專利名稱：制造復(fù)合過濾材料的裝置與制造復(fù)合過濾材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
與背景本發(fā)明涉及過濾裝置，特別涉及復(fù)合聚合物纖維過濾器及其制造技術(shù)。
開發(fā)能夠捕獲尺寸為0.1-10微米的質(zhì)點(diǎn)的過濾材料并擴(kuò)大其應(yīng)用，不但關(guān)系到制造產(chǎn)品日益嚴(yán)格的質(zhì)量與可靠性要求，而且關(guān)系到現(xiàn)代技術(shù)和生產(chǎn)過程(包括電子、航空、汽車工業(yè)、電化學(xué)工業(yè)、生物技術(shù)、醫(yī)藥)的快速發(fā)展。這些材料的主要工業(yè)制造方法包括從聚合物溶液的生產(chǎn)(可參看V.P.Dubyaga等所著《Polymer Membranes》，由“Chemistry”出版社于1981年在莫斯科用俄文出版；V.E.Gul和V.P.Dyakonova所著《Physical and Chemical Principles ofPolymer Films Manufacture》，由“Higher School”出版社于1978年在莫斯科用俄文出版；德國專利DE 3,023,788“Cationic absorbentfor removing acid dyes etc.From waste water-prepared fromaminoplast precondensate and amin-amide compound”)；從粉末與粉末聚合復(fù)合物的生產(chǎn)(可參看P.B.Zhivotinskiy所著《PorousPartitions and Membranes in Electrochemical Equipment》，由“Chemistry”出版社于1978年在列寧格勒用俄文出版；“Encyclopedia of Polymer Science and Engineering”一文，該文于1987年于紐約的Wiley在Vol.8第533頁發(fā)表)；從大的整塊膜(Macromonolithic)薄膜的生產(chǎn)(參看I.Cabasso和A.F.Turbak的“Synthetic membranes”一文，該文于1981年在在華盛頓DC的Vol.1.ACS Symposium，Ser.154的第267頁上發(fā)表)；和從纖維和聚合物纖維擴(kuò)散物的生產(chǎn)(參看T.Miura所著“Totally dry nonwovensystem combines air-laid and thermobonding”，該文1988年3月發(fā)表在“Nonwoven World”Vol.73的第46頁)。最后一種方法應(yīng)用最廣，這是由于它能以優(yōu)化的成本-質(zhì)量比有利于材料的制造。
巨大的興趣還表現(xiàn)在擴(kuò)大傳統(tǒng)過濾材料的使用，特別是在氣相或液相介質(zhì)中，利用附加劑分子吸附作用捕獲微質(zhì)點(diǎn)的綜合功能方面，例如，在作為催化反應(yīng)基質(zhì)去除硫醇、在增強(qiáng)過濾材料的殺菌效果等方面。實(shí)現(xiàn)這些附加功能是可能的，這是由于某種或某些功能組的填料的纖維基體的引入，這些纖維基體使附加的固相形成，就是說，結(jié)果制成了復(fù)合過濾材料。
目前，聚合過濾材料是用合成纖維制成，所使用的技術(shù)在許多方面都是類似于在紙漿與造紙工業(yè)使用的傳統(tǒng)技術(shù)。將長纖維線截成給定長度，然后50％以上將要接受某些基本的和附加的工序，其中可能包括改變表面特性的化學(xué)處理、與粘接劑和穩(wěn)定劑混合、分選、干燥處理等等(參閱O.I.Nachikin所著《Polymer Microfilters》一書的157-158頁，該書由“Chemistry”出版社于1985年在莫斯科用俄文出版)。這種技術(shù)過程的復(fù)雜性，防礙了對于具有后繼開發(fā)利用穩(wěn)定特性的材料的制造，使過濾材料的制造成本高，而且實(shí)際是不能制造具有對潮濕與熱處理敏感的填料的復(fù)合材料。
不過，有一種制造超細(xì)合成纖維的方法(以及生產(chǎn)這種纖維的裝置)，該方法有利于綜合纖維制造過程和微孔性過濾材料的形成，于是減少了工藝工序的數(shù)量，排除了對于多水反應(yīng)介質(zhì)的需求，并增加了所制成產(chǎn)品特性的穩(wěn)定性(例如，可參閱美國專利No.2,349,950)。根據(jù)這種方法，即眾所周知的“電毛細(xì)管拔絲(Electrocapillaryspinning)”，當(dāng)聚合物溶液在電力的作用下，從毛細(xì)管孔流出的過程中形成給定長度的纖維，并落在接收器上以形成一種無防聚合材料，這種聚合材料的基本特性可被有效地改變。使用這種方法，纖維的形成是發(fā)生是在每一毛細(xì)管孔之間的間隙，是處于負(fù)電位和一形狀為細(xì)導(dǎo)線的接地正電極的作用下，就是說，是在伴隨有電暈放電的非均勻場中。然而，溶劑的蒸發(fā)過程發(fā)生得極其迅速，結(jié)果纖維受到變化的電場力和空氣動(dòng)力的作用，這樣就導(dǎo)致沿纖維寬度方向上的各向異性并形成短纖維。使用這樣的纖維不可能制造高質(zhì)量的過濾材料。
開發(fā)實(shí)施上述方法的裝置是復(fù)雜的，這是由于存在許多技術(shù)困難1.毛細(xì)管孔被聚合薄膜所堵塞，該聚合薄膜是在任何工藝過程狀態(tài)產(chǎn)生偏差的情況下形成的，這些工藝過程狀態(tài)包括溶液的濃度和溫度、大氣濕度、電場強(qiáng)度等等。
2.大量這種現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致工藝過程全部停止，或者因上述薄膜破裂而使工藝能力下降。
因此，用這種方法生產(chǎn)合成纖維只能用于極其有限種類的聚合物，例如細(xì)胞膜質(zhì)醋酸纖維素(Cellulose acetate)和低分子量聚碳酸脂，這些都不容易產(chǎn)生上面所述的故障。
需要考慮這樣一個(gè)事實(shí)，像細(xì)孔單分散性(以及產(chǎn)品總的分散率)這樣一個(gè)過濾材料的重要參數(shù)，在這種情況下與纖維特性的相關(guān)性小，而主要取決于纖維聚集的純粹概率過程。
現(xiàn)代過濾材料要滿足嚴(yán)格的，而且經(jīng)常是矛盾的要求。除了要求各種分子構(gòu)成的液態(tài)或氣態(tài)系統(tǒng)高分散率之外，還要求保證過濾的低水(或氣)動(dòng)力阻力、良好的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定、良好的吸污能力、應(yīng)用的廣泛性和低成本。
制造這種產(chǎn)品在使用具有等軸橫截面的高品質(zhì)細(xì)長纖維上是有條件的，這種纖維包含單分散細(xì)孔并呈現(xiàn)多孔性。這種產(chǎn)品的實(shí)用價(jià)值可能大大增加，這是因?yàn)榭赡艿膽?yīng)用領(lǐng)域由于額外的方面的形成而擴(kuò)大，即在上述復(fù)合過濾材料的制造方面。
因此，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案的主要目的，在于消除現(xiàn)有過濾應(yīng)用的技術(shù)方案的上述缺點(diǎn)(主要是在由聚合物纖維制成微過濾器方面)以及其他的目的，包括微過濾裝置的應(yīng)用，即過濾裝置的創(chuàng)建和用于滿足上述要求的方法，即制造具有新使用特征的的微過濾材料的技術(shù)方法。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于將液化的聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維結(jié)構(gòu)的裝置，該裝置包括(a)本質(zhì)上為平面的沉積電極；(b)用于將液化聚合物充電到相對于沉積電極為第一電位的裝置；(c)用于在液化聚合物的表面形成一種具有足夠大曲率的表面的裝置，以便使至少一股液化聚合物射流被第一電位吸到沉積電極。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種將聚合物形成無防結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括下列步驟(a)使聚合物液化，從而生成液化聚合物；(b)設(shè)置一本質(zhì)上是平面的沉積電極；(c)將液化的聚合物充電到相對于沉積電極為第一電位；(d)在液化的聚合物形成具有足夠大曲率的表面，使得至少一股液化聚合物射流被第一電位吸到沉積電極，從而在沉積電極上形成無防纖維結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的基本裝置包括接地的運(yùn)動(dòng)皮帶，該皮帶起沉積電極的作用；電極-收集器，用于將聚合物溶液相對于運(yùn)動(dòng)皮帶充電至負(fù)電位，并用以在聚合物溶液生成一高表面曲率的區(qū)域。在裝置的一個(gè)實(shí)施例中，高表面曲率區(qū)是通過強(qiáng)迫聚合物溶液經(jīng)過一排噴嘴而形成的。電極-收集器的噴嘴是沿縱向插入圓孔，該圓孔以一定間距位于電極-收集器的負(fù)電位蓋板上。溶劑蒸汽源與這些孔連通。在一替換裝置的配置中，噴嘴被具有開式通道的系統(tǒng)連通至溶劑容器。
在一個(gè)實(shí)施例中，該裝置設(shè)置了一附加的接地電極，該電極平行于電極-收集器噴嘴孔的表面而設(shè)置，且能沿電極-收集器噴嘴平面的法線方向移動(dòng)。
為了改進(jìn)制造過程，附充電極可采取由一單根的導(dǎo)線延伸超過電極內(nèi)部空間的方式。
附充電極還可以采取帶法蘭的多孔板的形式，在這種情況下，附充電極的表面、法蘭和電極-收集器形成一封閉的空腔，而多孔板的孔與電極-收集器的孔同軸。
最好本發(fā)明的裝置還包括懸浮微粒發(fā)生器，該發(fā)生器制成空心裝置(液化床層)，并被一多孔導(dǎo)電隔板分為兩部分，該隔板與正高電壓主電源連接?？涨坏南虏啃纬梢粔毫η唬搲毫η慌c壓縮機(jī)連通，空腔的上部充以可擴(kuò)散的填充物，例如聚合物粉末。
此外，懸浮微粒發(fā)生器可以制成槽形噴霧器形式，該噴霧器與正高壓電源連接，并與一干流體進(jìn)給裝置連通，該進(jìn)給裝置設(shè)置有一噴射器，用以向噴霧器供給粉末。
其次，本發(fā)明所提出的目的是通過所提出的制造復(fù)合過濾材料的方法達(dá)到的，該方法規(guī)定了下列工序(階段).由聚合物、有機(jī)溶劑和增溶添加劑在升溫狀態(tài)下混合，以制備聚合物溶液；.將聚合物溶液注入電極-收集器，并將可擴(kuò)散填充物引入通電的懸浮微粒發(fā)生器的空腔內(nèi)，該可擴(kuò)散填充物例如是具有與溶液相同化學(xué)成分的聚合物；.將負(fù)高壓電供給電極-收集器，并創(chuàng)建流體靜壓以促進(jìn)聚合物溶液從電極-收集器的噴嘴噴射，以生成帶負(fù)電荷的聚合物纖維；.將上述纖維在電場作用下，在射向沉積電極時(shí)的慣性作用下和在沉積電極表面的無秩序堆積，使得纖維轉(zhuǎn)變?yōu)闊o防聚合材料；.使上述聚合材料在沉積電極的幫助下移動(dòng)，繼之以聚合物材料與從懸浮微粒發(fā)生器中可擴(kuò)散填充物所形成的帶電懸浮微粒云之間的相互作用，并伴隨以懸浮微粒云滲透入帶負(fù)電荷的無防聚合材料，從而形成均勻的復(fù)合過濾材料。
用本發(fā)明方法制備的過濾材料可以經(jīng)受壓制。
對附圖的簡要說明本發(fā)明的說明是通過實(shí)例并參考附圖來進(jìn)行的，其中

圖1為本發(fā)明的裝置的原理圖，其中包括兩可替換的通電的懸浮微粒發(fā)生器；圖2A為圖1所示裝置的電極-收集器的頂視圖；圖2B為圖2A所示電極-收集器的橫截面圖；圖3和圖4為替換的基于噴嘴的電極-收集器的橫截面圖；圖5為基于轉(zhuǎn)輪的電極-收集器的橫截面圖；圖6為基于往復(fù)針的電極-收集器的橫截面圖。
對推薦實(shí)施例的詳細(xì)說明本發(fā)明涉及聚合物纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)靜電沉積的裝置和方法。特別是，本發(fā)明可用以制造復(fù)合無防過濾器。
根據(jù)本發(fā)明，無防聚合物纖維結(jié)構(gòu)的靜電沉積原理與制造方法，可參看附圖及相應(yīng)說明更好地了解。
復(fù)合過濾材料的制備工藝過程包括兩個(gè)基本階段，該兩基本階段是同時(shí)發(fā)生的。第一階段包括超細(xì)纖維從聚合物溶液形成，并在恒速運(yùn)動(dòng)的表面(基體)沉積，該聚合物溶液是在電場作用下從毛細(xì)管孔中流出的。
第二工序是引入具有特定成分的填料的微擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)，使其進(jìn)入在前面第一階段形成的纖維結(jié)構(gòu)(基體)。
所推薦的制造復(fù)合過濾材料的方法，是基于這兩個(gè)基本工序的實(shí)現(xiàn)，也包括上述各工序。
本發(fā)明的裝置的一個(gè)基本方案(圖1)包括高壓電極-收集器1，該電極-收集器制成浴槽形，其中充以聚合物溶液，并設(shè)置有基體2和蓋2’。電極-收集器通過一柔性管與一送料器3(圖2B)連通，安裝成可以垂直移動(dòng)，并與一負(fù)極性的高壓電源4連接。
具有毛細(xì)管孔的噴嘴6的噴絲頭5，是用螺紋擰入電極-收集器蓋2’上的開口，好象放在一個(gè)棋盤上那樣。由于噴絲頭的高度略小于蓋2’的厚度，而每一噴嘴的長度超過蓋2’的厚度，噴嘴部分在蓋2’上沿圓筒形凹部7軸線的上面，該圓筒形凹部被一開式通道系統(tǒng)8彼此連通(圖2A)。溶劑從容器9送入通道系統(tǒng)。沉積電極10設(shè)置在距蓋2’上面一定距離處。沉積電極10制成一種具有恒速運(yùn)動(dòng)表面的形式(在運(yùn)行狀態(tài)下)，例如，用導(dǎo)電材料制成的皮帶。沉積電極10是接地的。轉(zhuǎn)軸11和12與一電動(dòng)機(jī)(圖中未示出)連接，用以驅(qū)動(dòng)沉積電極10，保證沉積電極10處于拉伸狀態(tài)和對沉積電極10上材料的初始壓縮。沉積電極10的一部分纏繞在軸13上，該軸具有大的直徑，并浸泡在通電的懸浮微粒發(fā)生器的矩形空腔內(nèi)。通電懸浮微粒發(fā)生器的空腔被一多孔導(dǎo)電隔板15分隔為兩部分。隔板與一正極性高壓電源16連接。通電的懸浮微粒發(fā)生器14的下部形成一壓力室17，與一壓縮機(jī)連通(圖中未示出)。微擴(kuò)散填料被倒在位于懸浮微粒發(fā)生器上部的多孔隔板15的表面。圖1中所示的整個(gè)裝置是裝在氣密密封的容器內(nèi)，該容器設(shè)置有一吸入裝置和一沉降室，用以捕獲和重新循環(huán)溶劑氣泡(未在圖中示出)。
通電的懸浮微粒發(fā)生器也使用一種槽形噴射器18，該噴射器用一管與干粉噴射進(jìn)給器19連通，并與正高壓電源16連接。使用具有在電暈放電場中的對懸浮微粒充電的槽形噴射器，推薦用于金屬粉末(包括石墨粉末)和不容易液化的粉末的情況。
借助于圖3所示的裝置，在垂直表面上纖維進(jìn)給的方向可能反向，電極-收集器的尺寸和毛細(xì)管的數(shù)目可以減至最少。該裝置包括電極-收集器框架20，用不導(dǎo)電材料制成，具有一中央通道21，該通道例如可以是圓筒形。通道通過一管與送料器(未在圖中示出)連通，并設(shè)置了孔22，以促進(jìn)與大氣之間的氣體交換。匯流排23安裝在框架20的下部，該匯流排具有噴絲頭5和帶毛細(xì)管孔的噴嘴。噴嘴均與高壓電源(圖中未示出)連接。具有孔25的蓋24放在匯流排的前面。噴嘴6以一定同軸間隙放在這些孔中。蓋的內(nèi)表面與匯流排形成空腔26，該空腔通過管子與飽和劑器(圖中未示出)連通。
在許多情況下，制造復(fù)合過濾材料可以使用圖4所示裝置改進(jìn)制造過程。這里，不導(dǎo)電的法蘭28用作接地的多孔板27的基板，該多孔板是以某一間距C平行于電極-收集器20的表面和匯流排23安裝。多孔板27在法蘭上的安裝方式能保證可以實(shí)現(xiàn)垂直移動(dòng)，以調(diào)節(jié)間距C的尺寸。多孔板上的孔29與電極-收集器噴嘴的孔同軸。多孔板27的內(nèi)表面與匯流板23之間形成空腔26，該空腔與飽和劑器連通。
所建議的裝置的基本形式的功能如下聚合物溶液從送料器3(圖2B)進(jìn)入電極-收集器浴槽1，在流體靜壓力的作用下，聚合物溶液經(jīng)過噴嘴6的毛細(xì)管孔噴出。聚合物溶液一旦形成彎液面，溶劑氣化過程即開始。這一過程伴隨著具有半剛性外皮的包囊(Capsule)的生成，包囊的尺寸一方面取決于流體靜壓力、初始溶液濃度和表面張力值，另一方面取決于在毛細(xì)管孔區(qū)域溶劑蒸汽的濃度。后者的參數(shù)可通過選擇從蓋2’自由蒸發(fā)的面積和溶劑的溫度來優(yōu)化。
通過接通高壓電源4，一個(gè)電場，以及在噴嘴6區(qū)域伴隨的單極電暈放電，在蓋2’與沉積電極10之間生成。由于聚合物溶液具有一定的導(dǎo)電性，上述包囊變?yōu)閹щ婓w，包囊內(nèi)相互排斥的庫侖力導(dǎo)致流體靜壓力的急劇增大。半剛性的外皮被拉伸并在每一外皮形成許多點(diǎn)微裂紋(從2至10個(gè))。極細(xì)的聚合物溶液射流開始從這些孔噴射出。以高速度在內(nèi)電極間隔中運(yùn)動(dòng)，這些射流開始失去溶劑并形成纖維，這些纖維是無秩序地沉積在運(yùn)動(dòng)著的沉積電極10的表面，形成一種片式纖維基體。由于聚合物纖維具有高表面電阻，而纖維材料與沉積電極表面物理接觸的量小，纖維基體將長時(shí)間保持負(fù)電荷。
當(dāng)壓縮空氣被通入懸浮微粒發(fā)生器14的壓力室17，且高壓電源16接通時(shí)，微擴(kuò)散填料變成液化狀態(tài)并具有正電荷。在電場力和空氣動(dòng)力的作用下，填料質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至沉積電極10的表面，該電極托住纖維基體。結(jié)果，在庫侖力的作用下，填料質(zhì)點(diǎn)與纖維基體相互作用，滲入纖維基體的結(jié)構(gòu)并形成復(fù)合材料。
當(dāng)沉積電極10的皮帶從軸11之間經(jīng)過時(shí)，初始沉積材料被壓縮，并伴隨以填料質(zhì)點(diǎn)在纖維基體內(nèi)的重新分布。完全由電場力附著在纖維材料上的球形質(zhì)點(diǎn)沿最小阻力路徑運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入纖維基體中具有最小體積密度的微區(qū)，填充大的孔隙，于是改善了復(fù)合材料的均勻性和孔隙的微擴(kuò)散度。
由下列材料制成的微擴(kuò)散粉末可以用作填料與基體化學(xué)成分相同的聚合物、聚合物膠乳、玻璃、特氟隆、以及其他活性填料，該活性填料能導(dǎo)致具有新的使用特征的復(fù)合微過濾材料的生產(chǎn)。這些新材料可在吸附劑、顯示劑、催化劑、離子交換樹脂、顏料、殺菌劑等等諸方面發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用。
如上所述，使用具有液化層的帶電懸浮微粒發(fā)生器，可以促進(jìn)制造過程獲得高生產(chǎn)率和產(chǎn)品的均勻性。但是，有幾種粉末在形成液化層方面存在困難，它們是金屬粉末，特別是起催化作用的金屬粉末，只能在單極電暈放電場里經(jīng)受電沉積。因此，在這種情況下，以及在必須測出填料的準(zhǔn)確量時(shí)，值得使用槽式噴射器18作為帶電懸浮微粒發(fā)生器(圖1)。當(dāng)壓縮空氣從壓縮機(jī)送到干粉進(jìn)給器，且高壓電源接通時(shí)，粉末化的填料被射入槽式噴射器18。懸浮微粒云從噴射器孔噴出之后，在單極電暈放電場中變?yōu)閹щ婓w，并在電場力和空氣動(dòng)力的作用下，被轉(zhuǎn)移到沉積電極，在這里與纖維基體的相互作用如上所述。
圖3所示裝置的運(yùn)行，在主要方面與基本裝置的工序一致。其主要區(qū)別如下溶劑蒸汽在略微過壓的情況下從飽和器送入空腔26，并從孔25流出，流過噴嘴6的孔邊。這種配置的優(yōu)點(diǎn)是基于這樣的事實(shí)，它保證了容易在空間重新定向，纖維在任何方向進(jìn)給的可能性，以及可以使用少量的毛細(xì)管制造出緊密的結(jié)構(gòu)。這種類型的裝置對以高通過率為目的的成套裝置并不是有效的，這是由于難于通過大量的孔獲得蒸汽-空氣的均勻分布混合物，和蒸汽在管道內(nèi)可能凝結(jié)以及隨后的液滴下落。
強(qiáng)化纖維基體制造過程和減小纖維寬度以便生產(chǎn)最小孔隙尺寸的過濾材料，一方面要將電場強(qiáng)度提高到接近這樣的水平，這時(shí)在出射纖維與沉積電極10之間將開始放電，另一方面，在內(nèi)電極間隔內(nèi)的溶劑蒸汽的濃度要增加，以便保持強(qiáng)化纖維形成的能力。優(yōu)化的電場強(qiáng)度，在電極-收集器1與沉積電極10之間，和在帶電懸浮微粒發(fā)生器與沉積電極10之間，均在大約2.5KV/cm至大約4KV/cm范圍。
增充電場的平均強(qiáng)度和不均勻性以導(dǎo)致電暈放電，可以借助于在內(nèi)電極間隔中安裝一個(gè)或多個(gè)接地電極來實(shí)現(xiàn)，該電極可制成是導(dǎo)線的形式。這一技術(shù)方案有利于提高制造過程的生產(chǎn)率1.5至2倍，不過這種方案不會(huì)導(dǎo)致具有不同強(qiáng)度和尺寸的短纖維的形成。使用線性接地電極取代平面接地電極的負(fù)面效果，由此生成的一種不均勻電場可以通過在纖維形成區(qū)增加溶劑蒸汽濃度來減小，這對于開式裝置是困難的，還增加了溶劑的消耗和火災(zāi)的危害。
這種缺陷可以使用上述如圖4所示的裝置來克服。
接通在間隙C中的高壓電源4，生成一均勻電場，其電場強(qiáng)度可容易地增加到10-15KV/cm。在這種情況下，電場對聚合物溶液射流的沖擊急劇增加。纖維變得更細(xì)并沿纖維的長度更加均勻。初始纖維的速度也增大，然后，纖維經(jīng)過多孔板27的孔29，并如上所述堆疊在沉積電極的表面。改變間隙C的尺寸有利于調(diào)節(jié)纖維厚度、裝置的生產(chǎn)率、以及材料的多孔性。
本發(fā)明可用于生產(chǎn)比現(xiàn)有技術(shù)如使用US 2,349,950所能生產(chǎn)的更為廣泛得多的聚合物纖維。適合于本發(fā)明的聚合物包括聚砜(Polysulfone)、聚苯撐砜(Polyphenyl sulfone)、聚醚砜(Polyethersulfone)、一般聚碳酸脂(Polycarbonate in general)、ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene--丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)、聚苯乙烯(Polystyrene)、聚偏氟乙烯(Polyvynilidenefluoride)、氯化處理過的聚乙烯氯化物(Postchlorinated polyvinylchloride)和聚丙烯腈(Polyyacrilonitrile)。合適的溶劑包括尤其是三氯甲烷(Chloroform)、苯C6H6(Benzene)、丙酮(Acetone)、二甲基甲酰胺(Dimethylformamide)。溶劑的最佳濃度取決于所用的具體的聚合物和溶劑。一般，溶液中的聚合物濃度愈高，出產(chǎn)量愈高，而產(chǎn)品的多孔性愈低。濃度在大約10％至大約12％，已發(fā)現(xiàn)對用于電極-收集器1的聚合物溶液最佳。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在這些聚合物溶液中添加某種添加劑是有利的。胺鹽，例如四乙基溴化銨和芐基三乙基溴化銨，用以調(diào)節(jié)聚合物溶液的導(dǎo)電性。少量的高分子量(500000級)聚烯化氧添加劑例如聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮，可通過減小分子間的摩擦促進(jìn)聚合物溶液射流的形成。表面活化劑例如二甲基咪唑(Dimethylmidazole)和乙氧基三甲基硅烷(Ethoxytrimethylsilane)可增強(qiáng)纖維的厚度和均勻性。
更一般地說，本發(fā)明的范圍包括從液化聚合物制造聚合物纖維結(jié)構(gòu)，而不僅是從聚合物溶液。使用液化聚合物意味著用任何方法將聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)，包括如上所述在溶劑中溶解聚合物，和將聚合物熔化。
更為一般地說，本發(fā)明的范圍還包括在液化的聚合物形成一表面，該表面具有足夠的曲率以便激發(fā)上面所討論的帶電包囊的形成過程，導(dǎo)致液化聚合物射流的形成，該射流轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維并沉積在沉積電極10上。正如上面所討論過的，如果液化聚合物是一種聚合物溶液，纖維是由溶劑蒸發(fā)而形成。如果液化聚合物是一種熔化體，纖維是射流凝固而形成。
在本發(fā)明的如上所述的過程中，大曲率表面是從噴嘴6射出的聚合物溶液的彎液面。其他用于形成這種大曲率表面的裝置如圖5和圖6所示。圖5圖解說明了電極-收集器l的一種方案，其中，儲(chǔ)存在容器33中的聚合物溶液被泵32經(jīng)過送料管道31泵送到輸送室36。圓輪30可旋轉(zhuǎn)地安裝在輸送室，該圓輪是用導(dǎo)電材料制成。在圓輪30的輪緣38處安裝有三角形的凸起40，該凸起是由被聚合物溶液處理過的材料制成。凸起40的尖42從圓輪38沿徑向向外側(cè)延伸。圓輪38由電源4使其帶負(fù)電。當(dāng)聚合物溶液被送到輸送室36，圓輪30旋轉(zhuǎn)，每一凸起40相繼被覆蓋以一層聚合物溶液，該溶液于是獲得負(fù)電荷。環(huán)繞尖42的這部分聚合物溶液層的表面構(gòu)成大曲率表面，帶電射流從這里射出。在向沉積電極10沉積過程中沒有用完的聚合物溶液由泵34經(jīng)過排出管道35泵送返回容器33。用于此種方案電極-收集器1的聚合物溶液的最佳濃度一般在大約14％至大約17％。
圖6為類似于圖2B所示電極-收集器1一種方案的部分說明的橫截面，其中噴嘴6被往復(fù)針40所取代，該往復(fù)針是用被聚合物溶液處理過的導(dǎo)電材料制成。每一往復(fù)針40設(shè)置了一種裝置42，用以使往復(fù)針40升降。當(dāng)往復(fù)針40降低時(shí)，針尖44被浸濕并被覆蓋一層聚合物溶液。聚合物溶液的表面在尖部44處是大曲率的。當(dāng)一根往復(fù)針40向沉積電極10升起時(shí)，在往復(fù)針40與沉積電極10之間的高電壓差，使聚合物溶液的射流從環(huán)繞針尖44的聚合物射出，并射向沉積電極10。需要指出，在電極-收集器1的這種方案中，只有往復(fù)針40，從而也包括在往復(fù)針上的聚合物溶液是由電源4給予負(fù)電荷。
在電極-收集器1上部空氣中生成聲振動(dòng)系統(tǒng)的揚(yáng)聲器50也示出于圖6中。揚(yáng)聲器50向往復(fù)針40發(fā)射一單一頻率的聲音，其頻率最好在大約5000Hz至大約30000Hz。在針尖44處聚合物溶液大曲率表面所誘發(fā)的振動(dòng)，已發(fā)現(xiàn)將激勵(lì)聚合物溶液射流朝向沉積收集器10的發(fā)射。
盡管本發(fā)明已通過有限的實(shí)施例給予了說明，可以理解，本發(fā)明可以有許多方案、修改和應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于將液化聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維結(jié)構(gòu)的裝置，該裝置包括(a)本質(zhì)上為平面的沉積電極；(b)一種充電機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于將液化聚合物相對于所述沉積電極充電至第一電位；(c)一種大曲率形成機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于在所述液化聚合物上形成一具有足夠大曲率的表面，以便使至少一液化聚合物射流被所述第一電位吸向所述沉積電極。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述沉積電極是運(yùn)動(dòng)著經(jīng)過所述機(jī)構(gòu)而工作的，該機(jī)構(gòu)用于形成所述大曲率表面。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述沉積電極包括一種皮帶。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述用于形成所述大曲率表面的機(jī)構(gòu)包括至少一個(gè)噴嘴。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述用于形成所述大曲率表面的機(jī)構(gòu)包括一個(gè)凸起，該凸起由經(jīng)過液化聚合物處理的材料制成，所述至少一個(gè)凸起包括一個(gè)尖，在此尖上所述具有大曲率的表面得以形成。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述至少一個(gè)凸起是設(shè)置在一輪緣上，并以其所述尖從所述輪沿徑向向外側(cè)延伸。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，還包括(d)浴槽，該浴槽用于存放液化聚合物；其中，所述至少一個(gè)凸起上下運(yùn)動(dòng)地工作于所述浴槽中，所述液化聚合物射流，在最靠近所述至少一凸起至沉積電極處形成。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括(d)附充電極，該電極設(shè)置在所述沉積電極與所述用于形成所述大曲率表面的機(jī)構(gòu)之間。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述附充電極包括一具有一孔的板，設(shè)置在用于形成所述具有大曲率表面的機(jī)構(gòu)的對面，通過該孔，所述至少一液化聚合物的射流，射向所述沉積電極。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括(d)懸浮微粒發(fā)生器，用于向所述沉積電極供給一種懸浮微粒，該懸浮微粒具有不同于所述沉積電極的第二電位差，與所述第一電位差符號相反。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述懸浮微粒發(fā)生器包括(i)壓力腔；和(ii)隔板，該隔板設(shè)置在所述壓力腔與所述沉積電極之間；所述壓力腔和所述隔板相互配合以便液化填料粉末，該填料粉末是被所述第二電位差吸向所述沉積電極的。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述懸浮微粒發(fā)生器包括槽式噴射器。
13.一種使聚合物形成無防纖維結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括下列步驟(a)液化聚合物，從而生成液化聚合物；(b)提供一本質(zhì)上為平面的沉積電極；(c)將所述液化聚合物充電至相對于所述沉積電極為第一電位；和(d)在所述液化聚合物形成具有足夠大曲率的表面，以便導(dǎo)致所述液化聚合物至少一射流被所述第一電位差吸向沉積電極，從而在所述沉積電極上形成無防纖維結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述液化是由在溶劑中溶解聚合物實(shí)現(xiàn)的，從而創(chuàng)建聚合物溶液。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括如下步驟(e)提供所述溶劑的蒸汽最接近所述具有大曲率的表面。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括如下步驟(e)向所述聚合物溶液加入添加劑，該添加劑是從包括胺鹽、聚烯化氧和表面活化劑的組中選擇。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述具有大曲率表面的所述形成過程，是借助于使所述液化聚合物從噴嘴射出而實(shí)現(xiàn)的，所述具有大曲率的表面是所述液化聚合物的彎液面。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述具有大曲率表面的所述形成過程是借助于用所述液化聚合物浸濕一具有尖的凸起而實(shí)現(xiàn)的，所述具有大曲率的表面是鄰近所述尖的所述液化聚合物的表面。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括如下步驟(e)使所述沉積電極運(yùn)動(dòng)，于是無防纖維結(jié)構(gòu)在所述沉積電極上形成為一片。
20.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括如下步驟(e)使所述具有大曲率的表面振動(dòng)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述振動(dòng)的頻率在大約5000Hz至大約30000Hz之間。
22.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括如下步驟(e)使填料粉末充電至相對于所述聚集表面為第二電位，所述第二電位與所述第一電位符號相反，于是創(chuàng)建了一種帶電粉末；和(f)將在所述沉積電極上的無防纖維結(jié)構(gòu)暴露在所述帶電粉末之前，于是將所述帶電粉末吸引至無防纖維結(jié)構(gòu)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述液化聚合物相對于所述沉積電極充負(fù)電；所述帶電粉末相對于所述沉積電極充正電。
全文摘要
一種用于制造多孔纖維結(jié)構(gòu)的裝置和方法。一點(diǎn)或多點(diǎn)大曲率表面在液化聚合物中生成,該液化聚合物可以是聚合物溶液或聚合物熔液。高表面曲率的點(diǎn)可強(qiáng)迫液化聚合物從狹窄的噴嘴(6)通過而生成,或借助液化聚合物浸濕銳利的凸起(40)而生成。液化聚合物相對于接地的運(yùn)動(dòng)中的皮帶(10)被充電至高負(fù)電位。液化聚合物細(xì)長的射流從具有高表面曲率處射出,作為纖維射到運(yùn)動(dòng)中的皮帶(10)上,于是形成一種具有較均勻孔穴的無防的纖維結(jié)構(gòu)。一種粉末懸浮微粒相對于運(yùn)動(dòng)中的皮帶(10)被充電至一高正電位。當(dāng)皮帶(10)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過微粒時(shí),懸浮微粒質(zhì)點(diǎn)被吸引用以充填纖維結(jié)構(gòu)中的孔穴,從而創(chuàng)建一種復(fù)合過濾材料。
文檔編號B01D39/16GK1244819SQ97181345
公開日2000年2月16日 申請日期1997年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月11日
發(fā)明者亞歷山大·達(dá)布森 申請人:尼卡斯特有限公司