徐淮中　　陳歡歡　　李祥龍　　劉　晨　　楊　斌

浙江理工大學材料與紡織學院， 浙江 杭州 310018

?

離心紡：一種高效制備微/納米纖維的紡絲方法(一)

徐淮中陳歡歡李祥龍劉晨楊斌

浙江理工大學材料與紡織學院， 浙江 杭州 310018

摘要：介紹離心紡纖維的成形機制，分析可通過調控紡絲參數(shù)(即紡絲液性質、工藝參數(shù)、環(huán)境條件)誘導優(yōu)質微/納米纖維的成形，并以自制的離心紡絲裝置為研究平臺，從紡絲類型、紡絲參數(shù)、射流成形機制三方面對離心紡技術進行梳理，旨在使國內同行更好地了解離心紡技術的特點及其發(fā)展趨勢，推動離心紡技術的發(fā)展。

關鍵詞：離心紡，微/納米纖維，紡絲參數(shù)，射流成形

生產納米纖維常用的紡絲方法有熔噴法、模板法、相分離法、雙組分法、自組裝法及靜電紡絲法等。其中，靜電紡絲法具有可紡纖維種類豐富、產品質量穩(wěn)定、裝置組裝簡單等優(yōu)勢，已被廣泛應用于生產有機及無機納米纖維。然而，高壓靜電(>10 kV)、紡絲液極性要求、溶劑毒性和生產效率低下等都不利于靜電紡纖維的應用與推廣[1]473,[2]677,[3],[4]12。雖然無噴嘴靜電紡技術極大地提高了紡絲效率，但與常規(guī)化纖紡絲相比仍有較大的差距。近幾年，離心紡正逐漸發(fā)展成一種制備納米纖維的新技術，其具有產量高、能耗低、污染小、對紡絲液極性無要求等優(yōu)勢，可有效彌補靜電紡技術的先天不足[2]677,[4]12,[5-7],[8]429-435,[9]。當前，可利用離心紡技術生產的高聚物包括尼龍6(PA6)[10]、聚丙烯腈(PAN)[11]、聚己內酯(PCL)[1]473、聚偏二氟乙烯(PVDF)[12]、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[13]、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)[14]、聚丙烯(PP)[15-16]、聚乳酸(PLA)[17]等；可生產的無機物包括摻錫氧化銦(ITO)[18]、二氧化鈦(TiO2)[19]、二氧化硅(SiO2)[20]、二氧化鋯(ZrO2)[21]、鈦酸鋇(BaTiO3)[22]、氧化鋁(Al2O3)[23]等。鑒于靜電紡技術的發(fā)展，離心紡技術將在納米增強材料[24-26]、細胞培養(yǎng)[27-29],[30]2257-2261、藥物運輸[31]、柔性儲能材料[32]、醫(yī)用衛(wèi)生、電池隔膜等領域中扮演重要角色。

離心紡技術與棉花糖機頗有淵源，它們有著共同的紡絲機理。棉花糖的制備過程如圖1所示：制作前先將糖加入儲料槽中加熱熔融，之后熔融態(tài)糖在離心力的作用下從噴嘴中甩出，射流經拉伸、冷卻、卷繞后形成棉花糖。糖屬天然高聚物，其相對分子質量較低、相對分子質量分布較寬，故棉花糖纖維較粗(>100 μm)。本課題組就曾利用棉花糖機對聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)進行了試紡，并獲得了直徑為數(shù)十微米的PET纖維。

(a) 加料　(b) 棉花糖卷繞

19世紀60年代，美國一紡絲企業(yè)就已開始利用離心紡技術生產玻璃纖維[2]684。該玻璃纖維的成形機理與棉花糖相似，但纖維的收集過程較為復雜，其在離心力及高速氣流對熔融態(tài)玻璃進行牽伸的同時，向射流噴灑黏合劑，最終獲得了纖維直徑為數(shù)十微米、纖維長度為數(shù)厘米的玻璃纖維非織造布，且成網(wǎng)烘干后具有一定強力。1970年，Chen和Miller曾利用改進后的離心機制備出合金纖維[33]，其熔融射流高速撞擊帶有凸形內表面的環(huán)形罩，纖維固化后便立即從環(huán)形罩坡面滑落，這有利于纖維與環(huán)形罩之間的熱傳遞，從而提高了合金纖維的力學性能。

盡管離心紡技術曾用于制備玻璃纖維與合金纖維，但其用于制備高聚物纖維，尤其是納米纖維(直徑<500 nm)，尚處于起步階段。1991年，專利US5075063描述了一種可進行熔融或溶液紡絲的離心機[34]；1995年，專利US5460498在上述裝置結構的基礎上，通過引入高速氣流對射流做進一步牽伸[35]；1996年，專利US5494616設計了一系列不同結構的紡絲模頭[36]。這些都在一定程度上提高了纖維的品質。2005年，日本帝人特威隆(Teijin Twaron)公司率先使用濕法離心紡技術生產了纖維素纖維[8]429-435。2008年，Weitz等[37]1187-1197利用旋涂儀意外獲得了直徑低至25 nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纖維。此后，離心紡作為一種制備納米纖維的新技術,得到了相關科研機構的廣泛關注。

據(jù)統(tǒng)計，2008—2014年有關離心紡的研究論文共計52篇，發(fā)文量隨時間呈指數(shù)式增長(圖2)。因此可以預見，離心紡技術將吸引更多的科研團隊，且相關的論文數(shù)量也將進一步增長。從論文發(fā)表所屬國家來看(圖3)，美國發(fā)文量占一半以上，主要有德州大學泛美分校Lozano研究組、北卡羅來納州立大學張向武研究組和紐約Ren研究組。FibeRio公司還利用專利US2009/0280325A1制造了產業(yè)用幅寬1.1 m的Cyclone Fiber Engine與實驗用Cyclone L-1000M/D 的離心紡設備，并注冊“Forcespinning”為商標[38]。中國發(fā)文量僅次于美國，主要科研團隊有浙江理工大學楊斌課題組、臺灣國立成功大學Chen Chuh-yung研究組、南京大學Liu Heyi研究組及青島大學Liu Shuliang研究組。此外，伊朗伊斯法罕科技大學Hosseini Ravandi研究組與印度安娜大學Mary研究組也在從事與離心紡技術相關的科研工作。

圖2　2008—2014年離心紡論文數(shù)量分布

圖3　2008—2014年各國發(fā)表關于離心紡論文的情況

1離心紡類型

結合本課題組已有的研究成果及相關的文獻報道，本文將離心紡劃分為有噴嘴離心紡、無噴嘴離心紡和離心-靜電紡等三大類。如不加特殊說明，離心紡即指有噴嘴離心紡。

1.1有噴嘴離心紡

噴絲器與纖維收集器是離心紡裝置中決定纖維

品質的關鍵部件。Lozano和Sarkar曾在專利EP2257660中詳細介紹了不同結構的離心紡噴絲器(圖4)，分別為狹縫式噴絲器、篩網(wǎng)式噴絲器、三板復合式噴絲器及針管式噴絲器[38]。

狹縫式噴絲器中，紡絲底盤與紡絲蓋之間留有狹縫，且狹縫尺寸可按紡絲要求進行調節(jié)。篩網(wǎng)式噴絲器以篩網(wǎng)作為噴嘴，這極大地增加了噴嘴的數(shù)量。這兩種噴絲器常用于棉花糖機，其特點是產量高，但射流軌跡難以控制，易導致纖維粗細不勻、纖網(wǎng)結構層次不清。

三板復合式噴絲器由Lozano課題組和FibeRio公司合作設計并制作而成。上托板與下托板用于固定中層基板，而中層基板又由儲料槽、導流槽、噴絲孔構成。這種結構可有效減弱噴絲器附近空氣的紊流程度，減少因溶劑揮發(fā)過快造成噴嘴堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4　不同離心紡噴絲器結構

針管式噴絲器結構簡單，安裝、清洗方便，噴嘴尺寸和角度可根據(jù)紡絲液性質進行調節(jié)，適用于試驗研究。間歇式和連續(xù)式是常用的兩種纖維收集方式。間歇式收集器一般為環(huán)形罩或收集棒，或兩者的組合(圖5[38])。高速旋轉的噴絲器會形成向下氣流，若采用收集棒，氣流則從相鄰收集棒狹縫間逸散，纖維集結于收集棒中下部；而密閉的環(huán)形罩會形成向上氣流，纖維集結于環(huán)形罩中上部。間歇式收集方式簡易，但不同批次的產品質量差異較大，不同部位收集得到的纖維形貌也不同，如沿噴絲器徑向收集得到的纖維含珠粒較多。連續(xù)式纖維收集系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)化生產，如熔融或干法紡絲用的輸網(wǎng)簾，以及濕法紡絲用的凝固浴等(圖6[2]688)。輸網(wǎng)簾一般配合抽吸風或側吹風使用，這有利于分散纖維和提高纖網(wǎng)強力。不同紡絲液射流軌跡差異較大，應根據(jù)射流實際運行軌跡選擇合理的收集方式，詳見本文3.1節(jié)。

圖5　間歇式離心紡纖維收集器

圖6　連續(xù)式離心紡纖維收集系統(tǒng)

除了噴絲器結構和纖維收集方式外，儲料和供料的形式同樣對紡絲過程有影響。本課題組曾利用3D打印機制作了一系列以ABS塑料為基材的儲料槽，筒形和梭形是常用的兩種結構(圖7)。選用25 G(即內徑為0.26 mm)的針頭，利用鎖緊閥將針頭與儲料槽固定在一起，并注入2~4 mL的紡絲液；紡絲時，紡絲液在離心力的作用下，通過流線形的紡絲甬道離開噴絲器。該儲料槽結構的噴絲器加工制作簡易，適用于試驗室，缺點是紡絲后期噴嘴易堵塞。

間歇式供料會因紡絲液的減少而導致儲料槽側壁受到的擠壓力減小，進而作用于射流的合力逐漸減小，這不利于穩(wěn)定紡絲。試驗采用半連續(xù)式供料系統(tǒng)(圖8)，即用針管向儲料槽內連續(xù)注入紡絲液，紡絲時可控制紡絲液輸出量與輸入量的平衡[30]6。目前，本課題組在設計一種適用于試驗用的熔融離心紡連續(xù)供料系統(tǒng)，而補償快速逸散的熱量及實現(xiàn)各紡絲段的精確控溫是該技術的難點。

(a) 筒形

(b) 梭形

圖8　溶液離心紡半連續(xù)供料系統(tǒng)

本課題組還曾利用自制的離心紡裝置對水溶性高聚物，如聚環(huán)氧乙烷(PEO)和PVP等，進行了加工。所得PVP纖維平均直徑為441 nm。從PVP離心紡纖維的整體形貌(圖9)來看，纖網(wǎng)疏松并伴有分層現(xiàn)象。若采用熱軋等后處理方式加固纖網(wǎng)，可獲得具有一定強力的非織造材料。

(a) 紡絲時

(b) 掃描電鏡圖

圖9離心紡制備的PVP纖維[重均相對分子質量(MW)

為1 300 000，PVP水溶液質量分數(shù)為20%]

1.2無噴嘴離心紡

相較于有噴嘴離心紡，無噴嘴離心紡摒棄了噴嘴，纖維產量進一步提高。

Weitz等[37]1187在進行旋轉涂覆試驗時意外獲得了直徑低至25 nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纖維，其成形過程如圖10所示：Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定，誘導液膜分裂形成“手指”，接著“手指”前端飛離盤面并隨即牽拉出大量纖維。

(a) 旋涂過程

(b)“手指”現(xiàn)象

本課題組基于此，設計了帶導流器的無噴嘴離心紡裝置(圖11)。利用導流器控制鋪展于盤面的液膜厚度及流量，誘導液膜均勻分裂形成“手指”。試驗發(fā)現(xiàn)，槽形噴絲器所得纖維的可紡性優(yōu)于碟形噴絲器，這是因為槽側壁可緩存紡絲液，易形成更薄的液膜及更細的“手指”。

(a) 碟形噴絲器

(b) 槽形噴絲器

圖12[39]82為利用槽形噴絲器制備的PET和PVP纖維：熔融離心紡制備的PET纖維直徑為(2.0±0.8) μm，溶液離心紡制備的PVP纖維直徑為(400±100)nm。顯然，槽形噴絲器無噴嘴離心紡極大地減小了纖維線密度，更適合于高黏度溶液的紡絲，但液膜揮發(fā)固化與穩(wěn)定供料等問題也亟待解決。

(a) PET纖維

(b) PVP纖維

1.3離心-靜電紡

離心紡相比靜電紡最大的優(yōu)勢是產量高，但所得纖維的形貌及其直徑分布略遜于靜電紡纖維。而離心-靜電紡將離心紡與靜電紡的技術優(yōu)勢相結合，提高纖維產量的同時還有效解決了串珠、并絲等問題，其裝置結構如圖13所示。轉軸與輸網(wǎng)簾分別連接正、負電極，這使得噴絲器與輸網(wǎng)簾之間形成高壓電場，射流同時受離心力和靜電力的拉伸作用。

圖13　離心-靜電紡裝置

Wang等較早研究了離心-靜電紡射流成形機理及纖維內部大分子鏈的聚集態(tài)結構，如文獻[40]指出，在離心與靜電場環(huán)境下，射流彎曲不穩(wěn)定現(xiàn)象消失，這促進了大分子鏈的取向，進而提高了纖維的強力；文獻[41]介紹了利用離心-靜電紡技術制備的部分結晶雙酚A聚碳酸酯(BPAPC)纖維，指出BPAPC纖維在四氫呋喃(THF)體系中得到的結晶度較高；文獻[42]探討了特征數(shù)、特征群與射流曲率半徑、射流長度、泰勒錐形貌的關系，并結合試驗證實了在靜電場中引入適當?shù)碾x心力可增強纖維的力學性能。Hosseinii研究組[43]就離心-靜電紡技術的紡絲參數(shù)與纖維形貌之間的關系進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)電場力的誘導可提高離心紡纖維的取向排列程度。本課題組陳歡歡曾利用自制的離心-靜電紡裝置試制了PVP纖維，發(fā)現(xiàn)所得纖網(wǎng)整體形貌均勻、致密，纖維無串珠、無并絲，且取向度較高(圖14)。

綜上所述，無噴嘴離心紡及離心-靜電紡是基于傳統(tǒng)離心紡衍生出的兩種紡絲方法。

不同紡絲方法各具特色：有噴嘴離心紡纖維均勻度較好，纖網(wǎng)蓬松；無噴嘴離心紡生產效率高，但纖維均勻度有待提高；離心-靜電紡纖維形貌最佳，纖網(wǎng)致密。因此，應根據(jù)紡絲原材料及纖網(wǎng)品質要求(如孔隙率、強力、取向度、纖維直徑及其分布等)，選擇合理的離心紡類型。

(a) 纖網(wǎng)

(b) 纖維掃描電鏡照片

圖14離心-靜電紡制備的PVP纖維(PVP溶液質量分數(shù)為20%，靜電壓為4 kV，收集距離為15 cm)

2紡絲參數(shù)對纖維形貌的影響

離心紡纖維形貌與紡絲液性質、操作條件等密切相關，本文就其中一些重要的參數(shù)加以闡述。

2.1紡絲液性質

紡絲液的性質是影響離心紡纖維品質的關鍵因素，具體包括紡絲液的黏度、表面張力、質量分數(shù)、分子鏈結構、相對分子質量及其分布、溶劑揮發(fā)性、流變性等，其中紡絲液的黏度及表面張力對纖維形貌的影響最為關鍵，而其他因素的改變也會影響紡絲液的黏度和表面張力。

2.1.1黏度

紡絲液的黏度與分子鏈結構、相對分子質量、紡絲液質量分數(shù)、加工溫度等因素相關。改變紡絲液質量分數(shù)可快速改變其黏度。本課題組對不同質量分數(shù)的PVP(MW=1 300 000)溶液進行離心紡絲，根據(jù)大分子鏈纏結理論將質量分數(shù)劃分成4個區(qū)間：稀溶液區(qū)(溶液中的大分子鏈不發(fā)生纏結，僅形成液滴)，半稀溶液非纏結區(qū)(溶液中的大分子鏈發(fā)生部分纏結，液滴牽拉出短纖)，半稀溶液纏結區(qū)(溶液中的大分子鏈纏結程度較高，形成的纖維中伴有部分珠粒)，濃溶液區(qū)(溶液中的大分子鏈充分纏結，形成的纖維連續(xù)、均勻)。試驗發(fā)現(xiàn)，溶液質量分數(shù)未達到濃溶液區(qū)前，部分成形的纖維會立即被液滴打斷、融化，無法收集到纖維，僅當溶液質量分數(shù)達到濃溶液區(qū)時才能形成纖網(wǎng)，且纖維直徑隨溶液濃度增加而減小。目前，多數(shù)文獻[44-50]支持“靜電紡絲的溶液質量分數(shù)在半稀溶液纏結區(qū)即可形成纖維”的觀點，因此，若要制備形貌相近的纖維，離心紡溶液質量分數(shù)需高于靜電紡溶液質量分數(shù)。

2.1.2表面張力

紡絲液的表面張力與纖維珠粒結構密切相關。紡絲時表面張力、黏滯力與離心力共同影響射流成形。表面張力使得溶液表面能降低，促進液滴的形成；黏滯力是大分子鏈間摩擦作用的宏觀表現(xiàn)，促使射流保持連續(xù)而不斷裂；離心力是射流拉伸的關鍵作用力。當溶液濃度與轉速區(qū)間合適時，減小溶液表面張力有助于減少珠粒。因此，最直接、最有效的方法是更換溶劑。如制備PVP纖維時，水作為溶劑易形成珠粒，而利用無水乙醇/水作為溶劑可有效減少珠粒，因為PVP溶液表面張力隨著乙醇質量分數(shù)的增加而減小。

2.2操作條件

除紡絲液性質外，紡絲操作條件如噴絲器轉速、噴嘴直徑、纖維收集距離等對離心紡纖維的形貌也會產生重要影響。

2.2.1噴絲器轉速

離心紡最本質的特征是通過離心力拉伸射流形成納米纖維。噴嘴出口處射流所受的離心力(Fc)：

Fc=mRΩ2

(1)

式中：m——紡絲液質量；

R——噴絲器半徑；

Ω——噴絲器轉速。

紡絲液在噴嘴內需克服流體與管壁間產生的摩擦力、高聚物黏彈力及表面張力；射流離開噴絲器后，摩擦力消失，射流受表面張力的作用增強。表1[39]83顯示：當轉速低于臨界轉速時，流體滯留于噴絲器內；當轉速達到臨界轉速后，射流從噴嘴內擠出并被牽伸，纖維直徑隨轉速增加呈先減小后增大的趨勢。因此可以認為：在合理的轉速范圍內，離心力對射流的牽伸起主導作用，纖維直徑隨離心力增大而減少；轉速過大時，流量增加明顯，射流到達收集器的時間減少，最終導致射流牽伸倍數(shù)減小，纖維變粗。

表1　轉速與熔融離心紡PET纖維直徑的關系

2.2.2噴嘴直徑

噴嘴直徑直接決定射流的流量與纖維初始直徑。本課題組選用20~30 G(即內徑為0.16~0.60 mm)的針頭進行離心紡絲，發(fā)現(xiàn)細針頭更易獲得超細纖維，但針頭越細，噴絲器的臨界轉速越大。在這種情況下，若聚合物的相對分子質量和紡絲液黏度都較低，則過高的轉速易導致纖維拉斷；反之，若聚合物的相對分子質量及紡絲液黏度較高，則易導致噴嘴堵塞。因此，應根據(jù)紡絲液的性質選擇合適的噴嘴直徑。

2.2.3纖維收集距離

纖維收集距離指噴嘴與收集器之間的間距。射流的牽伸及固化行為與纖維收集距離密切相關。適當增加纖維收集距離將促進溶劑的充分揮發(fā)，有利于射流的進一步牽伸；但射流運行一定距離后，會因完全固化而停止牽伸，此時若繼續(xù)增大收集距離，纖維直徑及形貌變化不大，但纖網(wǎng)會變得蓬松而不易收集。大量試驗表明：增大噴絲器轉速，射流的螺旋軌跡會擴張，此時應適當增大纖維收集距離；增加紡絲液黏度，射流的固化點會內移，此時應適當減小纖維收集距離。

綜上所述，紡絲液的黏度和表面張力、噴絲器轉速、噴嘴直徑、纖維收集距離等對纖維形貌的作用，既相互獨立又相互影響。紡絲液黏度與噴嘴直徑越小、噴絲器轉速與纖維收集距離越大，所得纖維越細，但也容易形成珠粒?？赏ㄟ^更換溶劑來適當降低溶液表面張力，以有效減少珠粒。此外，應特別關注各參數(shù)的閾值，即影響纖維形貌的拐點，驗證該閾值是否在所研究的參數(shù)范圍內，切不可主觀臆斷。

(未完待續(xù))

參考文獻

[1] MCEACHIN Z, LOZANO K. Production and characterization of polycaprolactone nanofibers via ForcespinningTMtechnology[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2012, 126(2).

[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] SENTHILRAM T, MARY L A, VENUGOPAL J R, et al. Self crimped and aligned fibers[J]. Materials Today, 2011, 14(5): 226-229.

[4] SARKAR K, GOMEZ C, ZAMBRANO S, et al. Electrospinning to ForcespinningTM[J]. Materials Today, 2010, 13(11).

[5] TAGHAVI S M, LARSON R G. Regularized thin-fiber model for nanofiber formation by centrifugal spinning[J]. Physical Review E, 2014, 89(2):023011.

[6] PADRON S. 2D modeling of ForcespinningTMnanofiber formation with experimental study and validation[D]. Edinburg: University of Texas-Pan American Mechanical Engineering, 2012.

[7] MELLADO P, MCILWEE H A, BADROSSAMAY M R, et al. A simple model for nanofiber formation by rotary jet-spinning[J]. Applied Physics Letters, 2011, 99(20): 203107.

[8] KOLK E. Mathematical models for a rotor spinning process interim report[J]. Texas Center for Educational Research, 2005, 23(3).

[9] HLOD A. Curved jets of viscous fluid: Interactions with a moving wall[D]. Eindhoven: Eindhoven University of Technology, 2009.

[10] HAMMAMI M A, KRIFA M, HARZALLAH O. Centrifugal force spinning of PA6 nanofibers-processability and morphology of solution-spun fibers[J]. the Journal of the Textile Institute, 2014, 105(6): 637-647.

[11] LU Yao, LI Ying, ZHANG Shu, et al. Parameter study and characterization for polyacrylonitrile nanofibers fabricated via centrifugal spinning process[J]. European Polymer Journal, 2013, 49(12): 3834-3845.

[12] LEI Tingping, CAI Xiaomei, WANG Xiang, et al. Spectroscopic evidence for a high fraction of ferroelectric phase induced in electrospun polyvinylidene fluoride fibers[J]. RSC Advances, 2013, 47(3): 24952-24958.

[13] SEBE I, SZABO B, NAGY Z K, et al. Polymer structure and antimicrobial activity of polyvinylpyrrolidone-based iodine nanofibers prepared with high-speed rotary spinning technique[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2013, 458(1): 99-103.

[14] SHANMUGANATHAN K, FANG Y, CHOU D Y, et al. Solventless high throughput manufacturing of poly(butylene terephthalate) nanofibers[J]. ACS Macro Letters, 2012, 1(8): 960-964.

[15] ZANDER N E. Formation of melt and solution spun polycaprolactone fibers by centrifugal spinning[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2015, 32(2): 41261-41269.

[16] BHARATH R, HAIDY S, KAREN L. Fabrication of melt spun polypropylene nano-fibers by forcespinning[J]. Journal of Engineered Fibers and Fabrics, 2013, 8(1): 52-60.

[17] HUTTUNEN M, KELLOMAKI M. A simple and high production rate manufacturing method for submicron polymer fibres[J]. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 2011, 5(8): 239-243.

[18] ALTECOR A, MAO Y, LOZANO K. Large-scale synthesis of tin-doped indium oxide nanofibers using water as solvent[J]. Functional Materials Letters, 2012, 5(3):1500201-1500204

[19] LIU Heyi, ZHOU Xiangjun, CHEN Yan, et al. Titanium dioxide fibers prepared by sol-gel process and centrifugal spinning[J]. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2014, 71(1): 102-108.

[20] REN Liyun, OZISIK R, KOTHA S P. Rapid and efficient fabrication of multilevel structured silica micro-/nano-fibers by centrifugal jet spinning[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2014(1): 136-142.

[21] LIU Heyi, CHEN Yan, LIU Guishuang, et al. Preparation of high-quality zirconia fibers by super-high rotational centrifugal spinning of inorganic sol[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2013, 28(2): 133-138.

[22] REN Liyun, KOTHA S P. Centrifugal jet spinning for highly efficient and large-scale fabrication of barium titanate nanofibers[J]. Materials letters, 2014(2): 153-157.

[23] SEDAGHAT A, TAHERI-NASSAJ E, NAGHIZADEH R. An alumina mat with a nano microstructure prepared by centrifugal spinning method[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2006, 352(26/27): 2818-2828.

[24] WENG Baicheng, XU Fenghua, SALINAS A, et al. Mass production of carbon nanotube reinforced poly(methyl methacrylate) nonwoven nanofiber mats[J]. Carbon, 2014, 75(8): 217-226.

[25] O’HAIRE T, RIGOUT M, RUSSELL S, et al. Influence of nanotube dispersion and spinning conditions on nanofibre nanocomposites of polypropylene and multi-walled carbon nanotubes produced through ForcespinningTM[J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2013, 27(2): 205-214.

[26] BAICHENG W, FENGHUA X, LOZANO K. Mass production of carbon nanotube-reinforced polyacrylonitrile fine composite fibers[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2014, 131(11): 40302.

[27] WANG Li, SHI Jian, LIU Li, et al. Fabrication of polymer fiber scaffolds by centrifugal spinning for cell culture studies[J]. Microelectronic Engineering, 2011, 88(8): 1718-1721.

[28] LOORDHUSWAMY A M, KRISHNASWAMY V R, KORRAPATI P S, et al. Fabrication of highly aligned fibrous scaffolds for tissue regeneration by centrifugal spinning technology[J]. Materials Science and Engineering: C, 2014, 42(9): 799-807.

[29] REN Liyun, PANDIT V, ELKIN J, et al. Large-scale and highly efficient synthesis of micro- and nano-fibers with controlled fiber morphology by centrifugal jet spinning for tissue regeneration[J]. Nanoscale, 2013, 5(6): 2337-2345.

[30] BADROSSAMAY M R, MCILWEE H A, GOSS J A, et al. Nanofiber assembly by rotary jet-spinning[J]. Nano Letters, 2010, 10(6).

[31] AMALORPAVA MARY L. Centrifugal spun ultrafine fibrous web as a potential drug delivery vehicle[J]. Express Polymer Letters, 2013, 7(3): 238-248.

[32] ALTECOR A, LI Q, LOZANO K, et al. Mixed-valent VOx/polymer nanohybrid fibers for flexible energy storage materials[J]. Ceramics International, 2014, 40(3): 5073-5077.

[33] CHEN H S, MILLER C E. Centrifugal spinning of metallic glass filaments[J]. Materials Research Bulletin, 1976, 11(1): 49-54.

[34] LENK E. Spinning centrifuge: US5075063[P]. 1991-12-24.

[35] STEEL M L, NORTON-BERRY P. Centrifugal spinning: US5460498[P]. 1995-10-24.

[36] VOELKER H, ZETTLER H D, FATH W, et al. Production of fibers by centrifugal spinning: US5494616[P]. 1996-2-27.

[37] WEITZ R T, HARNAU L, RAUSCHENBACH S, et al. Polymer nanofibers via nozzle-free centrifugal spinning[J]. Nano Letters, 2008, 8(4).

[38] LOZANO K, SARKAR K. Methods and apparatuses for making superfine fibers: EP2257660[P]. 2009-03-16.

[39] CHEN Huanhuan, XU Huaizhong, SUN Jiaqi, et al. Effective method for high-throughput manufacturing of ultrafine fibres via needleless centrifugal spinning[J]. Micro & Nano Letters, 2015, 10(2).

[40] LIAO C C, HOU S S, WANG C C, et al. Electrospinning fabrication of partially crystalline bisphenol a polycarbonate nanofibers: The effects of molecular motion and conformation in solutions[J]. Polymer, 2010, 51(13): 2887-2896.

[41] LIAO C C, WANG C C, SHIH K C, et al. Electrospinning fabrication of partially crystalline bisphenol a polycarbonate nanofibers: Effects on conformation, crystallinity, and mechanical properties[J]. European Polymer Journal, 2011, 47(5): 911-924.

[42] CHANG Weimin, WANG C C, CHEN C Y. The combination of electrospinning and forcespinning: Effects on a viscoelastic jet and a single nanofiber[J]. Chemical Engineering Journal, 2014, 244(5): 540-551.

[43] DABIRIAN F, HOSSEINI R S A, PISHEVAR A R, et al. A comparative study of jet formation and nanofiber alignment in electrospinning and electrocentrifugal spinning systems[J]. Journal of Electrostatics, 2011, 69(6): 540-546.

[44] EDA G, SHIVKUMAR S. Bead-to-fiber transition in electrospun polystyrene[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2007, 106(1): 475-487.

[45] GUPTA P, ELKINS C, LONG T E, et al. Electrospinning of linear homopolymers of poly(methyl methacrylate): Exploring relationships between fiber formation, viscosity, molecular weight and concentration in a good solvent[J]. Polymer, 2005, 46(13): 4799-4810.

[46] HUANG C, CHEN S, LAI C, et al. Electrospun polymer nanofibres with small diameters[J]. Nanotechnology, 2006, 17(6): 1558-1563.

[47] HUNLEY M T, ENGLAND J P, LONG T E. Influence of counteranion on the thermal and solution behavior of poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)-based polyelectrolytes[J]. Macromolecules, 2010, 43(23): 9998-10005.

[48] MUNIR M M, SURYAMAS A B, ISKANDAR F, et al. Scaling law on particle-to-fiber formation during electrospinning[J]. Polymer, 2009, 50(20): 4935-4943.

[49] SHENOY S L, BATES W D, FRISCH H L, et al. Role of chain entanglements on fiber formation during electrospinning of polymer solutions: Good solvent, non-specific polymer-polymer interaction limit[J]. Polymer, 2005, 46(10): 3372-3384.

[50] TAO Jing, SHIVKUMAR S. Molecular weight dependent structural regimes during the electrospinning of PVA[J]. Materials Letters, 2007, 61(11/12): 2325-2328.

《產業(yè)用紡織品》廣告投放熱線021-62373227

Centrifugal spinning: A high-efficient approach to fabricate micro-/nano-fibers(Part 1)

XuHuaizhong,ChenHuanhuan,LiXianglong,LiuChen,YangBin

College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China

Abstract:Fiber formation mechanisms of centrifugal spinning were introduced, and superior micro-/nano-fibers which would be obtained through adjusting the spinning parameters, such as solution properties, processing parameters and environmental conditions, were analyzed. And based on the self-made centrifugal spinning set-up, the technology of centrifugal spinning was summarized from spinning types, spinning parameters, jet formation mechanisms, which would provide a better understanding for the characteristics and developing trends of centrifugal spinning technique, and promote its development.

Keywords:centrifugal spinning，micro-/nano-fiber，spinning parameter，jet formation

中圖分類號：TQ340.64

文獻標志碼:A

文章編號：1004-7093(2016)01-0025-09

作者簡介：徐淮中，男，1989年生,在讀碩士研究生，研究方向為離心紡纖維的成形機理通信作者：楊斌，E-mail: yangbin5959@zstu.edu.cn

收稿日期：2015-03-16