深耕纳米材料领域 探索静电纺丝技术

——武汉纺织大学纺织科学与工程学院 刘延波

作为纳米世界的主要成员，纳米纤维一经问世，便引起了世界各国的广泛关注，从气 / 液过滤、生物医疗到 电子传感、能源环境等领域，都有其应用的背影。

静电纺丝法是世界上最普遍的生产纳米纤维的方法，也是被广泛应用的方法。从事静电纺丝技术原理研究的刘延波教授，用16年的深耕探索，换来了静电纺丝技术的改善和创新，为实现纳米纤维的宏量制备，提供了强有力的技术支持。

造梦者的探索之旅

纳米纤维的制造方法有很多，但静电纺丝技术却有其独特的优势，比如，这种技术可以控制纤维直径、控制纤维取向、控制纤维结构，可以控制，意味着可以创造。以现代最常用的锂离子电池为例。如果将PAN的静电纺丝和惰性气体下的热处理用特别的方法进行融合，就可制备出更为纯粹的碳纳米纤维机构，而这种结构是可以改变锂离子电池的电容率的。举一反三，如果将这种不走寻常的改变推广到其他的领域，那么，静电纺丝技术，将带来前所未有的技术革命。

遗憾的是，现在的静电纺丝技术，难以达到连续、稳定、安全、 高效、高产的产业化制备要求，在质量和产量受到限制的前提下，技术推广和应用更是无从谈起。所以，刘延波教授，以现实需求为目标，以乱云飞渡仍从容的定力，以乘风破浪会有时的决心，带领团队，拉开了静电纺丝的研发序幕。

完善现有的技术，是刘延波教授深耕探索的第一步。她针对现有各种静电纺丝过程进行建模和电场强度数值模拟研究，发现现有静电纺丝过程中电场强度分布的科学规律，进而提出电场强度与分布均匀性的改进措施。其中，最佳改善措施可使电场强度提高82.9%，使电场强度CV值降低到1.1%。这种电场强度的改善可有效提高电压利用率、降低生产成本并提高纳米纤维制备效率，同时获得结构比较均匀一致的纳米纤维和电纺膜产品。

当别人还在追梦的时候，刘延波已经带领团队开启了造梦之路。比如，她所研发的分形静电纺丝技术可获得更高的电场强度和更好的电场分布均匀性，降低纺丝电压和空气击穿风险，降低能耗和过程成本，提高纳米纤维细度和均匀性，提高电纺膜结构均匀性和产量；多叶片环状静电纺丝技术，纳米纤维产率可提高3～6倍，可提高电场强度，降低临界纺丝电压，不仅节省电能、降低成本，还降低了事故的发生率。

驱动力，竞争力，创新力，都是静电纺丝探索的源动力。刘延波教授的每一次研发，都直指静电纺丝技术的核心，自从发现线性排列的多针头静电纺丝过程中存在边缘效应现象后，刘延波教授便提出了基于二次抛物线的曲面纺丝头结构，可矫正和补偿线性多针头电纺过程中场强分布不匀的问题。此外，她还发现，组合使用相邻纺丝孔分别朝向不同方向喷丝的微孔交错静电纺丝技术，可避免相邻纺丝射流之间的库仑斥力干扰，从而极大的提高了纺丝射流密度和电纺纳米纤维产率。

创造静电纺丝的未来

创新性、价值性，可行性、效益性，是科学发展必然遵循的一些原则，静电纺丝的探索同样如此。刘延波以多年静电纺丝过程原理研究和试验研究为基础，对现有静电纺丝技术进行了重新分类，将其分为毛细式静电纺丝技术（包括针头式、微孔式和喷嘴式静电纺）和非毛细式静电纺丝技术（包括各类无针头式静电纺），并指出未来静电纺丝技术的发展方向应该是毛细式和非毛细式电纺机理的组合，即取两者之优点，去两者之缺点，以强强联合的方式，打造静电纺丝的未来。

在刘延波的目标中，未来的技术应该是这样的——实现基于电流体自发射、封闭式可控喂液、高效高产，并可连续、安全、稳定地制备结构均匀纳米纤维和电纺膜的新型静电纺丝技术。她将这种技术称为“闪电纺”技术。

有了目标，就有了前行的方向。刘延波带领团队通过基于流场稳定铺展的流体力学原理初步建立闪电纺纺丝喷嘴模型，再通过电场 - 流场 - 电场分步耦合模拟、电场强度增益和分布均匀性改善，最终获得了最佳喷嘴结构模型。

试验结果表明：闪电纺技术具有可控连续喂液、过程稳定、低电压、低能耗、高安全性以及优质高产特点；所纺纳米纤维（14% PAN 为例）平均直径 358 nm，CV=11.2%；直径 10 mm 的闪电纺单喷嘴的 PAN 纳米纤维产率为42 g/h，是传统单针头产量的 897 倍（干重）。

由此可见，闪电纺纳米纤维制备技术突破静电纺丝产能瓶颈，引领了静电纺丝的未来技术，为实现静电纺丝的工业化和商业化，奠定了坚实的技术基础。

在未知的世界探索，不动摇、不含糊、不偏离，不懈怠，是科研工作者成绩斐然的思想基础。毫无疑问，刘延波，就是这样一位坚定的探索者。

多年来，她，不仅主持或参与国家自然科学基金项目 5 项、省部级项目 5 项，主持横向项目 20 余项，发表论文 100 余篇，获授权PCT 国际发明专利 1 件，中国发明专利 16 件，还曾获天津市科技进步奖一等奖、 二等奖，江苏省科学技术奖三等奖，中国纺织工业联合会科学技术进步奖一等奖，以及英国皇家化学学会（RSC） “Llectropsinning Book”奖等多项荣誉。

然而，面对成绩和荣誉，刘延波始终保持平常心。她深知：作为一名新时代的奋斗者，要同时间赛跑，同时代并进，无论何时，都要将创新和奋斗，视为摇篮和起点，唯有如此，才能不忘初心，方得始终。

心怀希望，目有星辰。未来，刘延波将继续追风赶月，砥砺前行；继续运用所学，所悟，助力中国电纺纳米纤维产品技术的发展。

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