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更新更新時間：2025-02-06
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突然意識到要寫一篇這樣的推文，其實動機是源于我們的一個客戶。他在咨詢紡絲設備時，問了我這樣一個問題：“他說濕法紡絲是不是一個已經(jīng)過時的纖維制備方法了？"。聽到他的詢問，我一開始感覺其實是很驚訝的！作為一個專業(yè)從事濕法紡絲近十年的一個科研工作者，自己熱愛并追逐的科研領域難道是一個已經(jīng)過時的了嗎？答案肯定是否定的！那么客戶為何出此一問呢？我想客戶的這個想法應該也是許多非專業(yè)領域人士共同的疑問。所以，作為一個專業(yè)攻關科研用濕法紡絲設備研發(fā)的團隊，我想我們有必要而且也有義務和廣大科技愛好者朋友們科普一下，幫助大家走出誤區(qū)、正確認識濕法紡絲技術、了解濕法紡絲技術、并很好地運用濕法紡絲技術。
講這個問題之前，要先帶大家了解一下化學纖維的制備方法。在工業(yè)生產(chǎn)中，化學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和切片紡兩種制備方法。所謂的熔體直紡是將聚合反應得到的聚合物熔體直接輸送到紡絲組件進行紡絲的一種纖維成形技術，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、凍膠法和液晶法。在實際生產(chǎn)中，絕大多數(shù)的濕法紡絲是通過相分離法實施的，如再生纖維素纖維、殼聚糖纖維、蛋白纖維、其他纖維等。隨著紡絲技術的發(fā)展，近些年又出現(xiàn)了靜電紡絲、離心紡絲、負壓紡絲、微流體紡絲以及瞬時釋壓紡絲技術等，這些紡絲技術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，其實濕法紡絲是屬于溶液紡絲中的一種，因為濕法紡絲在溶液紡絲技術中應用較多，故而大家往往認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，其實是錯誤的，實際上二者是包含與被包含關系。
濕法紡絲工藝流程圖
我國是世界上的化纖生產(chǎn)大國，2020年全國化纖總產(chǎn)量6025.12萬噸，占世界化纖產(chǎn)量的70%以上。化學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4922.75萬噸，占2020年我國化纖總產(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)應用上看，的確熔融紡絲技術是應用廣泛、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就是一種已經(jīng)過時的紡絲成形技術，這主要從以下幾個事實及數(shù)據(jù)進行說明。
（1）溶液紡絲技術的應用是某些高分子的結(jié)構(gòu)特性決定的
大家都知道，對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，這就是說這類聚合物存在著熔點，可以通過升溫加熱的方式將其熔化進而利用熔融紡絲技術制備纖維材料。但是對于具有剛性結(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)具有強極性和剛性，分子間相互作用較強，這種分子結(jié)構(gòu)特性決定了這類聚合物的熔點顯著高于其分解溫度。也就是說，如果對這類聚合物材料進行加熱時，溫度還未達到其熔點，材料就已經(jīng)發(fā)生了降解，因此這類聚合物材料無法通過熔融紡絲技術加工，只能通過溶液紡絲技術加工。也正是因為這種分子鏈的剛性結(jié)構(gòu)使材料內(nèi)部的分子間相互作用力較強，所制備的纖維材料性能優(yōu)異。所以說，采用溶液紡絲技術加工是某些聚合物分子結(jié)構(gòu)特性決定的。
纖維素分子結(jié)構(gòu)特點
(2) 溶液紡絲技術所制備高性能纖維是國防等應用領域應用較多的材料
碳纖維是現(xiàn)代宇航工業(yè)的物質(zhì)基礎，具有不可替代性。由碳纖維制備的碳纖維增強樹脂(CFRP)具有優(yōu)異的綜合性能，在空間平臺和運載火箭，航空器，艦船，軌道交通車輛，汽車，卡車，風電葉片，電池，電力電纜等領域具有廣泛的應用。制備碳纖維的聚丙烯腈原絲就是采用濕法紡絲技術生產(chǎn)。由濕法凍膠紡絲技術生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維是特殊衣服的核心材料。濕法紡絲技術制備的粘膠基碳纖維是火箭、航天器等的關鍵戰(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)良的力學性能，其應用領域已經(jīng)開始從特種防護、航空航天等高技術領域向民生領域延伸。
濕法紡絲制備的聚合物纖維在航天等特殊領域的應用
(3) 濕法紡絲設備操作簡單、紡絲條件溫和是纖維科研應用最多的研究方法
在Web Of Science數(shù)據(jù)庫中以wet spinning(濕法紡絲)為關鍵詞進行檢索，可檢索到17981條相關文獻記錄。其涉獵領域包括材料科學、化學、高分子科學、工程、物理、電化學等眾多學科領域。
Web Of Science 數(shù)據(jù)庫以 wet spinning(濕法紡絲)為關鍵詞的文獻檢索情況
復旦大學彭慧勝、王兵杰等人采用濕法紡絲技術一步生產(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)速度得到遠遠提高。功能部件間的層流保證了擠壓過程中其界面的無縫銜接。研究發(fā)現(xiàn)，每一個噴絲器單元可以生產(chǎn)1500公里長的連續(xù)纖維電池，比之前報道的纖維長了三個數(shù)量級。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550 mWh每平方米。
濕法紡絲技術制備纖維狀電池[2]
近年來發(fā)展的石墨烯纖維、碳納米管纖維、MXene纖維等新型無機纖維都是采用濕法紡絲技術生產(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纖維這一生產(chǎn)技術。與熔融紡絲相比，濕法紡絲技術確屬小眾，但是是一種不能被替代的纖維成形技術，在未來的纖維材料發(fā)展過程中必定會蓬勃發(fā)展，展現(xiàn)出它特別的魅力。
參考資料：
[1] 部分圖片搜索于網(wǎng)絡
[2] Industrial scale production of fibre batteries by a solution-extrusion method[J]. Nature Nanotechnology.
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