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特辑●　—关于创新以静电纺丝纳米纤维的实用化为目标

产学研合作系列 2017年09月12日

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金丸亮二（Ryoji Kanemaru）

　　富山县工业技术中心生活工学研究所生产系统课长

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富山县是全国屈指可数的经纱针织品的产地之一。虽然出于对静电纺丝法的关注，引进了相关设备，然而却接二连三地遇到了各种难题。最终，他们解决了所遇到的难题，理清了产品化的思路，掀起了一股生产纳米纤维无纺布的服装和资材盖布的新风潮。

◆利用静电纺丝法制造纳米纤维无纺布

静电纺丝法是制造纳米纤维的代表性方法之一，通过向溶解在溶剂里的树脂（高分子）溶液施加高电压，能够制造出直径在数十～数百nm（纳米）的纳米纤维(极细的纤维)。树脂溶液在高电压的作用下，从细喷嘴顶部被吸引到集电极，此时液体表面会产生排斥，从而在集电极处形成纳米纤维。在电子显微镜下观察，可以看到形成了无纺布的形态，但是用肉眼观察，只能看到薄膜状（照片1）。这种纳米纤维无纺布，其纤维的比表面积非常大；并且作为无纺布，其空隙极细。，因此作为新材料备受关注。

照片1在电子显微镜下看到的利用静电纺丝法制造出的纳米纤维的影像

静电纺丝法虽然历史悠久，但是从十几年前才开始引起人们极大的关注。大学等机构发表了大量关于利用较为简单的设备就可以制造出种类繁多的树脂的研究报告。这其中，富山县工业技术中心（以下简称为“该中心”）以引进静电纺丝设备为契机，于2011年开启了与企业共同研发纳米纤维制品的项目。

◆静电纺丝法最大的缺点

该中心引进静电纺丝设备的契机，是受到了国立研究开发法人科学技术振兴机构（JST）的资助，作为产学官联合的基地，开设了“富山县制造研究开发中心”（以下简称为“制造研究开发中心”）。该中心的理念之一，就是通过引进最先进的设备并且向企业大规模开放，来实现对革新技术的创造和对新产品研发的支持。因此在创立之初，就引进了与纤维制造相关的先进设备。根据对技术调研和企业期望调查的结果，最终决定引进当时在相关学会的研究发表会上尚属尖端技术而流行的静电纺丝设备。

提到静电纺丝法最大的缺点，莫过于“生产率低下”。在当时盛极一时的各种关于静电纺丝的研究报告中，大部分的研究对象都是利用一个喷嘴制造纳米纤维的“单喷嘴设备”。单喷嘴设备制造一张A4大小的无纺布，根据所用树脂种类的不同，需要一个小时至数个小时不等。这样一来，如果不是用于附加值较高的产品，就无法实现产品化。由于这样的新产品开发与制造研究开发中心的理念不符，因此该中心开始探讨引进当时在世界上只有屈指可数的几家公司提出了方案的高生产率设备。从几个方案中，最终选择了引进TOPTEC公司的“多喷嘴方案”，即单纯通过配置大量喷嘴的方式进行纺丝的静电纺丝设备。之所以最终做出了这样的选择，是因为这种方式制造出来的无纺布瑕疵较少，符合新产品开发的理念。

此外，作为引进设备的开发者之一，信州大学的金翼水教授也提供了很多建议。说实话，在当时，该中心乃至富山县全县的纤维相关企业中，都没有人研究过静电纺丝法，在甚至都没接触过作为基础设备的单喷嘴设备的情况下，直接引进了多喷嘴设备。如今想来，真是无知者无畏。

◆多喷嘴设备也出现了问题

多喷嘴式静电纺丝设备（照片2）具有19个×7列，共计133个喷嘴。由于喷嘴太多，导致在纺丝前的准备阶段需要消耗大量的时间。此外，在引进设备后，还发现了并不是单纯配置多个喷嘴就能提高生产效率。随着喷嘴数量的增加，纳米纤维的可纺性急剧恶化。具体来讲，虽然利用单喷嘴设备时，相当多种类的树脂都可以毫无问题地实现纺丝，但是多喷嘴设备则出现了中途纺丝中断、产生严重纺丝瑕疵等问题，导致绝大部分树脂都无法用来纺丝。这是由于喷嘴之间的间隔较小，从而对树脂溶液的喷出产生了干扰。

照片2 多喷嘴式静电纺丝设备

当时，设备制造商在展会上推出了该设备，通过现场演示，声称可以提高生产效率。然而，当时制造商所使用的树脂溶液，其实是为了演示而经过精确计算开发出来的。设备制造商和承担联合开发任务的信州大学都不愿意提供树脂溶液的具体配方。作为该设备的合作研发机构，信州大学的反应也情有可原。尽管如此，他们仍然在受限的范围之内尽可能地提供了建议。我们虽然是门外汉，但也逐渐掌握了一些相关的入门知识，对于能够得到与我们当时的水平相匹配的建议，真心非常感谢。逐渐地，我们开始了解到树脂溶液的调整方法。在树脂种类、溶剂、添加剂和混合比例等无数的组合之中，开发出最适合量产合格纳米纤维的树脂溶液，这绝非易事。

◆产学官联合项目的发起与开发现状

可能是因为当初物以稀为贵，各类企业都曾争相采用静电纺丝设备，但是由于上述原因，真正坚持下去的企业少之又少。然而，还是出现了少数几家对此始终抱有兴趣的企业。这些企业往往有具体目标，例如希望应用于本公司的产品等，因此有意愿持续地进行开发。于是，我们决定以这样的企业为核心，启动一个目标更为具体的的项目。

成为项目核心的就是富山县的针织企业。富山县是全国屈指可数的经纱针织品的产地之一。经纱针织具有材质细密、不易破损的特点，广泛应用于制造泳装、内衣等服装，以及作为汽车座椅表面的制造原料等。

照片3 国际纳米技术综合展上展示的纳米纤维服装

利用静电纺丝法制造的纳米纤维，具备较高的透湿防水性和伸缩性，但同时也具有单体较薄、强度较弱的缺点。针织企业的想法是，将纳米纤维与经纱针织品相结合，或许能够生产出透气性好，同时具备伸缩性，方便活动，并具备以往透湿防水产品所不具备的特点的新产品。为了实现这一想法，石川县的纤维加工企业和富山县的服装企业加入了该项目，成为了其中的一员。纤维加工企业负责调整经纱针织与纳米纤维的贴合性，服装企业承担缝纫工作。该中心以纳米纤维的开发为核心，为项目的推进提供全面的保障支持。信州大学也作为项目顾问加入了其中。

研发高性能且可以实现量产的纳米纤维自不必说，其后的各项加工工序也需要付出相当的努力。在加工工序方面，花费了大量的时间研究如何在保持纳米纤维性能的前提下进行加工。在经济产业省的资助下，最终完成了服装样品。通过在展会上进行展示（照片3），有服装公司对此表现出了兴趣，目前已经进入了面向产品化的设计规划等阶段。在更早的时候，已经有公司对研发出的新产品的性能表现出了兴趣，购买其作为特殊测量仪器的保护套。虽然具体的用途保密，但是可以告诉各位的是，防卫省也是购买了该产品的客户之一。以上作为实用化的第一步，我们目前正在以此为契机，探讨在原材料领域进一步扩大其应用范围。

◆最大限度发挥地区优势

目前，除此之外，还有两个项目正在同步进行之中。其中一个是医疗用品的开发（照片4），另一个是防虫用品的开发。两个项目分别由医药制造企业和防虫相关制品的制造企业作为研发的主力，以实用化为第一目标开展研发。此外，还出现了探讨实现富山县主要产品之一的纤维素纳米纤维和静电纺丝纳米纤维复合化的企业。以上项目都由文部科学省的地区创新战略支援项目“TOYAMA Nanotechnology Manufacturing Cluster”牵头，在国家和县内的支持下进行开发。