專利名稱：通過電-機(jī)械紡絲的纖維成形的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維成形，特別涉及納米尺寸的纖維。
背景技術(shù)：
通過使帶靜電的液體例如聚合物溶液流過具有非常小的孔的噴絲頭或針，可以制 得納米尺寸的纖維。通過使用多重針按比例放大該過程會(huì)遭受到使這些針彼此電絕緣的困 難。因此，針通常必須距離最近的針至少1厘米。另外，在每根針的末端由單個(gè)液滴牽引出 泰勒錐(Tailor cone)的需要限制了每根針的最大流動(dòng)速率，并且增加了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn) 所需的針數(shù)目。因此，需要一種在不需要多重施料器(applicator)的情況下以高產(chǎn)量生產(chǎn)納米 尺寸的纖維的工藝。本發(fā)明提供了該工藝。發(fā)明概述本發(fā)明提供了由液體材料例如聚合物溶液或聚合物熔體起始制備纖維的方法。將 液體材料供入環(huán)形旋轉(zhuǎn)元件例如圍繞與其同心的軸旋轉(zhuǎn)的圓盤或杯。旋轉(zhuǎn)元件具有從中心 區(qū)延伸至周邊的相對(duì)光滑的連續(xù)表面。通過離心力將液體材料從中心區(qū)徑向引導(dǎo)至周邊并 且從周邊朝向目標(biāo)排出。通過旋轉(zhuǎn)元件或者在從旋轉(zhuǎn)元件周邊排出后立即借助于通過電 場，使液體材料帶電。纖維導(dǎo)向的目標(biāo)接地。所述帶電纖維與目標(biāo)之間的電壓差、液體材 料的粘度以及環(huán)形元件的尺寸和速度、液體輸料速度和成形空氣的任選使用相對(duì)彼此被調(diào) 節(jié)，以使得液體材料以纖維形式被排出。另外，調(diào)節(jié)這些變量可影響纖維的質(zhì)量和數(shù)量。詳述優(yōu)選地，環(huán)形旋轉(zhuǎn)元件的連續(xù)表面是基本上圓柱形的元件例如杯的內(nèi)表面。杯的 側(cè)面可以是漸擴(kuò)的，以使得杯呈截錐形。環(huán)形紡絲元件圍繞與其同心的軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)元件 可以是帶電的以將電荷賦予供入旋轉(zhuǎn)元件的液體材料。作為選擇，當(dāng)液體材料以纖維形式 從旋轉(zhuǎn)元件排出時(shí)，借助于使纖維通過電場，可以將電荷施加給液體材料。當(dāng)旋轉(zhuǎn)元件紡絲 時(shí)，液體材料沿著所述內(nèi)表面離心地導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)元件的周邊。優(yōu)選地，沿著旋轉(zhuǎn)元件的周邊設(shè) 置紡絲點(diǎn)。該紡絲點(diǎn)的實(shí)例是圍繞所述周邊延伸、優(yōu)選向外延伸并且與旋轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)軸 基本上平行的V-形鋸齒。液體材料經(jīng)過紡絲點(diǎn)并且從旋轉(zhuǎn)元件朝向接地的目標(biāo)排出。旋 轉(zhuǎn)元件的尺寸和幾何形狀可以變化。旋轉(zhuǎn)元件可以是圓盤或旋轉(zhuǎn)鐘形物。旋轉(zhuǎn)元件的直徑 可以從20mm變化到350mm，例如20到160mm，例如30到80mm。對(duì)于纖維成形，帶電纖維與 目標(biāo)之間的電壓差為優(yōu)選至少5000伏，例如20，000-100，000伏和50，000-90，000伏范圍 內(nèi)。如果電壓差不充足，則可能形成液滴，而不能形成纖維。當(dāng)液體材料以纖維形式從旋轉(zhuǎn)元件排出時(shí)，將纖維導(dǎo)向接地的目標(biāo)，在那里收集 纖維。作為選擇，接地的目標(biāo)可以位于移動(dòng)帶或傳送機(jī)的后面，在那里可以收集纖維并 且從目標(biāo)區(qū)域移走。與目標(biāo)的距離可以從2變化到50英寸(5-130cm)，例如2-30英寸 (5-76cm)例如10-20英寸(25-51cm)。優(yōu)選地，借助于旋轉(zhuǎn)鐘形物將空氣流相對(duì)于被排 出的纖維垂直地并且同時(shí)地推進(jìn)，以使得纖維成形為與旋轉(zhuǎn)軸同心并且朝向目標(biāo)的流動(dòng) 模式。典型地，空氣經(jīng)由圍繞旋轉(zhuǎn)元件外徑的排氣口從旋轉(zhuǎn)施料器排出。在旋轉(zhuǎn)元件的入口處測量的空氣壓力典型地可以設(shè)置為例如1_80PSIG(6. 9x103-5. 5X10s帕斯卡)，例如 1-60PSIG(6. 9x103-4. IxlO5 帕斯卡)例如 5_40PSIG(3. 4χ104_2· 8χ105 帕斯卡)。伴隨著旋 轉(zhuǎn)圓盤，通常不使用成形空氣。旋轉(zhuǎn)元件與傳動(dòng)裝置相連，所述傳動(dòng)裝置例如是與元件例如電動(dòng)機(jī)或空氣 發(fā)動(dòng)機(jī)相連的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸，其能夠使旋轉(zhuǎn)元件在至少500rpm，例如1000-100，000和 3000-50, OOOrpm的速度下，典型地10，000-100, OOOrpm的速度下紡絲。如果旋轉(zhuǎn)元件的速 度不充足，則可能不形成纖維并且液體可能作為片材或小滴從旋轉(zhuǎn)元件排出。如果旋轉(zhuǎn)元 件的速度過高，則可能形成液滴或者纖維可能斷裂。典型地，將液體材料通過傳動(dòng)軸的內(nèi)部并供至旋轉(zhuǎn)元件。當(dāng)旋轉(zhuǎn)元件為杯形例如 旋轉(zhuǎn)鐘形物時(shí)，液體材料通過杯的封閉端供料并且供入杯的中心或底部區(qū)(base area)中。 典型地，液體通過尺寸可以為0. 5-1. 5mm的供送噴嘴進(jìn)入杯的封閉端。然后液體可以行進(jìn) 通過杯的內(nèi)部和在杯表面上通過中心孔或一系列孔排到杯面(cup face)上。液體材料到旋轉(zhuǎn)元件的流動(dòng)速率典型地為Iml/小時(shí)-500ml/分鐘，例如20ml/小 時(shí)-50ml/分鐘例如50-1000ml/小時(shí)。根據(jù)本發(fā)明紡絲成纖維的液體材料典型地是聚合物溶液或熔體。聚合物可以是有 機(jī)聚合物，例如聚酯、聚酰胺、η-乙烯基吡咯烷酮聚合物、聚丙烯腈和丙烯酸類聚合物例如 描述于公開的申請(qǐng)U.S.2008/0145655A1中的。作為選擇，液體可以是無機(jī)聚合物。無機(jī)聚 合物的實(shí)例是含有醇化物基團(tuán)和任選地羥基的聚合型金屬氧化物。優(yōu)選地，醇化物基團(tuán)含 有1-4個(gè)碳原子，例如甲醇化物和乙醇化物。這類聚合型金屬氧化物的實(shí)例是聚烷基硅酸 酯，例如以下結(jié)構(gòu)的那些 其中R是含有1-4、優(yōu)選1-2個(gè)碳原子的烷基，和η為3_10。也可以使用混雜的有機(jī)/無機(jī)聚合物，例如丙烯酸類聚合物和聚合型金屬氧化 物。這類混雜的有機(jī)/無機(jī)聚合物的實(shí)例描述于公開的申請(qǐng)U. S. 2008/0207798Α1中。也可 以使用無機(jī)材料例如無機(jī)氧化物或無機(jī)氮化物或者碳或陶瓷前體，例如二氧化硅、氧化鋁、 二氧化鈦或混合的金屬氧化物。液體材料的導(dǎo)電率可以變化并且應(yīng)該足夠?qū)щ娨允沟闷淇梢越邮茈姾煞e累但未 到出現(xiàn)電短路的點(diǎn)。伴隨著間接充電，導(dǎo)電率可能高，因?yàn)槎搪凡皇菃栴}?？梢酝ㄟ^使用合 適量的鹽例如銨鹽和導(dǎo)電溶劑例如醇_水混合物調(diào)節(jié)導(dǎo)電率。液體材料的表面張力可以變化。如果表面張力過高，則可能形成霧化和液滴，而不
是纖維。當(dāng)聚合物濃度增加或者聚合物交聯(lián)出現(xiàn)時(shí)，液體優(yōu)選增稠。在聚合物溶液的情形 中，可以通過控制聚合物的分子量、溶液中聚合物的濃度、溶液中聚合物交聯(lián)的存在，或者 通過將增稠劑加入聚合物溶液例如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺和纖維素增稠劑來控制溶液的粘度。如果溶液的粘度過高，即在其凝膠點(diǎn)或之上，其表現(xiàn)更像固 體材料并且可能不能形成纖維，并且可能在旋轉(zhuǎn)元件表面上作為固體聚合物積累。如果液 體的粘度過低，則可能導(dǎo)致霧化并且沒有纖維形成。 根據(jù)本發(fā)明形成的纖維典型地具有至多5，000納米，例如5-5，000納米或者 50-1200納米例如50-700納米的直徑。纖維也可以具有帶狀或平面(flat face)構(gòu)造，并 且在該情形中直徑意在是指纖維的最大尺寸。典型地，帶狀纖維的寬度為至多5，000納米， 例如500-5，000納米，和厚度為至多200納米，例如5-200納米。
在某些情形中，納米纖維可以圍繞彼此而加捻成紗狀結(jié)構(gòu)。附圖簡述

圖1是圖示的穿過其中可以實(shí)踐本發(fā)明工藝的離心紡絲裝置的垂直橫截面。圖2是根據(jù)本發(fā)明工藝的紡絲元件的底部正視圖。圖3是沿著圖2的線III-III的截面。圖4表示在根據(jù)實(shí)施例1制備的納米纖維的各個(gè)放大率下的顯微照片。圖4a (比較)表示在根據(jù)實(shí)施例Ia (比較)制備的液滴的各個(gè)放大率下的顯微照 片。圖5是表示變量旋轉(zhuǎn)元件速度、成形空氣和液體流量如何影響實(shí)施例1和la(比 較)的聚合物溶液的纖維形成的圖。圖6顯示在根據(jù)實(shí)施例2制備的納米纖維的各個(gè)放大率下的顯微照片。圖6a (比較)顯示在根據(jù)實(shí)施例2a (比較)制備的液滴的各個(gè)放大率下的顯微照 片。圖7是表示變量旋轉(zhuǎn)元件速度、成形空氣和液體流量如何影響實(shí)施例2和2a(比 較)的聚合物溶液的纖維形成的圖。圖8顯示在根據(jù)實(shí)施例3制備的納米纖維的各個(gè)放大率下的顯微照片。圖8a (比較)顯示在根據(jù)實(shí)施例3a (比較)制備的液滴的各個(gè)放大率下的顯微照 片。圖9顯示在根據(jù)實(shí)施例4制備的加捻紗形式的納米纖維的各個(gè)放大率下的顯微照 片。圖10顯示在根據(jù)實(shí)施例5制備的納米纖維的各個(gè)放大率下的顯微照片。參照?qǐng)D1，裝置1包含杯形旋轉(zhuǎn)元件5和空氣增壓配置(air plenumarrangement) ，通過該配置引導(dǎo)空氣以使得纖維流9在其導(dǎo)向目標(biāo)11時(shí)成形。目 標(biāo)之前設(shè)置用于從裝置1中移走纖維制品的傳送機(jī)12。用于液體材料15的容器13包括用 于經(jīng)由與軸3同心安裝的進(jìn)料供應(yīng)線17將液體材料供入旋轉(zhuǎn)杯5的合適進(jìn)料機(jī)制(未示 出)。供應(yīng)線17具有在旋轉(zhuǎn)杯5中與封閉端相鄰的出口。優(yōu)選地，進(jìn)料供應(yīng)線位于用于使 杯形旋轉(zhuǎn)元件5旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸內(nèi)。如圖1中所示，將電壓施加在旋轉(zhuǎn)杯上以將電荷賦 予液體材料和從旋轉(zhuǎn)杯排出的纖維。參照?qǐng)D2和3，旋轉(zhuǎn)元件5是杯形的，其具有平坦的基底或封閉端21和從基底21 延伸的漸擴(kuò)壁23?；?1具有進(jìn)料供應(yīng)線延伸穿過其中的中心孔25，和通過其將旋轉(zhuǎn)杯5 安裝在傳動(dòng)裝置上用于圍繞軸3旋轉(zhuǎn)的固定件27。壁23的內(nèi)表面29在從基底21延伸到 杯5的邊緣31的區(qū)域上相對(duì)光滑。杯5的邊緣為鋸齒狀的，使得在杯5的外周邊上存在由
5V形鋸齒35界定的紡絲點(diǎn)33。V形鋸齒35處于與杯5的基底平行的平面中。在使用裝置 1中，杯5在所希望的速率下紡絲，液體在杯基底的中心區(qū)內(nèi)供入旋轉(zhuǎn)杯并且通過離心力導(dǎo) 向基底21的周邊并且跨越內(nèi)表面29。帶電的液體跨越旋轉(zhuǎn)杯的內(nèi)表面29流動(dòng)通過紡絲點(diǎn) 33，從那里將液體以纖維形式排向接地目標(biāo)11。給出以下實(shí)施例說明本發(fā)明的一般原理。然而，本發(fā)明應(yīng)該不被認(rèn)為限于所示的 具體實(shí)施例。所有份以重量計(jì)，除非另外說明。
實(shí)施例實(shí)施例A如下制備丙烯酸類_硅烷聚合物。參照下表1，使反應(yīng)燒瓶裝有攪拌器、熱電偶、氮?dú)馊肟诤屠淠?。然后加入進(jìn)料A 并且在氮?dú)夥障掳殡S著加熱至回流溫度(75°C -80°C )攪拌。用3小時(shí)將進(jìn)料B和進(jìn)料C 同時(shí)加入回流的乙醇中。將反應(yīng)混合物保持在回流條件下2小時(shí)。然后用30分鐘加入進(jìn) 料D。將反應(yīng)混合物保持在回流條件下2小時(shí)并且隨后冷卻至30°C。表 1 1 變性乙醇，200proof (酒精含量為 100% )，可從 Archer DanielMidland Co.獲得。2Y-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，可從GE silicones獲得。32，2，-偶氮雙(2-甲基丁腈)，可從 E. I. duPont de Nemour s&Co.，Inc.獲得。如下制備混雜的有機(jī)_無機(jī)聚合物將如上述制備的丙烯酸類-硅烷聚合物溶液的乙醇溶液，200克，倒入罐中，并且 加入去離子水(30克)。將聚硅酸乙酯(Sil bond 40, Akzo Chemical, Inc)的乙醇溶液與 聚乙烯吡咯烷酮(4 克，Aldrich, Catalog 437190，CAS [9003-39-8]，和 MW 1，300，000) 一 起加入該聚合物溶液。在用熱的自來水加熱罐時(shí)，手工振蕩混合物，并且用刮刀手工攪拌直 到獲得均勻溶液。在使該溶液在室溫下靜置約3. 5小時(shí)后，通過ASTM-D1545方法測量其粘 度為C+。實(shí)施例B如下制備丙烯酸類_硅烷聚合物。參照下表2，使反應(yīng)燒瓶裝有攪拌器、熱電偶、氮?dú)馊肟诤屠淠?。然后加入進(jìn)料A 并且在氮?dú)夥障掳殡S著加熱至回流溫度(75°C -80°C )攪拌。用3小時(shí)將進(jìn)料B和進(jìn)料C 同時(shí)加入回流的乙醇中。將反應(yīng)混合物保持在回流條件下2小時(shí)。然后用30分鐘加入進(jìn) 料D。將反應(yīng)混合物保持在回流條件下2小時(shí)并且隨后冷卻至30°C。表 2 1 變性乙醇，200proof，可從 Archer Danil Midland Co.獲得。2Y-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，可從GE silicones獲得。32，2，-偶氮雙(2-甲基丁腈)，可從 E. I. duPont de Nemour s&Co.，Inc 獲得。將去離子水(30克)倒入罐中，并且加入聚乙烯吡咯烷酮(4克，Aldrich，Catalog 437190，CAS [9003-39-8]，和MW 1，300，000)。在熱板上將混合物加熱以促進(jìn)溶解，并且使 所得溶液在室溫下靜置。將丙烯酸類_硅烷聚合物溶液，170克，加入該聚乙烯吡咯烷酮水 溶液。在熱板上用熱水加熱罐的內(nèi)容物時(shí)，手工振蕩混合物直到獲得均勻溶液。在使用之 前，使該有機(jī)聚合物溶液在室溫下靜置以冷卻。實(shí)施例C如下制備無機(jī)溶膠凝膠聚合物。將去離子水(36克)放入罐中，并且將聚乙烯醇(4克，Aldrich，Catalog 36311， CAS[9002-89-5]，96%水解，和MW 85, 000-100, 000)加入水中同時(shí)磁力攪拌。在熱水浴中 將該混合物加熱至80°C以進(jìn)行溶解。再次將去離子水(40克)加入該熱的聚乙烯醇水溶 液中同時(shí)繼續(xù)攪拌。向該熱的稀釋的聚乙烯醇水溶液中加入膠態(tài)二氧化硅分散體(120克， MT-ST Silica,Nissan Chemical Industries，LTD.，于甲醇中約 30%二氧化硅)同時(shí)繼續(xù) 攪拌。通過ASTM-D1545方法測量該聚乙烯醇、二氧化硅溶液的粘度為A_。實(shí)施例D通過將12 重量％的聚丙烯腈樹脂(Aldrich，Catalog 181315，CAS [25014-41-9]， MW 150, 000)溶于二甲基甲醛溶劑同時(shí)在熱板上加熱制備聚丙烯腈溶液。實(shí)施例1將實(shí)施例D的聚丙烯腈樹脂溶液裝入300ml正壓流體傳送系統(tǒng)。經(jīng)由1. Imm直徑 流體噴嘴將300毫升/小時(shí)的速率輸送通過3/8英寸(9. 5mm)外徑特氟隆(teflon)管系 統(tǒng)到達(dá)旋轉(zhuǎn)噴射施料器。噴嘴的出口與直徑55mm的旋轉(zhuǎn)鐘形杯(bell cup)相連。流體 噴嘴插至鐘形杯的背后，在那里約80-100%的流體通過約40mm直徑的圓形槽排出。流體 然后跨越鐘形杯形成薄片，并且從旋轉(zhuǎn)鐘形杯的邊緣紡出而形成纖維。該旋轉(zhuǎn)的鐘形物被 設(shè)置為在12，OOOrpm速率下紡絲。鐘形杯邊緣幾何結(jié)構(gòu)用直的鋸齒構(gòu)造。從圓形槽到鐘 形杯的邊緣的垂直距離約為7. 85cm。該試驗(yàn)中提及的鐘形杯是Durr Behr Eco鐘形杯型 號(hào)N16010037類型。在鐘形物的背后通過1/2英寸(12.7mm)外徑尼龍管將杯形成形空氣 設(shè)置在25pSig(1.72x IO5帕斯卡)。旋轉(zhuǎn)施料器與具有75，000伏間接電荷施加的電壓的 高壓源相連。整個(gè)傳送管、旋轉(zhuǎn)施料器和收集器處于小室內(nèi)，該小室允許環(huán)境條件保持在 70° F-72° F(21°C-22°C)的室溫下約55%-60%的相對(duì)濕度。在接地目標(biāo)上將納米纖維 收集到設(shè)置為距離旋轉(zhuǎn)鐘形物為15英寸(38cm)的目標(biāo)/收集距離的鋁板上，并且通過光 學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡表征納米纖維。納米纖維為基本上圓柱形的并且具有600-1800 納米(nm)的直徑。觀察到一些大直徑纖維看起來是較小直徑纖維的集合。掃描電子顯微 照片示于圖4中并且示出了具有極少或沒有液滴的許多纖維。對(duì)實(shí)施例1的溶液完成設(shè)計(jì)分析，確定相對(duì)于該溶液的施用因素。研究用于該 操作的施用因素為12K rpms-28K rpms的鐘形物速度(bell speed)、10英寸-20英寸 (25. 4-50. 8cm)的目標(biāo)距離、60KV-90KV的電壓、100ml/小時(shí)_300ml/小時(shí)的流體輸料速度 和15psig-35psig(l. 03x105-2. 41x105帕斯卡)的鐘形成形空氣。圖5中報(bào)導(dǎo)的結(jié)果表明流體輸料速度、成形空氣和鐘形物速度是最有影響的施用因素，隨后是目標(biāo)距離和KV。在圖5中，“BS”是指鐘形物速度?！癝A”是指成形空氣?！癋F”是指流體輸料速度。豎軸的值是形成的納米纖維墊的厚度乘以納米纖維/液滴的比例的乘積。墊的厚 度被賦予1-10的主觀值，并且納米纖維與液滴的比例被賦予1-6的主觀值。豎軸上的數(shù)值越高，產(chǎn)生更大量的良好纖維。實(shí)施例IA (比較)在該實(shí)例中，重復(fù)實(shí)施例1的規(guī)程，不同之處在于鐘形物速度28，OOOrpms目標(biāo)收集器距離10英寸(25. 4cm)流體輸料速度200ml/小時(shí)嘗試在接地的鋁目標(biāo)上將納米纖維收集到設(shè)置為部分/收集的鋁板上并且通過 掃描電子顯微鏡表征納米纖維，如圖4a所示。電子顯微照片顯示出非常少的纖維形成和許 多濕液滴。實(shí)施例2根據(jù)實(shí)施例1的規(guī)程將實(shí)施例A的混雜的有機(jī)_無機(jī)聚合物溶液紡絲成納米纖 維，但使用Dur Behr Eco鐘形杯型號(hào)附6010033。通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡表征 納米纖維。納米纖維是稍微平面的，具有700納米(nm)-5000nm的橫截面尺寸。掃描電子 顯微照片示于圖6中并且示出具有極少或沒有濕液滴的許多纖維。實(shí)施例2A(比較)在該實(shí)例中，總的遵從實(shí)施例2的規(guī)程，不同之處在于鐘形物速度28，OOOrpms 目標(biāo)/收集器距離10英寸(25. 4cm)流體輸料速度 200ml/小時(shí)嘗試將納米纖維收集在接地的鋁板目標(biāo)上并且通過掃描電子顯微鏡表征納米纖 維，如圖6A所示。該電子顯微照片顯示出非常少的纖維形成和許多濕液滴。對(duì)實(shí)施例2的溶液完成如實(shí)施例1中所述的設(shè)計(jì)分析。研究用于該操作 的施用因素為12K rpms-28K rpms的鐘形物速度、10英寸-20英寸(25. 4-38. Icm) 的目標(biāo)距離、60KV-90KV的電壓、IOOml/小時(shí)_300ml/小時(shí)的流體輸料速度和 15psig-35psig(l. 03x105-2. 41x105帕斯卡)的鐘形成形空氣。圖7中報(bào)導(dǎo)的結(jié)果表明流 體輸料速度、成形空氣、鐘形物速度和目標(biāo)距離是最有影響的，隨后是KV。圖7使用與圖5 中使用的相同術(shù)語。實(shí)施例3使用100毫升/小時(shí)的流體輸料速度、28，OOOrpms的紡絲速率、90，000伏電壓和 20英寸(50. 8cm)的目標(biāo)收集器距離，根據(jù)實(shí)施例2的規(guī)程將實(shí)施例C的無機(jī)溶膠凝膠聚合 物溶液紡絲成納米纖維。在鐘形物的背后，將鐘形成形空氣設(shè)置為15psig(1.03X105帕斯 卡)。將納米纖維收集在接地的鋁板目標(biāo)上并且通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡表征納 米纖維。納米纖維為基本上圓柱形的并且具有100-700nm的直徑。一些纖維看起來沿著線 性軸具有小珠，其沒有牽拉成纖維。掃描電子顯微照片示于圖8中，并且示出了具有極少液
9滴形成的許多小纖維。實(shí)施例3A(比較) 在該實(shí)例中，重復(fù)實(shí)施例3的規(guī)程，不同之處在于鐘形物速度12，OOOrpms300ml/小時(shí)的流體流動(dòng)速率目標(biāo)收集器距離10英寸(25. 4cm)成形空氣35psig(2.4xl05帕斯卡)嘗試將納米纖維收集在接地的鋁目標(biāo)上并且通過掃描電子顯微鏡表征納米纖維， 如圖8A所示。電子顯微照片示出了具有濕液滴的極少纖維。實(shí)施例4使用電壓86，000根據(jù)實(shí)施例1的規(guī)程將實(shí)施例D的聚丙烯腈樹脂溶液紡絲成纖 維。將纖維收集在接地的鋁板目標(biāo)上并且通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡表征纖維。大 的纖維被收集在板上。將一根大的纖維從板上取下并且用顯微鏡評(píng)價(jià)，如圖9所示。低分辨 率光學(xué)圖像(最左邊的圖像)表明大的纖維可能是較小纖維的集合。掃描電子顯微鏡(中 心圖像)顯示這些大的纖維是由若干根小得多的纖維組成的直徑100微米的加捻紗。當(dāng)較 小的纖維從紡絲鐘形杯上旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成紗。更高放大率(最右邊的圖像)顯示在紗中這些 較小纖維的直徑為納米尺度。實(shí)施例5根據(jù)實(shí)施例1的規(guī)程將實(shí)施例B的有機(jī)聚合物溶液紡絲成纖維，不同之處在于流體流動(dòng)速率 200ml/小時(shí)成形空氣35psig(2.41x IO5 帕斯卡)目標(biāo)收集器距離20英寸(50. 8cm)納米纖維為稍微平面的，具有橫截面尺寸并且具有300-700nm的直徑。掃描電子 顯微照片示于圖10中。顯微照片示出具有極少液滴形成的許多小纖維?，F(xiàn)在在下面的權(quán)利要求書中解釋本發(fā)明。
權(quán)利要求
一種由液體材料制備纖維的方法，其包括a.將液體材料供入具有延伸至開口端的內(nèi)表面和圍繞開口端的周邊的旋轉(zhuǎn)環(huán)形元件，b.通過離心力將液體材料沿著內(nèi)表面導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)元件的周邊，和c.將液體材料從所述周邊朝向目標(biāo)以纖維形式排出；其中液體材料帶電和目標(biāo)接地。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)環(huán)形元件具有基底或封閉端和具有從基底或封閉 端延伸至開口端的內(nèi)表面的壁以及圍繞開口端的周邊。
3.權(quán)利要求2的方法，其中通過離心力將液體材料沿著基底并且跨越壁的內(nèi)表面導(dǎo)向 旋轉(zhuǎn)元件的周邊。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述液體材料為聚合物溶液或聚合物熔體的形式。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述聚合物溶液或聚合物熔體包括有機(jī)聚合物、無機(jī)聚合 物或混雜的有機(jī)/無機(jī)聚合物。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述纖維具有5-5，000納米的直徑。
7.權(quán)利要求3的方法，其中所述纖維具有50-1200納米的直徑。
8.權(quán)利要求1的方法，其中納米纖維以加捻紗的形式加捻在一起。
9.權(quán)利要求3的方法，其中環(huán)形元件為截錐形。
10.權(quán)利要求3的方法，其中旋轉(zhuǎn)元件位于與其一起旋轉(zhuǎn)的中空傳動(dòng)軸的前端。
11.權(quán)利要求10的方法，其中用于液體材料的進(jìn)料管延伸穿過中空傳動(dòng)軸并進(jìn)入用于 將液體材料供至旋轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)元件的中心區(qū)。
12.權(quán)利要求3的方法，其中旋轉(zhuǎn)元件具有設(shè)置在其周邊上的紡絲點(diǎn)。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述紡絲點(diǎn)為V形鋸齒。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述鋸齒從旋轉(zhuǎn)元件的周邊向外延伸并且與旋轉(zhuǎn)軸基本 上平行。
15.權(quán)利要求3的方法，其進(jìn)一步包括將空氣流相對(duì)于排出的纖維垂直地推進(jìn)，以使得 纖維成形為與旋轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)軸同心并且朝向目標(biāo)的流動(dòng)模式。
16.權(quán)利要求15的方法，其中在1-60PSIG(6.9x103-4.IxlO5-帕斯卡)的壓力下產(chǎn)生 所述空氣流。
17.權(quán)利要求3的方法，其中纖維被收集在所述目標(biāo)上。
18.權(quán)利要求17的方法，其中從旋轉(zhuǎn)元件的周邊到目標(biāo)的距離為2-30英寸(5-76cm)。
19.權(quán)利要求1的方法，其中纖維被收集在位于所述目標(biāo)與旋轉(zhuǎn)元件之間的中間表面上。
20.權(quán)利要求1的方法，其中旋轉(zhuǎn)元件在1000-100，000轉(zhuǎn)/分的速度下旋轉(zhuǎn)。
21.權(quán)利要求1的方法，其中排出的液體材料與接地的目標(biāo)之間的電壓為至少5000伏。
全文摘要
公開了一種通過電-機(jī)械紡絲而形成纖維的方法。將液體起始材料供入旋轉(zhuǎn)環(huán)形元件例如紡杯。通過離心力將液體材料導(dǎo)向環(huán)形元件的周邊，在那里其以纖維形式被排出。當(dāng)處于環(huán)形元件上時(shí)或者當(dāng)從環(huán)形元件被排出時(shí)即刻，在所述液體上施加電荷。
文檔編號(hào)D01D5/18GK101883882SQ200880119051
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2008年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者C·H·曼羅, M·S·坎貝爾, S·D·赫爾靈 申請(qǐng)人:Ppg工業(yè)俄亥俄公司