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  聚合物超細(xì)纖維紗線因具有高比表面積、超輕超細(xì)以及可編織等特性在高端功能服飾、能源環(huán)保和生物醫(yī)衛(wèi)等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。然而傳統(tǒng)超細(xì)纖維紗線制備技術(shù)存在生產(chǎn)效率低、紗線力學(xué)性能不足、有機溶劑的大量使用易引發(fā)環(huán)境污染與安全風(fēng)險等問題，極大限制了其規(guī)�；l(fā)展與功能化應(yīng)用。熔體靜電紡絲技術(shù)具有“零溶劑”帶來的綠色環(huán)保工藝流程、原料完全轉(zhuǎn)化成纖帶來的高纖維產(chǎn)率以及高粘熔體射流鞭動弱帶來的射流易取向控制等優(yōu)勢，有望成為超細(xì)纖維紗線綠色高效制備的重要途徑。然而該技術(shù)在射流可控取向與纖維集束成紗等環(huán)節(jié)仍存在機理認(rèn)知與技術(shù)方法的雙重缺失。需要圍繞熔體靜電紡超細(xì)纖維紗線的綠色高效制備技術(shù)及機理展開系統(tǒng)研究，通過技術(shù)創(chuàng)新與理論探索，構(gòu)建了從紗線成型到后處理增強的完整工藝體系，以期為超細(xì)纖維紗線的工業(yè)化發(fā)展提供理論與技術(shù)支撐。

  為解決上述關(guān)鍵問題，北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民/李好義課題組提出了“熔體靜電紡原位成紗”技術(shù)，如圖1所示。該技術(shù)成功制備了聚酯（PET）、聚丙烯（PP）和聚己內(nèi)酯（PCL）等多種熱塑性聚合物超細(xì)纖維紗線，驗證了其廣泛的材料適應(yīng)性。

圖1. 熔體微分靜電紡原位成紗技術(shù)及超細(xì)纖維紗線照片

  熔體靜電紡原位成紗過程高速攝像及纖維加捻成紗機理如圖2所示，通過高速攝像分析與物理場仿真發(fā)現(xiàn)，在氣流場驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)氣流區(qū)域的纖維會與引導(dǎo)絲纏結(jié)，而引導(dǎo)絲被擠壓到管壁并沿管壁旋轉(zhuǎn)，從而與管內(nèi)壁發(fā)生摩擦，進(jìn)而驅(qū)動自身及纏結(jié)纖維繞軸線旋轉(zhuǎn)形成加捻。與此同時，已形成的加捻紗線可作為新的引導(dǎo)絲，持續(xù)誘導(dǎo)后續(xù)纖維進(jìn)行纏結(jié)與自轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)熔體靜電紡紗的連續(xù)成型。

圖2. 熔體靜電紡原位成紗過程高速攝像及纖維加捻成紗機理示意圖

  在聚乳酸（PLA）體系中，團(tuán)隊系統(tǒng)研究了紡絲電壓和收集速度對紗線形貌、直徑、結(jié)晶度及力學(xué)性能的影響。如圖3所示，適當(dāng)提高電壓有助于提升紗線結(jié)晶度和細(xì)度，并增強斷裂強度；而更高的收集速度則進(jìn)一步優(yōu)化纖維取向、細(xì)化紗線并增強力學(xué)性能。實驗表明，當(dāng)電壓為46 kV、收集速度為20 m/min時，PLA紗線的斷裂強度達(dá)39.4 MPa，優(yōu)于傳統(tǒng)溶液靜電紡PLA紗線（7.67–33.3 MPa）。

圖3. 聚乳酸基超細(xì)纖維紗線形貌及纖維細(xì)度調(diào)控工藝

  此外，基于熔體靜電紡PLA紗線開發(fā)的織物在應(yīng)變傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢（見圖4）。紗線織物因其高比表面積而質(zhì)感柔軟，且具備優(yōu)異的疏水性（初始水接觸角達(dá)120.1°，優(yōu)于傳統(tǒng)PLA織物的110.2°）。與聚酰亞胺薄膜復(fù)合后，該織物表現(xiàn)出良好的發(fā)電性能（開路電壓7.4 V，短路電流0.31 μA，最大輸出功率3.97 μW），可驅(qū)動LED燈，顯示出在柔性傳感與自供能可穿戴設(shè)備中的潛力。

圖4. 聚乳酸基超細(xì)纖維紗線織物在應(yīng)變傳感領(lǐng)域的應(yīng)用探索

  在生物醫(yī)用領(lǐng)域，團(tuán)隊還開發(fā)了綠色安全的抗菌PLA電紡縫合線制備方法（圖5）。該方法結(jié)合改良熔體電紡、熱拉伸與等離子體接枝殼聚糖等工藝，顯著提升縫合線性能。研究表明，在80℃、1.6倍拉伸比條件下制得的紗線，斷裂強度高達(dá)183.03 MPa，紗線和纖維直徑分別為118.76 μm和1.72 μm，滿足YY-1116-2020標(biāo)準(zhǔn)。接枝殼聚糖后，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率分別達(dá)99.89%和99.1%，生物相容性優(yōu)異（細(xì)胞存活率97.33%，溶血率2.35%），為高性能可吸收抗菌縫合線提供了可行路徑。

圖5. 聚乳酸基超細(xì)纖維紗線在手術(shù)縫合線領(lǐng)域的應(yīng)用探索

作者簡介：

  王宇航，北京化工大學(xué)2022級博士生，研究方向為超細(xì)纖維紗線的綠色高效制備與應(yīng)用。獲授權(quán)發(fā)明專利20項，發(fā)表中英文論文8篇，參與出版專著一本。

  李好義，北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院副教授，機械系副主任，中國化纖協(xié)會優(yōu)秀青年教師，《紡織學(xué)報》青年編委。研究方向為聚合物微納米纖維先進(jìn)制造。主持和參與國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中石化重點項目等20余項，獲授權(quán)發(fā)明專利94項，發(fā)表中英文論文 150余篇，出版專著《納米纖維靜電紡絲》，熔體電紡成果獲2023年國家技術(shù)發(fā)明二等獎、2018年中國輕工業(yè)聯(lián)合會技術(shù)發(fā)明一等獎和2022年中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步二等獎。

  楊衛(wèi)民，北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，教育部“長江學(xué)者”特聘教授，兼任全國高等學(xué)校機械專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會委員、中國塑料加工協(xié)會專家委員會主任、Clean Energy Science and Technology聯(lián)合主編，和《北京化工大學(xué)學(xué)報》副主編，以及《中國塑料》《塑料》《橡膠工業(yè)》《橡塑技術(shù)與裝備》等多個學(xué)術(shù)期刊的編委。長期從事高分子材料加工成型裝備與清潔能源科學(xué)技術(shù)研究。三十多年來，帶領(lǐng)團(tuán)隊承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目、國家科技支撐計劃項目、國家重點研發(fā)計劃項目，以及產(chǎn)學(xué)研合作項目等60余項，創(chuàng)新成果獲國內(nèi)外授權(quán)發(fā)明專利350余件，發(fā)表學(xué)術(shù)論文600余篇，出版《塑料精密注射成型原理及設(shè)備》和Advances in polymer processing等中英文著作，作為第一完成人榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎和國家科技進(jìn)步獎二等獎。曾獲得國家教學(xué)成果獎二等獎、省部級科技獎等，并被授予“北京市先進(jìn)工作者”、“全國優(yōu)秀教師”等榮譽稱號。

參考文獻(xiàn)：

  [1] Wang Y, Tan J, Xu J, et al. Green and highly efficient preparation of superfine fiber yarns via vortex airflow-assisted melt differential electrospinning[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2025, 189: 108552.

  [2] Wang Y, Tan J, Xu J, et al. The preparation of polypropylene microfiber yarns via vortex airflow‐assisted melt differential electrospinning[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2024, 141(20): e55382.

  [3]Wang Y, Fu H, Tan J, et al. Green and safe preparation of antibacterial sutures composed of PLA ultrafine fibers[J]. Polymer Engineering & Science, 2024, 64(11): 5737-5749.