靜電紡絲窄縫模的設(shè)計及應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種用于形成聚合物墊的改進方法。用于靜電紡絲聚合物纖維的方法包括提供一裝置，裝置具有充電源、與充電源具有一定距離的目標以及具有帶縫隙的紡絲邊緣的窄縫模。紡絲邊緣的曲率半徑介于5cm和100cm之間。該方法還包括將聚合物制劑(溶液、彌散液、懸浮液或熔融液)提供至窄縫模以及將電場施加至一部分或整個裝置或聚合物制劑。當施加電場時，利用射流形成多個泰勒錐，射流將聚合物制劑延展成可以收集在目標表面上的纖維結(jié)構(gòu)。
【專利說明】
靜電紡絲窄縫模的設(shè)計及應(yīng)用
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求享有于2013年12月18日提交的美國臨時申請No. 61,917,511和2014年 3月10日提交的美國臨時申請No. 61，950，252的優(yōu)先權(quán)。
[0003] 并入?yún)⒖嘉墨I
[0004] 2013年12月18日提交的美國臨時申請No. 61,917,511和2014年3月10日提交的美 國臨時申請No. 61，950，252的全部公開內(nèi)容并入本文中以作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明大體上涉及用于靜電紡絲聚合物纖維的窄縫模。
【背景技術(shù)】
[0006] 如在美國專利 Ν〇·2，158,416、4,043,331、4,044,404、4，143，196、4,287，139、4， 323,525、4,432,916、4,689，186、6,641，773和8，178,030中所示，靜電紡絲方法在本領(lǐng)域中 是已知的，這些文獻中的每一篇均并入本文中以作為參考。在本領(lǐng)域中也稱作靜電紡紗、電 紡的靜電紡絲包括移動朝向帶電或接地表面的帶電聚合物。通過靜電紡絲生產(chǎn)的纖維具有 亞微米或"納米"直徑，并且由其生產(chǎn)的合成織物已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可用在過濾、醫(yī)學(xué)和紡織領(lǐng)域 中。密集包裝但仍然具有多孔結(jié)構(gòu)的這種纖維可以有效地用于氣體或流體分離或吸收。
[0007] 靜電紡絲聚合物纖維可以通過熔融液、溶液或彌散液而獲得。例如，熔融液、溶液 或彌散液可以通過小帶電孔(諸如針)而排放朝向目標，其中針和目標具有相反的電荷。目 標(有時也稱為收集器)包括收集表面，該收集表面可以由各種材料制成并且具有各種形 狀，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的。當在熔融液、溶液或彌散液上設(shè)置有電勢時，隨著電荷試 圖移動朝向接地面（即，目標或收集器），可以形成一股或多股射流，從所述一股或多股射流 抽出纖維。針或小孔通常形成單股射流，射流可以以約O.lg/hr的速度制備纖維。這類靜電 紡絲裝置的產(chǎn)量通常非常低。這種方法生產(chǎn)的長纖維的纖維直徑范圍相對較小，處于微米 至亞微米的范圍內(nèi)。當允許將纖維積聚在收集表面上時，它們形成了非織造織物（也稱為 墊）。在美國專利No. 8，178，030B2和美國公開文獻No . 2003/0215624A1、2009/0032475A1、 2010/0233812A1和2011/0082565A1中示出了通過單一孔進行靜電紡絲并形成單一射流的 這種裝置，這些文獻中的每一篇均并入本文中以作為參考。
[0008] 可以增加其它的孔，并且可以使用單行或呈二維區(qū)段的成排孔。在美國專利No. 7， 980,838B2、美國公開文獻 2007/022563Α1、2008/0241297Α1 和 2008/0277836A1 以及歐洲專 利EP 1，967,61741、1，975,28442和1，992,721中公開了用于從多個孔形成多股射流的這種 裝置，這些文獻中的每一篇均并入本文中以作為參考。然而，形成多股射流的多個孔的一個 問題在于因射流具有相同或相似的電荷而在多股射流之間存在排斥。射流之間的排斥會導(dǎo) 致射流的彎曲，并且可能導(dǎo)致抑制；因而，射流穩(wěn)定性受損，導(dǎo)致紡絲不規(guī)律、纖維沉積較不 均勻、纖維直徑范圍較寬和纖維斷裂中的一個或多個問題。
[0009] 通過增大帶電源(彌散液、溶液或熔融液)和收集器之間的電勢，還可以從同一孔 中產(chǎn)生一股或多股射流。電勢的增大正比例地增大了產(chǎn)量，但代價是由于射流互斥而影響 了射流的穩(wěn)定性。
[0010] 本領(lǐng)域中的另一技術(shù)是從無電荷表面進行靜電紡絲。電荷設(shè)置在彌散液、溶液或 熔融液上，而因線、圓筒在槽中旋轉(zhuǎn)等而進行自由表面靜電紡絲。在彌散液、溶液或熔融液 的表面上的擾動點處可以形成射流。這種方法的優(yōu)點是可以形成多股穩(wěn)定的射流，從而可 以獲得更高、更均勻的產(chǎn)量。
[0011] 對于自由表面靜電紡絲而言，射流量取決于例如但不限于：1)彌散液、溶液或熔融 液的粘度;2)從彌散液源到收集表面的距離;3)溶劑特性;4)紡絲裝置的線或滾筒的裝載或 覆蓋率；或5)電壓。這些因素還影響墊的厚度以及所需的纖維直徑，因此需要優(yōu)化這些參 數(shù)。針對溶液和彌散液靜電紡絲在商業(yè)上已經(jīng)研發(fā)了根據(jù)槽或電線處理進行自由表面靜電 紡絲的裝置，并且可以獲得實驗室用設(shè)備、實驗設(shè)備和商業(yè)尺寸的設(shè)備。針對熔融液靜電紡 絲還已經(jīng)研發(fā)了實驗室用設(shè)備。從自由表面進行靜電紡絲的設(shè)備在本領(lǐng)域中是已知的，并 且由如下文獻所示：美國專利No . 7，967，588B2和8，231，822B2 ;美國公開文獻No . 2009/ 014547A1 和2010/0272847A1;歐洲專利 EP1，673,493B1 和2,059,630B1 以及國際專利公開 W02008/028428A1和2009/049566A2,這些文獻中的每一篇均并入本文中以作為參考。
[0012] 在2013年12月18日提交的美國臨時專利申請No.61，917,511和2014年3月10日提 交的美國臨時專利申請No. 61，950，252中提供了對本文所公開的材料和方法的其它示例性 討論，這兩篇文獻都全文并入本文中以作為參考。
[0013] 雖然已經(jīng)改進了從自由表面靜電紡絲形成多股穩(wěn)定射流，但仍然存在若干缺點， 諸如沉積纖維的均勻性以及纖維和獲得的非織造織物的特性。而且，能夠控制多種成分并 且允許不同的聚合物制劑(例如，其不能在其它靜電紡絲裝置上進行靜電紡絲)是非常合乎 需求的特性。因而，需要克服各種缺陷（包括上述缺陷）或可形成額外優(yōu)點（包括上述優(yōu)點） 的方法和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明大體上涉及用于高產(chǎn)量地靜電紡絲非織造材料的方法和裝置。本發(fā)明的一 個方面包括這樣的方法，即沿著窄縫模的縫隙和在所述窄縫模的縫隙周圍形成基本上均勻 的電場以及通過所述基本上均勻的電場從縫隙將聚合物溶液、彌散液、懸浮液和/或熔融液 (本文特別地統(tǒng)稱為"聚合物制劑""靜電紡絲"至收集器。另一方面包括有目的地沿著窄縫 ?？p隙和在所述窄縫?？p隙的周圍產(chǎn)生非均勻的電場。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一 種裝置，裝置包括具有帶縫隙的紡絲邊緣的窄縫模。窄縫?？梢员怀尚危栽趯㈦妷菏┘又?聚合物制劑和/或窄縫模時，沿著紡絲邊緣和在紡絲邊緣周圍根據(jù)一些實施例產(chǎn)生均勻的 電場以及根據(jù)一些實施例有目的性地產(chǎn)生非均勻的電場。根據(jù)一個實施例，紡絲邊緣可以 是彎曲的，其限定至少一個弧。彎曲的紡絲邊緣可以具有至少1cm的曲率半徑，并且在一個 實施例中，曲率半徑介于5cm和100cm之間(包括本數(shù)）。根據(jù)一個實施例，彎曲的紡絲邊緣包 括縫隙，縫隙的寬度（例如，寬度與縫隙的方向90°垂直)介于0.01mm和10mm之間（包括本 數(shù)）。裝置還可以包括用于容納聚合物制劑的一個或多個儲液器、安裝成與窄縫模具有一定 距離的收集器、在窄縫模和收集器之間施加電壓差的電源以及將聚合物制劑供應(yīng)至窄縫模 的輸送機構(gòu)或通路。
[0015] 考慮以下的詳細說明書、附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征、優(yōu)點和實施例可以 得以闡述或者可以變得顯而易見。而且，應(yīng)當理解的是，前述的
【發(fā)明內(nèi)容】
以及下文的詳細說 明是示例性的并且旨在提供進一步的解釋，而不限制所要求保護的本發(fā)明的范圍。
【附圖說明】
[0016] 說明書的下文將參考下列附圖向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員更特別地闡述完整且可實 現(xiàn)的本發(fā)明，包括其最佳實施例。
[0017]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明使用的靜電紡絲裝置。
[0018]圖2是具有筆直的紡絲邊緣和正交角部的窄縫模的流體輸送端的分離視圖。
[0019]圖3a_3f是根據(jù)本發(fā)明的窄縫模的第一實施例的代表性區(qū)段的視圖。
[0020]圖3g_31是根據(jù)圖3a的封閉的窄縫模的視圖。
[0021]圖4a_4g是根據(jù)本發(fā)明的窄縫模的第二實施例的代表性區(qū)段的視圖。
[0022]圖4h_4m是根據(jù)圖4a的封閉的窄縫模的視圖。
[0023]圖5a_5f是根據(jù)本發(fā)明的窄縫模的第三實施例的代表性區(qū)段的視圖。
[0024]圖5g_51是根據(jù)圖5a的封閉的窄縫模的視圖。
[0025]圖6是從圖3j中所示的第一實施例發(fā)出的靜電紡絲纖維的視圖。
[0026]圖7是從圖5j中所示的第三實施例發(fā)出的靜電紡絲纖維的視圖。
[0027] 圖8a_8d是根據(jù)本發(fā)明的窄縫模的第四實施例的代表性區(qū)段的視圖。
【具體實施方式】
[0028] 現(xiàn)在本文將參考附圖更完整地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的一些而非所 有的實施例。相同或相應(yīng)的實施例部件提供相同的附圖標記。事實上，本發(fā)明可以以多種不 同的形式實施，并且不應(yīng)當理解為限制于本文所闡述的實施例；相反地，提供這些實施例， 以使得本發(fā)明將滿足能夠?qū)嵤┑姆ǘㄒ?。每個實施例作為本發(fā)明的說明而提供，而其不 旨在限制本發(fā)明，事實上，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，可以對本發(fā)明進行多種 修改和改變，而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。例如，作為一個實施例的一部分所示或所述的 特征可以用于另一實施例的內(nèi)容中，以形成又一實施例。因而，意定的是本發(fā)明涵蓋了落入 所公開的實施例及其等同方案的范圍內(nèi)的修改和變型方案。
[0029] 本發(fā)明涉及一種將聚合物制劑9(即聚合物溶液、彌散液、懸浮液或熔融液)靜電紡 絲成纖維以形成能夠用于多種其它應(yīng)用和形式的非織造物片、膜、管、衣料的裝置11和方 法。特別地，本發(fā)明涉及通過對來自窄縫模10的聚合物制劑9紡絲而形成納米纖維的高產(chǎn)量 靜電紡絲，所述窄縫模被成形并被構(gòu)造，從而在高電壓施加至窄縫模10或聚合物制劑9和靜 電紡絲裝置11的收集器15上時沿著紡絲邊緣12形成基本上均勻的電場。
[0030] 本發(fā)明的一個方面涉及將聚合物制劑9均勻地分配至縫隙16的邊緣上。射流穩(wěn)定 性可以通過縫隙邊緣形狀、間隙寬度、所施加的電壓或這些參數(shù)的組合而得以控制。射流穩(wěn) 定性可以被控制和相應(yīng)地調(diào)整，以形成物理和機械屬性不同的靜電紡絲片。當窄縫模的鋒 利邊緣34的鋒利度足以提供合適的擾動并且向窄縫模施加電壓而形成足夠強的電場時，形 成了泰勒錐并且聚合物制劑9的靜電紡絲射流14從窄縫模10中的縫隙16噴出。射流14從窄 縫模10的縫隙16朝向接地或帶相反電荷的收集器15行進，以形成固體的非織造材料。在一 個實施例中，本發(fā)明基本上聚焦在窄縫模上，特別是窄縫模的形狀對于電場均勻性的影響， 以最優(yōu)化靜電紡絲產(chǎn)量。
[0031] 圖1中示意性地示出了靜電紡絲裝置11。在圖1中，儲液器17可以裝載有聚合物制 劑9。輸送機構(gòu)或通路網(wǎng)19將聚合物制劑9從儲液器輸送至窄縫模10。電源13(諸如DC電源） 可以用于在窄縫模由導(dǎo)電材料制成時將電力提供至窄縫模10和/或在窄縫模由非導(dǎo)電材料 制成時直接將電力提供至聚合物制劑9。電源13在窄縫模10和收集器15之間形成1 Okv至 300kV的電壓差，并且維持介于30kv和150kV之間的特定電壓差。在一個實施例中，靜電紡絲 裝置11可以包括正電極，其從高壓電源連接至窄縫模10,而收集器15可以接地(或帶相反的 電荷），從而在具有給定距離的窄縫模10和收集器15之間形成電勢。通過連接電源感應(yīng)的電 荷排斥帶電的聚合物制劑9遠離電荷源(窄縫模10/聚合物制劑9)，并且將聚合物制劑9的纖 維吸引至收集器15的收集表面。在另一實施例中，收集器15可以帶電，而窄縫模10接地或帶 相反電荷。在又一實施例中，窄縫模10和/或收集器15可以帶負電。在另一實施例中，收集器 15可以是分離且接地或帶與窄縫模10相反的電荷的兩個點或面。在一個替代性的實施例 中，聚合物制劑9(即溶液、彌散液、懸浮液或熔融液)可以帶電，而收集器15接地或帶相反電 荷。
[0032] 用于制備纖維的聚合物制劑(例如，溶液、彌散液、懸浮液和/或熔融液）的粘度可 以介于lcP和200,000cP之間。這種聚合物制劑可以栗送通過通路網(wǎng)19(諸如管、軟管、導(dǎo)管 等），并且以每厘米縫隙長度每小時0.1至5000毫升的速率或每厘米縫隙長度每小時10至 500毫升的速率提供至窄縫模10,進而提供至紡絲邊緣12。在一個實施例中，可以以均勻的 方式氣動、液壓、機械或借助重力而在縫隙長度上將聚合物制劑9供應(yīng)至紡絲邊緣12。根據(jù) 本發(fā)明的至少一個實施例，為了有助于均勻地纖維紡絲，重要的是在窄縫模的紡絲邊緣12 上提供均勻分布的聚合物制劑9，下文將更詳細地對此進行討論。
[0033]根據(jù)本文公開的方法靜電紡絲成纖維的材料包括葡聚糖、藻酸鹽、脫乙酰殼多糖、 聚乙烯基吡啶化合物、纖維素化合物、纖維素醚、水解的聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚羧酸 鹽、聚環(huán)氧乙烷、聚乙二醇、聚乙烯亞胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚（甲基丙烯酸）、聚 (乙烯醇）、聚（乙烯醇）12%乙酰、羥丙基纖維素、醋酸纖維素、硝酸纖維素、藻銨鹽、普魯蘭 多糖、黃原膠、聚氨酯（DSM(Bionate、Carbosil、Pursil)(TG-500、SP-93A-100、Tecophilic生產(chǎn)線）、ii :c|vailS〇Ur:Ce.?(C55D、C80A和Hydrothane))、聚苯乙稀、聚甲 基丙烯酸酯、鐵氟龍?、聚偏二氟乙烯、全氟烷氧、氟化乙烯丙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、 尼龍、PEBAX?、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙酯、聚酯、聚酰胺、聚(酰胺酸）、聚酰亞胺、聚 乳酸、聚乙醇酸、（聚乳酸和聚乙醇酸）的共混物或共聚物、聚氯乙烯、聚己內(nèi)酯、聚苯胺及其 共混物或共聚物。
[0034]上述聚合物的溶液和彌散液可以組合有各種添加劑和改良劑，諸如銀、碳酸鈣、透 明質(zhì)酸等，以在靜電紡絲纖維中形成有利的修改和特征。
[0035]圖2示出了具有平坦的紡絲邊緣24的靜電紡絲窄縫模的比較示例。平坦的紡絲邊 緣24沒有曲率半徑。平坦的窄縫模22在窄縫模22的排放端38處具有縫隙16。窄縫模的角部 32 '基本上限定正交角或直角。當向窄縫模22或聚合物制劑9施加電勢時，電場產(chǎn)生并且基 本上在角部32'處強化。在正交角部處強化的電場產(chǎn)生斥力，并且減少了附近的靜電紡絲射 流14的穩(wěn)定性(導(dǎo)致可能增大纖維斷裂、減少纖維均勻沉積以及增大纖維直徑范圍）。
[0036] 如圖3a_3j中所示，本發(fā)明的窄縫模10因特別地與傳統(tǒng)的筆直(平坦)邊緣24和筆 直/正交(例如約90°)角部32'不同而與傳統(tǒng)的窄縫模不同。這種傳統(tǒng)的"筆直"或正交特征 如圖2中所示。根據(jù)本發(fā)明，窄縫模10可以在窄縫模的排放端38處或附近限定基本上彎曲 (包括多半徑彎曲部或單半徑?。┑倪吘壓?或彎曲（包括多半徑弧或單半徑弧）的角部。本 文討論了示出替代性邊緣設(shè)計的一些示例性實施例(參見圖4a-51)。
[0037] 在一個實施例中，窄縫模10(10、10 '、10"）可以由導(dǎo)電材料(例如金、黃銅、銅、銀、 鋼、鉑或其它金屬及合金)制成。在其它的實施例中，窄縫模10(10、10'、10"）可以完全或部 分地由非金屬或非導(dǎo)電材料（例如塑料、陶瓷等）制成。如圖3h、4i和5h中所示，縫隙寬度 ("w"）或縫隙16的邊緣34之間的距離應(yīng)當足夠?qū)捯栽试S泰勒錐形成和穩(wěn)定性，通常所述縫 隙寬度或距離介于〇. 〇 1mm和10mm之間（包括本數(shù)）、或者介于0.05mm和1mm之間（包括本數(shù)）。 在一個實施例中，如圖3a和4a中所示，弧長（"L"）或縫隙16的邊緣34的長度可以介于lcm和 10m之間（包括本數(shù)），或者在一個實施例中介于5cm和lm之間（包括本數(shù)）。
[0038]圖3a_4m示出了本發(fā)明獨特的靜電紡絲窄縫模10(10、10'），其具有曲率半徑為7' 的紡絲邊緣12。紡絲邊緣12可以具有鋒利的邊緣34,如圖3d、4e和5d中所示。鋒利的邊緣34 限定的角度（Θ)提供了適當?shù)臄_動以形成泰勒錐。鋒利的邊緣34的角度（Θ)的范圍可以從1 度至90度(包括本數(shù)）、或1度至45度(包括本數(shù)）。每個窄縫模10(10、10'、10"）具有流體通路 網(wǎng)21，所述流體通路網(wǎng)包括位于流體進入端37處的流動通道26、腔28和紡絲邊緣12,其中縫 隙16位于窄縫模的排放端38處。腔28(同樣，整個流體通路網(wǎng)21)可以根據(jù)使用的聚合物制 劑9而具有不同的形狀。例如，腔28可以包括筆直壁36(如圖3a、4a和5a中所示），以用于形成 均勻的流動和分布。然而，筆直壁36可以具有彎曲部分、包括但不限于弓形部分（參見圖 8a)，筆直壁36之間的角度可以根據(jù)使用的聚合材料9發(fā)生改變，而不脫離本發(fā)明。
[0039]在一個實施例中，腔28可以包括發(fā)散部分29和會聚部分30。發(fā)散部分29從自流動 通道26的端部起始的較小長度（Γ)擴張至較大長度（1)，即縫隙的簾線跨度（cord length)。會聚部分30從較大寬度(W)變窄至較小的縫隙寬度(w)。本發(fā)明的流體通路網(wǎng)21的 目的可以是沿著縫隙的長度(L)盡可能均勻地將聚合物制劑9提供至窄縫模，并且如本領(lǐng)域 技術(shù)人員將理解的，可以使用多種其它未示出的通路網(wǎng)。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例所示，如圖3a-3f所示，窄縫模10具有紡絲邊緣12,所述 紡絲邊緣可以沿著其長度(L)彎曲，紡絲邊緣因而限定具有曲率半徑(r)的至少一個弧。根 據(jù)本發(fā)明的一些方面，紡絲邊緣12的半徑以及窄縫模10的尺寸、鋒利度和形狀影響電場的 形狀和紡絲材料的流動。曲率半徑"r"可以被最優(yōu)化(如下所述），以便與具有傳統(tǒng)"筆直"特 征的窄縫模22相比增大生產(chǎn)的纖維和非織造材料二者的產(chǎn)量和均勻性。
[0041 ]根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例，窄縫模的設(shè)計的一個目標是沿著紡絲邊緣12盡可 能地形成均勻的電場。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例（例如參見圖3a-4m)，為了形成均勻的電 場，紡絲邊緣沿著紡絲邊緣12的弧長（"L"）具有曲率(半徑）。根據(jù)一個示例性的實施例，彎 曲的紡絲邊緣12限定了曲率半徑"r"為lcm至1米、或曲率半徑"r"為5cm至100cm的單個弧。 與其中電場在角部32'處增強、排斥射流14并且導(dǎo)致射流不穩(wěn)定的平坦窄縫模22相比，紡絲 邊緣12的曲率半徑感應(yīng)實質(zhì)上更均勻的電場。因而，與具有平坦紡絲邊緣24的平坦窄縫模 22所能產(chǎn)生的相比，具有彎曲紡絲邊緣12的窄縫模10能夠產(chǎn)生更高的產(chǎn)量和更大的可使用 墊寬度。可使用墊寬度是這樣的墊寬度，其基本上平行于紡絲邊緣的長度并且被定義為是 在自墊中心測量的墊厚度或墊深度（即基本上垂直于墊寬度)變化20%或更小時的墊寬度。 當將具有正交角部的平坦或不帶半徑的窄縫模22與具有弓形紡絲邊緣12并且弓形紡絲邊 緣的曲率半徑被限定在前述范圍內(nèi)的窄縫模1〇、1〇'相比時，由具有彎曲紡絲邊緣的窄縫模 所生產(chǎn)的合成非織造墊的可使用寬度可以增大10%至1000%、或增大25%至250%。
[0042] 在一個實施例中，可以使用具有多個縫隙的窄縫模和/或串聯(lián)或并聯(lián)的多個單縫 隙窄縫模，而不脫離本發(fā)明。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明，可以控制、改變或改進非織造墊的其它特性。這些特性包括但不限 于:纖維直徑、孔隙率、纖維均勻性、總紡絲寬度、纖維質(zhì)量、纖維定向、氣流、透氣性、細胞狀 向內(nèi)生長、細胞連接、表面積、拉伸強度、最大負荷、彈性、不透明性、孔尺寸和起泡點。例如， 在美國專利化.8,262,979和美國專利公開文獻如.2013/0268062六1、2013/0053948六1和 2013/0197664A1中描述了在非織造墊中感興趣的各種特性，這些文獻全文并入在此以作為 參考。
[0044]圖4a_4g示出了與圖3a的窄縫模10相比紡絲邊緣12的曲率半徑更小的窄縫模10 '。 在另一實施例中，角部32(參見圖4a、5a和8a)可以是基本上彎曲的（包括圓化的、即弓形 的），具有足夠大至形成基本上均勻電場的曲率半徑，并且通?？梢越橛?mm和1m之間（包括 本數(shù))或者介于1mm和100mm之間（包括本數(shù)）。與具有平坦紡絲邊緣24和基本上限定直角的 角部32'的窄縫模22相比，圓化角部32還分散感應(yīng)的電場、減少在角部32處電場增大以及電 場對靜電紡絲射流14的影響。圓化角部32可以與紡絲邊緣相鄰并且從紡絲邊緣向外延伸。 在一個示例中，圓化角部可以位于紡絲邊緣近側(cè)，而在另一實施例中，窄縫模在紡絲邊緣和 圓化角部之間可以具有肩臺部分20。
[0045] 在一些實施例中，窄縫模10(10、10'、10"）可以包括肩臺部分20，所述肩臺部分在 縫隙16的邊緣和彎曲角部32的邊緣之間延伸并且連接兩者。肩臺部分20可以是彎曲或筆直 的，并且其長度范圍可以從1mm至10m(包括本數(shù)）、從lcm至lm(包括本數(shù)）、或者在一個實施 例中從lcm至30cm(包括本數(shù)）。根據(jù)本發(fā)明的替代性實施例，肩臺部分20還可以進行其它成 形、定位、設(shè)置和/或省略，而不脫離本發(fā)明。
[0046] 在本發(fā)明的一些實施例中，彎曲的紡絲邊緣12、肩臺部分20和彎曲角部32影響泰 勒錐穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明，不同的紡絲邊緣12、肩臺部分20和角部32的幾何形狀可以改變電 場的非均勻性(和均勻性）的程度，因而不同地影響泰勒錐穩(wěn)定性。當從具有平坦紡絲邊緣 24和直角角部32'的窄縫模22(圖2)形成射流14和紡絲時，由于在高電壓(例如超過80kV的 電壓)施加至窄縫模或聚合物制劑9時電場的不均勻性而會導(dǎo)致形成不穩(wěn)定性。由于不均勻 電場引起的不穩(wěn)定性使得泰勒錐在?？p隙16上"行走"或移動。射流14的這種移動使得一旦 射流到達縫隙長度的端部即終止射流14。新的射流可以形成以替代當前終止的射流;然而， 射流終止和再形成會導(dǎo)致纖維缺陷和斷裂。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過使得在窄縫模 縫隙16的弧長（"L"）上電場更均勻而穩(wěn)定泰勒錐或射流的移動，因而增大了射流壽命并且 減少了缺陷和纖維斷裂量(例如，根據(jù)靜電紡絲聚合物制劑9的特性和電場的均勻性而為 10-1000%)。彎曲紡絲邊緣12和彎曲角部32通過阻止或減少電場在直角角部處增強而形成 了均勻的電場(或者在一些實施例中改變非均勻性的程度）。此外，泰勒錐或射流的穩(wěn)定性 也使得纖維尺寸分布變窄并且增大了非織造墊的均勻性。除了改善射流穩(wěn)定性之外，射流 14的數(shù)量隨著紡絲邊緣的曲率半徑的減少而增多。減少紡絲邊緣的曲率半徑使得相同的縫 隙長度中將形成的射流數(shù)量增大1 %至200%。增大的射流數(shù)量可以使產(chǎn)量增大5-200%。 [0047]在一個實施例中，窄縫模10(10、10'、10"）可以包括具有相同部件的兩個半部部分 54(圖3a-51中所示）。兩個半部部分54可以通過粘合劑或機械緊固器件58(諸如螺釘、螺栓 或類似器件)而保持在一起，如圖3j、4k和5j中所示。作為替代，窄縫模的一個半部可以包括 流體流動部件（即流動通道、腔等），而窄縫模的另一半部可以是用于封閉窄縫模的窄縫模 蓋板(未示出）。窄縫模蓋板可以或可以不包括流體流動部件。
[0048]圖6-7是在靜電紡絲處理期間射流14的排放的圖示，其中電場施加在聚合物制劑9 上以使得射流14從窄縫模10和10"上噴出。射流數(shù)量受使用的聚合物制劑9的類型、電壓、收 集器高度和聚合物制劑9的粘性所影響。圖6示出了具有弓形紡絲邊緣12和圓化角部32的窄 縫模10,而圖7示出了具有平坦紡絲邊緣24和圓化角部32的窄縫模10"。此外，隨著窄縫模的 紡絲邊緣12的曲率半徑"r"減小，纖維缺陷減少，纖維均勻性增加。
[0049] 下表1示出了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例一些特性如何可被影響。
[0050] 表1-根據(jù)一些實施例可獲得的纖維和織物特性
[0052]示例 1
[0053]使用類似于如圖2中所示的窄縫模22的平坦窄縫模設(shè)計而靜電紡絲聚氨酯(PU)。 使用注射器以90ml/hr的速度將包含7.5wt%的TG-500(Lubrizol)的乙酸溶液栗送至平坦 (非半徑式)紡絲窄縫模，平坦紡絲窄縫模的縫隙長度為1.187"、縫隙寬度為0.008"。所施加 的電壓為95kV，窄縫模和收集器15之間的距離為12英寸。生產(chǎn)的非織造墊具有3英寸的可使 用墊寬度，〇.824um的平均纖維直徑。
[0054] 示例2
[0055] 根據(jù)本發(fā)明，使用圖3 j所示的半徑式窄縫模10而靜電紡絲聚氨酯(PU)。使用注射 器以90ml/hr的速度將包含7.5wt%的TG-500(Lubrizol)的乙酸溶液栗送至半徑式紡絲窄 縫模，半徑式紡絲窄縫模的紡絲邊緣的曲率半徑為5.5英寸、縫隙長度為1.187"、縫隙寬度 為0.006"。所施加的電壓為95kV，窄縫模10和收集器15之間的距離為12英寸。生產(chǎn)的非織造 墊具有4英寸的可使用墊寬度，0.865um的平均纖維直徑。這表明了與示例1的平坦窄縫模相 比在相同的紡絲條件下可使用墊寬度增大了 1英寸或25%。
[0056] 示例 3
[0057] 使用如圖5j和8a中所示的包括平坦邊緣(紡絲邊緣不帶有曲率半徑）以及圓化/彎 曲角部的模設(shè)計而靜電紡絲HJ。在12"的高度處以97kV的電壓和90mL/hr的流速從兩個模靜 電紡絲包含9wt%TG-500的乙酸溶液。兩個模的窄縫間隙（即縫隙）寬度不同，其中樣本3.1 由圖8a中所示的具有0.012"間隙寬度的模10"生產(chǎn)，而樣本3.2由圖5 j中所示的具有0.007" 間隙寬度的模生產(chǎn)。
[0058]在具有不同間隙寬度的模生產(chǎn)的兩片薄片之間具有兩個顯著的差別。0.012"間隙 模生產(chǎn)了具有0.4英寸更大可使用寬度的靜電紡絲PU薄片。然而，其也伴隨有顯然更多的表 面缺陷。這類表面缺陷通常歸因于射流不穩(wěn)定。這么看來更大的間隙寬度引起了這兩個差 另IJ。根據(jù)電壓(在這個示例中電壓設(shè)置較高），更大的間隙將允許更大的射流和/或更多的射 流。增大的墊寬度被認為是由于數(shù)量更多的射流，而增大的射流數(shù)量還將導(dǎo)致射流之間更 大的排斥，并且因而會引起射流"走動"，其中射流沿著紡絲邊緣移動。這種行為導(dǎo)致斷裂纖 維以及射流之間的纏結(jié)，這兩者均會導(dǎo)致表面缺陷?？刂萍徑z參數(shù)結(jié)合間隙寬度可以允許 生產(chǎn)各種薄片寬度和密度。
[0059] 雖然在本發(fā)明的一些方面中，目標是最大化穩(wěn)定性和控制泰勒錐或射流以便獲得 更均勻的纖維和靜電紡絲織物，但本發(fā)明的一些實施例旨在通過根據(jù)上述原理操作窄縫模 的各方面(例如，縫隙寬度、紡絲邊緣和/或角部的曲率)而控制和利用所引起的不穩(wěn)定性， 以用于在靜電紡絲織物上產(chǎn)生具有較低高寬比或長度的纖維、更多的斷裂纖維和表面缺 陷，如根據(jù)前文描述所理解的?？刂齐妶龅姆€(wěn)定性以及因而控制形成在窄縫模表面的泰勒 錐或射流的穩(wěn)定性的能力是控制纖維和生產(chǎn)的靜電紡絲織物的均勻性的關(guān)鍵。盡管最潛在 的應(yīng)用受益于增大的均勻性，但還存在一些這樣的應(yīng)用，在所述應(yīng)用中引起的缺陷和均勻 性差異是重要的。
[0060] 上述說明基本上示出和描述了本發(fā)明的各個實施例?？紤]到上文中提供的數(shù)值， 例如在類似于上述實施例的其它實施例中這些數(shù)值可以是近似值。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員 將理解的是，可以對本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)進行各種改變和修改，而不脫離本文所公開的本發(fā) 明精神和范圍，并且旨在的是上文所含或附圖中所示的所有因素均應(yīng)當理解為是示意性 的，而不認為是限制性的。而且，本發(fā)明的范圍應(yīng)當理解為涵蓋了對上述實施例進行的各種 修改、組合、補充和改變等以及超出上述實施例的各種修改、組合、補充和改變等，這應(yīng)當認 為是落入了本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，本文所公開的本發(fā)明的各個特征和特性可以選擇性地 互換以及應(yīng)用于本發(fā)明中示出和未示出的其它實施例中，并且還可以對本發(fā)明進行大量改 變、修改和補充，而不脫離如隨附權(quán)利要求中所述的本發(fā)明的精神和范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種用于高產(chǎn)量地生產(chǎn)靜電紡絲纖維的方法，所述方法包括： 將聚合物制劑提供至裝置的窄縫模，其中，窄縫模具有帶縫隙的紡絲邊緣以及鄰近紡 絲邊緣的至少一個角部，聚合物制劑包括這樣的材料，所述材料選自于包含聚合物溶液、聚 合物彌散液、聚合物懸浮液、聚合物熔融液及其任意組合的組； 將電壓施加至裝置和聚合物制劑中的至少一者的至少一部分上； 利用窄縫模在紡絲邊緣上產(chǎn)生電場；以及 利用射流形成多個泰勒錐，以將聚合物制劑延展成纖維結(jié)構(gòu)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，紡絲邊緣是彎曲的。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，紡絲邊緣的曲率半徑為至少lcm。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，紡絲邊緣的曲率半徑介于5cm和IOOcm之間并且包 括5cm和100cm。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述至少一個角部是圓化的。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，紡絲邊緣是平坦的，所述至少一個角部包括第一 角部和第二角部，第一角部和第二角部是圓化的。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述裝置包括電源，以在窄縫模和收集器之間施 加電壓差，電壓差介于IOkV和300kV之間。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，纖維結(jié)構(gòu)包括直徑小于10微米的已延展纖維。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述裝置包括收集區(qū)域，在所述收集區(qū)域上具有 至少一個電接地點，所述方法還包括在收集區(qū)域內(nèi)收集纖維結(jié)構(gòu)的步驟。10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，電場在紡絲邊緣上基本上是均勻的。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，窄縫模被成形以控制電場的穩(wěn)定性或不穩(wěn)定性。12. -種用于高產(chǎn)量地生產(chǎn)靜電紡絲纖維的裝置，所述裝置包括： 窄縫模，所述窄縫模具有帶縫隙的紡絲邊緣以及鄰近紡絲邊緣的至少一個角部，窄縫 模被成形以在電壓被施加至窄縫模時沿著縫隙和紡絲邊緣控制電場； 收集器，所述收集器安裝成與窄縫模具有一定距離； 電源，所述電源在窄縫模和收集器之間施加電壓差；以及 通路，所述通路將聚合物制劑供應(yīng)至窄縫模。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，窄縫模還包括流動通道和腔。14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，紡絲邊緣沿著縫隙的長度限定至少一個弧。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述至少一個弧的曲率半徑為至少lcm。16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述至少一個弧的曲率半徑介于5cm和IOOcm之 間并且包括5cm和IOOcm 〇17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述至少一個角部包括鄰近紡絲邊緣的第一角 部和第二角部，第一角部和第二角部是圓化的。18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，紡絲邊緣是平坦的，所述至少一個角部包括鄰 近紡絲邊緣的第一角部和第二角部，第一角部和第二角部是圓化的。19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，窄縫模在紡絲邊緣的邊緣處包括圓化角部。20. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，窄縫模被成形以產(chǎn)生基本上均勻的電場。21. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，窄縫模被成形以控制非均勻的電場。22. -種用于靜電紡絲纖維的窄縫模，所述窄縫模包括： 具有縫隙的紡絲邊緣， 與紡絲邊緣相鄰的至少一個角部，以及 流體通路網(wǎng)，所述流體通路網(wǎng)用于將聚合物制劑提供至縫隙；以及 其中，紡絲邊緣和所述至少一個角部中的至少一者限定彎曲部。23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的窄縫模，其中，所述至少一個角部是圓化角部。24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的窄縫模，其中，紡絲邊緣限定彎曲部。25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的窄縫模，其中，紡絲邊緣是平坦的。26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的窄縫模，其中，紡絲邊緣限定了彎曲部并且所述至少一個角 部限定了彎曲部。
【文檔編號】D01D5/00GK105934542SQ201480074098
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2014年12月18日
【發(fā)明人】R·L·巴拉德, B·L·安尼奧克斯, S·喬瓦尼尼, J·L·馬內(nèi)斯科, Z·沃布
【申請人】宙斯工業(yè)產(chǎn)品股份有限公司