离心纺丝的发展现状及前景

范燕生　夏磊

【摘 要】本文首先对离心纺丝技术发展进行了综述。其次，结合离心纺丝技术特点以及所成纤维的结构性能，分别从生物领域的应用，电池隔膜制备等几个方面，介绍了离心纺丝技术在这些领域的发展优势。此外，尚有更多的领域有待离心纺丝技术及产品的进入。将离心纺丝技术与其它方法的结合使用，也是离心纺丝技术发展的一个新方向。

【关键词】离心纺丝；离心纺丝设备；纳米纤维；应用

纳米纤维具有独特的结构和性能，其比表面积大，透湿透气性能好，孔隙率高，具有极强的吸附力和较好的过滤性和阻隔性。利用纳米纤维的这些特性，可制作过滤材料，其过滤效率较常规的过滤材料效率大大提高，并可有效地应用于原子工业、无菌室等。近年来，生产纳米纤维常用的方法有相分离，模板合成，自组装以及静电纺丝等。但这些生产方法都具有一定的局限性。离心纺丝作为一种新型技术，其产量高、生产速度快、对纺丝溶液要求低，不需要使用高电压。它的技术特点可以弥补上述纳米纤维制备方法的局限，为纳米纤维的制备提供新的发展空间。

1 离心纺丝技术介绍

离心纺丝是一种新型的纳米纤维制备技术，在高速旋转的离心纺丝装置产生的离心力作用下，聚合物溶液或熔体由喷丝孔甩出成纤。

2 离心纺丝技术的发展

1924年，美国专利US1500931[1]中介绍了一种离心纺丝设备，主要用于將纤维胶纺成人造丝线。

19世纪60年代，离心纺丝最初被用来生产玻璃纤维[2]，所成纤维直径达数十微米、纤维长度达数厘米，且具有一定的强力。1970年，Chen和Miller[3]利用离心纺丝技术生产出合金纤维，合金纤维的力学性能有所提高。

1995年，专利US5460498[4]在上述装置结构的基础上，引入高速气流对射流做进一步牵伸。1996年，专利US5494616[5]设计了一系列不同结构的纺丝模头。这些都在一定程度上改善了纤维的品质。

李世江等[6]结合离心纺丝技术与静电纺丝技术，发明出一种离心式静电纺丝装置。他们在90-100目金属网眼的装置中制得了5-1000nm的纤维。2009年，Sarkar等人[7]研究出一种新型离心纺丝方法，命名为Forcespinning。离心纺丝技术仍在不断发展、改进，其工业化应用尚处于起步阶段，但其独特的技术优点使其具有广阔的发展前景和市场潜力。

3 离心纺产品的应用领域

离心纺丝技术发展迅速，其产品已经在多种领域中得以广泛应用。利用离心纺丝不同的技术特点，可以制备出具有不同结构形态和性能的纤维制品，满足不同领域的产品要求。

3.1 药物载体的应用

纳米纤维具有特殊的多孔结构和较高的表面积体积比，能有效地改善药物溶解性和生物可利用性。

采用离心纺丝技术生产纳米纤维时，纺制过程快，溶液物质暴露于高温的时间短，可以减小物质降解的可能[8]。离心纺丝生产的多孔纳米纤维，比表面积较大，能够增强溶解。对水溶性差的药物来说，使用该纤维制品制备药物载体非常有效。

3.2 SiO2/PAN锂离子电池隔膜

放置在电池的两个电极之间的电池隔膜，阻止两电极的接触，同时保证锂离子在两极之间的运动。含有电池隔膜的锂离子电池具有很好的电容性。

Meltem Yanilmaz等[9]以PAN、SiO2为原料，利用离心纺丝技术，制备锂离子电池的隔膜。所制得的SiO2/PAN膜，具有较强的电解液吸收能力，高度多孔的纤维结构使得该隔膜具有高离子电导率。相比于静电纺丝，离心纺丝技术生产的成本更低，更加安全，生产效率是传统静电纺丝的500倍。

3.3 金属氧化物

金属氧化物比表面积大，吸附性能好，具有优良的耐热性以及催化性能等。因此，在污水处理、传感器、磁性材料及热催化材料等领域，具有很大的应用前景。同样，相比于其它的制备方法，离心纺丝技术制得的金属氧化物超细纤维（如：Fe2O3超细纤维的制备[10]），产品形式更多样化，产量更高。因此，利用离心纺丝技术制备金属氧化物超细纤维，具有很高的研究价值。

3.4 与溶胶-凝胶法的结合

离心纺丝技术本身具有一定的技术优势，若与其它纺丝方法相结合，能达到更好的效果。如：将离心纺丝与溶胶-凝胶法结合。

利用溶胶-凝胶法制备纤维时，必须要使用模板，煅烧之后才能将模板去除。所使用的高温条件，会使纤维的表面积急速降低，光催化性能也会随之降低。产品的热稳定性不能满足要求，制备过程中添加模板也会增加费用。

而将离心纺丝与溶胶-凝胶法结合，纺制的纤维具有独特的结构，并且易从溶液中分离出来[11]。由此制得的光催化剂材料，可以作为去除和降解水中有机污染物的一种重要材料。

4 结论

综上所述，离心纺丝技术的研究，为纳米纤维的制备提供了新的发展空间。而离心纺丝技术作为一种新型技术，尚在不断地发展阶段。

所纺纤维的多孔结构以及高吸水性，让它在生物领域应用广泛。而其纤维结构形态的多样化，也使其在电池隔膜方面得以应用。相比于其它制备纤维的方法，离心纺丝技术简单方便，成本低，效率高，安全性好。

除此之外，离心纺丝产品尚有更广阔的应用市场有待开拓。另外，将离心纺丝技术与其他方法相结合，以及通过调整参数或者改变条件，来制备性能更优的纤维，开拓更大的应用领域，将是持续研究的目标。

【参考文献】

[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，张迎晨等.离心式静电纺丝装置：中国，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.

[责任编辑：张涛]