專利名稱：一種通過電吹制紡絲法制備納米纖維的方法及制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過電吹制紡絲(electro-blown spinning)的納米纖維網(wǎng)制備裝置和方法，特別涉及一種其中熱塑和熱固樹脂都可應(yīng)用、溶液不需加熱并且很容易實現(xiàn)絕緣的納米纖維網(wǎng)制備裝置和方法。這里，“電吹制”是指在納米纖維的紡絲中注入壓縮空氣同時施加高電壓。“電吹制紡絲”則是指采用電吹制方法的紡絲。
背景技術(shù)：
一般來說，由于無紡布的應(yīng)用多種多樣，無紡布的消費是逐步增加的，這也使得各種無紡布制造方法得到了發(fā)展。
包括美國在內(nèi)的許多國家已經(jīng)進行了各種研究來開發(fā)用于制造由超高精細(xì)納米纖維(以下將稱為納米纖維網(wǎng))構(gòu)成的無紡布的技術(shù)。超高精細(xì)納米纖維(ultra-fine nanofiber)比傳統(tǒng)的超精細(xì)纖維先進了一個階段。這類技術(shù)仍然處于初始階段，沒有進行商業(yè)化。而傳統(tǒng)的技術(shù)則停留在這樣一個階段，即其制備出來的超精細(xì)纖維的直徑約為幾微米。直徑約為幾納米到幾百納米的納米纖維不能通過傳統(tǒng)的超精細(xì)纖維技術(shù)制出。納米纖維每單位體積的表面積之大是傳統(tǒng)超精細(xì)纖維所無法比的?？梢灾瞥鼍哂胁煌砻嫣卣?、結(jié)構(gòu)和化合成分的納米纖維，以克服由傳統(tǒng)超精細(xì)纖維制成的物品的物理屬性的限制，同時可以制出具有新性能的物品。
眾所周知，采用上述納米纖維制備方法的納米纖維網(wǎng)可以被用作超高精細(xì)過濾網(wǎng)、電氣-電子工業(yè)材料、醫(yī)藥生物材料以及高性能合成物等。
到目前為止，用于制備超高精細(xì)纖維的技術(shù)可以分為三種方法，包括瞬時紡絲法(flash spinning)、靜電紡絲法和熔化吹制(melt-blown)紡絲法。這些技術(shù)被受讓人先前提交的名稱為“超高精細(xì)單纖維制備方法”的韓國未決公開專利申請第10-2001-31586號和10-2001-31587號所公開。
同時，韓國未決公開專利申請第10-2001-31586號公開了可以通過系統(tǒng)地綜合熔化吹制紡絲法和靜電紡絲法以高效地大規(guī)模生產(chǎn)和制造出納米級的納米纖維。圖5示意性地示出了用于解釋這種技術(shù)的方法。參照圖5，熱塑性聚合物通過漏斗被供應(yīng)給壓出機12，在壓出機12中熱塑性聚合物被熔化成液體聚合物。熔化的液體聚合物被注入到噴絲頭(spinnerette)14中，并隨后與熱空氣一起通過紡絲噴嘴(spinning nozzle)16進入電場被紡絲。電場產(chǎn)生在加有電壓的紡絲噴嘴16與集合器(collector)18之間。在集合器18上紡絲出的單纖維被抽氣送風(fēng)機20以網(wǎng)的形式收集。
韓國未決公開專利申請第10-2001-31587號還公開了可以通過系統(tǒng)地綜合熔化吹制紡絲法和靜電紡絲法而高效地大規(guī)模生產(chǎn)和制造出納米級的納米纖維。圖6示意性地示出了用于解釋這種技術(shù)的方法。參照圖6，聚合物溶液從儲存槽22被注入到帶有壓縮泵24的噴絲頭26中，并通過解壓口28和隨后的紡絲噴嘴30進入電場被紡絲。電場產(chǎn)生在加以電壓的紡絲噴嘴30和集合器32之間。在集合器32上紡絲出的單纖維被抽氣送風(fēng)機34以網(wǎng)的形式收集。
可以明白，由納米纖維組成的納米纖維網(wǎng)可根據(jù)上述兩種技術(shù)制出。
然而，由于絕緣不易形成，可以應(yīng)用的樹脂受到限制，并且需要加熱，因此前述的傳統(tǒng)技術(shù)有許多缺點。
本發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明就是針對解決上述問題而做出的。因此本發(fā)明的目的是提供一種納米纖維網(wǎng)制備方法，在該方法中，熱塑樹脂和熱固樹脂都可使用，溶液不需被加熱，并且絕緣很容易實現(xiàn)。
本發(fā)明的另一個目的是提供用來實現(xiàn)上述制備方法的納米纖維網(wǎng)制備裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種納米纖維網(wǎng)制備方法，包括以下步驟將溶解在給定溶劑中的聚合物溶液供應(yīng)給紡絲噴嘴；通過施加有高電壓的所述紡絲噴嘴排出所述聚合物溶液，同時通過所述紡絲噴嘴的下端注入壓縮空氣；以及在所述紡絲噴嘴下方接地的抽氣集合器上以網(wǎng)的形式收集紡絲出的纖維。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種納米纖維網(wǎng)制備裝置，所述裝置包括儲存槽，用于制備聚合物溶液；紡絲噴嘴，用于排出從所述儲存槽供應(yīng)的聚合物溶液；空氣噴嘴，其置于所述紡絲噴嘴的下端附近，用于注入壓縮空氣；用于向所述紡絲噴嘴施加高電壓的裝置；以及接地的集合器，用于以網(wǎng)的形式收集從所述紡絲噴嘴排出的紡絲纖維。
附圖的簡要說明

圖1示出了本發(fā)明所述納米纖維網(wǎng)制備裝置的結(jié)構(gòu)；圖2A是在刀口處帶有空氣噴嘴的噴絲頭的剖面圖；圖2B是帶有圓筒形空氣噴嘴的另一種噴絲頭的剖面圖；圖3示意性地示出了通過系統(tǒng)地綜合熔化吹制紡絲法和電吹制紡絲法的納米纖維制備方法；以及圖4示意性地示出了通過系統(tǒng)地綜合瞬時紡絲法和靜電紡絲法的納米纖維制備方法。
本發(fā)明的具體實施方式
圖1示出了本發(fā)明的納米纖維網(wǎng)制備裝置的結(jié)構(gòu)，用來說明納米纖維網(wǎng)的制備方法。圖2A和圖2B示出了噴嘴結(jié)構(gòu)，用來說明紡絲噴嘴和空氣噴嘴。納米纖維網(wǎng)的制備方法將參照圖1至圖2B得到詳細(xì)描述。
通過聚合物和溶劑的混合，儲存槽100制備出聚合物溶液。用于本發(fā)明的聚合物不限于熱塑樹脂，而可以利用大多數(shù)合成樹脂如熱固樹脂?？捎镁酆衔锏睦影ň埘啺贰⒛猃?、聚芳酰胺、聚苯并咪唑、聚醚酰亞胺、聚丙烯腈、PET(聚乙烯對苯二甲酸酯)、聚丙烯、聚苯胺、聚乙烯氧化物、PEN(萘二甲酸乙二醇酯)，PBT(聚丁烯對苯二酸酯)、SBR(苯乙烯丁二烯橡膠)、聚苯乙烯，PVC(聚氯乙稀)、聚乙烯醇、PVEDF(聚偏二氯乙烯)、聚乙烯丁烯以及共聚物或其派生化合物。聚合物溶液通過選擇與上述聚合物相應(yīng)的溶劑而制備出來。盡管圖1所示的裝置采用壓縮結(jié)構(gòu)將壓縮空氣或氮氣強制吹入儲存槽100，以從儲存槽100里供應(yīng)聚合物溶液。但任何不會限制聚合物溶液供應(yīng)的公知裝置都可被采用。聚合物溶液可以與添加劑相混合，添加劑包括可與相應(yīng)聚合物兼容的任何樹脂、增塑劑、紫外線穩(wěn)定劑、交聯(lián)劑、固化劑、反應(yīng)引發(fā)劑等。雖然大多數(shù)聚合物的溶解不需要任何特定的溫度范圍，但可能需要進行加熱以幫助溶解反應(yīng)。
聚合物溶液從儲存槽100經(jīng)過噴絲頭102的紡絲噴嘴104排出。噴嘴104是電絕緣的并被施加高電壓。在得到空氣加熱器108的加熱以后，壓縮空氣通過安置在紡絲噴嘴104側(cè)面的空氣噴嘴106注入。
現(xiàn)在參考圖2A和圖2B，其中示出了噴絲頭102中的紡絲噴嘴104和空氣噴嘴106的結(jié)構(gòu)。圖2A示出了與圖1所示相同的結(jié)構(gòu)，其中空氣噴嘴106被安置在紡絲噴嘴104兩側(cè)的刀口(knife edge)處。在圖2A所示的紡絲噴嘴104中，聚合物溶液從上部流入紡絲噴嘴104，并經(jīng)過下端的毛細(xì)管被注入。由于許多上述結(jié)構(gòu)的紡絲噴嘴按照給定的間距排列在一條直線上，同時許多空氣噴嘴106被安置在紡絲噴嘴104兩側(cè)的刀口處并與其排列相平行，因此使用一定數(shù)量的紡絲噴嘴104可以有利地紡絲出納米纖維。對于各部件的優(yōu)選尺度來說，每個空氣噴嘴106都具有氣隙a，其可用尺寸在約0.1mm到5mm的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地約為0.5到2mm。下端毛細(xì)管具有直徑d，其可用尺寸在約為0.1mm到2.0mm的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地約為0.2到0.5mm。空氣噴嘴106的下端毛細(xì)管具有可用的長度與直徑比L/d，其范圍約為1到20，優(yōu)選地約為2到10。噴嘴凸起e的長度與空氣噴嘴106的下端和紡絲噴嘴104的下端之間的距離相對應(yīng)，并起到防止紡絲噴嘴104污染的作用。噴嘴凸起e的長度優(yōu)選地約為-5到10mm，更特別地為0到10mm。
圖2B所示的紡絲噴嘴104具有與圖2A所示結(jié)構(gòu)基本等同的結(jié)構(gòu)，只是空氣噴嘴106帶有環(huán)繞紡絲噴嘴104的圓筒形結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，壓縮空氣從通過紡絲噴嘴104紡出的納米纖維周圍的空氣噴嘴106均勻地注入，因而比圖2A所示的結(jié)構(gòu)(也就是刀口處的空氣噴嘴)具有更好的方向性。在需要大量紡絲噴嘴的情況下，紡絲噴嘴104和具有上述結(jié)構(gòu)的空氣噴嘴106被安置在噴絲頭中。但是，這種結(jié)構(gòu)的制造方法比圖2A所示結(jié)構(gòu)的制造方法需要付出更多的努力。
現(xiàn)在再次參照圖1，從噴絲頭102的紡絲噴嘴104中排出的聚合物溶液以網(wǎng)的形式被收集在紡絲噴嘴104下方的抽氣集合器110上。集合器110是接地的，并被設(shè)計為通過空氣收集管114來抽氣，空氣就可以通過紡絲噴嘴104與集合器110之間的高電壓并在送風(fēng)機112的吸力作用下被吸入。送風(fēng)機吸入的空氣包含溶劑，因此優(yōu)選地設(shè)計一個溶劑回收系統(tǒng)(SRS，未示出)來回收溶劑并同時通過其重復(fù)利用空氣。所述SRS可以采用公知的結(jié)構(gòu)。
在上述制備方法的結(jié)構(gòu)中，施加電壓的部分或接地的部分明顯地與其它部分分開，從而容易地實現(xiàn)了絕緣。
本發(fā)明通過空氣噴嘴106注入壓縮空氣而通過集合器110吸入空氣，這樣就能將噴嘴污染減到最小并且成為本發(fā)明的最佳優(yōu)點。雖然上面沒有清楚描述，但在通過除熔化吹制紡絲法之外的紡絲制備方法中，噴嘴污染是非常嚴(yán)重的阻礙因素。通過壓縮空氣的注入和吸入，本發(fā)明能將噴嘴污染減到最小。由于因噴嘴凸起e的調(diào)整而注入的壓縮空氣能夠清洗噴嘴，所以噴嘴凸起e更優(yōu)選的功能是清除噴嘴污染。
另外，可以在集合器上安置具有一定形狀的襯底用以在襯底上收集并合成紡出的纖維網(wǎng)，從而使這種合成纖維網(wǎng)可被用作高性能過濾器、手帕(wiper)等。所述襯底的例子可以包括各種無紡布，如熔化吹制的無紡布、針織和紡織花邊(spunlace)無紡布、紡織布、針織布、紙等，并且只要納米纖維層能夠被添加到襯底上，襯底的使用就可以不受限制。
本發(fā)明具有下述方法條件。
施加在噴絲頭102上的電壓優(yōu)選地在約1到300KV范圍內(nèi)，更優(yōu)選地約為10到100kV。聚合物溶液可在0.01到200kg/cm2的壓力范圍下排出，優(yōu)選地在0.1到20kg/cm2的壓力范圍下排出。這樣使得聚合物溶液能夠大量排出，從而滿足大量制造的需要。與靜電紡絲方法相比，本發(fā)明的方法能夠以大約0.1到5cc/分鐘-孔的高排放率排出。
通過空氣噴嘴106注入的壓縮空氣具有約10到10000米/分鐘的流速，優(yōu)選地約為100到3000米/分鐘?？諝鉁囟葍?yōu)選地為室溫到約300℃的范圍，更優(yōu)選地為室溫到約100℃的范圍。沖模到集合器的距離(Dieto Collector Distance-DCD)，也就是紡絲噴嘴104的下端與抽氣集合器110之間的距離，優(yōu)選地約為1到200cm，更優(yōu)選地為10到50cm。
下面將在隨后的例子中更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
利用聚丙稀腈(PAN)作為聚合物并以DMF作為溶劑，制備出具有20W％濃度的聚合物溶液，并隨后用如圖1所示的刀口處的噴絲頭進行紡絲。聚合物溶液根據(jù)下列條件被紡絲紡絲噴嘴的直徑約為0.25mm，噴嘴的L/d為10，LCD為200mm，紡絲壓力為6kg/cm2，并且所施加的電壓為直流50kV。
具有如圖1所示結(jié)構(gòu)的刀口處的噴絲頭在以下例子中得到使用。紡絲噴嘴的直徑為0.25mm，噴嘴的L/d為10，DCD在例1到例3中是變化的，并在例4到例10中被設(shè)為300mm。紡絲噴嘴的數(shù)量為500，沖模(Die)的寬度為750mm，噴嘴凸起e約為0到3mm，空氣噴嘴中的壓縮空氣的流速備保持在300到3000米/分鐘。
表1

例1的流動性和紡絲能力良好，但網(wǎng)的構(gòu)造較差。例2和例3的流動性、紡絲能力和網(wǎng)的構(gòu)造良好。對SEM圖片的檢測表明直徑分布在500nm到2μm之間。具體而言，在例3中可以看出，均勻的直徑分布在500nm到1.2μm范圍內(nèi)。在對比的例子1中，很難制備出25％的PAN溶液，所以不能獲得任何結(jié)果。
表2

表2報告了例4到例10的條件和結(jié)果，其中使用尼龍66作為聚合物，使用蟻酸作為溶劑，聚合物溶液的濃度為25％。表2中的直徑分布是SEM(掃描電子顯微鏡)圖片檢測的結(jié)果，其中具有均勻直徑的納米纖維以網(wǎng)狀形式不規(guī)則地排列。
工業(yè)應(yīng)用如上面所闡明的，本發(fā)明可以使網(wǎng)由纖維細(xì)度范圍從幾納米到幾百納米的納米纖維組成。另外，本發(fā)明的制備方法比傳統(tǒng)的靜電紡絲方法具有更高的排放率，因而有大量制造納米纖維的潛力。另外，由于使用了聚合物溶液，本發(fā)明具有加熱聚合物的需求被減少、熱塑和熱固樹脂都能使用的優(yōu)點。
此外，在用于電吹制紡絲的結(jié)構(gòu)中，噴絲頭能夠很容易地實現(xiàn)絕緣，同時溶劑能夠通過抽取而被回收。
權(quán)利要求
1.一種納米纖維網(wǎng)制備方法，包括以下步驟將溶解在給定溶劑中的聚合物溶液供應(yīng)給紡絲噴嘴；通過施加有高電壓的所述紡絲噴嘴排出所述聚合物溶液，同時通過所述紡絲噴嘴的下端注入壓縮空氣；以及在所述紡絲噴嘴下方接地的抽氣集合器上對所述聚合物溶液進行紡絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米纖維網(wǎng)制備方法，其特征在于，施加于所述紡絲噴嘴的電壓約為1到300kV。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米纖維網(wǎng)制備方法，其特征在于，所述聚合物溶液在壓力范圍約為0.01到200kg/cm2的排放壓力下通過所述紡絲噴嘴被壓縮排出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米纖維網(wǎng)制備方法，其特征在于，所述壓縮空氣的流速約為10到10000米/分鐘，并且其溫度約為室溫到300℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米纖維網(wǎng)制備方法，其特征在于，所述壓縮空氣的溫度為室溫到300℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米纖維網(wǎng)制備方法，其特征在于進一步包括以網(wǎng)的形式從所述集合器上的紡絲聚合物溶液收集纖維的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米纖維網(wǎng)制備方法，其特征在于，所述集合器上設(shè)有襯底，以用于以網(wǎng)的形式收集所述襯底上紡出的纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米纖維網(wǎng)制備方法，其特征在于，所述聚合物是從以下群組中選出的一種，所述群組包括聚酰亞胺、尼龍、聚芳酰胺、聚苯并咪唑、聚醚酰亞胺、聚丙烯腈、PET(聚乙烯對苯二甲酸酯)、聚丙烯、聚苯胺、聚乙烯氧化物、PEN(萘二甲酸乙二醇酯)，PBT(聚丁烯對苯二酸酯)、SBR(苯乙烯丁二烯橡膠)、聚苯乙烯，PVC(聚氯乙稀)、聚乙烯醇、PVEDF(聚偏二氯乙烯)、聚乙烯丁烯以及共聚物或其派生化合物。
9.一種用于制備納米纖維網(wǎng)的納米纖維網(wǎng)制備裝置，包括儲存槽，用于制備聚合物溶液；紡絲噴嘴，用于排出從所述儲存槽供應(yīng)的聚合物溶液；空氣噴嘴，其置于所述紡絲噴嘴的下端附近，用于注入壓縮空氣；用于向所述紡絲噴嘴施加高電壓的裝置；以及接地的集合器，用于以網(wǎng)的形式收集從所述紡絲噴嘴排出的紡絲纖維。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米纖維網(wǎng)制備裝置，進一步包括設(shè)于所述紡絲噴嘴的下部的毛細(xì)管，其特征在于，所述毛細(xì)管的直徑約為0.1到2mm，其長度與直徑之比約為1到20。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米纖維網(wǎng)制備裝置，其特征在于，所述用來注入壓縮空氣的空氣噴嘴被安置在所述紡絲噴嘴兩側(cè)的刀口處，并且具有約0.1到5.0mm的間隔或氣隙。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米纖維網(wǎng)制備裝置，其特征在于，所述空氣噴嘴具有環(huán)繞所述紡絲噴嘴的圓筒形，并具有約0.1到5.0mm的寬度或氣隙。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米纖維網(wǎng)制備裝置，其特征在于，所述紡絲噴嘴的下端與所述集合器的間隔約為1到200cm。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米纖維網(wǎng)制備裝置，進一步包括用于將空氣從紡絲空間抽到所述集合器中的送風(fēng)機，其特征在于，所述送風(fēng)機將空氣供應(yīng)到用于回收溶劑的溶劑回收系統(tǒng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米纖維網(wǎng)制備裝置，其特征在于，一噴嘴凸起對應(yīng)于空氣噴嘴的下端與紡絲噴嘴的下端之間的高度差，所述噴嘴凸起為-5mm到10mm。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米纖維網(wǎng)制備裝置，其特征在于進一步包括用于將所述聚合物溶液從所述儲存槽供應(yīng)給所述紡絲噴嘴的泵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過電吹制紡絲的納米纖維網(wǎng)制備裝置和方法。所述納米纖維網(wǎng)制備方法包括將溶解在給定溶劑中的聚合物溶液供應(yīng)給紡絲噴嘴；通過施加有高電壓的所述紡絲噴嘴排出所述聚合物溶液，同時通過所述紡絲噴嘴的下端注入壓縮空氣；以及以網(wǎng)的形式在所述紡絲噴嘴下方的接地的抽氣集合器上收集紡出的纖維。在所述方法中，熱塑樹脂和熱固樹脂都可使用，無需加熱，并且很容易實現(xiàn)絕緣。
文檔編號D04H1/728GK1511200SQ02810669
公開日2004年7月7日 申請日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月26日
發(fā)明者金容珉, 安敬烈, 成永彬, 張來相 申請人:納米技術(shù)有限公司