專利名稱：制造纖維的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從流體形成纖維的靜電方法和設(shè)備。
已知某些從液態(tài)聚合物中靜電形成纖維的方法。這些方法使用形成一孔的一電極。流體從電極的第一側(cè)到達(dá)第二側(cè)通過(guò)該孔。將帶有相反電荷的表面相對(duì)于電極遠(yuǎn)距離地設(shè)置在電極的第二側(cè)上，以吸引并收集流體從孔中流出之后形成的纖維。這些方法需要在孔與收集纖維的帶電表面之間的較大空氣間隙的上方產(chǎn)生較大的電勢(shì)差。依靠空氣間隙上方產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生流體中的必要電荷并且稀釋流體。然后使稀釋的流體凝固成纖維。對(duì)于低電導(dǎo)率的流體來(lái)說(shuō)，使用諸如液態(tài)聚合物形成用于商業(yè)應(yīng)用的纖維(例如織物)，以這些方法獲得的流動(dòng)速率是不能被接受的。已知的方法包括將毛細(xì)針管用作上面討論的電極和孔。已經(jīng)使用這些方法生產(chǎn)出具有直徑為50納米及以上的纖維。
纖維的靜電成形具有較大的潛力，已經(jīng)知道纖維的靜電成形將帶來(lái)更方便和更有效的生產(chǎn)纖維的方法。然而，盡管對(duì)研制這些方法作了相當(dāng)大的努力，但這些方法不能處理工業(yè)上可接受的流動(dòng)速率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，生產(chǎn)纖維的方法包括提供一可凝固的流體流；藉助使液流通過(guò)形成一孔的本體，以便在液流離開(kāi)該孔之前使其通過(guò)一電場(chǎng)，提供帶有凈電荷的液流以使液流分裂；以及使分裂的液流凝固以形成諸纖維。這里使用的“凝固”是指粘度的顯著變化或材料會(huì)保持一定形狀的狀態(tài)變化。這里使用的“凝固”包括流體變?yōu)閺椥泽w纖維、剛性或半剛性纖維以及固態(tài)或半固態(tài)纖維。
提供帶有凈電荷的步驟最好包括將凈電荷注入液流。注入凈電荷的步驟最好包括注入凈電荷以便形成一用于至少0.5兆伏/米的液流的自電場(chǎng)?？赡塘黧w的電荷注入獲得流體中的高電荷密度。電荷注入在流體流中或附近產(chǎn)生強(qiáng)大的“自場(chǎng)”，流體流在自場(chǎng)的影響下形成纖維。
在某些較佳實(shí)施例中，將一對(duì)電極設(shè)置在孔的附近，同時(shí)在電極之間保持一電位差。成對(duì)電極之一可包括本體。在電極與本體之間形成一電場(chǎng)，以便提供帶有凈電荷的液流。電荷注入發(fā)生在流體流中，即在電極與形成孔的本體之間的空間中。
流體流中以及緊靠該流體流周圍的自場(chǎng)將流體流分裂成高度細(xì)長(zhǎng)的諸細(xì)絲，所述細(xì)絲凝固以形成固態(tài)纖維。另一遠(yuǎn)離該孔的表面(例如容器或收集筒)可用于收集纖維。該表面可以處于與形成孔的本體相同的電位，或處于不同的電位。然而，不需要在該表面與本體之間提供較大的電位差。通常，形成孔的本體和收集表面是接地的。
孔的尺寸限制了可凝固流體的流動(dòng)速率，以便實(shí)現(xiàn)大于已知的靜電方法的生產(chǎn)率數(shù)量級(jí)。提高的生產(chǎn)率是令人驚奇的。本發(fā)明的實(shí)施例已經(jīng)實(shí)現(xiàn)足夠用于纖維的工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)率。
在某些較佳實(shí)施例中，該方法包括當(dāng)分裂的液流離開(kāi)該孔時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱。提供帶有凈電荷的液流的步驟最好提供具有至少為0.5庫(kù)侖/立方米的電荷密度的液流。
在某些較佳實(shí)施例中，注入凈電荷的步驟包括使液流通過(guò)一位于孔附近的電子槍。
提供一可凝固流體流的步驟包括使可凝固流體在某些較佳實(shí)施例中以至少0.1克/秒的速率通過(guò)一孔，或者在其它實(shí)施例中以至少0.5克/秒的速率通過(guò)一孔?？赡塘黧w可以按至少1克/秒的速率通過(guò)一孔。
提供可凝固流體流的步驟包括加熱聚合材料，使液流凝固的步驟包括使分裂的液流冷卻。提供可凝固流體流的步驟可以包括提供溶液中的聚合材料，使液流凝固的步驟包括使溶液蒸發(fā)。
例如，可凝固流體包括一液態(tài)聚合物。在某些較佳實(shí)施例中，液態(tài)聚合物包括一熔化聚合物。
可凝固流體可以包括一液態(tài)玻璃、一液態(tài)聚酯，例如聚四氟乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(“PET”)、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯或液態(tài)熱塑性聚氨酯。
可凝固流體可以包括一液態(tài)溶液，該溶液包括一聚合材料，例如LEXAN和二氯甲烷或四氫呋喃或尿烷。
本發(fā)明的又一方面是通過(guò)提供一可凝固流體流；藉助使該液流通過(guò)形成一孔的本體，以便在液流離開(kāi)該孔之前使其通過(guò)一電場(chǎng)，提供帶有凈電荷的液流；以及使分裂的液流凝固以形成纖維，從而生產(chǎn)靜電形成的纖維。纖維可由聚酯、聚四氟乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯、熱塑性聚氨酯、碳或玻璃形成。纖維較佳地具有小于100微米的直徑，更佳地具有小于10微米的直徑。在某些較佳實(shí)施例中，纖維具有小于500納米的直徑，較佳地具有小于100納米的直徑，更佳地具有小于20納米的直徑。
在本發(fā)明的又一方面中，生產(chǎn)纖維的方法包括提供多條可凝固流體流。藉助使每條液流通過(guò)形成一孔的結(jié)構(gòu)，以致在液流離開(kāi)該孔之前使其通過(guò)一電場(chǎng)，使每條液流帶有凈電荷以使液流分裂，使每條分裂的液流凝固以形成纖維。用于多條液流的諸孔可用在用于大量生成纖維的組件中。
在本發(fā)明的又一方面中，形成帶電固體的方法包括提供一可凝固流體流；藉助使液流通過(guò)形成一孔的本體，以致在液流離開(kāi)該孔之前使其通過(guò)一電場(chǎng)，提供帶有凈電荷的液流；以及在仍然帶電的同時(shí)使可凝固流體流凝固。在某些較佳實(shí)施例中，液流在凈電荷的影響下分裂?？赡塘黧w流最好具有10-6m2/V·sec的最大電荷遷移率。可凝固流體流最好具有0.1庫(kù)侖/立方米的最小凈電荷。
在本發(fā)明的又一方面中，用于生產(chǎn)纖維的設(shè)備包括一供給系統(tǒng)，該供給系統(tǒng)適于輸送一熔化的聚合材料流；以及一電荷注入裝置，該電荷注入裝置適于提供帶有凈電荷的液流，以使液流分裂，所述裝置包括一本體，該本體形成一孔并且被設(shè)置成使液流在離開(kāi)該孔之前通過(guò)一電場(chǎng)。
供給系統(tǒng)最好包括至少一個(gè)用于熔化聚合材料的加熱器。在某些較佳實(shí)施例中，電荷注入裝置包括一對(duì)電極，其中一對(duì)電極中的一個(gè)電極包括形成該孔的本體。在其它實(shí)施例中，電荷注入裝置包括一電子槍。
在本發(fā)明的又一方面中，形成纖維的方法包括以至少約0.02克/秒的速率提供一可凝固流體流；將電荷注入可凝固流體流，藉此使液流分裂并形成細(xì)絲；以及使細(xì)絲凝固。方法最好包括注入電荷以致注入至少約1庫(kù)侖/立方米。方法較佳地包括以至少0.1克/秒的速率提供流體流，最佳地包括以至少1克/秒的速率提供流體流。
在本發(fā)明的又一方面中，形成纖維的方法包括提供一可凝固流體流；將每立方米流體至少約1庫(kù)侖的電荷注入可凝固流體流，藉此使液流分裂并形成細(xì)絲；以及使細(xì)絲凝固。最好以至少約0.02克/秒的速率提供液流。
在本發(fā)明的又一方面中，形成纖維的方法包括以至少約0.03毫升/秒的速率提供一可凝固流體流；將電荷注入可凝固流體流，藉此使液流分裂并形成細(xì)絲；以及使細(xì)絲凝固。方法最好包括注入電荷以致注入至少約1庫(kù)侖/立方米進(jìn)入可凝固流體。方法較佳地包括以至少0.1克/秒的速率提供流體流，更佳地以至少1克/秒的速率提供流體流。
電荷注入裝置21包括一中心電極25。將中心電極25安裝在絕緣體38內(nèi)，并且通過(guò)絕緣體38與本體11電氣絕緣。中心電極25具有一尖的前端42，該前端具有一設(shè)置成對(duì)準(zhǔn)孔22并且與其十分接近的尖端40。中心電極25的前尖端40最好由具有無(wú)數(shù)小點(diǎn)43的一有剛毛的元件構(gòu)成。例如，有剛毛的元件可由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯—鎢共晶體構(gòu)成?；蛘?，電極可以包括一金屬桿。將接地電極52安裝成遠(yuǎn)離本體11和遠(yuǎn)離孔22。盡管在

圖1中將電極52圖示成一平板，但其幾何形狀并不是關(guān)鍵性的。例如，接地電極52可包括一鼓。在將霧化液體引入容器、管道或其它封閉物的地方，接地電極52可以是封閉物的一壁。
接地電極52處于參考或接地電位。本體11借助一電阻器連接于接地電位47。中心電極25的尖端40連接于一電勢(shì)源50。分散裝置的上述構(gòu)件通常與稱為SPRAYTRIODE霧化器的裝置的相應(yīng)構(gòu)件類似，在美國(guó)專利No.4,255,777的某些實(shí)施例中揭示了該霧化器，本文將援引其揭示作為參考。
可凝固流體可以包括任何液態(tài)的可凝固聚合物，例如液態(tài)聚合物或包括聚合材料的液態(tài)溶液。在某些較佳實(shí)施例中，流體包括一熔化聚合物，例如聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(“PET”)。從流體源37供應(yīng)熔化的PET，該流體源包括一供給系統(tǒng)，例如圖2所示的供給系統(tǒng)37。圖2的供給系統(tǒng)是一實(shí)驗(yàn)室裝置。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，使用一可購(gòu)得的擠壓機(jī)，該擠壓機(jī)用于熔化PET并提供加壓的PET。例如，可使用一螺旋型擠壓機(jī)，該擠壓機(jī)在擠壓機(jī)內(nèi)的摩擦影響下至少部分地熔化聚合材料。這些擠壓機(jī)在本技術(shù)領(lǐng)域中是眾所周知的。
供給系統(tǒng)37包括一貯存器41，可將粒狀的PET放置在該貯存器中。貯存器具有一第一端45以及一與第一端45相對(duì)的第二端46。分散裝置10通過(guò)一聯(lián)軸器48附連在貯存器41的第一端45處。多個(gè)加熱器51最好用于熔化粒狀PET。如圖2所示，一帶式加熱器51a位于貯存器41與分散裝置10之間的聯(lián)軸器48處。最好還將諸加熱器定位在分散裝置10上。將一帶式加熱器51b定位在裝置10上，即裝置10的第一端13處。還可將一帶式加熱器51c定位在分散裝置10上，即裝置10的第二端15處。
最好在內(nèi)部和外部加熱貯存器41。貯存器41包括一繩式加熱器51d，與位置更靠近貯存器41的第一端45的帶式加熱器51e相比，繩式加熱器的位置更靠近第二端46。最好還將一加熱器設(shè)置在貯存器中，例如桿式加熱器51f，通過(guò)一熱電偶54將該加熱器安裝在第二端46上。
加熱器將容納在貯存器41中的粒狀PET加熱到用于熔化PET的運(yùn)行溫度。用于熔化PET的溫度約在290℃與295℃之間。
例如，圖2所示的特定供給系統(tǒng)37具有一310℃的最大運(yùn)行溫度。圖2所示的貯存器41是一1升貯存器。作為示例，加熱器可以是一用于帶式加熱器51a的150瓦特帶式加熱器；一用于帶式加熱器51b的100瓦特帶式加熱器；一用于帶式加熱器51c的100瓦特帶式加熱器；一用于繩式加熱器51d的500瓦特繩式加熱器；若干用于諸帶式加熱器51e的650瓦特帶式加熱器；以及一用于桿式加熱器51f的600瓦特桿式加熱器。必須產(chǎn)生足夠數(shù)量的熱量以熔化用于運(yùn)行的足夠PET。例如，加熱器51a-f產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)熔化幾百克PET。貯存器必須具有足夠的容積來(lái)儲(chǔ)存熔化的PET。較佳地是，在幾個(gè)點(diǎn)處手工監(jiān)測(cè)溫度，最好是自動(dòng)監(jiān)測(cè)溫度。例如，在圖2所示的點(diǎn)Ta、Tb、Td、Ti、To、Tm、Tr、Tt和Tu處可以監(jiān)測(cè)溫度，以確保這些點(diǎn)處的溫度不會(huì)超過(guò)用于系統(tǒng)構(gòu)件的最大溫度。
供給系統(tǒng)37包括一用來(lái)將壓力供應(yīng)給貯存器41的組件60。組件60附連在熱電偶54上，并且將加壓氣體(例如空氣)供應(yīng)給貯存器41。供應(yīng)給貯存器的壓力提供一通過(guò)裝置10的熔化的PET流。組件60具有一與加壓氣體的供應(yīng)連接的第一端58以及一導(dǎo)向真空或排放的第二端56。供應(yīng)熔化的PET流所需的實(shí)際壓力取決于所使用的特定PET材料的粘性。
在使用熔化聚合物的實(shí)施例中，最好將裝置10設(shè)計(jì)成適合熔化聚合物的熱量。作為示例，可將美國(guó)專利No.4,255,777的某些實(shí)施例揭示的霧化器安裝在不銹鋼1/2″三角管(tee)中(將其改進(jìn)以適合霧化器)，本文援引所述專利作為參考。該裝置承受超過(guò)40巴的壓力，同時(shí)暴露在325℃及以上的溫度中。
在運(yùn)行中，通過(guò)裝置10的供給管線19供應(yīng)熔化的PET，流過(guò)本體11中的徑向通道44和軸向槽49。PET通過(guò)電極25的任何一側(cè)的槽49流到腔12。隨著PET向孔22連續(xù)流動(dòng)，PET流過(guò)電極25的尖端40。運(yùn)行電壓源50，以便在電極25的尖端40上產(chǎn)生電荷。在電極25與本體11之間產(chǎn)生一電場(chǎng)。在通過(guò)孔22離開(kāi)之前，PET流過(guò)電極25與本體11之間的電場(chǎng)。隨著PET流過(guò)電場(chǎng)，電荷被注入PET流，提供帶有凈電荷的液流。
在凈電荷的影響下，帶電的液流的多個(gè)部分互相排斥。如圖3所示，液流在凈電荷的影響下分裂并開(kāi)始分散。同時(shí)，熔化的PET冷卻并開(kāi)始凝固。盡管本發(fā)明并不限于任何運(yùn)行理論，但相信沿縱向64從孔22中流出的液流62開(kāi)始分散成從液流62向外延伸的諸細(xì)長(zhǎng)絲66。沿液流62間隔地形成諸細(xì)絲66。相信隨著熔化的PET冷卻，這些PET的細(xì)長(zhǎng)絲66將凝固成纖維。將纖維收集在孔22外面的空間中，并且在纖維保持電荷的情況下可以向電極52引導(dǎo)。
對(duì)于液態(tài)聚合物，可獲得比上面討論的已知的靜電方法更大的生產(chǎn)率數(shù)量級(jí)。通過(guò)使用具有不同尺寸的諸孔以及改變可凝固流體的壓力，可以增加產(chǎn)量的流動(dòng)速率。在無(wú)法成功地大量生產(chǎn)纖維的產(chǎn)生纖維的現(xiàn)有技術(shù)靜電方法中，提高的產(chǎn)量是令人驚奇的。使用上面揭示的方法，通過(guò)單個(gè)孔以約每秒1克的流動(dòng)速率生產(chǎn)纖維或PET。
本發(fā)明的實(shí)施例已經(jīng)獲得足夠用于纖維的工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量，所述纖維可使用于非織造材料、織物、過(guò)濾材料、農(nóng)業(yè)應(yīng)用以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用的材料。
可凝固流體實(shí)際上可以包括任何具有低得足以使電荷注入過(guò)程不會(huì)中止的電導(dǎo)率和/或電荷流動(dòng)性的可凝固流體。換句話說(shuō)，如果電荷在離開(kāi)裝置的孔之前通過(guò)流體到達(dá)裝置本體，流體流將無(wú)法容納凈電荷，并且不會(huì)在凈電荷的影響下分裂成細(xì)絲66(圖3)。如果流體的電導(dǎo)率超過(guò)約104cu的電導(dǎo)率和/或電荷遷移率超過(guò)10-6m2/V·sec，流體不適合與裝置10一起使用。當(dāng)圖1和2所示的裝置中使用紡織等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)IV為0.640的熔化的PET時(shí)，圖14示出了相對(duì)于輸入電壓繪制的從電極到達(dá)裝置本體的電流。
纖維可由任何可凝固材料構(gòu)成。例如，在本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，一陶瓷和粘合劑材料可用于形成纖維。例如，在本發(fā)明的實(shí)施例的其它方法中，金屬也可用于形成纖維。又一示例是用液態(tài)流動(dòng)的玻璃制成纖維。在本發(fā)明的方法中，用于形成纖維的可凝固流體包括熔化聚合物和處于液態(tài)溶液中的聚合材料。例如，可以使用以下溶液四氫呋喃和尿烷和LEXAN和二氯甲烷。本發(fā)明的實(shí)施例的方法可用于形成剛性或半剛性的纖維。通過(guò)使可凝固的液體流凝固成固態(tài)或半固態(tài)材料制成的纖維可以形成纖維。
纖維可由任何聚合材料構(gòu)成。僅作為示例，纖維可由聚酯構(gòu)成，包括被稱為T(mén)EFLON的聚四氟乙烯材料；聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)；聚對(duì)苯二甲酸丁二酯；諸如LEXAN的聚碳酸酯；熱塑性聚氨酯，例如被稱為PELLETHANE或ESTANE、尼龍和其它多種材料。通過(guò)控制液態(tài)聚合物的特性或選擇液態(tài)聚合物的類型，可以生產(chǎn)實(shí)際上具有任何強(qiáng)度并可用來(lái)加強(qiáng)材料的纖維。
使用美國(guó)專利No.4,255,777、4,991,774、5,093,602、5,378,957、5,391,958和5,478,266的某些實(shí)施例中敘述的電荷注入裝置可實(shí)現(xiàn)用于生產(chǎn)纖維的直接電荷注入，本文將援引所述專利的揭示作為參考。本發(fā)明的某些較佳實(shí)施例包括電荷注入裝置，該電荷注入裝置具有美國(guó)專利No.6,161,785、提交于1999年10月29日的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/430,633、提交于1999年10月29日的No.09/430,632和提交于1999年12月30日的No.09/476,246的某些實(shí)施例中揭示的特征，本文將援引所有這些專利的揭示作為參考。
在靜電霧化器中，經(jīng)歷了在離開(kāi)的帶電流附近引起故障的電暈。當(dāng)電荷到達(dá)關(guān)鍵程度時(shí)，發(fā)生電暈引起的故障并且使霧化流體的羽狀物破裂。如果必須或最好減少該種現(xiàn)象發(fā)生在分散裝置中，分散裝置110設(shè)有一圖4-6所示的控制反饋系統(tǒng)，并且如同提交于1999年10月29日的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/430,633的某些實(shí)施例揭示的那樣，本文將援引其揭示作為參考。或者，提交于1999年10月29日的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/430,632的某些實(shí)施例的脈沖霧化器可用于解決電暈引起的故障，本文將援引該專利的揭示作為參考。
圖4-6所示的本發(fā)明的實(shí)施例有一分散裝置110，該裝置具有一形成孔122的本體111。一電勢(shì)源150連接于一中心電極125，一流體源137向本體111中的通道供應(yīng)流體。這些元件基本上如同上面結(jié)合圖1和2所討論的那樣，圖1和4中的相似元件具有相似的標(biāo)號(hào)。
分散裝置110包括一傳感器，該傳感器包括一環(huán)形天線170。例如，天線可包括一直徑為0.5毫米的絕緣導(dǎo)線，該導(dǎo)線的形狀為環(huán)繞在裝置110的孔122周圍的開(kāi)環(huán)。電源150包括一高電壓電源，如圖5所示，該高電壓電源包括一控制器180和DC-DC轉(zhuǎn)換器162?？刂破?80包括一具有中央處理器(“CPU”)163的電路，該中央處理器連接于雙數(shù)字電阻器164。電阻器164連接在一模擬開(kāi)關(guān)181上，該模擬開(kāi)關(guān)依次連接在一放大器182上。放大器182連接在DC-DC轉(zhuǎn)換器上。晶體管185連接在開(kāi)關(guān)181和CPU 163上。電路包括又一放大器183，該放大器連接在天線170上。在又一實(shí)施例中，放大器182和183被包括在一個(gè)構(gòu)件中。圖5所示的電路中可以使用許多本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人士已知的構(gòu)件。運(yùn)行控制器180，改變用于分散裝置110的工作電壓，所述工作電壓由電源150提供。天線170檢測(cè)信號(hào)，控制器180的構(gòu)件控制電壓源150的工作電壓，以避免如同美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/430,633中揭示的由電暈引起的故障。
在某些較佳實(shí)施例中，孔可設(shè)有一用于改變孔的尺寸的固定件200。如圖7所示，通常與圖1和2所示的裝置10相似的裝置210包括安裝在第一端213上的固定件200。固定件200包括一大致呈圓柱形的套筒220，該套筒220具有一壁221，該壁部分覆蓋裝置210的前壁216。壁221具有曲線邊緣223，該邊緣與套筒220連接在一起。壁221終止于被圓形切口225斷開(kāi)的大致呈直線的邊緣224。沿壁224定位切口225，以使裝置210的孔222暴露并且不會(huì)被壁221阻塞。固定件200具有一初始位置，如圖8所示，其中孔222暴露在切口225中。如圖9所示，固定件200可旋轉(zhuǎn)地安裝在裝置210上，并且可以沿方向226旋轉(zhuǎn)，以使壁221移動(dòng)到孔222之上。以這種方式，壁221部分地阻擋孔222，藉此減少孔222的有效尺寸。如果必須改變孔222的尺寸來(lái)改變?cè)诓僮髌陂g流體的流動(dòng)速率，可旋轉(zhuǎn)固定件200以改變孔222的尺寸。另外，最好在裝置210的操作之間改變孔的尺寸。例如，可用具有一第一粘度的可凝固流體來(lái)運(yùn)行裝置210?？筛淖兛椎某叽纾员阌镁哂幸坏诙扯鹊目赡塘黧w來(lái)運(yùn)行同一裝置210，以獲得與具有第一粘度的流體所獲產(chǎn)量相同的產(chǎn)量。在又一示例中，使用被固定件200的壁221部分阻擋的孔222來(lái)運(yùn)行裝置210。為了沖洗孔222的任何碎片或阻塞，沿著與方向226相反的方向旋轉(zhuǎn)固定件200，以使孔222完全暴露，并且關(guān)閉中心電極的電源，以使不帶電的流體從孔222中流出。以該種方式，可以沖洗孔222的碎片。美國(guó)專利No.6,161,785的某些實(shí)施例中揭示的可變化的孔也可與以上實(shí)施例中討論的分散裝置一起使用，本文將援引該專利的揭示作為參考。
美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/476,246中揭示的某些實(shí)施例在被稱為SPRITZ CHIP裝置的單個(gè)噴嘴中設(shè)置多個(gè)孔，本文將援引所述專利的揭示作為參考。相似的結(jié)構(gòu)可用來(lái)為纖維成形提供多個(gè)流體流。例如，在圖10和11中示出了該個(gè)實(shí)施例。一分散裝置包括一具有一第一壁324和一第二壁325的本體320，第二壁通常與第一壁平行，但與其隔開(kāi)。第一壁324形成多個(gè)排放孔326。第一壁324由導(dǎo)電材料或由諸如二氧化硅的電介質(zhì)材料構(gòu)成。在第一壁324包括一電介質(zhì)材料的地方，通過(guò)將諸如金屬的導(dǎo)電材料制成的涂層設(shè)置在該表面上，以便在第一壁324的外表面328上形成與所有孔326共有的外部電極350。一絕緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)321使第一壁324和第二壁325保持相互間隔，該內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括多個(gè)將諸壁之間的空間細(xì)分為大量六邊形腔室或內(nèi)部空間322的壁。將六邊形空間322設(shè)置在具有孔326的中心上，以使每個(gè)孔對(duì)準(zhǔn)一個(gè)六邊形空間的中心。將發(fā)射體電極344安裝在第二壁325上，并且對(duì)準(zhǔn)孔326。第二壁325可包括一絕緣材料，或結(jié)合一電介質(zhì)層327以及一與所有發(fā)射體電極344電氣連接的導(dǎo)電層323。第二壁325具有大量貫穿其中的流體通道330。這些孔形成一用于過(guò)濾將用來(lái)形成纖維的可凝固流體的過(guò)濾器。通道330的相對(duì)尺寸取決于所采用的特定可凝固流體和流體粘度。出于圖示的質(zhì)量，在圖10和11中放大了通道330的尺寸。
與用于形成半導(dǎo)體芯片和相關(guān)裝置的技術(shù)類似，可以使用微型加工制造技術(shù)來(lái)制造本發(fā)明的該實(shí)施例的分配裝置?？墒褂霉饪碳夹g(shù)、電鍍、真空沉積或使用在半導(dǎo)體制造中的其它傳統(tǒng)技術(shù)。通過(guò)在用于形成第二壁325的相同質(zhì)量的材料上蝕刻和/或沉積，可以形成發(fā)射體電極。例如，通過(guò)濺射、通過(guò)蒸汽沉積或通過(guò)化學(xué)蒸汽沉積可以形成鎢發(fā)射體。在該技術(shù)的變化型式中，可以與第二壁325一起制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)321，以使內(nèi)部結(jié)構(gòu)與第二壁構(gòu)成一體。同樣，盡管內(nèi)部結(jié)構(gòu)被完全圖示成將壁324和壁325之間的空間分成完全單獨(dú)的空間322，但這些空間是相互連通的。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，空間422對(duì)用于輸送可凝固流體的通道是開(kāi)放的(見(jiàn)圖12和13)。因而，第二壁425并未包括用于過(guò)濾可凝固流體的孔。該實(shí)施例的其余特征基本上與圖10和11相似，圖12和13的相似特征具有與圖10和11相似的標(biāo)號(hào)。
以與上面結(jié)合圖1和2所討論的裝置類似的方法使用圖10至13所示的裝置。例如，使電極344與電源的高壓終端相連，而最好通過(guò)將第二電極連接于地面以使第二電極350與低電位相連。在裝置的遠(yuǎn)處設(shè)置一第三接地電極(圖中未示出)。通過(guò)流體入口孔330將可凝固流體輸送到六邊形空間322，并且通過(guò)排放孔326排出。再者，電極344與外部電極350之間的電場(chǎng)將電荷注入向下游通入排放孔326的流體之中。注入的電荷導(dǎo)致流體的分散和纖維的形成。
可將圖10至13所示的裝置制造成任何尺寸，根據(jù)使用的可凝固流體來(lái)確定孔、六邊形空間的尺寸和第一壁與第二壁之間的距離。
在裝置中使用多個(gè)孔可提供一些重要的優(yōu)點(diǎn)。首先，影響一個(gè)孔的堵塞或其它問(wèn)題將不會(huì)引起裝置的完全失效。同樣，任何數(shù)量的孔可用于提供具有更大或更小的流動(dòng)能力的裝置，而且不會(huì)改變裝置的其它運(yùn)行特征。一多孔裝置可用于在工業(yè)或商業(yè)上大規(guī)模地生產(chǎn)纖維。
還可以在孔的附近使用一電子束來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的電荷注入以形成纖維，以便在流體從孔中流出時(shí)或恰好在液流通過(guò)孔之前使電子束中的電子撞擊流體。美國(guó)專利No.5,378,957、5,093,602、5,391,958中揭示了以前用于霧化液體的電子束裝置，本文將援引所述專利的揭示作為參考，并將其復(fù)印件附在這里。
盡管已經(jīng)結(jié)合特定實(shí)施例敘述了本發(fā)明，但應(yīng)予理解的是，這些實(shí)施例只是說(shuō)明本發(fā)明的原理和應(yīng)用的。因此應(yīng)予理解的是，在不背離所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對(duì)說(shuō)明性的實(shí)施例進(jìn)行多種修改，并且設(shè)計(jì)其它設(shè)置。
示例在以下示例中，圖1和2的設(shè)備中使用兩種PET?？椎闹睆绞?06微米，并且通過(guò)設(shè)備供給標(biāo)準(zhǔn)IV 0.640 PET。孔的尺寸影響給定的流體產(chǎn)量所需的工作壓力，以及可獲得的電荷密度。較大的孔直徑使工作壓力降低，并且獲得較低的電荷密度。在406微米直徑設(shè)備中，PET流中獲得的最大電荷密度是250微米直徑孔設(shè)備中獲得的最大電荷密度的約62％。設(shè)備的貯存器被加壓到19巴(275磅/平方英寸)。熔化的PET通過(guò)直徑為406微米的孔的流動(dòng)速率為0.8克/秒。PET的容積流動(dòng)速率約為0.57毫升/秒。
從分散裝置的孔中流出的流體的電荷密度隨著橫越孔的直徑而變化。與液流的中心部分相比，流體流的外部具有較高的電荷。406微米設(shè)備的平均電荷密度是0.88庫(kù)侖/m3。
只需要2.7千伏的工作電壓來(lái)對(duì)熔化的PET充電就足以形成纖維。這是纖維形成過(guò)程中一個(gè)令人驚奇的特征。在與mil-C-7024型II標(biāo)定流體一起使用該設(shè)備時(shí)，需要5-6千伏來(lái)分裂標(biāo)定流體流。
406微米直徑設(shè)備中產(chǎn)生的纖維通常是光滑和錐形的。纖維的一小部分具有分支，并且包括纖維間的接合點(diǎn)。許多纖維是中空的。相信中空的纖維是由纖維生成過(guò)程中陷在熔化的PET中的氣泡延伸而成的。許多紡織等級(jí)PET纖維具有100微米或更大的直徑。
406微米直徑設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)IV 0.589 PET一起使用。該P(yáng)ET的粘性小于先前討論的紡織等級(jí)PET。紡織等級(jí)PET在295℃中具有1845泊的粘度，粘度較小的PET在295℃中具有1180泊的粘度。
在相同的壓力下運(yùn)行供給系統(tǒng)。生產(chǎn)出的纖維具有低于100微米的直徑，并且許多纖維具有10微米或更小的直徑。直徑約為700微米的相對(duì)較大的微滴附連在纖維上。由于紡織等級(jí)PET在形成微滴之前冷卻，因此相信紡織等級(jí)PET不會(huì)產(chǎn)生這樣的微滴。如圖3所示，例如，從孔中流出的流體流分裂成最終形成微滴的細(xì)長(zhǎng)絲。另一方面，紡織等級(jí)PET中產(chǎn)生的分支表示PET流在形成單獨(dú)的纖維之前冷卻。因而，控制形成纖維的孔的外部區(qū)域的加熱可用來(lái)增加纖維的產(chǎn)量。PET纖維在形成后保持電荷。較細(xì)的纖維保持較高的電荷，并且受到與孔隔開(kāi)的接地電極的吸引。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法，將凈電荷注入可凝固流體，并且在流體凝固后將電荷保持在纖維中。例如，隨后可將帶電纖維用作靜電過(guò)濾的材料。
PET纖維具有10微米或更小的直徑。使用本發(fā)明的實(shí)施例的方法和設(shè)備可以生產(chǎn)更小的纖維。在又一示例中，圖1和2所示的設(shè)備用于從提供在帶四氫呋喃的一溶液中的稱為PELLETHANE的熱塑性聚氨酯形成纖維。生產(chǎn)的纖維直徑的范圍從約20納米到約500納米。
工業(yè)適用性本發(fā)明的工業(yè)適用性是制造人造纖維。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)纖維的方法，該方法包括提供一可凝固流體流；藉助使液流通過(guò)形成一孔的本體，以致在液流離開(kāi)所述孔之前使其通過(guò)一電場(chǎng)，提供帶有凈電荷的液流以使液流分裂；以及使分裂的液流凝固以形成纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供帶有凈電荷的液流的步驟包括將凈電荷注入液流。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，注入凈電荷的步驟包括注入凈電荷以便形成—用于至少0.5兆伏/米的液流的自電場(chǎng)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，可凝固流體包括一液態(tài)聚合物。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，液態(tài)聚合物包括一熔化聚合物。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從以下組群中選擇可凝固流體，該組群包括一液態(tài)玻璃；一液態(tài)聚酯；液態(tài)聚四氟乙烯；液態(tài)聚對(duì)苯二甲酸乙二酯；液態(tài)聚對(duì)苯二甲酸丁二酯；以及液態(tài)熱塑性聚氨酯。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，可凝固流體包括一液態(tài)溶液，該溶液包括一聚合材料。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，提供液流的步驟包括加熱聚合材料，使液流凝固的步驟包括使分裂的液流冷卻。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，提供液流的步驟包括提供一溶液中的聚合材料，使液流凝固的步驟包括使溶液蒸發(fā)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供可凝固流體流的步驟包括使可凝固流體以至少0.1克/秒的速率通過(guò)一孔。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，提供可凝固流體流的步驟包括使可凝固流體以至少0.5克/秒的速率通過(guò)一孔。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，提供可凝固流體流的步驟包括使可凝固流體以至少1克/秒的速率通過(guò)一孔。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供帶有凈電荷的液流的步驟包括使液流通過(guò)所述孔附近的一對(duì)電極之間，同時(shí)保持電極之間的電位差。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，一對(duì)電極中的一個(gè)電極包括形成所述孔的本體。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，注入凈電荷的步驟包括使液流通過(guò)位于所述孔附近的電子槍。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括當(dāng)分裂的液流離開(kāi)所述孔時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供帶有凈電荷的液流的步驟包括提供具有至少0.5庫(kù)侖/立方米的電荷密度的液流。
18.一種生產(chǎn)纖維的方法，該方法包括通過(guò)多條可凝固流體流；藉助使每條液流通過(guò)形成一孔的結(jié)構(gòu)，以致在液流離開(kāi)所述孔之前使其通過(guò)一電場(chǎng)，提供多條帶有凈電荷的液流以使液流分裂；以及使每條分裂的液流凝固以形成纖維。
19.一種形成帶電固體的方法，該方法包括提供一可凝固流體流；藉助使液流通過(guò)形成一孔的本體，以致在液流離開(kāi)所述孔之前使其通過(guò)一電場(chǎng)，提供帶有凈電荷的液流；使可凝固流體流凝固，同時(shí)仍然帶電。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，液流在凈電荷的影響下分裂。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，可凝固流體流具有10-6m2/V·sec的最大電荷遷移率。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，可凝固流體流具有0.1庫(kù)侖/立方米的最小凈電荷。
23.一種用于生產(chǎn)纖維的設(shè)備，該設(shè)備包括一供給系統(tǒng)，所述供給系統(tǒng)適于輸送一熔化的聚合材料流；一電荷注入裝置，所述電荷注入裝置適于提供帶有凈電荷的液流，以使所述液流分裂，所述裝置包括一本體，所述本體形成一孔并且被設(shè)置成使所述液流在離開(kāi)所述孔之前通過(guò)一電場(chǎng)。
24.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，所述電荷注入裝置包括一對(duì)電極，所述一對(duì)電極中的一個(gè)電極包括形成所述孔的本體。
25.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，所述供給系統(tǒng)包括至少一個(gè)用于熔化聚合材料的加熱器。
26.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，所述電荷注入裝置包括一電子槍。
27.一種形成纖維的方法，該方法包括以下步驟以至少約0.01克/秒的速率提供一可凝固流體流；將電荷注入可凝固流體流，藉此使液流分裂并形成細(xì)絲；以及使細(xì)絲凝固。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)注入電荷的步驟，以便注入至少約0.6庫(kù)侖/立方米的所述可凝固流體。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，提供一液流的步驟包括以至少0.1克/秒的速率提供一液流。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，提供一液流的步驟包括以至少1克/秒的速率提供一液流。
31.一種形成纖維的方法，該方法包括以下步驟以至少約0.01克/秒的速率提供一可凝固流體流；將每立方米流體至少約0.6庫(kù)侖的電荷注入所述可凝固流體流，藉此使所述液流分裂并形成細(xì)絲；以及使所述細(xì)絲凝固。
32.一種形成纖維的方法，該方法包括以下步驟以至少約0.03毫升/秒的速率提供一可凝固流體流；將電荷注入所述可凝固流體流，藉此使所述液流分裂并形成細(xì)絲；以及使所述細(xì)絲凝固。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)注入電荷的步驟，以便對(duì)每立方米的所述可凝固流體注入至少約1庫(kù)侖。
34.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，提供一液流的步驟包括以至少0.1毫升/秒的速率提供一液流。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，提供一液流的步驟包括以至少0.5毫升/秒的速率提供一液流。
36.通過(guò)權(quán)利要求1所述的過(guò)程生產(chǎn)靜電形成的纖維。
37.如權(quán)利要求36所述的纖維，其特征在于，纖維由以下組群中選擇的材料制成，該組群包括陶瓷、聚酯、聚四氟乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯、熱塑性聚氨酯、碳和玻璃。
38.如權(quán)利要求36所述的纖維，其特征在于，所述纖維具有小于100微米的直徑。
39.如權(quán)利要求38所述的纖維，其特征在于，所述纖維具有小于10微米的直徑。
40.如權(quán)利要求39所述的纖維，其特征在于，所述纖維具有小于500納米的直徑。
41.如權(quán)利要求40所述的纖維，其特征在于，所述纖維具有小于100納米的直徑。
42.如權(quán)利要求41所述的纖維，其特征在于，所述纖維具有小于20納米的直徑。
全文摘要
一種用于制造纖維的方法和設(shè)備，該方法包括提供來(lái)自流體源(37)的流體流，以及對(duì)液流注射來(lái)自電荷注入裝置(21)的凈電荷，以使液流分裂并且使液流凝固以形成纖維。
文檔編號(hào)B05B5/10GK1400934SQ01805135
公開(kāi)日2003年3月5日 申請(qǐng)日期2001年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月18日
發(fā)明者A·J·凱利 申請(qǐng)人:沖激注射技術(shù)股份有限公司