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“20cm的操作过程”大揭秘! 静电纺丝技术的魅力 mask

“20cm的操作过程”大揭秘!

静电纺丝技术的魅力

2019.01.16 研究
本文看点
  • 怎样才能制造出极细的纳米纤维?
  • “静电纺丝技术”是什么?
  • 进行纳米纤维化处理的溶液只能在20cm的空间内流动!

知道吗?纳米,这个仅为量尺十亿分之一米的小小空间内,竟然潜藏了无限的可能。这就不得不说到今天的主题,东芝的纳米技术了。一直以来,“纳米纤维”都是各大报道中备受人们关注的热词之一。但与其受关注程度相比,纳米纤维的世界却并不为大多数人所知晓。想知道如此纤细的纳米纤维是如何被制造出来的吗?此次,我们邀请到了东芝的纳米技术专家植松育生先生。在东芝,他主要负责纳米纤维技术的研发工作,专攻“静电纺丝技术(ES技术)”。就让他带着我们走进纳米科技的殿堂,一起来感受纳米纤维和ES技术的魅力所在吧!

株式会社东芝 研究开发本部 生产技术中心 材料·元器件程序技术研究部 植松育生先生

株式会社东芝 研究开发本部 生产技术中心
材料·元器件程序技术研究部 植松育生先生

一、静电纺丝技术是什么?

纳米纤维一般是指直径在1nm~100nm之间、长度为直径的100倍或以上的纤维状物质。能制成纤维状的材料各种各样,如尼龙、纤维素等,它们以“极细”这一特性支撑着我们的日常生活。

纳米纤维

纳米纤维

比较容易理解的应用范例是过滤器,如空气净化器和水处理设备。由于纳米纤维不易受空气和水的影响,因此很适合用于过滤器。

还有可充电电池。我最初直接接触到纳米纤维,就是以东芝SCiB?的充电电池事业为契机的。那时我们考虑的是能否将纳米纤维应用于SCiB?。分离器1是生产充电电池不可或缺的材料。如果能把分离器换成极薄的纳米纤维膜,就能够提高(电池的)容量了。”(植松先生)
1:分离器是使两个电极之间绝缘、防止发生短路的材料。

以极薄的纳米纤维膜替代分离器,SCiB?的容量得到大幅提高

以极薄的纳米纤维膜替代分离器,SCiB?的容量得到大幅提高

从此,植松先生开始关注ES技术。他向我们详细解释了该技术的原理。

“首先,将需要纳米纤维化的材料溶解成溶液放置到针状喷嘴上,再施加高压到针状喷嘴上,使得喷嘴中的溶液与待涂敷的基底材料之间产生电位差。这样,力就自然而然地从喷嘴转移到了基底材料上,喷嘴中的溶液也就喷向了基底材料。在这个放电过程中,溶剂2蒸发、重量减少、而边缘逐渐增大,基底材料上便形成了纳米纤维。”(植松先生)
2:制作溶解物质的溶液所使用的液体。

施加了高电压的喷嘴喷出溶液,形成纳米纤维

施加了高电压的喷嘴喷出溶液,形成纳米纤维

一直以来,在ES技术的研发工作中,制作更均匀、更纤细的纤维膜是主流。但是,过于追求这些会导致生产成本剧增。因此,ES技术研发大多停留在研究方面,量产方面的实际应用则相对较少。

对此,植松先生转换了思路。

“为了应用到SCiB?,我们不过分追求细度、均匀性,而是考虑能否获得批量生产专用的高速制备技术。这是一个新的研发领域,研发过程并不容易。但是,这个不知道能否成功的研发项目却得到了领导们的积极支持,在推进SCiB?业务的过程中我也结识了很多志同道合的同事。此后,我们组成了同甘共苦的研发团队,同时也是互相支持的好伙伴。”(植松先生)

二、极简技术的复杂过程

ES技术只要设置材料、施加电压便能够形成纳米纤维。从这个意义上来说,它是极为简单的技术。更何况,喷头与涂敷的基底材料之间仅有20cm~30cm。但是,就是在这仅20cm的空间内,溶液如何飞溅、如何从液体变为固体的纳米纤维,这个过程却惊人的复杂,难以解释。

“将ES技术应用于产品,需要使用多个喷嘴、高速形成纳米纤维。但是,如果增加喷嘴,那么分别施加的电压会互相干扰,无法形成均匀的纳米纤维。只有彻底了解这“20cm的过程”,才能够稳定地批量生产纳米纤维。”(植松先生)

当然,研发之初我们也没少吃苦头。

“很多非研发团队的人员支持我们的工作,来看实验装置的人也不少。但是制成的纤维与实用化要求相距甚远。有时我们也会担心“真的能制成吗?”,“装置的状态没事吧?”,孤单、焦躁、难为情、过意不去等各种情绪交织在一起……”(植松先生)

虽然很难,但同伴们一如既往的支持植松先生。

“除了SCiB?事业部门的战友,很多具有专业技能的新成员也加入到了研发团队中。集结了来自各个专业领域的智慧精英,我们从印刷机的喷墨研发3经验出发,将ES技术中的飞溅情景用高速摄像机进行了拍摄,通过分析、数据化处理,对20cm的过程进行了详细研究。”(植松先生)
3:喷墨研发时,使用高速摄像机对墨水是如何飞溅的情景进行了拍摄、分析、数据化处理。

根据施加电压的大小、喷嘴和涂敷的基底材料之间的微妙距离、材料和基底材料的类型等不同因素,这20cm中的过程也各有不同。我们的关注点之一就是飞溅的角度。相对于涂敷的材料,越接近着陆,飞溅中的溶液漩涡的角度越小(逐渐减少),因此我们可将角度的变化用数值表示。

我们的另一个关注点是飞溅的速度。借助高速摄像机的拍摄和分析,我们弄清了飞溅的角度、速度和各种因素之间的关联性,这成为了我们实现量化生产的突破口。

对飞溅角度、速度的拍摄和分析,让实现量产化的步伐大幅加快

对飞溅角度、速度的拍摄和分析,让实现量产化的步伐大幅加快

今年,将ES技术应用于SCiB?充电电池的试制终于成功了!从产生研发构想的2012年至今,已有六年的时间。正式研发则经过了四年。一直以来,我们都坚信‘SCiB?事业的开展,需要更多的人才加入’,所以当试制成功的那一刻大家无比的喜悦。”(植松先生)

一直以来,ES技术都很难应用于实际生产。通过植松先生等人的研发成果,ES技术衍生出的超细纳米级纤维无疑会改变这个广阔无边的世界。

查看ES技术实验装置的植松先生

查看ES技术实验装置的植松先生

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