發(fā)現(xiàn)線性排列的多針頭靜電紡絲過程中存在邊緣效應(yīng)現(xiàn)象后，劉延波教授便提出了基于二次拋物線的曲面紡絲頭結(jié)構(gòu)，可矯正和補(bǔ)償線性多針頭電紡過程中場(chǎng)強(qiáng)分布不勻的問題。此外，她還發(fā)現(xiàn)，組合使用相鄰紡絲孔分別朝向不同方向噴絲的微孔交錯(cuò)靜電紡絲技術(shù)，可避免相鄰紡絲射流之間的庫侖斥力干擾，從而極大的提高了紡絲射流密度和電紡納米纖維產(chǎn)率。

創(chuàng)造靜電紡絲的未來

創(chuàng)新性、價(jià)值性，可行性、效益性，是科學(xué)發(fā)展必然遵循的一些原則，靜電紡絲的探索同樣如此。劉延波以多年靜電紡絲過程原理研究和試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)有靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行了重新分類，將其分為毛細(xì)式靜電紡絲技術(shù)（包括針頭式、微孔式和噴嘴式靜電紡）和非毛細(xì)式靜電紡絲技術(shù)（包括各類無針頭式靜電紡），并指出未來靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該是毛細(xì)式和非毛細(xì)式電紡機(jī)理的組合，即取兩者之優(yōu)點(diǎn)，去兩者之缺點(diǎn)，以強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的方式，打造靜電紡絲的未來。

在劉延波的目標(biāo)中，未來的技術(shù)應(yīng)該是這樣的——實(shí)現(xiàn)基于電流體自發(fā)射、封閉式可控喂液、高效高產(chǎn)，并可連續(xù)、安全、穩(wěn)定地制備結(jié)構(gòu)均勻納米纖維和電紡膜的新型靜電紡絲技術(shù)。她將這種技術(shù)稱為“閃電紡”技術(shù)。

有了目標(biāo)，就有了前行的方向。劉延波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過基于流場(chǎng)穩(wěn)定鋪展的流體力學(xué)原理初步建立閃電紡紡絲噴嘴模型，再通過電場(chǎng) - 流場(chǎng) - 電場(chǎng)分步耦合模擬、電場(chǎng)強(qiáng)度增益和分布均勻性改善，最終獲得了最佳噴嘴結(jié)構(gòu)模型。

試驗(yàn)結(jié)果表明：閃電紡技術(shù)具有可控連續(xù)喂液、過程穩(wěn)定、低電壓、低能耗、高安全性以及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)特點(diǎn)；所紡納米纖維（14% PAN 為例）平均直徑 358 nm，CV=11.2%；直徑 10 mm 的閃電紡單噴嘴的 PAN 納米纖維產(chǎn)率為42 g/h，是傳統(tǒng)單針頭產(chǎn)量的 897 倍（干重）。

由此可見，閃電紡納米纖維制備技術(shù)突破靜電紡絲產(chǎn)能瓶頸，引領(lǐng)了靜電紡絲的未來技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)靜電紡絲的工業(yè)化和商業(yè)化，奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

在未知的世界探索，不動(dòng)搖、不含糊、不偏離，不懈怠，是科研工作者成績斐然的思想基礎(chǔ)。毫無疑問，劉延波，就是這樣一位堅(jiān)定的探索者。

多年來，她，不僅主持或參與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 5 項(xiàng)、省部級(jí)項(xiàng)目 5 項(xiàng)，主持橫向項(xiàng)目 20 余項(xiàng)，發(fā)表論文 100 余篇，獲授權(quán)PCT 國際發(fā)明專利 1 件，中國發(fā)明專利 16 件，還曾獲天津市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、 二等獎(jiǎng)，江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，以及英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)（RSC） “Llectropsinning Book”獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。

然而，面對(duì)成績和榮譽(yù)，劉延波始終保持平常心。她深知：作為一名新時(shí)代的奮斗者，要同時(shí)間賽跑，同時(shí)代并進(jìn)，無論何時(shí)，都要將創(chuàng)新和奮斗，視為搖籃和起點(diǎn)，唯有如此，才能不忘初心，方得始終。

心懷希望，目有星辰。未來，劉延波將繼續(xù)追風(fēng)趕月，砥礪前行；繼續(xù)運(yùn)用所學(xué)，所悟，助力中國電紡納米纖維產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展。

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