專利名稱：用于制造精細(xì)纖維的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造精細(xì)纖維的方法及裝置，特別地，但不是唯一地，具有一般性 質(zhì)的精細(xì)纖維通常是指由多種聚合物，共混聚合物，陶瓷前體混合物和金屬前體混合物制 得的納米纖維。
背景技術(shù)：
由聚合物溶液制得的精細(xì)纖維，通常指納米纖維，其可用于在廣泛的應(yīng)用中，包括 過濾介質(zhì)，組織工程腳手架結(jié)構(gòu)和裝置，納米纖維增強復(fù)合材料，傳感器，用于電池和燃料 電池的電極，催化劑支持材料，抹布，吸收墊，手術(shù)后防粘劑，光滑織物以及人造羊絨和人造皮革。在美國專利692，631中首次描述了靜電紡纖維。原則上，聚合物溶液的液滴或熔 融物放置在一種強電場中，使得液滴中所感生出的相同電荷之間相斥，抵抗液體的表面張 力。當(dāng)施加足夠強的電場(通常是0.5至4Kv/cm)，靜電力能夠克服液體的表面張力，并且 聚合物溶液或熔融物噴射流從液滴中噴出。靜電的不穩(wěn)定性導(dǎo)致急速，混亂纏繞的噴射流，繼而導(dǎo)致了 任何溶劑的快速蒸 發(fā)，以及使得剩余的聚合物纖維伸展和變薄。接著，已形成的纖維被收集到對電極上，通常 呈無紡網(wǎng)狀布的形式。通常，所收集的纖維往往相當(dāng)均勻一致，并且纖維直徑可達幾微米， 下至5nm0通過靜電紡來制造大量納米纖維的技術(shù)障礙在于生產(chǎn)率低，且實際上，大部分聚 合物從溶液中被紡出。一個常用的生產(chǎn)方法是運用多個通道，例如可由多個針管提供。一般來說，基溶液 的于靜電紡使用了針管噴絲頭，其具有的液體的吞吐率大約為每針管每小時1ml。直徑在 50nm至IOOnm范圍內(nèi)的纖維，通常由濃度相對低的液體紡出，取決于聚合物類型和分子量， 通常為5-10wt%。這意味著，假設(shè)聚合物密度為lg/ml左右，針型電紡絲工藝中的典型的固 體吞吐率為每針管每小時0. 05g至0. Ig纖維。以該速率為算，生產(chǎn)出具有面密度為80g/ m2，速度為5m2/s的納米纖維網(wǎng)狀布將會需要最少14400000根針管。另外，不同針管之間的電場干擾限制了它們的最小間距，而且，因為聚合物的沉積 物傾向于堵住噴絲頭，所以針型噴絲頭的持續(xù)運作需要頻繁清潔針管?？偟慕Y(jié)果是，對于大 多數(shù)的商品應(yīng)用來說，像過濾網(wǎng)和吸收織物，工業(yè)生產(chǎn)量會變成昂貴得令人望而卻步。為了增加靜電紡的生產(chǎn)率，i^ormhals(美國專利1975504)曾嘗試用一種鋸齒狀的 輪子作為一個電極。在之后的設(shè)計中，他使用了一種多針管裝置(美國專利2109333)。Reneker等人(國際專利申請公開號W00022207)描述了一種工藝，在該工藝中，納 米纖維是通過將纖維形成溶液饋送到一種圓柱體中，推壓氣體通過柱體，以便形成一種環(huán) 形薄膜，然后，該薄膜被分割成許多股纖維形成材料。還已提出過許多其它解決建議，都依賴于通過使用針管和孔來形成纖維形成溶液 的噴射流的方案，以便以此方式生產(chǎn)出纖維。
在國際專利申請公開號W005024101中描述了具有非常高的產(chǎn)量的系統(tǒng)，稱為 NanoSpider0在該系統(tǒng)中，纖維形成聚合物溶液被容置于一個盤子中，其中一種部分暴露 的導(dǎo)電圓柱體慢慢地旋轉(zhuǎn)到纖維形成溶液中，用以在其表面上形成一種纖維形成溶液的薄 層。一種對電極置于圓柱體上方10至20cm處，且數(shù)百個噴射流從圓柱體的表面開始噴出， 并且靜電紡到目標(biāo)上。國際專利申請公開號W02006131081描繪了一種后續(xù)類型的NanoSpider技術(shù)，其 中，由軸向安裝的可旋轉(zhuǎn)圓柱結(jié)構(gòu)替代了導(dǎo)電圓柱體，表現(xiàn)為多重“放電”表面，溶液將要從 該表面排出以形成聚合物纖維。這種裝置有點復(fù)雜，且圓柱結(jié)構(gòu)的花費必定會在一定程度 上較昂貴。日本專利JP3918179描述了一種工藝，其中，通過貫穿過一種多孔薄膜、或穿過一 種薄管來向溶液中吹送入壓縮空氣，從而在聚合物溶液的表面上持續(xù)產(chǎn)生氣泡。在氣泡上 形成靜電紡噴射流，且形成的纖維被收集于對電極上。該系統(tǒng)，在應(yīng)用者看來，需要在聚合 物溶液內(nèi)的形成大容量的氣泡，并且氣泡進發(fā)得極其快速。而且，大多數(shù)的有機溶劑并不容 易形成泡沫，且所給出的實施例僅說明了在水，2-丙醇和丙酮中利用聚合物溶液進行的紡 紗。另外，因為紡紗溶液的液滴是由持續(xù)進發(fā)的氣泡形成，氣泡會飛濺到對電極上，對所形 成的纖維有傷害或毀壞，所以該專利需要將對電極設(shè)置在離泡沫合適距離的位置處。在申請人的待決的國際專利申請公開號W02008125971中，描述了一種氣泡靜電 紡改進工藝，其基于使用了一種表面活性劑來實現(xiàn)對于所形成氣泡的穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種用于制造該纖維的方法和裝置，其(至少在一定程度 上)克服了一個或多個上述的與靜電紡纖維的高生產(chǎn)率有關(guān)的問題。發(fā)明簡要根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種通過靜電紡纖維用于生產(chǎn)精細(xì)纖維的方法，這是 通過在一種主電極與一種對電極之間施加一種電場而實現(xiàn)，該對電極與主電極間隔開一段 距離，并且基本上平行地延伸，其中主電極的至少一個工作表面涂覆有聚合物溶液，并在主 電極和對電極之間產(chǎn)生一個足夠量級的電場，以導(dǎo)致在電極之間的間隔里形成精細(xì)纖維， 該方法的特征在于，涂覆有聚合物溶液的主電極的工作表面，是由許多有效工作的半浸入 式的，自由的(未附連的)元件的合適部分的表面構(gòu)成的，這些元件是由一個槽或托盤或另 一個支持元件或多個支持元件的底部支撐著的，其中，包括了用于使聚合物溶液涂覆到自 由元件的暴露表面上的設(shè)備，該涂覆是通過使自由元件在聚合物溶液中的滾轉(zhuǎn)、從而使得 一層聚合物溶液的薄層覆蓋在它們表面上而實現(xiàn)的。從至少一個方向上看時，通常這些元件是圓的和最普通的環(huán)形。雖然現(xiàn)在優(yōu)選形 狀是球形，但它們可以是球體，圓柱體或半橢圓(intermediate ellipsoidal)形。通過傾斜盤或槽或其中的一種支持元件來啟動滾壓/滾轉(zhuǎn)?？蛇x擇地，一種支持板或類似物可以相對于上述元件移動，以使上述元件隨著該 移動一起旋轉(zhuǎn)，在該變型中，可以是一種來回的往復(fù)運動或者一種循環(huán)或圓形運動。在另一變型中，上述元件通過使用桿子或框架來進行移動。例如，一種周邊框架可利用若干元件來充滿，以利用支撐在一種支持構(gòu)件上的所述若干元件來填充滿一定區(qū)域， 支持構(gòu)件呈一種移動表面的形式，諸如當(dāng)整個裝置半浸在聚合物溶液中的情況下，該移動 表面是一種在上述元件下方的寬環(huán)形帶。如果是鋼制元件或者由其它磁性材料制成的元件，它們可能在變化磁場的影響下
進行滾壓/滾轉(zhuǎn)。上述元件的表面將會大體上是光滑的，但它可以有多種紋理，諸如釘狀的突出 物；在表面上的槽；或使得上述元件的光滑表面變形的任何其它形式的紋理。上述元件無論在哪，其尺寸范圍在約Imm至約300mm之間，且一般是在約3mm至約 30mm之間。上述元件可以由以下材料制造鋼，玻璃或者任何其它達到以下條件的合適材 料其應(yīng)當(dāng)是在聚合物溶液中適當(dāng)?shù)胤€(wěn)定的、并且是裝置的相關(guān)機制或機構(gòu)所容許的。聚合物溶液可以是任何天然或合成聚合物在合適的溶劑中的溶液，或者不同聚合 物的混和，或溶膠一凝膠混合物，或當(dāng)采用靜電紡工藝進行靜電紡時會生產(chǎn)出纖維的成分 的任何其它組合。聚合物溶液也能包含在需要時可用以改變?nèi)芤旱谋砻鎻埩?、粘度?或 其它流變性或電學(xué)性能的添加劑。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種采用上文限定的方法生產(chǎn)精細(xì)纖維的裝置，其 中，主電極定位成相對于對電極呈間隔開的關(guān)系，并且基本上平行地延伸，該裝置的基本 特征在于，使用時，涂覆有聚合物溶液的主電極的工作表面，是由許多有效工作的半浸入式 的、自由的(未附連的)元件的適當(dāng)部分的表面構(gòu)成的，這些元件是由一個槽或托盤或其他 支持元件或多個支持元件的底部支撐著的，其中，包括了用于使聚合物溶液涂覆自由元件 的暴露表面上的設(shè)備，該涂覆是通過使自由元件在聚合物溶液中的滾轉(zhuǎn)、從而使一層聚合 物溶液的薄層覆蓋在它們表面上而實現(xiàn)的。本發(fā)明該方面的另外特征直接地與本發(fā)明第一方面的另外特征一致。該工藝也適合于與專業(yè)化納米收集器相結(jié)合，用以生產(chǎn)幾何上較為復(fù)雜的納米纖 維結(jié)構(gòu)，比如，在申請人的待決的國際專利申請，公開號為W02008062264中描述的納米纖 維紗線形成裝置。為了讓本發(fā)明可以更全面地被理解，下面將結(jié)合相關(guān)附圖詳細(xì)描述一些實施例。


在圖中圖1是本發(fā)明一個實施方式的側(cè)面示意圖；圖2是本發(fā)明第二個實施方式的側(cè)面示意圖；圖3是本發(fā)明第三個實施方式的側(cè)面示意圖；圖4是圖3中所示的第三個實施方式的平面示意圖；圖5是本發(fā)明第四個實施方式的側(cè)面示意圖；和，圖6和7是元件可選擇的形狀。
具體實施例方式在圖1所示的本發(fā)明的具體實施例中，多個自由元件(1)，更具體的是球形，實際 上被布置用以限定主電極，其具有多個自由球體，當(dāng)槽足夠地傾斜時，所述多個自由球體布置成使得在重力的影響下它們能夠沿著一種含有聚合物溶液(3)的向下傾斜的槽(2)滾 壓。因而傾斜上述槽的目的是在上述只是部分浸在聚合物溶液中的球體的暴露表面上形 成一層聚合物溶液薄層。高壓電源(4)施用于主電極和對電極(5)之間，對電極基本上平行于主電極、并和 主電極間隔一定距離。通過一種在槽內(nèi)支承住球體的接觸板(6)，維持了在球體暴露表面上 與聚合物溶液的電接觸。球體的重復(fù)運動是通過以下方式實現(xiàn)的首先在一個方向上傾斜上述槽，然后在 相反方向上，或者至少是另一方向上傾斜，從而使球體在槽內(nèi)可以持續(xù)地、且通常往復(fù)地運 動，每次發(fā)生轉(zhuǎn)動并且會在球體的表面上收集一種聚合物溶液薄層。實現(xiàn)傾斜上述槽有多 種方式，例如通過伸出和回縮位于或朝向上述槽的角落處的支撐活塞和氣缸組件(7)。該活 塞和氣缸組件的運轉(zhuǎn)可以是液壓或氣動的，并可借助于適當(dāng)計時的自動閥組件(8)進行自 動控制?？商娲兀鲜霾劭梢杂珊线m的凸輪支撐，當(dāng)其轉(zhuǎn)動時，引起在不同方向上的持續(xù) 傾斜。通過控制在主電極和對電極之間所施加的電壓，來控制纖維的產(chǎn)量，從而，在施加 高電壓的影響下，多個靜電紡噴射流(9)從球體的表面噴出。除了主電極的構(gòu)造，該裝置沿 著生產(chǎn)流水線進行工作，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的，且在本文中不需要進一步的 細(xì)節(jié)解釋。然而需要注意的是，有時候可能必需通過物理接觸該浸濕面而啟動球體上得噴射 流的形成，例如用玻璃棒敲擊該浸濕面。結(jié)果是，當(dāng)再次玻璃棒移開，在液體表面上形成一 種尖銳端的液體凸出。接著，一個或多個噴射流從那點噴出。在球體上的高電荷于是導(dǎo)致 自動將上述第一噴射流(或幾個噴射流)分裂成多個噴射流，它們蔓延到其它的球體，不需 要額外的外部干涉。這樣的啟動也可用許多其它方式執(zhí)行，包括了在球體上的液體層的一 些物理變形。應(yīng)該認(rèn)識到，任何合適的形狀，或這些形狀的組合，只要能夠讓元件滾動，便可以 替代球體。例如上述元件可以是圓柱形的，或甚至是橢圓形的?，F(xiàn)在參看附圖2，顯示了一種相似形式，其中相似球體(11)由一種在槽中可移動 的浸沒的水平支撐構(gòu)件(1 加以支承，工作時，該支撐元件處于往復(fù)運動狀態(tài)或者循環(huán)或 圓形運動狀態(tài)，以引起球體在槽內(nèi)的聚合物溶液(14)中在周圍滾動。該運動被布置成使得 在如上所述球體的暴露表面上形成聚合物液體薄層。工作時，在所施加的高電壓影響下，多個靜電紡噴射流(1 從球體表面噴出。支 持元件的運動，可以通過使用合適的機械裝置和電動機驅(qū)動的偏心輪而實現(xiàn)，正如附圖標(biāo) 記(16)所示的可以作為一個選擇。結(jié)合圖3和4，在本發(fā)明的第三個形式中，球體(17)被支撐于相鄰的平行轉(zhuǎn)動桿 (18)間，并部分地浸沒在槽(19)中。通過鏈輪和驅(qū)動鏈00)而一致地驅(qū)動上述桿(18)， 由此引起球體(17)的轉(zhuǎn)動。球體(17)中的一部分在桿(18)之間延伸，并沉浸入到聚合物 溶液中，且當(dāng)球體轉(zhuǎn)動時，它們的表面便會覆蓋有一層聚合物溶液薄層。根據(jù)桿和球體的尺 寸和彼此的間距，當(dāng)球體的部分浸入聚合物溶液中時，桿可以全部浸入或微微高出聚合物 溶液的表面。在圖5所示的本發(fā)明的實施例的例子中，球體被支撐在位于槽03)內(nèi)的寬環(huán)形帶上，從而，當(dāng)該帶被驅(qū)動時，球體將會向上文描述的那樣轉(zhuǎn)動。不存在與使用針管相關(guān)聯(lián)的難點，本發(fā)明的方法和裝置能實現(xiàn)高產(chǎn)量的紡紗。這 是通過被描述為一種固體的，類似于泡的表面來實現(xiàn)的，被涂覆的元件在聚合物紡紗溶液 的表面上模擬成泡，優(yōu)點在于，它們不會爆破，引起破壞性的濺散，并維持一種恒定的幾何 形狀，從而導(dǎo)致較好的工藝控制、可預(yù)見性和均勻性。通過使用多個自由(未附連)滾壓元件，本發(fā)明克服了 NanoSpider的樞轉(zhuǎn)式圓柱 體設(shè)計所賦予的限制。同時施用多個同步的自由(即，未樞轉(zhuǎn)的)滾壓元件使得能同時使 用不同大小的滾壓元件，紡紗裝備的較佳運用區(qū)域通過滾壓元件的較密集區(qū)，并在滾壓元 件的可操縱性方面給予了額外的自由度，并且相反地在設(shè)備的設(shè)計可能性方面提供了更多
自由度?？梢灾赖氖?，多種不同的布置可能都在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)，因此，沒有超出本 發(fā)明的保護范圍。特別是，上述元件可能的多種形狀和構(gòu)造的變型以及它們被支撐的方式。 因此，例如，它們可基本上是如圖6所示的圓柱形、或如圖7所示的橢圓形。如果需要的話， 上述元件也可具有包括大量小凸起的紋理表面。
權(quán)利要求
1.一種通過靜電紡纖維來制造精細(xì)纖維的方法，是通過在一種主電極與一種對電極 (5)之間施用一種電場而實現(xiàn)的，所述對電極與所述主電極間隔一段距離、并且基本上平行 地延伸，其中主電極的至少一種工作表面涂覆有聚合物溶液(3)，并在主電極與對電極之間 產(chǎn)生足夠量值的電場，以導(dǎo)致在電極之間的空間里形成精細(xì)纖維(9)，該方法的特征在于， 涂覆有聚合物溶液的主電極的工作表面，是由許多有效工作的半浸入式的、自由(未附連 著的)元件(1，11，17，21)的合適部分的表面構(gòu)成的，這些自由元件是支撐于一種槽(2)或 托盤或另一種支持元件或多個支持元件(12,18,2 的底部上的，且其中，包括了用于使聚 合物溶液涂覆應(yīng)用到自由元件的暴露表面上的設(shè)施，這種涂覆是通過引起自由元件在聚合 物溶液中的滾轉(zhuǎn)、從而使一層聚合物溶液的薄層覆蓋在它們表面上而實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造精細(xì)纖維的方法，其中，至少在一個方向上看時，所述元 件是環(huán)形的，并且選自球體，圓柱體和橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造精細(xì)纖維的方法，其中，包括了用于通過引起自由元 件在聚合物溶液中滾壓，使聚合物溶液涂覆到自由元件的暴露表面上的設(shè)施，該設(shè)施包括 用于使得盤或槽或其中的其它支持構(gòu)件傾斜的裝置(7，8)，以使自由元件在聚合物溶液中 滾壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造精細(xì)纖維的方法，其中，包括了用于通過引起自由元 件在聚合物溶液中的滾壓，使聚合物溶液涂覆到自由元件的暴露表面上的設(shè)施，該設(shè)施包 括桿(18)或框架。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造精細(xì)纖維的方法，其中，包括了用于通過引起自由元 件在聚合物溶液中的滾壓，使聚合物溶液涂覆到自由元件的暴露表面上的設(shè)施，所述設(shè)施 包括在所述元件下方可移動的寬環(huán)形帶0 ，以引起半浸于聚合物溶液中的所述元件進行 滾壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造精細(xì)纖維的方法，其中，包括了用于通過引起自由元 件在聚合物溶液中的滾壓，使聚合物溶液涂覆到自由元件的暴露表面上的設(shè)施，如果是鋼 制元件或其它磁性材料制成的元件，則該設(shè)施還包括生成磁場裝置，適于以使所述元件在 變化的磁場影響下進行滾壓。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項所述的制造精細(xì)纖維的方法，其中，所述元件的尺寸在 Imm到300mm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造精細(xì)纖維的方法，其中，所述元件的尺寸在3mm到30mm 之間。
9.采用上述權(quán)利要求任一項所述的方法制造精細(xì)纖維的設(shè)備，其中，主電極定位成相 對于對電極呈間隔開的關(guān)系、并且基本上平行地延伸，該設(shè)備的特征在于，在工作時，待涂 覆聚合物溶液的主電極的工作表面，是由許多有效工作的半浸入的、自由(未附連著的)元 件的合適部分的表面構(gòu)成的，這些自由元件支撐在一種槽或托盤或另一種支持元件或多個 支持元件的底部上的，且其中，包括了用于通過使自由元件在聚合物溶液中滾壓而使得聚 合物溶液涂覆到自由元件的暴露表面上的設(shè)施，從而使一層聚合物溶液的薄層覆蓋在它們 表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造精細(xì)纖維的設(shè)備，其中，至少在一個方向上看時，所述 自由元件是環(huán)形的，并選自球體，圓柱體和橢圓形。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的制造精細(xì)纖維的設(shè)備，其中，包括了用于通過引起自由 元件在聚合物溶液中滾壓，使聚合物溶液涂覆到自由元件的暴露表面上的設(shè)施，該設(shè)施包 括用于使盤或槽或其中的其它支持構(gòu)件傾斜的裝置，以使自由元件在聚合物溶液中滾壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的制造精細(xì)纖維的設(shè)備，其中，包括了用于通過引起自由 元件在聚合物溶液中的滾壓，使聚合物溶液涂覆到自由元件的暴露表面上的設(shè)施，該設(shè)施 包括桿(18)或框架或一種在所述元件下面可移動的寬環(huán)形帶，在每個實例中，用以使半浸 于聚合物溶液中的所述元件進行滾壓。
全文摘要
一種通過靜電紡制造精細(xì)纖維的方法，通過在主電極和對電極(5)之間設(shè)置電場，該對電極與主電極間隔一段距離，另外基本上平行的延伸，其中主電極的至少一個工作表面涂覆有聚合物溶液(3)，并在主電極和對電極之間產(chǎn)生一個足夠強的電場，在電極間的空間里形成精細(xì)纖維(9)。涂覆有聚合物溶液的主電極的工作表面，是由許多有效的半浸入的，自由的(未相連)元件(1，11，17，21)的合適比例的表面構(gòu)成的，這些元件是由一個槽(2)或托盤或另一個支持元件或多個支持元件(12，18，22)的底部支撐的，其中，包括使聚合物溶液應(yīng)用到自由元件暴露表面上的設(shè)備，引起自由元件在聚合物溶液中的轉(zhuǎn)動，以使一層聚合物溶液的薄膜覆蓋在它們表面。
文檔編號D01D5/00GK102137962SQ200980123993
公開日2011年7月27日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者A·E·斯米特, R·D·桑德森 申請人:斯泰倫博斯大學(xué)