專利名稱：改進的電吹纖維網(wǎng)形成工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于形成纖維網(wǎng)(fibrous web)的工藝，其中聚合物流通過紡絲噴嘴被噴到電場中，電場具有足夠的強度以施加電荷在聚合物上，而推進的氣流有助于聚合物離開紡絲噴嘴。
背景技術(shù)：
PCT專利公報編號WO 03/080905A公開了一種用來生產(chǎn)納米纖維網(wǎng)的設(shè)備和方法。這種方法包括將聚合物溶液輸送至加有高電壓的紡絲噴嘴，同時壓縮氣體被用來將離開噴嘴的聚合物溶液包圍在推進的氣流中，然后將所得到的納米纖維網(wǎng)收集在接地的抽吸式收集器上。
PCT專利公報編號WO 03/080905A中所公開的這種工藝有若干缺點，尤其是當(dāng)這種工藝以商業(yè)規(guī)模實施時。其中一個缺點是，紡絲噴嘴、噴絲板以及包含噴嘴的噴絲組合件和所有相連的上游溶液裝置在紡絲過程中都保持在高電壓下。由于聚合物溶液是導(dǎo)電的，因此，與之接觸的所有裝置都處于高電壓下，如果用來驅(qū)動聚合物溶液泵的馬達及齒輪箱不與泵電絕緣，那么將形成短路，而使紡絲頭組合件的電位降低至較低的水平，而不足以形成把電荷施加在聚合物溶液上所需的電場。
PCT專利公報編號WO 03/080905A中所公開工藝的另一個缺點是，溶液和/或溶劑供給源必須從物理上斷開，以便與高電壓絕緣。否則，溶液和/或溶劑供應(yīng)系統(tǒng)將使紡絲頭組合件接地，從而消除把電荷施加在聚合物溶液上所需的強電場。
而且，為了工作正常和安全起見，所有與帶電聚合物溶液接觸的裝置必須是電絕緣的。這種絕緣要求很難達到，因為它包含很多裝置，比如噴絲組合件、輸送管線、計量泵、溶液貯槽、泵、以及控制裝置和儀器如壓強計和溫度表。由此產(chǎn)生的還有一個問題是，很難設(shè)計出能夠相對于接地工作在高電壓下的儀器和工藝參數(shù)通信系統(tǒng)。此外，所有外露的保持在高電壓下的尖角或拐角必須是圓形的，否則它們將在這些點形成強電場而可能放電。潛在的尖角/拐角源包括螺栓、角鐵等。而且，在生產(chǎn)過程中高電壓將對日常維護帶電裝置的那些人員會造成危害。所處理的聚合物溶液和溶劑通常是可燃的，這使高電壓的存在將會產(chǎn)生另一種更加嚴重的潛在危險。
發(fā)明概要本發(fā)明涉及一種用于形成纖維網(wǎng)的電吹(electroblowing)工藝，包括以下步驟(a)從噴絲板中的紡絲噴嘴中排出聚合物流，以形成纖維網(wǎng)，纖維網(wǎng)具有正極性或負極性的電荷，和(b)將纖維網(wǎng)收集到收集裝置上，其中，將電壓施加在收集裝置上，該電壓的極性與纖維網(wǎng)的極性相反，而噴絲板基本上是接地的，因此在噴絲板與收集裝置之間就產(chǎn)生了足夠強度的電場，當(dāng)聚合物流從紡絲噴嘴排出時可施加電荷到聚合物流上。
定義術(shù)語“電吹”和“電吹紡絲”在這里可互換地用來表示一種通過將推進氣流大致朝著收集裝置引導(dǎo)以形成纖維網(wǎng)的工藝，聚合物流從紡絲噴嘴被噴射到該氣流中，從而形成被收集在收集裝置上的纖維網(wǎng)，其中，紡絲噴嘴和收集裝置之間保持一定的電位差，該電位差具有足夠的強度，用以將電荷施加在從紡絲噴嘴排出的聚合物上。
術(shù)語“納米纖維”指的是直徑小于1,000納米的纖維。
附圖簡介在構(gòu)成本說明書一部分的附圖中，顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，它們與說明書的描述一起用來解釋本發(fā)明的原理。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的圖示；圖2是根據(jù)本發(fā)明的工藝的示意圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的另一種可選工藝的示意圖；圖3B是圖3A所示收集裝置的細部圖。
本發(fā)明的詳細描述現(xiàn)在將參考附圖所示的實例來詳細介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在所有附圖中，類似的標(biāo)號用來表示類似的部件。
PCT專利公報編號WO 03/080905A(圖1)中公開了一種用來形成纖維網(wǎng)的電吹工藝，在此引用參考其內(nèi)容。這種工藝具有在“發(fā)明背景”中已經(jīng)介紹過的若干缺點。
因此希望有一種能夠避免這些缺點的改進了的電吹工藝。
在本發(fā)明的工藝中，參考圖2所示的本發(fā)明的一實施例，包含聚合物和溶劑的聚合物流從儲存罐中，或者聚合物熔體從擠出機100中，被輸送至位于噴絲板102中的紡絲噴嘴104(也被稱作“模具”)，聚合物流通過紡絲噴嘴排出?？稍跉怏w溫度控制器108中被選擇性地加熱或冷卻的壓縮氣體從布置在紡絲噴嘴104附近或周圍的氣體噴嘴106流出。氣體被大致向下引導(dǎo)成為推進氣流，它可向前推進新排出的聚合物流，從而有助于形成纖維網(wǎng)。
可以認為，在從排出的聚合物流拉拔纖維的最初階段，推進氣流提供主要的推進力，而且在使用聚合物溶液的情況下，推進氣流可同時剝掉沿單根纖維表面的質(zhì)量邊界層，從而大大提高在形成纖維網(wǎng)的過程中溶劑以氣體形式從聚合物溶液中擴散出的速率。
在某一時刻，單根纖維周圍的局部電場具有足夠的強度，使得電場力成為主要的拉拔力，并最終將單根纖維的直徑拉拔至幾百納米或更小。
可以認為，紡絲噴嘴尖端、即也被稱作“模具尖端”的幾何形狀可在尖端周圍的三維空間中產(chǎn)生強電場，從而使電荷被施加到網(wǎng)上。模具尖端可以為圓筒形毛細管的形式，或者可以具有圓筒形毛細管線性陣列的形式。在模具尖端是線性陣列的實施例中，推進的氣流從位于噴絲板102每一側(cè)的氣體噴嘴106中流出。氣體噴嘴具有在細長銳緣之間形成的縫隙形式，每條銳緣分別在噴絲板的每一側(cè)沿線性陣列及噴絲板的長度方向而延伸?；蛘?，在模具尖端為圓筒形毛細管形式的實施例中，氣體噴嘴106可以具有圍繞噴絲板102的環(huán)形縫隙的形式?？梢哉J為，電場與纖維網(wǎng)上的電荷結(jié)合可形成作用在纖維網(wǎng)纖維和纖絲上的擴張力，從而導(dǎo)致網(wǎng)能夠更好地散布，而在收集裝置的收集面上形成十分均勻的網(wǎng)鋪設(shè)。
從氣體噴嘴106流出的壓縮氣體的速度優(yōu)選是在大約10米/分鐘與大約20,000米/分鐘之間，更為優(yōu)選的是在大約100與大約3,000米/分鐘之間。
優(yōu)選的是，聚合物溶液是導(dǎo)電的。用于本發(fā)明的聚合物的實例可以包括聚酰亞胺、尼龍、聚芳酰胺、聚苯并咪唑、聚醚酰亞胺、聚丙烯腈、PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、聚丙烯、聚苯胺、聚環(huán)氧乙烷、PEN(聚萘二甲酸乙二酯)、PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)、SBR(丁苯橡膠)、聚苯乙烯、PVC(聚氯乙烯)、聚乙烯醇、PVDF(聚偏二氟乙烯)、聚丁乙烯，以及它們的共聚物或衍生化合物。通過選擇適合于溶解聚合物的溶劑，可以制備聚合物溶液。聚合物溶液可以與添加劑混合，添加劑包括任何一種與相關(guān)聚合物相容的樹脂、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。任何一種已知的適用于傳統(tǒng)電紡工藝中的聚合物溶液都可以用于本發(fā)明的工藝中。
在本發(fā)明的另一個實施例中，被輸送至噴絲組合件并通過噴絲板中噴嘴排出的聚合物流是聚合物熔體。任何已知的適用于熔體紡絲工藝中的聚合物都可以聚合物熔體的形式被用于本發(fā)明工藝中。
Z.M.Huang等人在《復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)》63卷(2003)、第2226-2230頁中公開了適于在這種工藝中使用的聚合物熔體和聚合物-溶劑的組合，其通過引用而結(jié)合于本文中。
用來收集所生產(chǎn)的纖維網(wǎng)的收集裝置位于噴絲板102下面的某一距離處。在本發(fā)明的一個實施例中，如圖2所示，收集裝置包含與高電壓相連的活動的導(dǎo)電帶110，纖維網(wǎng)被收集在它上面。帶110優(yōu)選是用多孔導(dǎo)電材料如金屬網(wǎng)屏制成的，使得能夠用鼓風(fēng)機112通過氣體收集管114從該收集帶的下面抽真空。在本發(fā)明的這一實施例中，必須用任何一種已知的方法使收集帶與地面隔開絕緣。所收集的納米纖維網(wǎng)被送至卷起輥(未示出)。
在本發(fā)明的另一個實施例中，如圖3A和3B所示，活動的收集基底118(圖3B)是疊置在與高電壓相連的導(dǎo)電元件120上的一種不導(dǎo)電基底，導(dǎo)電元件120本身疊置在不導(dǎo)電的支承材料122上。導(dǎo)電元件120和/或不導(dǎo)電的支承材料122可以是靜止不動的?；顒拥氖占?18由供給輥124供應(yīng)，而所收集的納米纖維網(wǎng)與收集基底118一起被送至卷起輥126。在本發(fā)明的一個實施例中，納米纖維和推進氣流被引向收集基底118，納米纖維在那里沉積，并被收集起來而成為疊在不導(dǎo)電收集基底118上的納米纖維網(wǎng)。收集基底118、導(dǎo)電元件120以及支承材料122都是非常透氣的，使得能夠利用真空使吹到收集基底上的推進氣流透過收集基底118、導(dǎo)電元件120和支承材料122排出。可以用鼓風(fēng)機112通過氣體收集管114從支承材料122的下面抽吸，而形成真空。收集基底118可以是任何一種基本上不導(dǎo)電的透氣材料如紡織物、無紡布、紗布等。當(dāng)推進氣流中的氣體通過真空排出時，導(dǎo)電元件120是一種多孔材料，而且最好是一種金屬網(wǎng)屏，比如可以是篩目超過大約50的高篩目篩網(wǎng)。在此實施例中，必須用任何已知的方法使高電壓的導(dǎo)電網(wǎng)屏120與地面絕緣隔離。
在另一個實施例中，依照圖3B的活動的不導(dǎo)電收集基底118可以由供給輥供應(yīng)，并在圖2所示的活動的導(dǎo)電帶110之上輸送。在這種方法中，包含納米纖維的纖維網(wǎng)沉積在收集基底上，而納米纖維網(wǎng)和活動的不導(dǎo)電收集基底的組合通過傳統(tǒng)的方法與活動的導(dǎo)電帶分離，并被轉(zhuǎn)送至卷起輥。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，噴絲板與收集面之間的距離(也被稱作“模具至收集器的距離”或“DCD”；在圖2和3A中示出)在大約1厘米至大約200厘米的范圍之內(nèi)，而且優(yōu)選在大約10厘米至大約50厘米的范圍之內(nèi)。
還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴絲頭的尖端或模具尖端從噴絲板突出一段距離e時(圖2和3A)，噴嘴與收集面之間的距離小于噴絲板與收集面之間的距離，結(jié)果可形成更加均勻的電場。可以認為，這是因為突出的噴嘴建立了使電場線集中在周圍的銳邊或空間點。
施加在收集裝置、即如圖2中所示的活動的導(dǎo)電帶110或如圖3中所示的靜止導(dǎo)電網(wǎng)屏120上的電壓在大約1千伏至大約500千伏的范圍之內(nèi)，而且最好是在大約10千伏至大約100千伏的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的工藝可避免象“發(fā)明背景”中所描述的那樣，需要在高電壓下維護包含噴絲板的噴絲組合件以及所有其它的上游設(shè)備。通過將電壓施加在收集裝置上，噴絲組合件、噴絲板以及所有的上游設(shè)備可以接地或基本上是接地的?！盎旧辖拥亍敝傅氖?，噴絲板可以保持在低電壓水平，也就是說，在-100伏與+100伏之間。
優(yōu)選的是，聚合物排出壓力在大約0.01公斤/平方厘米至大約200公斤/平方厘米的范圍之內(nèi)，更優(yōu)選的是在大約0.1公斤/平方厘米至大約20公斤/平方厘米的范圍之內(nèi)，而通過每個孔的聚合物溶液的流量在大約0.1立方厘米/分鐘至大約15立方厘米/分鐘的范圍之內(nèi)。
實例1
用0.1米寬的噴絲組合件進行試驗，以演示將高電壓施加在收集器上的這種工藝。在這個試驗中，收集器包含用框架支承的矩形金屬網(wǎng)屏。收集器是靜止的，并通過使用特氟隆(Teflon)支承件與地面電絕緣。-60千伏的電壓施加在收集器上，并且噴絲組合件接地連接。
尼龍6(型號BS400N，可從新澤西州Mount Olive的BASF公司得到)在蟻酸(可從芬蘭的Helsinki的Kemira Industrial Chemicals公司得到)中的22wt％(重量百分數(shù))含量的溶液通過100毫米寬的具有11個噴嘴的噴絲板進行電吹，所述噴嘴的流量為1.5立方厘米/孔。推進的氣流以4標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每分(2升每秒)的流率通過空氣噴嘴而引入?？諝獗患訜岬酱蠹s70℃。從噴絲板到收集器頂面的距離為大約300毫米。該工藝進行了大約1分鐘。
對來自于所收集產(chǎn)品的十九根纖維的直徑進行了測量。纖維的平均尺寸為390納米，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為85。
對比實例象上面所介紹的那樣重復(fù)進行試驗，這次負電壓供應(yīng)源連接在噴絲組合件上。所有其它的工藝參數(shù)設(shè)置是相同的。
這種工藝試驗的結(jié)果與高電壓施加在噴絲組合件上并且收集面進行接地的工藝試驗同樣好。由此而產(chǎn)生了能夠很好地紡絲到收集器上的細纖維。
對所收集產(chǎn)品中的十九根纖維的直徑進行測量。該“對比實例”中的平均纖維尺寸為511納米，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為115。
權(quán)利要求
1.一種用于形成纖維網(wǎng)的電吹工藝，包括以下步驟(a)從噴絲板中的紡絲噴嘴中排出聚合物流以形成纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)具有正極性或負極性的電荷，和(b)將所述纖維網(wǎng)收集在收集裝置上，其中，電壓被施加在所述收集裝置上，所述電壓的極性與所述纖維網(wǎng)的極性相反，并且所述噴絲板基本上是接地的，使得在所述噴絲板與所述收集裝置之間產(chǎn)生足夠強度的電場，以便當(dāng)所述聚合物流從所述紡絲噴嘴排出時，可施加電荷到所述聚合物流上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述聚合物流是聚合物溶液流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述聚合物流是熔融聚合物流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述聚合物流是導(dǎo)電的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述收集裝置是具有收集面的導(dǎo)電的活動收集帶。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工藝，其特征在于，所述導(dǎo)電的活動收集帶是多孔的，并且所述工藝還包括，在與所述收集面相對的一側(cè)施加抽吸力到所述收集帶上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述收集裝置是疊置在導(dǎo)電元件上的不導(dǎo)電的活動收集基底，所述導(dǎo)電元件由不導(dǎo)電的支承結(jié)構(gòu)來支承，并且所述電壓施加在所述導(dǎo)電元件上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其特征在于，所述不導(dǎo)電的活動收集基底是透氣的且所述導(dǎo)電元件是多孔的，并且所述工藝還包括，在與所述收集基底相對的一側(cè)施加抽吸力到所述不導(dǎo)電的支承結(jié)構(gòu)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，從所述噴絲板到所述收集面的距離在大約1厘米至大約200厘米之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，從所述噴絲板到所述收集面的距離在大約10厘米至大約50厘米之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述電壓在大約1千伏至大約500千伏之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述電壓在大約10千伏至大約100千伏之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述帶電纖維網(wǎng)的極性是負的，而施加在所述收集裝置上的所述電壓的極性是正的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述帶電纖維網(wǎng)的極性是正的，而施加在所述收集裝置上的所述電壓的極性是負的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述紡絲噴嘴與所述收集面之間的距離小于所述噴絲板與所述收集裝置之間的距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其特征在于，所述導(dǎo)電元件是靜止的。
17.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工藝，其特征在于，所述收集裝置還包括由供給輥供應(yīng)的在所述導(dǎo)電的活動收集帶上進給的不導(dǎo)電的活動收集基底。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用以形成納米纖維網(wǎng)的改進的電吹工藝，其中，聚合物流借助于推進氣流從噴絲板中的紡絲噴嘴排出，而所得的納米纖維網(wǎng)被收集在收集裝置上。這種工藝包括，施加高電壓到收集裝置上，并使噴絲板接地，從而在噴絲板和收集裝置之間產(chǎn)生足夠強度的電場，當(dāng)聚合物從紡絲噴嘴排出時可施加電荷到聚合物上。
文檔編號D04H1/56GK1985030SQ200580023211
公開日2007年6月20日 申請日期2005年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月13日
發(fā)明者J·E·阿曼特羅特, M·A·布賴納, M·C·達維斯, Y·M·金 申請人:納幕爾杜邦公司