伍晖团队报道基于卡门涡街效应的超细纤维高通量制备方法

xinqing

气相和液相高速流体之间的相互作用规律具有重要的基础科学意义；在实际生产中，气、液流的相互作用也具有重要应用价值，例如利用气流对液体溶液的高速剪切可以制备高性能纤维和粉体材料。在材料科学领域，纳米纤维具有独特的物理化学性质，成为最具吸引力的新型材料之一，在环境过滤、能源存储、柔性电子、组织工程和病毒防护等诸多领域发挥着日益重要的作用。为了实现先进纳米纤维材料的工业化应用，发展高通量、高效率、低成本、连续稳定的纳米纤维宏量制备方法具有重要的价值和意义。
       1911 年，著名空气动力学家西奥多·冯·卡门 (Theodore von Kármán)发现了卡门涡街现象，即一种流体流过圆柱体产生的不寻常的交替涡流，这种现象可以在流体运动的各种尺度上找到。如果卡门涡流驱动的气-液流相互作用能够被利用成为超细纤维牵伸和成型的方法，这将具有极大的科学意义和应用价值。
       清华大学材料学院伍晖副教授课题组与航天航空学院赵立豪副教授课题组合作开发了一种全新的、结合卡门涡街原理的无针头溶液气纺丝技术，提出利用卷对卷装置连续输送纺丝溶液进行气纺丝制备纳米纤维，成功实现了纳米纤维的高通量制备，为纳米纤维的规模化生产提供了新思路和新机遇。

图1.无针头溶液气纺丝系统设计与构建

图2.无针头溶液气纺丝过程中纤维的形成机制

        该方法采用全新设计的卷对卷系统来实现无针溶液传输以制造纳米纤维，纺丝溶液被连续运动的闭环尼龙线从储液槽中携带出后，在高速气流的驱动下，形成泰勒锥并高速喷射，通过快速拉伸和摆动形成纳米纤维。该技术精确设计了空气射流与卡门涡街相结合的气流结构。通过流体理论和计算流体动力学模拟的研究发现，穿过尼龙线的高速气流在尼龙线的背风侧产生强烈的剪切应力和卡门涡流。强剪切应力促进了泰勒锥的形成和溶液射流的细化，而卡门涡旋扰乱了流场并加速了气流从层流到湍流的转捩，促进了溶液射流的挥发。两者的共同作用，极大促进了纳米纤维的高通量生产。
       此外，该技术还具有普适性，可制备高分子、碳、陶瓷、复合纤维等各种纤维材料。相比于传统的一些纳米纤维制造技术，该方法具有更高的制造效率，并且可以由单根线进一步拓展到多根线以及不锈钢网，从而进一步提高纤维的制造效率，使得该技术有望成为纳米纤维规模化生产的有力平台。
       上述研究成果以“通过卡门涡旋气纺丝法实现公斤级纳米纤维的高通量制备”（High-throughput production of kilogram-scale nanofibers by Kármán vortex solution blow-spinning）为题，于3月16日在线发表在《科学进展》（Science Advances）上，并申请了发明专利。
        清华大学材料学院2021级博士生李子威、清华大学航天航空学院工程力学系2017级博士生崔智文、赵立豪副教授为共同第一作者，清华大学材料学院伍晖副教授为本论文的通讯作者。论文工作得到国家自然科学基金基础科学中心、北京市杰出青年科学基金、中国博士后科学基金和清华大学国强研究院的项目支持。
       论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn3690


         文章来源：清华大学
      伍晖，1983年1月出生，博士，清华大学材料学院副教授。主要从事功能无机纳米材料和新能源材料的制备和应用研究。2004年7月毕业于清华大学化学工程系高分子专业，2009年7月获清华大学工学博士学位，2009年7月起在美国斯坦福大学材料系从事博士后研究。2013年5月进入清华大学材料学院工作，任职副教授。从事能源存储材料、一维纳米结构无机功能材料的合成、组装及其结构-功能一体化的研究。以第一作者或通讯作者身份在Nature Chemistry, Nature Nanotechnology, Nature Communications等学术期刊发表论文80余篇，发表论文被引用超过9000次， H因子33。所发表论文有13篇被计入ISI高引用论文（ISI highly cited papers)。获得麻省理工科技评论(MIT Technology Review)评选的2014年度35位35岁以下青年创新人物（35 Innovators Under 35, or TR35），入选清华大学“基础研究青年骨干人才计划”，获得全国百篇优秀博士学位论文、北京市科技进步三等奖（排名第2）、中国硅酸盐学会优秀青年科学家提名奖、清华大学学术新秀、清华大学优秀博士毕业生。2015年开始承担科技部青年973计划 “柔性储能材料中的关键科学问题”和基金委优青项目。