熔体电纺“彩虹丝”纳米纱线短流程绿色制造技术

20250327

高端装备与制造-聚合物熔体静电纺丝

1. 熔体微分喷头技术 采用伞形或环形喷头设计，突破传统针头电纺易堵塞、效率低的瓶颈。通过电场反转加载（喷头接地、电极板接高压），实现熔体薄膜的均匀分裂与多射流同步生成，显著提升纺丝效率与稳定性。
   结合气流辅助技术（如旋风气流管），进一步优化射流分布均匀性，减少纤维缠结，为高取向纱线制备奠定基础。
2. 气-电场耦合场调控技术
   气流场设计：通过负压气流与离子气流的协同作用，实现射流的定向集束与电荷中和。离子气流（如等离子体）可中和纤维表面残余电荷，消除静电排斥，促进纤维紧密排列。
   多物理场模拟：采用COMSOL等软件模拟电场、气流场及熔体流场的耦合作用，揭示射流运动规律，建立工艺参数与纤维性能的映射关系，为工艺优化提供理论支撑。
3. 原位成纱集成技术 开发旋风原位集束加捻装置，将纤维收集、加捻与卷绕一体化完成。通过匹配气流速度与辊子转速，实现纱线的高速连续制备（最高收卷速度达70 m/min），远超传统静电纺纱线生产效率（0.1~5 m/min）。
4. 多领域功能性应用 生物医疗：高取向纳米纱线可为细胞定向增殖提供仿生支架，用于神经修复、人工血管等组织工程领域。
   能源环保：纳米纱线的高比表面积与孔隙结构适用于超级电容器、柔性电池电极及高效过滤材料。
   智能纺织：通过复合导电或光敏材料，制备可穿戴传感器、热管理织物及自清洁功能纺织品。
5. 绿色高效生产优势 环保性：全程无溶剂参与，减少VOCs排放，符合可持续发展要求。
   经济性：熔体原料利用率接近100%（溶液电纺溶质转化率仅5~15%），显著降低原料成本。
   产业化潜力：已建成熔体微分电纺纳米纤维工业化示范生产线，具备从实验室到规模化生产的快速转化能力。

市场前景：

1. 技术优势大 绿色制造：该技术采用“零溶剂”工艺，避免了传统溶液电纺中有机溶剂的使用，减少了环境污染和溶剂回收成本，符合可持续发展的要求。 高效率：熔体电纺技术通过伞形（环形）微分喷头在高压静电场下形成多射流，单头纺丝效率可达12.5 g/h，显著高于传统单针头溶液电纺的效率（0.01-0.2 g/h），提高了生产效率。 高取向性：通过气电耦合技术，实现了熔体多射流的高取向细化，制备出的纳米纱线具有优异的力学性能和功能性，满足高性能材料的需求。
2. 应用领域广 生物医药：高取向纳米纱线可用于制备生物医用材料，如组织工程支架、药物释放系统等，其高比表面积和优异的生物相容性为细胞的定向增殖和分化提供了良好的环境。 能源环保：在能源存储和转换领域，如锂离子电池、超级电容器等，高取向纳米纱线可作为电极材料，提高电池的性能和寿命。此外，在环境治理方面，如空气过滤、水处理等，纳米纱线也可发挥重要作用。 航空航天：由于其轻质、高强度和高模量的特点，高取向纳米纱线在航空航天领域具有广阔的应用前景，可用于制备轻质高强度复合材料，减轻飞行器重量，提高燃油效率。 功能性纺织品：结合创新材料的纳米纱线，可制备出具有湿热管理、自清洁、主动防护等功能的智能纺织品，满足现代纺织品对高性能和多功能的需求。
3. 市场需求高 高性能材料需求增长：随着科技的不断进步，市场对高性能、多功能材料的需求持续增长，特别是在高端制造、生物医药和新能源等领域，为熔体电纺“彩虹丝”纳米纱线提供了广阔的市场空间。 环保意识增强：全球环保意识的提高推动了绿色制造技术的发展，熔体电纺技术的绿色环保特点符合市场对环保产品的需求，具有较强的市场竞争力。
4. 成本低效益高 生产成本降低：熔体电纺技术的高效率和高原料利用率显著降低了生产成本，提高了企业的经济效益。同时，该技术的能源消耗较低，进一步降低了生产成本。 产品附加值提高：高取向纳米纱线具有优异的性能和广泛的应用前景，产品附加值高，市场售价相对较高，能够为企业带来较高的利润空间。
5. 政策支持多 环保政策：各国政府对环保的重视和支持，为绿色制造技术提供了政策利好。熔体电纺技术的绿色环保特点符合国家环保政策的要求，有望获得政府的扶持和补贴。 产业升级：政府对高端制造业和新材料产业的支持，有助于推动熔体电纺技术的产业化应用。相关政策的出台将为该技术的发展提供良好的政策环境。-在行业领域的水平：
6. 技术原理创新 气电耦合技术：采用气电耦合的聚合物熔体微分电纺方法，通过在伞形微分喷头开放锥面上的聚合物熔体在高压静电及辅助气流作用下自组织均匀分裂出稳定的多射流，然后通过气流引导多射流脱离高压静电场区域并对其进行电荷中和及纤维集束。这一方法突破了传统熔体静电纺丝技术的局限，实现了高取向纳米丝束的高效制备。 多场耦合射流细化：在多场耦合射流细化过程中，涉及气流场、电场和辊子牵伸力的共同作用，通过实验分析多参数的影响权重，并通过模拟分析建立主要影响参数与射流细度间的关联式，从而为射流细度调控建立理论基础。这一技术原理的创新为熔体静电纺丝领域提供了新的理论支撑和方法路径。
7. 技术优势显著 高效率：该技术通过气电耦合实现了熔体多射流的大幅细化，显著提高了生产效率。单头纺丝效率可达12.5 g/h，通过喷头尺寸调整，可增加到60 g/h，为现有单针头溶液电纺效率的近百倍。 高取向性：通过气电耦合技术，实现了熔体多射流的高取向细化，制备出的纳米纱线具有优异的力学性能和功能性。这一技术优势使得该技术在熔体静电纺丝领域具有显著的竞争力。 绿色环保：该技术采用“零溶剂”的熔体静电纺丝方法，避免了有机溶剂的使用，减少了环境污染和溶剂回收成本，符合可持续发展的要求。

主要功能： 熔体电纺“彩虹丝”纳米纱线短流程绿色制造技术是一种基于聚合物熔体微分静电纺丝（Melt Differential Electrospinning, MDES）的高效、环保型纳米纤维纱线制备技术。其核心目标是通过气电耦合场协同调控、多射流同步生产及离子气流辅助集束等创新方法，实现高取向、高性能纳米纤维丝束的连续化、规模化绿色制造。熔体电纺“彩虹丝”纳米纱线短流程绿色制造技术通过熔体微分喷头、气-电场耦合调控及原位成纱集成等核心技术，实现了高取向纳米纤维纱线的高效、连续、环保化生产。其功能涵盖纤维细度精确控制、多物理场协同调控、规模化制造等关键环节，为功能性纳米材料在生物医药、能源环保及智能纺织等领域的应用提供了重要技术支撑。该技术不仅推动了传统纺织加工技术向纳米尺度的跨越，也为绿色制造与高端材料国产化开辟了新路径。-核心技术：

1. 高取向纳米纤维的连续制备 熔体微分多射流生成：采用伞形或环形微分喷头，在高压静电场作用下，聚合物熔体表面自发分裂形成均匀分布的数十至数百根微细射流。通过气流辅助（如负压气流），射流在脱离电场后迅速冷却固化，形成纳米级纤维（平均直径<500 nm）。
   气-电场耦合调控：引入辅助气流与静电场协同作用，抑制射流的无规振动，增强纤维取向。气流场通过轴向牵伸力和切向加捻力，使纤维沿预定方向有序排列，同时利用离子气流中和纤维残余电荷，减少纤维间的静电排斥，进一步提升取向度。
2. 短流程绿色制造 零溶剂工艺：熔体电纺直接以热塑性聚合物熔体为原料，无需传统溶液电纺中的有机溶剂，避免了溶剂挥发造成的环境污染及回收成本，符合绿色制造要求。
   高效连续生产：熔体微分喷头单头纺丝效率可达12.560 g/h，为传统单针头溶液电纺效率的数十至百倍。结合多喷头并行设计（如32喷头、64喷头中试设备），可实现纳米纱线的大规模连续生产。
   3.纤维细度与结构的精确控制 多场耦合细化机制：通过静电场力、气流牵伸力及辊子牵引力的协同作用，精确调控射流细化过程。结合高速摄像与红外测温实时监测射流温度及运动状态，建立射流细度与工艺参数（电压、气流速度、温度）的定量关联模型，实现纤维直径的纳米级可控（501000 nm）。
   功能化结构设计：通过调控离子气流切向速度与辊子转速，赋予纱线特定捻度与孔隙结构，满足不同应用场景对纱线力学性能（如拉伸强度、柔韧性）及功能特性（如导电性、抗菌性）的需求。 4.专利支持：相关授权发明专利7项。

获奖情况： 无-落地应用：

1. 生物医药领域 组织工程支架：高取向纳米纱线可用于制备组织工程支架，为细胞的定向增殖和分化提供支持，促进组织修复和再生。 药物释放系统：纳米纱线的高比表面积和多级微纳孔隙结构使其在药物释放系统中具有潜在应用，能够实现药物的缓慢释放和靶向输送。
2. 能源环保领域 能源存储材料：高取向纳米纱线可用于制备锂离子电池、超级电容器等能源存储设备的电极材料，提高电池的性能和寿命。 环境治理材料：纳米纱线可用于空气过滤、水处理等环境治理领域，其高比表面积和丰富的功能位点使其在吸附和催化方面具有优异性能。
3. 航空航天领域 轻质高强度复合材料：高取向纳米纱线可用于制备轻质高强度复合材料，减轻飞行器重量，提高燃油效率，增强飞行器的结构强度和耐久性。
4. 功能性纺织品领域 智能纺织品：结合创新材料的纳米纱线，可制备出具有湿热管理、自清洁、主动防护等功能的智能纺织品，满足现代纺织品对高性能和多功能的需求。 防护服装：纳米纱线的高比表面积和优异的力学性能使其在防护服装领域具有潜在应用，能够提供更好的防护效果和舒适性。
5. 电子电器领域 柔性电子器件：高取向纳米纱线可用于制备柔性电子器件，如柔性传感器、显示器等，其优异的光电传输性能和界面物化性能能够满足柔性电子器件的需求。 电磁屏蔽材料：纳米纱线的导电性和高比表面积使其在电磁屏蔽材料方面具有潜在应用，能够有效屏蔽电磁干扰。

本项目旨在开发高性能、多功能的静电纺纱线，实现其在高端制造业、生物医药、能源环保等领域的应用，并推动其工业化生产。致力于解决静电纺纱线在功能化和工业化过程中面临的关键技术问题，提高其生产效率、降低成本，并优化其性能和质量。 一、合作内容 （一）功能化开发 高性能纤维材料研发：合作开发具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能的纤维材料，满足高端制造业对高性能纤维的需求。通过分子设计和材料改性，提高纤维的力学性能和化学稳定性，使其在极端环境下仍能保持良好的性能表现。 多功能纤维材料研发：研发具有多种功能的纤维材料，如智能响应、自修复、抗菌、抗病毒、防辐射等功能。通过复合材料技术和纳米技术，将多种功能材料与纤维基体复合，实现纤维的多功能化，拓展其在生物医药、防护装备等领域的应用。 生物医用纤维材料研发：针对生物医用领域的需求，开发具有生物相容性、可降解性和生物活性的纤维材料。通过生物材料改性和表面修饰，提高纤维的生物相容性和生物活性，使其在组织工程、药物释放等领域具有潜在应用价值。 （二）工业化开发 高效纺丝技术开发：合作开发高效、稳定的静电纺丝技术，提高纺丝速度和纤维产量。通过优化纺丝工艺参数和设备设计，实现纤维的连续化、规模化生产，降低生产成本，提高生产效率。 纤维后处理技术开发：研发纤维后处理技术，如热处理、化学处理、物理处理等，提高纤维的性能和质量。通过后处理技术，改善纤维的力学性能、化学稳定性和表面性能，使其满足不同应用领域的需求。 纤维应用技术开发：合作开发纤维的应用技术，如纤维增强复合材料、纤维过滤材料、纤维传感器等。通过应用技术开发，拓展纤维的应用领域，提高其市场竞争力和附加值。 二、合作预期成果 （一）功能化成果 高性能纤维材料：开发出具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能的纤维材料，满足高端制造业对高性能纤维的需求。 多功能纤维材料：开发出具有多种功能的纤维材料，如智能响应、自修复、抗菌、抗病毒、防辐射等功能，拓展其在生物医药、防护装备等领域的应用。 生物医用纤维材料：开发出具有生物相容性、可降解性和生物活性的纤维材料，满足生物医用领域的需求。 （二）工业化成果 高效纺丝技术：开发出高效、稳定的静电纺丝技术，提高纺丝速度和纤维产量，实现纤维的连续化、规模化生产。 纤维后处理技术：开发出纤维后处理技术，如热处理、化学处理、物理处理等，提高纤维的性能和质量，满足不同应用领域的需求。 纤维应用技术：开发出纤维的应用技术，如纤维增强复合材料、纤维过滤材料、纤维传感器等，拓展纤维的应用领域，提高其市场竞争力和附加值。 （三）市场与应用成果 市场占有率：通过合作开发，提高产品的市场占有率，拓展市场份额，提高企业的经济效益和社会效益。 客户满意度：通过提供高性能、多功能的纤维材料和优质的服务，提高客户满意度，树立良好的企业形象。

项目衍生于获2023年国家技术发明二等奖的熔体微分静电纺丝技术，先后攻克了高压电绝缘、高粘熔体细化、微细射流可控取向集束等技术难题，实现了“彩虹丝”纳米纱线短流程绿色制造技术。该技术适用于热塑性聚合物及其他具有快速聚合固化转变条件的预聚体材料，具有制备流程短和绿色高效等显著优势，展现出进一步开拓纳米纱线技术中试放大和产业化的前景。制备的纱线具有高比表面积、微小直径、良好的取向结构以及优异的可编织性能，在功能织物、生物医药、能源环保等领域极具应用前景。以已开发的聚乳酸纳米纱线样品为例，该纱线由200根以上超细纤维组成，单丝直径达到1微米以内，长丝纤度为7dtex，具有2.8 cN/dtex的高强度，可用于人造血管、手术缝线以及组织工程支架等高端生物医用材料的制造。目前已形成了十余项发明专利技术池积累，建立了四头小试原理样机，满足小样产品开发和工业化放大技术验证。