氣相和液相高速流體之間的相互作用規(guī)律具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義；在實(shí)際生產(chǎn)中，氣、液流的相互作用也具有重要應(yīng)用價(jià)值，例如利用氣流對(duì)液體溶液的高速剪切可以制備高性能纖維和粉體材料。在材料科學(xué)領(lǐng)域，納米纖維具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，成為最具吸引力的新型材料之一，在環(huán)境過(guò)濾、能源存儲(chǔ)、柔性電子、組織工程和病毒防護(hù)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)納米纖維材料的工業(yè)化應(yīng)用，發(fā)展高通量、高效率、低成本、連續(xù)穩(wěn)定的納米纖維宏量制備方法具有重要的價(jià)值和意義。
1911年，著名空氣動(dòng)力學(xué)家西奧多·馮·卡門(mén)(Theodore von Kármán)發(fā)現(xiàn)了卡門(mén)渦街現(xiàn)象，即一種流體流過(guò)圓柱體產(chǎn)生的不尋常的交替渦流，這種現(xiàn)象可以在流體運(yùn)動(dòng)的各種尺度上找到。如果卡門(mén)渦流驅(qū)動(dòng)的氣-液流相互作用能夠被利用成為超細(xì)纖維牽伸和成型的方法，這將具有極大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
數(shù)值模擬的卡門(mén)渦街現(xiàn)象
清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉副教授課題組與航天航空學(xué)院趙立豪副教授課題組合作開(kāi)發(fā)了一種全新的、結(jié)合卡門(mén)渦街原理的無(wú)針頭溶液氣紡絲技術(shù)，提出利用卷對(duì)卷裝置連續(xù)輸送紡絲溶液進(jìn)行氣紡絲制備納米纖維，成功實(shí)現(xiàn)了納米纖維的高通量制備，為納米纖維的規(guī)模化生產(chǎn)提供了新思路和新機(jī)遇。
圖1.無(wú)針頭溶液氣紡絲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建
圖2.無(wú)針頭溶液氣紡絲過(guò)程中纖維的形成機(jī)制
該方法采用全新設(shè)計(jì)的卷對(duì)卷系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)針溶液傳輸以制造納米纖維，紡絲溶液被連續(xù)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)尼龍線從儲(chǔ)液槽中攜帶出后，在高速氣流的驅(qū)動(dòng)下，形成泰勒錐并高速噴射，通過(guò)快速拉伸和擺動(dòng)形成納米纖維。該技術(shù)精確設(shè)計(jì)了空氣射流與卡門(mén)渦街相結(jié)合的氣流結(jié)構(gòu)。
通過(guò)流體理論和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬的研究發(fā)現(xiàn)，穿過(guò)尼龍線的高速氣流在尼龍線的背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力和卡門(mén)渦流。強(qiáng)剪切應(yīng)力促進(jìn)了泰勒錐的形成和溶液射流的細(xì)化，而卡門(mén)渦旋擾亂了流場(chǎng)并加速了氣流從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩，促進(jìn)了溶液射流的揮發(fā)。兩者的共同作用，極大促進(jìn)了納米纖維的高通量生產(chǎn)。
此外，該技術(shù)還具有普適性，可制備高分子、碳、陶瓷、復(fù)合纖維等各種纖維材料。相比于傳統(tǒng)的一些納米纖維制造技術(shù)，該方法具有更高的制造效率，并且可以由單根線進(jìn)一步拓展到多根線以及不銹鋼網(wǎng)，從而進(jìn)一步提高纖維的制造效率，使得該技術(shù)有望成為納米纖維規(guī)模化生產(chǎn)的有力平臺(tái)。
上述研究成果以“通過(guò)卡門(mén)渦旋氣紡絲法實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)納米纖維的高通量制備”（High-throughput production of kilogram-scale nanofibers by Kármán vortex solution blow-spinning）為題，于3月16日在線發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上，并申請(qǐng)了發(fā)明專利。
相關(guān)論文（來(lái)源：Science Advances）
清華大學(xué)材料學(xué)院2021級(jí)博士生李子威、清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系2017級(jí)博士生崔智文、趙立豪副教授為共同第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉副教授為本論文的通訊作者。論文工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心、北京市杰出青年科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金和清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院的項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn3690
來(lái)源：材料科學(xué)前沿、NTMT紡織新材料
