问题概述：

纳米纤维是指直径小于100 纳米而长径比大于1000的线状材料。目前材料与工程领域通常把直径小于1000纳米的纤维称为纳米纤维。这些纳米纤维具有比微米纤维高100倍的比表面积。最近十多年来的研究表明，纳米纤维及由纳米纤维所制成的薄膜制品在生物工程、工业防护服、酶催化、锂电池隔膜、化妆品、空气和水过滤等领域有巨大的应用潜力。纳米纤维在很多应用领域都表现出了明显优于微米纤维的性能，因此在实际应用上有很大的需求。图1给出了纳米纤维最有潜力的应用领域。

图1 纳米纤维的主要应用领域

然而纳米纤维一直以来存在的一个最大的难题是：生产效率低、产量低，难以满足日益增长的纳米纤维产品市场的需求。近年来对纳米纤维产业化生产技术的研究也在不断发展，最新技术进展介绍如下。

1、静电纺丝法生产纳米纤维的技术进展

静电纺丝技术制备纳米纤维已成为纺织科学领域重要的研究方向和学术分支。静电纺丝技术以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺原料丰富、工艺可控等优点，已成为唯一可以用来规模化生产真正意义上的纳米纤维的新兴纺丝技术。利用静电纺丝技术不仅能实现多种纳米纤维，包括：聚合物、无机物、聚合物/聚合物、聚合物/无机物以及无机物/无机物等复合物结构的构筑，而且可以实现纤维多级结构、堆积密度、纤维直径、比表面积、连通性等结构特性的精细调控。

经过多年的研究与发展，静电纺丝法已经成为一种可制备一维纤维、二维膜材料以及三维立体材料的通用方法，其研究和应用领域几乎渗透材料、物理、化学、医学等各个方面。在纺织科学领域，纳米纤维材料可用于户外防水透湿面料、生化防护服、防毒面具、医疗防护服、特种工作服等，由于其纳米尺寸效应，比表面积大，高取向效果等特点，纳米纤维材料更是被应用在高端过滤领域，为许多环保难题，如：有害物质监控、污水处理、水体浮油处理、高温过滤等的解决提供了新的方向。随着静电纺丝技术的进步和纳米纤维研究的不断深入，其应用领域进一步拓展，在生物医学领域，纳米纤维材料可作为生物传感器、组织工程支架、药物/生物酶载体、人造皮肤、创伤敷料、人工血管、手术缝合线等。在新能源领域，可作为超级电容器电极、锂电池隔膜、太阳能电池用光电变换材料、光催化基材以及储能材料。作为一种高技术、高附加值的纤维材料，纳米纤维的生产和应用研究仍在不断深入和发展。

尤其是经过近15年的深入研究，静电纺丝工程加工技术已经经历了单针头式、多针头式和无针头式三个技术阶段。传统多针头式静电纺丝设备生产的纳米纤维直径小、细度均匀，可纺直径几十纳米的纤维，且所得纤维比无针头静电纺所得纤维要长，可制备长丝纳米纤维及双组分或多组分纳米纤维，但存在针头易堵、不易清理、多射流间静电干扰、生产效率低等问题。无针头静电纺丝只能制备单组分或混合均相组分的纳米纤维，且纤维直径大、细度不匀，纤维质量不易控制，但产量比多针头式高且不存在针头堵塞问题，目前比较成熟的宏量制备纳米纤维的静电纺丝技术有：捷克Elmarco公司开发的“纳米蜘蛛”；澳大利亚迪肯大学林童教授团队的螺旋式静电纺丝技术。但由于使用开放式纺丝体系，可加工原料种类有限。

2、其他方法生产纳米纤维的技术进展

熔喷纺丝法：熔喷技术是将高聚物树脂通过螺杆挤出机挤压熔融塑化后，通过计量泵精确计量送给喷丝组件在高速高压热空气流的作用下拉成超细纤维。熔喷纤维为微米或亚微米级纤维，直径在几百纳米到几微米之间。据报道美国Hills（希尔）公司用熔喷法制得的纳米纤维的直径在50-400 nm的90%以上，但纺丝速率较低。为了保证产量，喷丝板多采用薄型高密度孔板，不仅价格昂贵而且在受热和高压强的喷丝过程中很易碎裂开。熔喷法的主要问题是对直径较小的纤维生产能力有限，纤维的可功能化程度低。

离心纺丝法：离心纺是利用高速旋转产生的离心力将聚合物流体牵伸成纤维。离心纺技术比较经典的应用是制备无机纤维和玻璃纤维，目前也有采用离心纺丝法制备聚合物纤维的。用离心纺丝法制备纳米纤维是近年来出现的一种新方向，但是纤维直径一般都在微米级或者亚微米级，且停留在实验研究阶段。

3、纳米纤维产业化生产及产品研发未来面临的关键难点及挑战

随着全球纳米科技产业化的不断推进，近年来纳米纤维的产业化进程有了一定程度的推进，显著体现在纳米纤维制备技术的发展，以及纳米纤维产量有了一定程度的提高，然而，目前纳米纤维的产业化生产及产品研发仍然存在不少关键难点及挑战。如：产业化生产设备尚不健全、纺丝理论不够完善、纤维结构难以精细调控、纤维直径大、纤维机械强度低、溶剂回收量有限、生产成本高，以及终端产品停留在实验室研究阶段，商业化应用的产品极少等。归纳起来在纳米纤维产业化生产及产品研发方面，主要存在以下工程技术难题：

1）产业化生产加工设备与工艺技术难题亟待突破。目前国内外虽然有多喷头静电纺丝、滚筒式静电纺丝、气泡静电纺丝等可进行小批量纳米纤维膜生产的加工设备，但是还普遍存在着生产加工过程的连续性和稳定性差、各批次纤维之间的差异大、可适用的聚合物溶液的种类少、纤维膜的均匀性较差、产量低等方面的问题。因此，未来要在突破产业化生产设备的基础上，进一步突破纳米纤维的连续、稳定化生产的工艺技术。

2）纳米纤维直径的调控以及纤维膜性能提高。目前的技术所能制备的纳米纤维的直径大多在100nm以上，对于直径在100nm，尤其是50nm以下的纳米纤维的稳定生产，在工程技术仍存在一定的难度。目前以纤维无序排列的膜状材料为主的纳米纤维产品，还存在着力学性能、耐磨性、耐水洗性等使用性能差的问题，从理论上和工艺技术上亟待解决提高单纤维的结晶度与取向度、无序排列的纤维网之间的集合结构等，以改善纳米纤维膜的使用性能。

3）产品开发主要停留在实验室阶段。目前的纳米纤维产品，除了少量在口罩、过滤材料上实际应用并形成了小批量的销售外，在电池隔膜、过滤防护、纤维增强复合材料、吸隔音材料、生物医用材料等潜在应用前景非常好的领域的产品开发，还有大量应用基础研究亟待深入系统地展开，这些产品的开发及其产业化生产和应用中的一系列工程技术难题亟待解决。

4）纳米纤维产品的生产成本偏高，溶剂回收利用问题尚未完全解决，纺丝过程中溶剂挥发而带来的环境污染问题以及纤维中痕量溶剂的残留问题等有待攻克。

重要意义：

由于纳米纤维性能优良，应用广泛，因此本问题取得突破以后，可将其大量应用在纺织领域、过滤领域、能源领域以及生物医药领域等，通过提高产品性能，从而为这些领域带来科技引领，并且能够产生丰厚的经济与社会效益。

1、纺织领域

纳米纤维在该领域主要应用在纺织面料上，尤其是可以作为户外面料核心材料之一的防水透湿膜，目前这类防水透湿膜的核心技术大多掌握在国外个别公司手中，例如高端的Gore-tex系列产品，对我国防护类纺织外面料的自主生产与发展非常不利。

利用静电纺丝法制备的纳米纤维膜材料具有优异的防水透湿功能，将纳米纤维膜与普通的面料复合，可以作为理想的户外服装面料，服装具有良好的防水、透湿和透气效果，尤其是在有污垢进入纳米纤维膜的情况下仍具有良好的防水、透湿、透气效果，而且工艺简单，价格较低。

如果静电纺丝产业化技术实现突破，将对纺织工业，尤其是户外面料等防护类面料领域的发展产生重大的影响和引领作用。首先，大力推动了高新技术在纺织、轻工等传统优势产业的运用，提高传统产业装备水平、技术含量和产品附加值，打造创新驱动型社会；其次，打破国外的技术壁垒，显著增强产业核心竞争力，提升企业自主创新能力,有利于扶持自主品牌的建设和发展，实现传统产业的转型升级。纺织工业作为传统支柱产业和民生产业，其装备制造能力的提升及整体的转型升级对繁荣市场、扩大出口、吸纳就业、增加人民收入、促进城镇化发展等方面起着重要作用，具有显著的社会效益；此外，相关数据显示，2001年的时候，中国户外运动用品市场的规模还只有4000~5000万元，到了2006年时达到了26亿元，平均年增长速度超过100%，2015年中国户外用品的销售已达450亿元，随着“北京2022冬奥会”周期的到来，以及二三线城市消费购买力的释放，我国户外用品市场规模将进一步扩大，有关机构预测，到2022年市场规模将达1000亿元左右，未来五年增速约为17%，呈直线上升趋势。静电纺丝产业化技术的成功将极大推动纳米纤维材料在户外面料市场的应用，具有广阔的市场空间和经济效益。

2、过滤、电子、医学等其他领域

（1）能源领域

纳米纤维可以以各种形式应用在能源领域的各个方向，如：电池隔膜、超级电容器、能源收集膜等，纳米纤维能显著提高这些产品的性能，其中提升最为明显的是电池隔膜。使用纳米纤维以后，能够显著改善锂离子电池的安全性能；提高电池的高低温特性；改善电池的倍率放电特性；提高充放电电流（约4倍）；提高电池的充放电寿命（约7倍）。

在十九大确定的清洁能源优先发展战略指导下，电动汽车、燃料电池汽车等清洁新能源汽车成为未来的发展趋势，高性能聚合物基纳米纤维材料，例如：聚酰亚胺（PI）和聚偏氟乙烯（PVdF）的规模化静电纺丝技术趋于成熟，已达到中试水平，产品可用于锂离子电池的隔膜。如果静电纺丝产业化技术实现突破，势必会极大促进新能源汽车的快速发展和普及，同时带来不可估量的经济和社会效益。

（2）过滤领域

将纳米纤维应用到过滤领域，由于纳米纤维大的比表面积以及小的孔隙及大的孔隙率，使其能够显著提高传统过滤器的过滤效率，降低过滤阻力，从而降低了使用过滤器设备的能耗（约降低2倍），提高过滤器的使用寿命（约提高6-10倍），从而降低使用成本。纳米纤维材料在空气净化器、汽车用过滤、水过滤、工业气体过滤、污水处理领域均具有广阔的应用前景。

（3）生物医药领域

由于纳米纤维膜能有效模仿身体细胞外基质，从而能够保证各种细胞在现实环境中的生长，因此纳米纤维膜比传统的生物膜更适用于组织修复与再生，在组织工程材料领域潜在应用前景良好。

除了上述领域外，纳米纤维还可以应用在其他多个领域，纳米纤维在各个领域的产品中所起的作用虽然不尽相同，但它们的加入可使原有产品的性能取得很大的提高，从而对这些领域产生的重大促进和引领作用。

据BCC研究公司的最新报告显示，未来几年全球纳米纤维市场将快速增长，市场销售收入将从2010年的1.02亿美元增加至2015年的4.43亿美元，并会以年均增长率（CAGR）超过30%的速度快速增长。预计到2020年，全球纳米纤维市场规模将达到40亿美元。纳米纤维市场主要由北美，欧洲，亚太地区、中东、非洲和中南美洲，其中北美市场（包括美国、加拿大和墨西哥）占最大份额，欧洲和亚太地区紧追其后。

由于纳米纤维市场刚刚起步，且纳米纤维产量与质量有限，当纳米纤维的产业化生产和产品开发相关的工程技术难题取得突破后，将能够规模化、稳定地制备质量好、结构可控的纳米纤维，从而进一步促进纳米纤维市场的繁荣，以及相关交叉领域市场的发展，使人类能够充分享受到纳米纤维带来的生活品质的极大改善，产生重大的科技、经济与社会效益。