生产电纺纤维的方法和设备和由此生产的纤维的制作方法

专利名称：生产电纺纤维的方法和设备和由此生产的纤维的制作方法
技术领域：
本发明涉及生产由一种或者多种聚合物或者聚合物复合材料制
造的纤维的方法，和由这样的纤维产生的结构。在一个实施方式中， 本发明的纤维是纳米纤维。本发明也涉及，生产由一种或者多种聚合 物或者聚合物复合材料制造的纤维的装置，和制造这样的纤维的方法。
背景技术：
在过去几年，对纳米纤维和纳米纤维技术的需求增加。结果， 人们已经寻求纳米纤维的可靠来源以及制造纳米纤维的经济方法。纳 米纤维的使用会随着成本有效的制造方面改善的前景而增加，并且重 大的纳米纤维市场的发展和/扩展在未来几年几乎是肯定的。目前，纳 米纤维已经正被用于高性能的滤器工业。在生物材料领域，开发支撑 活细胞的结构(即，组织工程的支架)引起了浓厚的工业兴趣。纳米 纤维在防护服和防护纺织品的应用引起了运动服设计师和军队的兴 趣，因为每单位质量纳米纤维所具有的高表面积能够提供相当舒服的 服装，并且对化学和生物战剂具有有用的防护水平。纳米纤维在以下 方面的应用也引起了人们的兴趣制造包装、食品保存、医疗、农业、 电池、电子/半导体应用和燃料电池应用等，这只是列举其一些用途。
碳纳米纤维在增强复合材料中潜在有用，其作为高温反应中催 化剂的载体、热管理、弹性体的增强、液体和气体滤器和作为防护服 的组分。碳纳米纤维或者聚合物纳米纤维可能在以下方面得到应用 增强复合材料、酶和催化剂的底物、对植物施用杀虫剂、舒适度和防 护改进的纺织品、用于纳米级尺寸的气溶胶或者颗粒的高级滤器、航 天热管理应用、和对温度与化学环境改变具有快速响应时间的传感器。 由聚合物中间体制成的陶瓷纳米纤维可能用作催化剂载体、在高温下
使用的增强纤维以及用于热、反应性气体和液体的滤器构造。人们感兴趣的是，制造足够量的纳米纤维的能力，并且如果期 望的话，制造使用和/或者含有这样的纤维产品和/或者结构的能力。在 过去几年，通过从聚合物材料电纺制造纳米结构已经引起了很多关注。 尽管已经使用其它的制造方法制造纳米纤维，但是电纺是一个简单、 直接的制造纳米纤维和域者纳米结构的方法。目前制造的纳米结构范围从简单的无结构的纤维垫子、线、杆、 带、螺旋和环到仔细校准的管。材料也从生物材料变化到合成聚合物。 纳米结构自身的应用是多种多样的。它们包括过滤介质、复合材料、 生物医学应用(组织工程、支架、绷带和药物释放系统)、防护服、微 电子和光电子器件、光子晶体和软光电池。电纺，它不依赖于机械接触，已经在几个方面被证明对机械拉 伸以产生细纤维是有利的。虽然电纺是由Formhals在1934年介绍的 (Formhals， A.， "Process and Apparatus for Preparing Artificial Threads," 美国专利1,975,504, 1934)，但对该方法重新产生兴趣是在20世纪90 年代。Reneker (Reneker, D. H. and I. Chun， Nanometer Diameter Fibers of Polymer, Produced by Electrospinning, Nanotechnology, 7， 216-223， 1996) 展示了用宽范围的有机聚合物制造超细纤维。纤维是通过单轴拉伸聚合物溶液或者熔化物的粘弹性射流由电 纺形成的。直到1993年该方法作为静电纺才为人们所知。这个方法利 用电场，从流体表面到收集器表面产生聚合物溶液的一个或者多个带 电射流。对聚合物溶液(或者熔化物)施加高压，这造成带电的溶液 射流被拉向接地的收集器。如在((l) Reneker, D. H.， A丄.Yarin， H. Fong， and S. Koombhongse, Bending Instability of Electrically Charged Liquid Jets of Polymer Solutions in Electrospinning. J. Appl. Phys, 87， 4531， 2000; (2) Yarin， A丄.,S. Koombhongse, and D. H. Reneker, Bending Instability in Electrospinning of Nanofibers, J. Appl. Phys， 89, 3018， 2001 ;和(3) Hohman， M.M., M. Shin, G. Rutledge, and MP, Brenner, Electrospinning and Electrically Forced Jets: II. Applications, Phys. Fluids 13, 2221， 2001 ) 报道的，射流拉伸并且盘绕为圈。当溶剂蒸发后，薄的射流凝固，形 成具有亚微米范围直径的纳米纤维，其淀积在接地收集器上。粘弹性射流经常来自悬于针尖处的滴，针从充满聚合物溶液的 容器进料。这种装置典型地产生单个射流，其中来自单个射流的纤维 淀积的质量流速相对缓慢(每小时百分之一或者十分之一克)。为显著 增加这种设计的生产率，来自许多针的多重射流是必需的。多针装置 由于其复杂性而不方便。Yarin和Zussman (Yarin， A丄"E. Zussman, Upward Needless Electrospinning of Multiple Nanofibers, Polymer, 45， 2977 to 2980， 2004)报道了对产生多重射流的新的尝试，其利用一层铁 磁悬浮液，在磁场中，在一层聚合物溶液下面以干扰内层表面，并因 此在表面上产生了多重射流。Yarin禾n Zussman也报道，相比对照的 多针装置，其潜在地增加12倍的生产率。该装置也很复杂而且连续操 作将是一个挑战。因此，期望更简单的方法，其允许增加纤维和/纳米 纤维的生产和其它方面。美国专利第6,753,454号公布了一种通过电纺制造纤维的方法， 其允许形成含有pH调节化合物的聚合物纤维，并且被用于制造创伤敷 料或者其它产品。人们也对在纳米纤维上、纳米纤维内或者纳米纤维周围嵌入/螯 合一种或者多种治疗剂、活性剂和/或者化学剂的能力感兴趣。相应地， 对允许制造纤维，尤其是纳米纤维的一种方法或者多种方法存在需求。 另外，对允许制造如下纳米纤维的一种或者多种方法存在需求，该纳 米纤维允许包含、嵌入和/或者涂布具有一种或者多种的各种治疗剂、 活性剂和/或者化学剂的聚合物纤维。

发明内容
本发明涉及生产由一种或者多种聚合物或者聚合物复合材料制
成的纤维的方法，和能够由这样的纤维制造的结构。在一个实施方式 中，本发明的纤维是纳米纤维。本发明也涉及用于生产由一种或者多 种聚合物或者聚合物复合材料制成的纤维的装置，和制造这样的纤维 的方法。在一个实施方式中，本发明涉及形成纤维的电纺装置，其包括 一个或者多个喷嘴，其具有至少一个在所述一个或多个喷嘴中的每一 个中形成的孔或者空穴；将至少一种纤维形成介质供给一个或者多个
喷嘴的机构；至少一个电极，用于将电荷供给所述一个或者多个喷嘴；
和收集纤维的收集机构。在另一个实施方式屮，本发明涉及电纺装置，其屮所述装置中 所用的一个或者多个喷嘴由两个筛网圆筒形成，第一筛网圆筒具有第 一内径和第一外径，第一内径和第一外径不同，第二筛网圆筒具有第 二内径和第二外径，第二内径与第二外径不同，其中第二筛网圆筒的 外径小于第 筛网圆筒的内径，这样第二筛网圆筒能够插入第一筛网 圆筒的内部。在另一个实施方式中，本发明涉及形成纤维的方法，其包括如 下步骤(a)在压力下，将纤维形成介质供给一个或者多个喷嘴，每 个喷嘴具有至少一个在此形成的孔或者空穴；(b)通过电荷供给机构， 将电荷供给含有纤维形成介质的所述一个或者多个喷嘴；和(c)从所 述一个或者多个喷嘴收集形成的纤维。


图1是用于制造根据本发明的纤维、纳米纤维和/或者纤维或者 纳米纤维结构的装置截面示意图；图2a和2b是用于收集根据本发明制造的纤维和/或者纳米纤维 的两种类型的收集器的示意图；图3a到图3c是与本发明结合使用的喷嘴的可选实施方式的示 意图；图4a到4h是用于制造根据本发明所述的纤维和/或者纳米纤维 的多孔圆筒喷嘴的照片。图3a到图3h的喷嘴与线网收集器结合使用；
图5a到5f是根据本发明所述的方法制造的纳米纤维的照片； 和图6是一张照片，其显示了使用根据本发明所述的方法制造的 纳米纤维。
具体实施例方式如在此所用，纳米纤维是具有平均直径在大约1纳米到大约 25,000纳米(25微米)范围的纤维。在另一个实施方式中，本发明的
纳米纤维是具有以下平均直径范围的纤维大约1纳米到大约10,000 纳米，或者大约1纳米到大约5,000纳米，或者大约3纳米到大约3,000 纳米，或者大约7纳米到大约l，OOO纳米，或者甚至大约10纳米到大 约500纳米。在另一个实施方式中，本发明的纳米纤维是具有以下平 均直径的纤维25,000纳米以下，或者10,000纳米以下，或者甚至 5,000纳米以下。仍在另一个实施方式中，本发明的纳米纤维是具有以 下平均直径的纤维3,000纳米以下，或者大约1,000纳米以下，或者 甚至大约500纳米以下。另外，应注意的是，在此处和在本文中的其 它地方，范围也可以被结合。如上所述，本发明涉及生产由一种或者多种聚合物或者聚合物 复合材料制成的纤维的方法，和能够从这样的纤维制造的结构。在一 个实施方式中，本发明的纤维是纳米纤维。本发明也涉及用于生产由 一种或者多种聚合物或者聚合物复合材料制成的纤维的装置，和制造 这样的纤维的方法。在一个实施方式中，本发明涉及，设计用来以更 高的速率生产纤维和/或者纳米纤维的方法和装置。在一种情况下，本 发明的装置使用合适形状的多孔结构，与产生液体纤维的介质(或者 纤维形成液体)结合，以制造纤维和/或者纳米纤维。如图l所图解，在一个实施方式中，根据本发明所述的电纺设 备利用圆筒形的多孔喷嘴10制造期望的纤维和/或者纳米纤维。尽管在 图1中没有说明，但是喷嘴10通过任何合适的机构与液体介质/纤维形 成液体供应连接，从中制造期望的纤维。液体介质通常在压力下通过 例如泵被供给喷嘴10。虽然可以使用其它的供给系统，但是这取决于 所用的产生液体纤维的介质类型(或者纤维形成介质的化学和/或者物 理性质)。液体纤维产生介质被供给喷嘴10时的压力，部分取决于用于 制造期望纤维所用的液体材料的类型。例如，如果液体介质具有相对 高的粘度，那么更高的压力是必需的，以推动液体介质通过喷嘴10的 孔，从而制造期望的纤维。在另一个实施方式中，如果液体介质具有 相对低的粘度(大约等于、低于或者稍高于水的粘度)，可以需要更小 的压力来推动液体介质通过喷嘴10的孔，以制造期望的纤维。因此， 本发明不限于特定的压力范围。能够被液化的任何化合物或者复合化合物(即，两种或者多种 化合物的任何混合物、乳状液、悬浮液等)能够被用于形成根据本发 明所述的纤维和/或者纳米纤维。这样的化合物和/或者复合物包括，但 不限于熔融沥青、聚合物溶液、聚合物熔体、作为陶瓷前体的聚合物、 熔融的玻璃状物质以及它们合适的混合物。 一些示例聚合物包括，但 不限于，尼龙、含氟聚合物、聚烯烃、聚酰亚胺、聚酯、聚己酸内酯 和其它的工程聚合物或者织物形成聚合物。在一个实施方式中，其中聚合物化合物或者复合材料被用于形 成本发明的液体介质， 一般地说，能够使用大约5 psig以下的压力推 动液体介质通过喷嘴10的孔。尽管如上所述，但是本发明不仅仅限于 5psig或者更小的压力。相反，可以使用任何合适的压力，这取决于向 喷嘴10所推动/泵送/供给的液体介质的类型。喷嘴10由任何合适的材料构成，可以考虑正在使用的、或者 将要使用的化合物或者复合化合物，以制造根据本发明所述的纤维。 因此，对于形成喷嘴10所用的化合物或者多种化合物，没有限定，喷 嘴10的唯一必要的特征是，喷嘴能够耐受液化用于制造本发明的纤维 的化合物或者复合化合物所需要的工艺条件。因此，喷嘴10可以使用 任何材料形成，包括但不限于，陶瓷化合物、金属或者金属合金或者 聚合物/共聚物化合物。如上所述，在一个实施方式中，喷嘴10是多孔 的。在另一个实施方式中，喷嘴10可以由其中具有空穴形成的固体材 料形成。这些空穴可以任何模式布置，可以是规则或者是不规则的模 式。例如，喷嘴10可以通过将由筛网构成的两个圆筒结合在一起而形 成，每个筛网独立地具有在其中形成的规则或者不规则模式的空穴。 通过改变两个筛网圆筒之间的模式或者距离，可以形成任何数目的混 合空穴，例如，通过偏置其中具有环形空穴的两个圆筒筛网，有可能 形成具有椭圆形通孔的喷嘴10。如上所述，本发明不限于任何一种空 穴模式或者空穴几何形状，而是可以使用任何期望的空穴模式或者空 穴几何形状。仍在另一个实施方式中，喷嘴IO可以由多孔的材料形成，并 且具有在其中形成的一个或者多个空穴。可选地，在喷嘴10中形成的 空穴未必形成为完全通过喷嘴10的壁(一
分凹槽(indent)可以通过合适的方法(如，钻、铸造、冲孔等)在喷 嘴10的外表面和/或者内表面上形成。在这种情况下，在喷嘴10的一 个或者多个表面上形成的部分空穴降低了在任何这些部分空穴周围的 喷嘴10区域中形成纤维的阻力。这样，能够获得对纤维形成工艺的更 大的控制。在喷嘴10中形成的孔的大小不是关键的。尽管不希望束缚于 任何一个理论，应注意的是，喷嘴10中的孔和/或者空穴的大小，在一 个实施方式中，应当对根据本发明制造的纤维的大小具有最小的影响。 相反，在一种情况中，纤维的大小由一些因素的结合被控制，这些因 素包括但不限于(1) 一个或者多个滴的大小，滴在喷嘴10的外表面 上形成，喷嘴10产生如图4a到4g所示的纤维形成介质和/或者材料的 射流；(2)在喷嘴10内部纤维形成流体的压力，在喷嘴10里面和/或 者内部之上任何内部结构的存在和大小，这将在下面将要具体讨论； 和(3)如果有的话，从喷嘴10的内部再循环的纤维形成流体的量， 和与任何这样的再循环相关的压力。在一个实施方式中，喷嘴10由聚丙烯杆形成，在所述聚丙烯 杆中具有大小范围在大约10到大约20微米的孔。然而，如上所述， 本发明不局限于此。相反，如上所述，可以使用任何多孔材料——其 不受用于纤维生产的流体影响，而不会影响结果(如，多孔金属喷嘴)。 喷嘴10的孔数不是关键的；在喷嘴10中可以形成任何数目的孔，这 取决于期望的纤维生产速率。在一个实施方式中，喷嘴io具有至少大 约10个孔、至少大约100个孔、至少大约1,000孔、至少大约IO，OOO 个孔或者甚至大约ioo，ooo个孔以下。仍在另一个实施方式中，喷嘴 10具有大约20个以下的孔、大约100个以下的孔、大约1，000个以下 的孔或者甚至大约10,000个以下的孔。再参照图1，喷嘴10的大小不是关键的。如图1的实施方式
所示，喷嘴10具有1.27cm的内径和5cm的高度。然而，喷嘴10不
仅仅局限于图1公开的尺寸。相反地，本发明的装置中能够使用任何
大小的喷嘴，这取决于如下因素，如所期望的纤维直径、纤维长度、
纤维化合物/复合材料和/或者被制造的含有纤维的结构。图1的装置也包括电极20，其与喷嘴10电接触放置。如图1
所图解，电极20放在喷嘴10的底面上并且部分穿过喷嘴10的底面。 然而，本发明不仅仅限于图1所示的布置。相反地，可以使用允许在 喷嘴10和电极20之间进行电连接的任何其它合适的布置。对本领域 的普通技术人员显而易见的是，电极20通过电纺工艺，将形成纤维和 /或者纳米纤维所需的电荷提供给喷嘴10 (实际上，在此含有纤维形成 液体)。给期望的纤维形成液体施加电荷后，在图1的装置中产生的纤 维被吸引到收集器30。 一般地，收集器30接地，因此促进了从喷嘴 10的一个或者多个孔发射的带电的纤维形成结构与收集器30之间的 电吸引。尽管收集器30是作为圆筒形的收集器展示的，但本发明不限 于此。可以使用任何形状的收集器。例如，如图2所示，可以形成形 状为弯曲带40a或者板40b的替代收集器40a和40b。另外，本发明的 收集器可以是固定的或者可移动的。在收集器是可移动的情况时，根 据本发明形成的纤维可以更加容易地连续被制造。再次，收集器30的 大小不是关键的。可以使用任何大小的收集器，这取决于喷嘴10的大 小、将要制造的纤维的直径和/或者长度和/或者其它工艺参数。如图2 所示，喷嘴10也可以被拉伸为锥形喷嘴或者球形喷嘴。另外，喷嘴io 的形状不限于在此公开的形状。而是，喷嘴10可以是任何期望的3维 形状。本发明纤维的直径可以通过控制各种条件进行调节，这些条件 包括但不限于，喷嘴10中孔的大小。这些纤维的长度可以变动很大， 包括大约短至0.0001 mm的纤维到那些长达约数千米的纤维。在此范 围内，纤维可以具有从大约lmm到大约lkm的长度，或者甚至从大 约lcm到大约lmm的长度。在另一个实施方式中，喷嘴IO可以包括在喷嘴10的内表面上 形成的或者连接至喷嘴10的内表面的一个或者多个内部锥状物(cone)、 搁板或者唇。如图3a的剖视部分100所示，喷嘴10a包括锥状物102， 其连接在和/或者安装在喷嘴10的内部。锥状物102形成一个捕集器 104，其被设计为收集其上的纤维形成介质/材料。 一旦捕集器104被装 满，纤维形成材料(没有显示)将会通过锥状物102的开口 106溢出 并滴向喷嘴10a的底部，喷嘴10a的底部在结构上与喷嘴10的底部相
似。在另一个实施方式中，如图3b所示，喷嘴10b具有在其内部形成 的多个锥状物102中的两个。尽管显示了具有一个或者两个内部锥状 物的实施方式，但本发明不限于此。相反地，任何数目的锥状物、搁 板或者唇可以与喷嘴10、 10a或者10c结合使用。仍在另一个实施方 式中，喷嘴10的内表面可以包括一个或多个涡旋形的或者螺旋形的槽。 在该实施方式中，涡旋形或者螺旋形的线可以位于通过所述一个或者 多个涡旋形的槽在喷嘴10内部形成的捕集器中。至于图3c，它显示了三维形状的多边形喷嘴10c的一个边。在 该实施方式中，喷嘴10c具有至少三边(即具有三角截面的喷嘴)。对 本领域的普通技术人员显而易见的是，在该实施方式中，喷嘴10c可 以具有多边截面形状，其中边的数目可以为3以上的任何数目。在图 3c的实施方式中，至少一个搁板110在喷嘴10c的一个或者多个内表 面上形成，并且每个搁板110能够在一个或者多个捕集器104中容纳 纤维形成介质和/或者液体。在一个实施方式中，在喷嘴10c的所有内 表面上连续地形成每个搁板110。 S卩，在该实施方式中，每个搁板是多 边形的"锥状物"，它们与图3a和3b的锥状物102相似。尽管图3图 解了具有4个内搁板的实施方式，但本发明不限于此。而是，任何数 目的锥状物、搁板或者唇可以与喷嘴10c结合使用。仍在另一个实施 方式中，将巻曲线或者弹簧插入到喷嘴10、 10a、 10b或者10c的内部 (没有显示)。部分由于使用在喷嘴10、 10a、 10b或者10c内的一个或者多 个内部结构，有可能更准确地控制和/或者调节提供给本发明喷嘴的纤 维形成介质/材料的压力。如上讨论，本发明不限于根据在此公开的方 法形成纤维所需的任何具体范围的压力。相反地，可以使用包括大于 或者小于大气压的任何范围的压力，这些范围主要取决于喷嘴的孔或 者空穴的大小和纤维形成介质或者流体的粘度。在另一个实施方式中， 根据本发明的方法形成纤维所需的压力可以通过以下方法被进一步控 制改变在喷嘴IO、 10a、 10b或者10c内表面上形成的搁板、锥状物 或者唇的数目，和/或者改变由在喷嘴10、 10a、 10b或者10c内表面上 形成的所述一个或者多个搁板、锥状物或者唇产生的所述一个或者多 个捕集器104的深度。在本发明的一个实施方式中，喷嘴10、 10a、 10b和10c在其 底端安装有流体回收系统。这样的流体回收系统允许过剩的纤维形成 介质/材料被再循环，从而允许更大程度地控制喷嘴10、 10a、 10b或者 10c内的压力。根据本发明的纤维形成装置包括至少一种根据本发明的喷嘴。 在另一个实施方式中，本发明的纤维形成装置包括根据本发明的至少 大约5个喷嘴、至少大约10个喷嘴、至少大约20个喷嘴、至少大约 50个喷嘴、或者甚至至少大约IOO个喷嘴。仍在另一个实施方式中， 任何数目的喷嘴可以用于本发明的纤维形成装置，这取决于待制造的 纤维的量。应注意的是，每个喷嘴和/或者任何组的喷嘴可以设计为被 单独地控制。这就允许，如果期望的话，同时制造不同大小的纤维。 另外，可以同时使用不同类型的喷嘴，以获得具有各种纤维几何和/或 者大小的纤维的混合物。
实施例在大约5 psig或者更小的压力下，将20wt。/。的尼龙6溶液推动 通过喷嘴10的孔。由流过喷嘴10的孔的液体纤维形成介质给喷嘴10 进料，从喷嘴10的表面形成纤维形成介质的多孔射流(见图4a到4g)。 在图4a到4h所示的实施方式中，喷嘴10在其较低的部分是多孔的。 然而，如上所述，喷嘴10可以，如果期望的话，遍及喷嘴10的任何 或者所有的圆筒高度是多孔的。由图4a到图4h中的装置图所形成的 纤维是具有如上述的纳米级直径的纳米纤维。有时，纤维在到达收集 器30之前，从喷嘴IO的表面断裂(如，在图4a到4h背景中显示的 鸡笼网(chickenmesh)类型的结构)。然而，这不是问题，这样的纤维只 是具有短的长度。纤维的长度在一定程度上可以由通过电极20所施加 的电流的量来控制，和/或者收集器30的电状态或者接地状态来控制。
用于图4a到4h装置中的尼龙6如下制备。来自Aldrich的尼龙 6如收到时使用。通过将聚合物溶解在88°/。的甲酸(FisherChemicals, 新泽西，美国)中，制备浓度范围在20到25wt。/。的聚合物溶液。
图4a到图4h的实施方式中使用的喷嘴IO—般是多孔的塑料产 品，其由热塑性聚合物制造。在这种情况下，热塑性聚合物是高密度的聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMW)、聚丙烯(PP)或 者它们的组合(如上所述，尽管可以使用其它的聚合物或者材料形成 喷嘴IO)。在这个实施方式中，喷嘴IO具有复杂的互连孔网络(尽管 任何孔构型都在本发明的范围内)。在使用聚合物形成喷嘴10的情况 下，在用于形成喷嘴IO的聚合物颗粒中，选择的粒度分布通常产生特 征范围的孔结构和孔大小。在本实施例的情况下，具有孔大小为大约10到20微米的多孔 聚丙烯被用于构建图1和4a到4h所示的圆筒喷嘴10。所述圆筒具有 半英寸的内径和一英寸的外径，其底端密封并且顶部安装有用于施加 空气压力的装置。电极20穿过底部表面插入，用于将电压施加给喷嘴 IO内的聚合物溶液。图6是另一张照片，其显示根据本发明制造的纤 维。在一个实施方式中，喷嘴10的孔对不加压的纤维形成介质(如， 聚合物溶液)的流动具有足够的阻力，以防止在给纤维形成介质加压 前在喷嘴10的外部上形成射流。对流动的阻力是由多孔壁孔的小直径 和多孔壁的厚度产生的。通过壁的聚合物溶液流动由在喷嘴顶部处施 加的压力控制。这样的压力可以由任何合适的机构(如，泵，使用不 与纤维形成材料反应的空气或一些其它气体)产生。缓慢控制的流速 允许在多孔喷嘴10表面上的许多点处形成独立的滴。溶液流动经过孔， 滴在表面上生长直到形成任何数目的独立射流。给喷嘴IO施加压力， 应该采用一种滴不会在喷嘴10的表面上铺展的方式，从而，滴成为互 连的并且不能形成至少显著量的独立射流。如上讨论，使用具有较小孔度的材料以形成本发明的多孔喷嘴
10是可能的。在喷嘴10中形成的孔的方法不是关键的(孔可以通过烧
结、蚀刻、激光钻孔、机械钻孔等形成)。 一般地说，喷嘴10的孔越
小，通过本发明的装置制造的纤维的直径就越小。在一种情况下，聚合物材料流经烧结的金属喷嘴10中的孔，在
喷嘴10的表面上产生纤维形成介质的薄涂层，纤维形成介质射流从中
浮现在在涂层的外表面处，并且从喷嘴10的涂布表面流走。在另一种情况下，观察到纤维形成介质流动经过喷嘴10的孔并
且在喷嘴10的表面上产生离散的滴。滴继续生长，直至电场使得带电的溶液射流从滴发射。射流将流体从滴运走，其速度比流体经过孔达 到滴的速度更快，使得滴收縮，并且射流变更小并停止。接着，电场 使得新的射流从另一滴发射，并该过程重复。作为电极20的源，可变高压电源(0到32kV)可以被用作电 源(尽管本发明不限于此)。将聚合物溶液放入喷嘴中。压縮空气是压 力源，用于推动聚合物通过喷嘴10的多孔壁。聚合物溶液缓慢流过壁并在壁的外部形成小滴。在电场的帮助 下，滴形成流向收集器的射流。形成的射流可以稳定一段时间或者射 流可以是间断的，当由于聚合物射流离开滴而使得滴大小变小时，射 流消失，当滴再出现时，射流可能重新形成。在这些实施例中，收集器30是与喷嘴同轴的鸡笼状圆筒筛网 (cylinder mesh of chicken wire )并且围绕喷嘴。圆筒收集器30具有大约 6英寸的直径。如上讨论，本发明不限于仅仅使用"网状"类型收集器30，或
者圆筒形的喷嘴10。而是，任何三维形状能够用于喷嘴10。另外，其
它形状/类型的收集器可以被用在根据本发明的装置中。而且，在一个实施方式中，部分的喷嘴10可以是不可渗透的以
及部分是可以渗透的，以指引纤维流向收集器的特定部分。收集器表
面可以是弯曲的或者是平的。收集器可以作为带子围绕或者穿过喷嘴
进行移动，以从喷嘴收集大的纤维板，如图2所示。持续一段时间(许多分钟)的几个射流和持续时间短得多的许
多间歇射流在喷嘴的整个表面形成，如图4a到4h所示。形成的纤维
在围绕喷嘴的圆筒线网上收集。由于在网孔上存在纤维，阻挡了照相
机视图，图4f到4h不是很清晰。图5a到5f是由图4a到4h所示的装置制造的纤维样品的SEM 图像。图像清楚地显示，制造的纤维是纳米纤维尺寸(直径大约100 nm 以下到大约1000 nm)，并且与用常规针设置(needle arrangement)制造的 那些相当。在该大小范围内的纤维适合于许多用途，包括但不限于包 装、食品保存、医疗、农业、电池和燃料电池应用。
与单个针设置电纺装置相比，纳米纤维的生产率是大的。典型 的针在大约0.02 g/hr的速率下生产纳米纤维。在本实验中所用的多孔喷嘴以大约5 g/hr以上的速率或者以大约250倍以上的生产率制造纤 维。本方法容易适用于能够经针装置被电纺的任何聚合物溶液或者 熔化物。多孔喷嘴材料与聚合物溶液必须化学相容。
本发明也可以用于将任何期望的化学品、药剂和域者添加剂加 在经电纺制造的纤维上、内或者周围。这样的添加剂包括，但不限于 杀虫剂、杀菌剂、抗菌剂、化肥、维生素、激素、化学和/或者生物指 示剂、蛋白质、生长因子、生长抑制剂、抗氧化剂、染料、着色剂、 增甜剂、调味化合物、除臭剂、加工助剂等。在烧结材料中的孔可以比通常用于电纺的针的直径小。更小直 径的孔使制造更小直径的纤维成为可能。因此，本发明使得能够使用 这样的材料，其孔大小甚至比在以上实施例中所讨论那些小得多。
在本发明情况下，生产率增加也是可能的，而不必紧密接近地 放置大量的针用于电纺。大量紧密接近的针的存在能够影响电纺中所 用的电场的几何，并且能够使得一个或者多个射流从一些针而不从其 它针形成。虽然具体参照在此详述的某些实施方式，对本发明进行了详细 地描述，但是其它的实施方式也能够获得同样的结果。本发明的变化 和修改对本领域的普通技术人员将是显而易见，并且本发明意图覆盖 所附权利要求书中所有这样的修改及其等价物。
权利要求
1.形成纤维的电纺装置，其包括一个或者多个喷嘴，在所述一个或多个喷嘴的每一个中形成至少一个孔或者空穴；机构，用于将至少一种纤维形成介质供给所述一个或者多个喷嘴；至少一个电极，用于将电荷供给所述一个或者多个喷嘴；和收集机构，用于收集纤维。
2. 权利要求1所述的装置，其中，所述一个或者多个喷嘴由两个 筛网圆筒形成，第一个筛网圆筒具有第一内径和第一外径，所述第一 内径和所述第一外径不同，第二个筛网圆筒具有第二内径和第二外径， 所述第二内径和所述第二外径不同，其中所述第二个筛网圆筒的所述 外径小于所述第一个筛网岡筒的所述内径，使得所述第二个筛网圆筒 能够插入到所述第一个筛网圆筒的内部。
3. 权利要求1所述的装置，其中，所述装置具有至少大约10个喷 嘴，并且每个喷嘴能够根据期望被独立地控制。
4. 权利要求l所述的装置，其中，所述装置具有至少大约20个喷 嘴，并且每个喷嘴能够根据期望被独立地控制。
5. 权利要求l所述的装置，其中，所述装置具有至少大约100个 喷嘴，并且每个喷嘴能够根据期望被独立地控制。
6. 权利要求1所述的装置，其中，所述一个或者多个喷嘴每个具 有至少一个在其内表面上形成的锥状物、搁板或者唇。
7. 权利要求l所述的装置，其中，所述一个或者多个喷嘴为圆筒形状。
8. 权利要求1所述的装置，其中，所述一个或者多个喷嘴是具有 至少三个边的独立的多边形喷嘴。
9. 权利要求l所述的装置，其中，所述纤維是纳米纤維。
10. 权利要求9所述的装置，其中所述纳米纤維具有大约1納米到 大约25,000纳米范围的平均直径。
11. 权利要求9所述的装置，其中所述纳米纤維具有大约1纳米到 大约3,0加纳米范围的平均直径。
12. 形成纤维的方法，该方法包括如下步骤-(a) 在压力下，将纤维形成介质供给一个或者多个喷嘴，每个喷嘴 具有在其中形成的至少一个孔或者空穴(b) 通过电荷供给机构，将电荷供给含有所述纤维形成介质的所述 —个或者多个喷嘴；和(c) 收集从所述一个或者多个喷嘴形成的纤维。
13. 权利要求12所述的方法，其中，所述一个或者多个喷嘴由两 个筛网圆筒形成，第一个筛网圆筒具有第一内径和第一外径，所述第 —内径和所述第一外径不同，第二个筛网圆筒具有第二内径和第二外 径，所述第二内径和所述第二外径不同，其中所述第二个筛网圆筒的 所述外径小于所述第一个筛网圆筒的所述内径，使得所述第二个筛网 圆筒能够插入到所述第一个筛网圆筒的内部。
14. 权利要求12所述的方法，其中所述一个或者多个喷嘴每个具 有至少一个在其内表面上形成的锥状物、镧板或者唇。
15. 权利要求12所述的方法，其中所述一个或者多个喷嘴是圆筒 形状的。
16. 权利要求12所述的方法，其中，所逑一个或者多个喷嘴是具 有至少三个边的独立的多边形喷嘴。
17. 权利要求12所述的方法，其中，所述纤維是纳米纤维。
18. 权利要求17所述的方法，其中所述纳米纤維具有大约1纳米 到大约25,000纳米范围的平均直径。
19. 权利耍求17所述的方法，其巾所述納米纤維具有大约1納米 到大约10，000纳米范围的平均直径。
20. 权利要求17所述的方法，其中所述纳米纤维具有大约3纳米 到大约3,000纳米范围的平均直径。
全文摘要
本发明涉及由一种或者多种聚合物或者聚合物复合材料制造的纤维的生产方法，和可以用这样的纤维产生的结构。在一个实施方式中，本发明的纤维是纳米纤维。本发明也涉及，生产由一种或者多种聚合物或者聚合物复合材料制造的纤维的装置及制造这样的纤维的方法。
文档编号D01D5/12GK101198729SQ200680021405
公开日2008年6月11日 申请日期2006年5月3日 优先权日2005年5月3日
发明者D·H·勒内科尔, G·蔡斯, O·多孙穆, W·卡塔菲那恩 申请人:阿克伦大学