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濕法紡絲技術(shù)小眾,但是不可替代?。?/h1>

更新更新時(shí)間:2025-02-06

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濕法紡絲機(jī)

濕法紡絲技術(shù)小眾,但是不可替代??!


突然意識(shí)到要寫(xiě)一篇這樣的推文,其實(shí)動(dòng)機(jī)是源于我們的一個(gè)客戶。他在咨詢紡絲設(shè)備時(shí),問(wèn)了我這樣一個(gè)問(wèn)題:“他說(shuō)濕法紡絲是不是一個(gè)已經(jīng)過(guò)時(shí)的纖維制備方法了?"。聽(tīng)到他的詢問(wèn),我一開(kāi)始感覺(jué)其實(shí)是很驚訝的!作為一個(gè)專業(yè)從事濕法紡絲近十年的一個(gè)科研工作者,自己熱愛(ài)并追逐的科研領(lǐng)域難道是一個(gè)已經(jīng)過(guò)時(shí)的了嗎?答案肯定是否定的!那么客戶為何出此一問(wèn)呢?我想客戶的這個(gè)想法應(yīng)該也是許多非專業(yè)領(lǐng)域人士共同的疑問(wèn)。所以,作為一個(gè)專業(yè)攻關(guān)科研用濕法紡絲設(shè)備研發(fā)的團(tuán)隊(duì),我想我們有必要而且也有義務(wù)和廣大科技愛(ài)好者朋友們科普一下,幫助大家走出誤區(qū)、正確認(rèn)識(shí)濕法紡絲技術(shù)、了解濕法紡絲技術(shù)、并很好地運(yùn)用濕法紡絲技術(shù)。



濕法紡絲技術(shù)小眾,但是不可替代??!


講這個(gè)問(wèn)題之前,要先帶大家了解一下化學(xué)纖維的制備方法。在工業(yè)生產(chǎn)中,化學(xué)纖維的制備方法主要有兩種,一種是熔體紡絲也稱熔融紡絲,另一種是溶液紡絲。根據(jù)紡絲原料的紡絲形式熔體紡絲又分為熔體直紡切片紡兩種制備方法。所謂的熔體直紡是將聚合反應(yīng)得到的聚合物熔體直接輸送到紡絲組件進(jìn)行紡絲的一種纖維成形技術(shù),而切片紡絲是將聚合后的聚合物熔體先擠出造粒、然后再熔融紡絲。兩種熔融紡絲方法各有千秋,工業(yè)生產(chǎn)中都經(jīng)常采用,如聚酯纖維(滌綸)的熔體直紡和聚酰胺纖維(錦綸)的切片紡等。溶液紡絲根據(jù)纖維的成形原理可分為相分離法凍膠法液晶法。在實(shí)際生產(chǎn)中,絕大多數(shù)的濕法紡絲是通過(guò)相分離法實(shí)施的,如再生纖維素纖維、殼聚糖纖維、蛋白纖維、其他纖維等。隨著紡絲技術(shù)的發(fā)展,近些年又出現(xiàn)了靜電紡絲、離心紡絲、負(fù)壓紡絲、微流體紡絲以及瞬時(shí)釋壓紡絲技術(shù)等,這些紡絲技術(shù)也都屬于溶液紡絲范疇。為了方便大家理解,小編將工業(yè)常用的紡絲方法分類進(jìn)行整理如圖所示。

相信在了解完纖維成形方法之后大家都清楚了,其實(shí)濕法紡絲是屬于溶液紡絲中的一種,因?yàn)闈穹徑z在溶液紡絲技術(shù)中應(yīng)用較多,故而大家往往認(rèn)為溶液紡絲與濕法紡絲的概念等同,經(jīng)常用濕法紡絲的概念代替溶液紡絲概念,其實(shí)是錯(cuò)誤的,實(shí)際上二者是包含與被包含關(guān)系。


濕法紡絲技術(shù)小眾,但是不可替代!!

濕法紡絲工藝流程圖


我國(guó)是世界上的化纖生產(chǎn)大國(guó),2020年全國(guó)化纖總產(chǎn)量6025.12萬(wàn)噸,占世界化纖產(chǎn)量的70%以上。化學(xué)纖維種類包括了滌綸、錦綸、腈綸、丙綸、維綸、氯綸、氨綸以及再生纖維素纖維、碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維等。在眾多的纖維品種中以滌綸的產(chǎn)量最多為4922.75萬(wàn)噸,占2020年我國(guó)化纖總產(chǎn)量的81.70%,滌綸纖維的主要加工方式是熔融紡絲。如果從纖維產(chǎn)量和生產(chǎn)應(yīng)用上看,的確熔融紡絲技術(shù)是應(yīng)用廣泛、最多的紡絲方法。相比而言,濕法紡絲生產(chǎn)的化纖品種產(chǎn)能較少,但是,這不表明濕法紡絲技術(shù)就是一種已經(jīng)過(guò)時(shí)的紡絲成形技術(shù),這主要從以下幾個(gè)事實(shí)及數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。


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(1)溶液紡絲技術(shù)的應(yīng)用是某些高分子的結(jié)構(gòu)特性決定的

大家都知道,對(duì)于線性的熱塑性高分子材料都存在明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變和熔融轉(zhuǎn)變,這就是說(shuō)這類聚合物存在著熔點(diǎn),可以通過(guò)升溫加熱的方式將其熔化進(jìn)而利用熔融紡絲技術(shù)制備纖維材料。但是對(duì)于具有剛性結(jié)構(gòu)的聚合物分子,如聚丙烯腈、纖維素等。這類聚合物材料分子結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)極性和剛性,分子間相互作用較強(qiáng),這種分子結(jié)構(gòu)特性決定了這類聚合物的熔點(diǎn)顯著高于其分解溫度。也就是說(shuō),如果對(duì)這類聚合物材料進(jìn)行加熱時(shí),溫度還未達(dá)到其熔點(diǎn),材料就已經(jīng)發(fā)生了降解,因此這類聚合物材料無(wú)法通過(guò)熔融紡絲技術(shù)加工,只能通過(guò)溶液紡絲技術(shù)加工。也正是因?yàn)檫@種分子鏈的剛性結(jié)構(gòu)使材料內(nèi)部的分子間相互作用力較強(qiáng),所制備的纖維材料性能優(yōu)異。所以說(shuō),采用溶液紡絲技術(shù)加工是某些聚合物分子結(jié)構(gòu)特性決定的。


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纖維素分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)


(2) 溶液紡絲技術(shù)所制備高性能纖維是國(guó)防等應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用較多的材料

碳纖維是現(xiàn)代宇航工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ),具有不可替代性。由碳纖維制備的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂(CFRP)具有優(yōu)異的綜合性能,在空間平臺(tái)和運(yùn)載火箭,航空器,艦船,軌道交通車(chē)輛,汽車(chē),卡車(chē),風(fēng)電葉片,電池,電力電纜等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。制備碳纖維的聚丙烯腈原絲就是采用濕法紡絲技術(shù)生產(chǎn)。由濕法凍膠紡絲技術(shù)生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維是特殊衣服的核心材料。濕法紡絲技術(shù)制備的粘膠基碳纖維是火箭、航天器等的關(guān)鍵戰(zhàn)略性材料,濕法紡絲制備的聚酰亞胺纖維是一種新型高性能纖維材料,具有阻燃、耐高低溫、耐腐蝕以及優(yōu)良的力學(xué)性能,其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始從特種防護(hù)、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域向民生領(lǐng)域延伸。

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濕法紡絲制備的聚合物纖維在航天等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用

(3) 濕法紡絲設(shè)備操作簡(jiǎn)單、紡絲條件溫和是纖維科研應(yīng)用最多的研究方法

在Web Of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中以wet spinning(濕法紡絲)為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索,可檢索到17981條相關(guān)文獻(xiàn)記錄。其涉獵領(lǐng)域包括材料科學(xué)、化學(xué)、高分子科學(xué)、工程、物理、電化學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域


濕法紡絲技術(shù)小眾,但是不可替代!!

Web Of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)以 wet spinning(濕法紡絲)為關(guān)鍵詞的文獻(xiàn)檢索情況


復(fù)旦大學(xué)彭慧勝、王兵杰等人采用濕法紡絲技術(shù)一步生產(chǎn)連續(xù)的纖維電池。所采用的三通道工業(yè)噴絲頭可以同時(shí)擠出、并結(jié)合纖維電池的電極和電解液,生產(chǎn)速度得到遠(yuǎn)遠(yuǎn)提高。功能部件間的層流保證了擠壓過(guò)程中其界面的無(wú)縫銜接。研究發(fā)現(xiàn),每一個(gè)噴絲器單元可以生產(chǎn)1500公里長(zhǎng)的連續(xù)纖維電池,比之前報(bào)道的纖維長(zhǎng)了三個(gè)數(shù)量級(jí)。所制備的纖維電池用于智能帳篷(面積約10平方米),電池的能量密度可達(dá)550 mWh每平方米。


濕法紡絲技術(shù)小眾,但是不可替代??!


濕法紡絲技術(shù)制備纖維狀電池[2]


近年來(lái)發(fā)展的石墨烯纖維、碳納米管纖維、MXene纖維等新型無(wú)機(jī)纖維都是采用濕法紡絲技術(shù)生產(chǎn)。綜上所述,相信大家已經(jīng)了解并熟悉了濕法紡絲制備化學(xué)纖維這一生產(chǎn)技術(shù)。與熔融紡絲相比,濕法紡絲技術(shù)確屬小眾,但是是一種不能被替代的纖維成形技術(shù),在未來(lái)的纖維材料發(fā)展過(guò)程中必定會(huì)蓬勃發(fā)展,展現(xiàn)出它特別的魅力。


濕法紡絲技術(shù)小眾,但是不可替代??!



參考資料:

[1] 部分圖片搜索于網(wǎng)絡(luò)

[2] Industrial scale production of fibre batteries by a solution-extrusion method[J]. Nature Nanotechnology.



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