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生于忧患,死于安乐

——电纺丝技术前景的一点思考

王艳,洪扬

北京永康乐业科技发展有限公司,北京,100084

近代电纺丝技术已经走过了十多年的发展历程,我相信研究这个领域的老师和同学们都能对其概念和原理有一个很准确的专业描述。尤其是最近几年电纺丝技术作为材料的加工、改性和反应平台,已经退化成一种制备一维和二维材料的通用方法,几乎渗透到材料、化学、物理和医学等各个领域,研究成果不胜枚举。但是今天我想跳出这些具体的研究成果,分别从学术课题、产业化技术和纤维产品三个宏观角度把这个技术还原到从一个更大的技术和历史背景中去,和大家分享一下对电纺丝技术的理解。

首先,我们认为电纺丝是一个研究课题,是一个涉及材料、化学、化工、生物、临床医学等诸多研究领域的跨学科平台。国际上与电纺丝相关的文章发表量增长迅猛,文献数量从2001年起逐年递增,增加幅度最大的是20052009年(图1)。近三年增加幅度减缓,但当年的文献数量持续攀升从2010年开始每年都能发表

2000多篇。特别在全球电纺丝相关文章总数排名中,中国位列第一,其次是美国、韩国。就中国和美国两个国家文章总数来看就是全球电纺丝相关领域最活跃的两个国家。

从国内情况看,作为课题申报的项目中每年得到自然科学基金、973863等资助的项目数从2003年以来逐年增加。就在2012年,和电纺丝相关的课题获得自然科学基金委批准的有29个(图2),受资助总额达1454万,相当于20022011年十年间资助总额的44.2%。由以上几方面数据可以看出,电纺丝技术作为一种简单快速制备纳米纤维的方法得到了全世界学术领域的广泛兴趣。笔者认为这种兴趣一方面来源于上世纪末兴起的“纳米热潮”,即电纺丝技术出现在了一个合适的时间,其简便性也恰好打破了低尺度低维度的材料制备技术的局限性,满足了广大研究者探索新材料、新结构、新性能的课题研究需要。另一方面,电纺丝技术的“包容性”几乎为具有任何相关学科研究背景的学者打开了通往纳米领域的大门;其“可移植性”几乎可以把现有一切材料的体系、配方、工艺、研究和表征方法借用过来,于是创新的研究成果就这样大规模的涌现出来了。

其次,电纺丝是一个产业的技术。电纺丝技术研究之初就有很多学者关心其产业化,也有很多研究工作对相关设备、工艺做了研究。具有标志性意义的是2003年捷克Elmarco公司全球首次发布了电纺丝产业化设备Nanospider,为电纺丝技术批量化制备纳米纤维拉开了历史帷幕。现在该公司已经实现最大1.6米宽幅的纳米纤维层连续化生产。今年,由日本和韩国共同研发的厂房式设备取得了举世瞩目的成果(图3上)。从原料投放,纺丝过程化处理,后期溶剂回收循环利用等一系列工艺都设计封装到一个厂房内部。且以80m/min的速度,以1.8m宽幅连续化生产,这无疑加速了电纺丝技术用于纳米纤维全球产业化实现的进程。据不完全统计,全球制备纳米纤维的知名企业共有9家,其中有我们熟悉的杜邦和ElmarcoDonaldson,但只有4家公司是采用电纺丝技术来生产制备纳米纤维。这也告诉我们电纺丝只是众多制备纳米纤维方法中的其中之一。特别有一家Fiberio公司,利用离心技术制备纳米纤维,这种方法不需要加高压静电,设备简单生产过程也更安全,尤其是方便使用聚合物熔体,因此也会有希望克服有溶剂回收的问题。这家公司最近发展很快,大型设备和相关产品已经问世。(图3下)

最后,我们认为电纺丝已经成为一些成熟的产品在实际应用。究竟有多少纳米纤维的产品和电纺丝相关呢?从下图中可看出,代表组织工程领域的心脏瓣膜、载药外伤敷料、硬脑膜、口罩、汽车过滤器、电池隔膜、检测试纸,这些产品都是很成熟的利用电纺丝技术的产品。然而,很遗憾的是,所有的产品都是国外的,没有一项产品是中国自己的。这个问题值得大家深入思考。

从专利分析数据中可知,美国和电纺丝相关的专利共有8090个,而中国专利有1123个。在产品最成熟的过滤行业,相关的专利美国拥有1740个,中国只有40个。早在1930年前苏联就已经使用电纺丝技术生产出Petryanovs过滤器和口罩已经运用于二战中,而美国Donaldson公司的产品也在2003年运用于伊拉克战争中,特别该公司在过滤领域专利就拥有15000项,基本封锁了所有过滤产品。

从以上分析,我仅代表个人提出以下观点。在中国,电纺丝成为一个热门、万能的交叉研究学科正不断的发展。近十年文章数量也见证了电纺丝快速成长历程,但研究成果基本都变为国外出版商的版权,几乎没有给自己的产业留下任何东西。而电纺丝作为制备纳米纤维的技术同时又受到了ForcespinningMelt Blowing等技术的挑战,其自身缺点不容忽视,在今后还能有多大的发展空间?中国产业界要在国外重重专利封锁的夹缝中求生存,在电纺丝设备和产品全都落后十几年的基础上要如何赶超,如何发展应该是我们广大研究者深思的话题。

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