纳米纤维高通量制备方法规模化生产竞争优势明显

为实现先进纳米纤维材料的工业化应用，发展高通量、高效率、低成本、连续稳定的纳米纤维宏量制备方法具有重要的价值和意义。近日，清华大学材料学院副教授伍晖课题组与航天航空学院副教授赵立豪课题组合作开发了一种全新结合卡门涡街原理的无针头溶液气纺丝技术，提出利用卷对卷装置连续输送纺丝溶液进行气纺丝制备纳米纤维，成功实现了纳米纤维的高通量制备，为纳米纤维的规模化生产提供了新思路和新机遇。

卡门涡街现象，即一种流体流过圆柱体产生的不寻常的交替涡流，这种现象可以在流体运动的各种尺度上找到。该纳米纤维制备方法将卡门涡流驱动的气-液流相互作用应用于超细纤维的牵伸和成型。具体来看，研究人员采用全新设计的卷对卷系统来实现无针溶液传输以制造纳米纤维，纺丝溶液被连续运动的闭环尼龙线从储液槽中携带出后，在高速气流的驱动下，形成泰勒锥并高速喷射，通过快速拉伸和摆动形成纳米纤维。该技术精确设计了空气射流与卡门涡街相结合的气流结构。通过流体理论和计算流体动力学模拟的研究发现，穿过尼龙线的高速气流在尼龙线的背风侧产生强烈的剪切应力和卡门涡流。强剪切应力促进了泰勒锥的形成和溶液射流的细化，而卡门涡旋扰乱了流场并加速了气流从层流到湍流的转捩，促进了溶液射流的挥发。两者的共同作用，极大促进了纳米纤维的高通量生产。

此外，该技术还具有普适性，可制备高分子、碳、陶瓷、复合纤维等纤维材料。相比于传统的纳米纤维制造技术，该方法具有更高的制造效率，并且可以由单根线进一步拓展到多根线以及不锈钢网，从而进一步提高纤维的制造效率，使得该技术在纳米纤维规模化生产方面具有竞争优势。