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；在實際生產(chǎn)中，氣、液流的相互作用也具有重要應(yīng)用價值，例如利用氣流對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)境過濾、能源存儲、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值和意義。
1911年，著名空氣動力學(xué)家西奧多·馮·卡門(Theodore von Kármán)發(fā)現(xiàn)了卡門渦街現(xiàn)象，即一種流體流過圓柱體產(chǎn)生的不尋常的交替渦流，這種現(xiàn)象可以在流體運動的各種尺度上找到。如果卡門渦流驅(qū)動的氣-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)用價值。
數(shù)值模擬的卡門渦街現(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發(fā)了一種全新的、結(jié)合卡門渦街原理的無針頭溶液氣紡絲技術(shù)，提出利用卷對卷裝置連續(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.無針頭溶液氣紡絲系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建
圖2.無針頭溶液氣紡絲過程中纖維的形成機(jī)制
該方法采用全新設(shè)計的卷對卷系統(tǒng)來實現(xiàn)無針溶液傳輸以制造納米纖維，紡絲溶液被連續(xù)運動的閉環(huán)尼龍線從儲液槽中攜帶出后，在高速氣流的驅(qū)動下，形成泰勒錐并高速噴射，通過快速拉伸和擺動形成納米纖維。該技術(shù)精確設(shè)計了空氣射流與卡門渦街相結(jié)合的氣流結(jié)構(gòu)。
通過流體理論和計算流體動力學(xué)模擬的研究發(fā)現(xiàn)，穿過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，而卡門渦旋擾亂了流場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。
上述研究成果以“通過卡門渦旋氣紡絲法實現(xiàn)公斤級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，并申請了發(fā)明專利。
相關(guān)論文（來源：Science Advances）
清華大學(xué)材料學(xué)院2021級博士生李子威、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、中國博士后科學(xué)基金和清華大學(xué)國強(qiáng)研究院的項目支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn3690
來源：材料科學(xué)前沿、NTMT紡織新材料
