静电纺丝材料市场前景广阔
发布时间：2024/4/30 15:02:18 点击数：
“面对新一轮科技革命浪潮，纺织科技研发、培育及发展在面临诸多挑战的同时，也蕴含着巨大的机遇。静电纺丝非织造材料的研发和应用，已经在航空、汽车、建筑、医疗、卫生、环保、电子、制药等多个领域展现出广阔的市场前景。” 中国纺织工业联合会副会长李陵申在近日举行的2024年中国静电纺丝非织造材料大会上表示，要充分挖掘静电纺丝非织造材料的高精尖技术优势，让其成为推动行业高质量发展的新质生产力。
赋能新能源 引领绿色发展
近年来，具有独特性能的静电纺纳米纤维材料在全固态电池、锂电池等新能源领域，得到了越来越广泛的应用。聚酰亚胺是综合性能极佳的有机高分子材料之一，被誉为高分子材料金字塔的顶端材料。
“没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术。”江西师范大学教授侯豪情说。他介绍，高强度电纺聚酰亚胺纳米纤维可以有不同的制备方法，比如水溶液电纺制备、共聚合法制备。电纺纳米纤维在制备技术、单丝收集和机械性能测试等领域的技术不断提高，应用也得到极大拓展。
基于聚酰亚胺纳米纤维隔膜的宽温度和高倍率充放特性动力锂电池制备技术，能使电池的充放倍率提高4倍以上，循环寿命提高700%以上，具有广阔的市场前景，已形成单条生产线日产4000平方米以上聚酰亚胺纳米纤维非织造布的工业化生产能力。
新能源储存技术是高端智能化的可穿戴设备行业的基石。为满足可穿戴电子产品的供电需求，开发高能量密度的柔性超级电容器是当今新能源领域极具挑战性的课题之一。为此，南京工业大学教授陈苏提出了微流控静电纺丝化学（FSC）的全新概念。
据介绍，在微流控静电纺丝过程中，以微纳纤维为载体，借助微流控芯片，将反应物在纺丝过程中原位发生反应生成的纳米纤维杂化材料，利用微纳纤维纳米反应器的限域效应，可以方便制备出理想的纳米材料。
陈苏表示，采用微流控静电纺丝的方法，通过单分散胶体纳米颗粒和尼龙66纺丝溶液在微通道限域空间内的反应和组装，得到具有独特点线结构的异质尼龙66复合纳米纤维，其拉伸强度比纯尼龙66纳米纤维提高了近五倍，能有效抵御高温、高湿环境的侵蚀。用该纤维基制作的显示器背光膜的寿命值高达6万小时，色域值可达116% （NTSC标准），极大地提高了量子点显示器的效率和稳定性，为柔性可穿戴产品光电产业的发展提供新途径。
微生物燃料电池（MFC）能通过微生物将废水和其他有机废物中的化学能转化为电能，是替代化石能源的新能源发展方向之一，然而微生物燃料电池阴极反应通常慢于阳极，极大程度限制了燃料电池的能量转换效率和产电性能。因此，在阴极添加高活性和耐久性的电催化剂用于加速阴极氧还原反应（ORR）是微生物燃料电池研发的突破点。
北京科技大学教授李从举在介绍静电纺纳米纤维燃料电池催化剂的探索研究时表示，利用独特的金属静电纺丝技术，将镍钴合金通过模板介导的生长方法固定在纳米纤维表面，形成稳定、导电性能优异、比表面积大和丰富的镍钴合金活性位点的ORR催化剂，并将其应用于微生物燃料电池阴极，获得的电子输出功率高且长期稳定，具有低成本、环保、高效的优势，为微生物燃料电池的阴极催化剂提供了新的发展方向。
跨界生物医疗 展现智能“魔力”
利用静电纺丝工艺来设计各种微纳米纤维材料，具有通用、灵活且经济高效的优势，为生物医学材料领域的发展带来了新的技术支撑。
一个智能仿生手指“触摸”了人体表面后，一张准确描绘出肌肉组织和骨骼、血管位置的3D建模轮廓图立刻展现在眼前。
五邑大学应用物理与材料学院院长罗坚义表示，碳纤维材料对温度和力度具有高灵敏传感特性，同时碳纤维结构对感温感力具有很强的专一性，微小的结构变化就能感受和传导不同的温度和力度。利用碳纤维的这一特性，通过静电纺丝技术，控制碳纤维纳米级的结构变化，以同一结构碳纤维丝为“积木”单元，构建超敏感的受力和感温结构，可制备出不同感知类型的碳纤维柔性传感器。碳纤维柔性传感材料仿生手指为远程医疗领域带来了重大突破。应用这一新技术，五邑大学研发的碳纤维柔性材料“舌压仪”，打破了部分国家在这一领域的技术垄断。
病原空气净化已成为感染防控的重要组成部分。如何让空气过滤器在过滤同时，有效灭活空气中的病原体？东华大学科学技术研究院院长丁彬给出了答案。他介绍，二氧化硅作为优异的过滤材料，具有独特的光学和热稳定性。将二氧化硅制备成一维柔性纤维、二维纳米纤维膜和三维纳米纤维气凝胶三种结构时，会具有完全不同的性能和应用领域。通过静电纺丝技术，将二氧化硅纳米纤维、细菌纤维素纳米纤维和疏水性硅氧链弹性粘合剂有序结合，构建具有可再生抗菌性能的笼状结构超柔性纳米纤维气凝胶（CSA），可广泛应用在物理防护、医疗保健、卫生过滤等领域。
能够排出汗液，具有温度与压力双功能传感性能的电子皮肤，是清华大学教授张莹莹的最新研究成果。她介绍了以天然蚕丝素为主体，以碳酸钙纳米晶体作为模板的纳米级强韧蚕丝纤维的静电纺丝技术。
张莹莹表示，这种静电纺蚕丝纤维不仅保持了天然蚕丝的特性，还具有蜘蛛丝一样的强度和韧度，单丝纳米级纤维的抗拉强度和韧性分别达到0.83±0.15吉帕斯卡和181.98±52.42兆焦耳/立方米，能够根据生物医疗卫生的需要制成不同结构和形态的产品，可用于PM2.5过滤、电子皮肤、人体热管理芯鞘结构电子纤维材料等生物医学治疗领域。
应用场景广阔 彰显产业创新
“露珠的大小远远超过蜘蛛丝的直径，为什么却能稳稳地挂在蜘蛛丝上？”北京航空航天大学教授赵勇在介绍仿生多层次中空结构纳米纤维精准制备及催化能源应用时，不仅揭开了其中的奥秘，还揭示了静电纺丝技术在制备“人工蜘蛛丝”中起到的关键作用，及其多场景应用的重大意义。
他说，从原理上发现，蜘蛛丝复杂、超微小的中空结构严重阻碍了液滴的运动。从方法上探寻，受到蜘蛛多吐丝口器的启发，通过控制静电纺丝过程中带电外层流体和多股互不相溶的内层流体之间稳定的层流作用，保证了多相流体在百纳米尺度上仍然互不干扰，从而成功制备了具有独特多通道结构的微纳米中空纤维，且通道数目精确可控。在实际应用中，这种仿生材料对于设计大规模的人造纤维网以收集雾水，满足水源缺乏地区人们的淡水需求具有重要意义，此外，还可以设计成纤维网状材料，用到局部地区除雾、工业加工和生产过程中的浮质过滤等场景。
静电纺丝技术值得拓展的应用场景还有很多。
仅利用4米外的0.6瓦低功率激光，基于静电纺丝技术制备的光学微纳功能纤维能瞬间释放大量热量，最高温度可达318.9摄氏度，可用于近红外远程激光点火。苏州大学纺织与服装工程学院院长张克勤介绍了利用静电纺丝技术对有机共晶光热材料微纳纤维进行规模化制造等方面研究取得的成果。光学微纳功能纤维的优势包括多维度可控、多种功能可实现、多种形态可设计、多种可能性持续出现。日常生活中，它还可应用于可穿戴太阳能热电器件、可穿戴光谱调节热能收集纺织品、全天候热能收集织物等场景。
受自然界中沙塔蠕虫构筑巢穴过程启发，中国科学院理化技术研究所研究员王树涛利用静电纺丝技术成功研发了在低温常压条件下制备力学性能优异的仿生低碳新型建筑材料，为建筑领域节能减排提供了新思路。
王树涛提出，从粘附蛋白中提取的诸如二羟基苯丙氨酸（DOPA）等物质，通过静电纺丝制成的超微纳米纤维结构仿生粘附界面材料，可以在基底表面形成极强的共价和非共价相互作用，实现牢固的界面粘附。与传统的水泥基建材在生产过程中需消耗大量能量相比，这类新型建筑材料对降低碳排放具有重要意义。（来源：中国纺织报）
赋能新能源 引领绿色发展
近年来，具有独特性能的静电纺纳米纤维材料在全固态电池、锂电池等新能源领域，得到了越来越广泛的应用。聚酰亚胺是综合性能极佳的有机高分子材料之一，被誉为高分子材料金字塔的顶端材料。
“没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术。”江西师范大学教授侯豪情说。他介绍，高强度电纺聚酰亚胺纳米纤维可以有不同的制备方法，比如水溶液电纺制备、共聚合法制备。电纺纳米纤维在制备技术、单丝收集和机械性能测试等领域的技术不断提高，应用也得到极大拓展。
基于聚酰亚胺纳米纤维隔膜的宽温度和高倍率充放特性动力锂电池制备技术，能使电池的充放倍率提高4倍以上，循环寿命提高700%以上，具有广阔的市场前景，已形成单条生产线日产4000平方米以上聚酰亚胺纳米纤维非织造布的工业化生产能力。
新能源储存技术是高端智能化的可穿戴设备行业的基石。为满足可穿戴电子产品的供电需求，开发高能量密度的柔性超级电容器是当今新能源领域极具挑战性的课题之一。为此，南京工业大学教授陈苏提出了微流控静电纺丝化学（FSC）的全新概念。
据介绍，在微流控静电纺丝过程中，以微纳纤维为载体，借助微流控芯片，将反应物在纺丝过程中原位发生反应生成的纳米纤维杂化材料，利用微纳纤维纳米反应器的限域效应，可以方便制备出理想的纳米材料。
陈苏表示，采用微流控静电纺丝的方法，通过单分散胶体纳米颗粒和尼龙66纺丝溶液在微通道限域空间内的反应和组装，得到具有独特点线结构的异质尼龙66复合纳米纤维，其拉伸强度比纯尼龙66纳米纤维提高了近五倍，能有效抵御高温、高湿环境的侵蚀。用该纤维基制作的显示器背光膜的寿命值高达6万小时，色域值可达116% （NTSC标准），极大地提高了量子点显示器的效率和稳定性，为柔性可穿戴产品光电产业的发展提供新途径。
微生物燃料电池（MFC）能通过微生物将废水和其他有机废物中的化学能转化为电能，是替代化石能源的新能源发展方向之一，然而微生物燃料电池阴极反应通常慢于阳极，极大程度限制了燃料电池的能量转换效率和产电性能。因此，在阴极添加高活性和耐久性的电催化剂用于加速阴极氧还原反应（ORR）是微生物燃料电池研发的突破点。
北京科技大学教授李从举在介绍静电纺纳米纤维燃料电池催化剂的探索研究时表示，利用独特的金属静电纺丝技术，将镍钴合金通过模板介导的生长方法固定在纳米纤维表面，形成稳定、导电性能优异、比表面积大和丰富的镍钴合金活性位点的ORR催化剂，并将其应用于微生物燃料电池阴极，获得的电子输出功率高且长期稳定，具有低成本、环保、高效的优势，为微生物燃料电池的阴极催化剂提供了新的发展方向。
跨界生物医疗 展现智能“魔力”
利用静电纺丝工艺来设计各种微纳米纤维材料，具有通用、灵活且经济高效的优势，为生物医学材料领域的发展带来了新的技术支撑。
一个智能仿生手指“触摸”了人体表面后，一张准确描绘出肌肉组织和骨骼、血管位置的3D建模轮廓图立刻展现在眼前。
五邑大学应用物理与材料学院院长罗坚义表示，碳纤维材料对温度和力度具有高灵敏传感特性，同时碳纤维结构对感温感力具有很强的专一性，微小的结构变化就能感受和传导不同的温度和力度。利用碳纤维的这一特性，通过静电纺丝技术，控制碳纤维纳米级的结构变化，以同一结构碳纤维丝为“积木”单元，构建超敏感的受力和感温结构，可制备出不同感知类型的碳纤维柔性传感器。碳纤维柔性传感材料仿生手指为远程医疗领域带来了重大突破。应用这一新技术，五邑大学研发的碳纤维柔性材料“舌压仪”，打破了部分国家在这一领域的技术垄断。
病原空气净化已成为感染防控的重要组成部分。如何让空气过滤器在过滤同时，有效灭活空气中的病原体？东华大学科学技术研究院院长丁彬给出了答案。他介绍，二氧化硅作为优异的过滤材料，具有独特的光学和热稳定性。将二氧化硅制备成一维柔性纤维、二维纳米纤维膜和三维纳米纤维气凝胶三种结构时，会具有完全不同的性能和应用领域。通过静电纺丝技术，将二氧化硅纳米纤维、细菌纤维素纳米纤维和疏水性硅氧链弹性粘合剂有序结合，构建具有可再生抗菌性能的笼状结构超柔性纳米纤维气凝胶（CSA），可广泛应用在物理防护、医疗保健、卫生过滤等领域。
能够排出汗液，具有温度与压力双功能传感性能的电子皮肤，是清华大学教授张莹莹的最新研究成果。她介绍了以天然蚕丝素为主体，以碳酸钙纳米晶体作为模板的纳米级强韧蚕丝纤维的静电纺丝技术。
张莹莹表示，这种静电纺蚕丝纤维不仅保持了天然蚕丝的特性，还具有蜘蛛丝一样的强度和韧度，单丝纳米级纤维的抗拉强度和韧性分别达到0.83±0.15吉帕斯卡和181.98±52.42兆焦耳/立方米，能够根据生物医疗卫生的需要制成不同结构和形态的产品，可用于PM2.5过滤、电子皮肤、人体热管理芯鞘结构电子纤维材料等生物医学治疗领域。
应用场景广阔 彰显产业创新
“露珠的大小远远超过蜘蛛丝的直径，为什么却能稳稳地挂在蜘蛛丝上？”北京航空航天大学教授赵勇在介绍仿生多层次中空结构纳米纤维精准制备及催化能源应用时，不仅揭开了其中的奥秘，还揭示了静电纺丝技术在制备“人工蜘蛛丝”中起到的关键作用，及其多场景应用的重大意义。
他说，从原理上发现，蜘蛛丝复杂、超微小的中空结构严重阻碍了液滴的运动。从方法上探寻，受到蜘蛛多吐丝口器的启发，通过控制静电纺丝过程中带电外层流体和多股互不相溶的内层流体之间稳定的层流作用，保证了多相流体在百纳米尺度上仍然互不干扰，从而成功制备了具有独特多通道结构的微纳米中空纤维，且通道数目精确可控。在实际应用中，这种仿生材料对于设计大规模的人造纤维网以收集雾水，满足水源缺乏地区人们的淡水需求具有重要意义，此外，还可以设计成纤维网状材料，用到局部地区除雾、工业加工和生产过程中的浮质过滤等场景。
静电纺丝技术值得拓展的应用场景还有很多。
仅利用4米外的0.6瓦低功率激光，基于静电纺丝技术制备的光学微纳功能纤维能瞬间释放大量热量，最高温度可达318.9摄氏度，可用于近红外远程激光点火。苏州大学纺织与服装工程学院院长张克勤介绍了利用静电纺丝技术对有机共晶光热材料微纳纤维进行规模化制造等方面研究取得的成果。光学微纳功能纤维的优势包括多维度可控、多种功能可实现、多种形态可设计、多种可能性持续出现。日常生活中，它还可应用于可穿戴太阳能热电器件、可穿戴光谱调节热能收集纺织品、全天候热能收集织物等场景。
受自然界中沙塔蠕虫构筑巢穴过程启发，中国科学院理化技术研究所研究员王树涛利用静电纺丝技术成功研发了在低温常压条件下制备力学性能优异的仿生低碳新型建筑材料，为建筑领域节能减排提供了新思路。
王树涛提出，从粘附蛋白中提取的诸如二羟基苯丙氨酸（DOPA）等物质，通过静电纺丝制成的超微纳米纤维结构仿生粘附界面材料，可以在基底表面形成极强的共价和非共价相互作用，实现牢固的界面粘附。与传统的水泥基建材在生产过程中需消耗大量能量相比，这类新型建筑材料对降低碳排放具有重要意义。（来源：中国纺织报）
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