[发明专利]用于从聚合物溶液中通过静电纺纱生产纳米纤维的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及通过在电场中进行静电纺纱(electrostatic spinning)从聚合物溶液中生产纳米纤维的方法，该电场由集电极(collectingelectrode)和可枢轴旋转的且为长形形状的纺纱电极之间的电势差产生，而该纺纱电极的部分回路接触聚合物溶液，当纺纱电极旋转时，聚合物溶液被它的一部分表面带出并进入电场，在电场中并在集电极的表面上产生了纳米纤维，纳米纤维被带向集电极并沉积在集电极附近的基本材料(basic material)的表面上，基本材料在纺纱电极和集电极之间受引导。

本发明还涉及用于通过在电场中进行静电纺纱从聚合物溶液中生产纳米纤维的装置，该电场由集电极和可枢轴旋转的且为长形形状的纺纱电极之间的电势差产生，而该纺纱电极联接有驱动器，且其至少一部分表面接触聚合物溶液，目的在于将聚合物溶液由这些表面部分带入纺纱电极和集电极之间的电场中，而在纺纱电极和集电极之间产生用于基本材料通道的轨道，其基本材料的来自纺纱电极一侧的表面用于沉积所产生的纳米纤维。

背景技术

纳米纤维由宽范围的聚合物和聚合物化合物来制备，这可以来自水或非水溶剂的溶液。各种低分子添加物不可以或不需要(如该需要可能是的那样)添加到溶液中，它们在添加了之后调节正在纺织的溶液的一些重要物理特性或者是它们在合成的聚合物中带来新的化学、物理、生物或其它特性。同时，纳米纤维还可以从聚合物的熔融物中制备，但是不同于基本上相似的产生聚合熔融物的过程，由于溶液与熔融物相比的低粘性，在处理溶液的过程中可以获得更小直径的纤维。为形成溶液，使用了流动的气体媒介的机械力，或静电场中的库仑力，也就是所谓的静电纺纱，其带来更小直径的纤维。

在专利US 6382526和US 6520425中举了从聚合物溶液通过气流制备纳米纤维的示例。由这种技术所生产的纳米纤维的直径为200至3000纳米。

在专利申请WO 0127365、WO 0250346、US 2002/0175449A1、US 2002/084178A1和WO 2005/024101A1中，介绍了从由平均场强为50000至500000V/m静电场作用的聚合物溶液中制备纳米纤维的示例。前四个所提申请中的方案部分类似于使用气流机械力的专利中所引用的方案。此外，具有圆形截面且内直径0.5到1.5mm的喷嘴，其上还施加有直流电压。在喷出聚合物溶液的喷嘴的反面，放置了大部分接地电极(集电极)。这样的设置导致细的进一步分裂的聚合物溶液束的拉伸，最终提供了纳米纤维。该方法的最大问题在于产量低。在一个纺纱喷嘴上，一小时产生0.1到1克的聚合物，这从工业使用的角度来说，从这些溶液中生产纳米纤维是相当有问题的。为提高产量，并且改善施加到集电极或接地极各层的均匀性，建立了一组固定的或移动的喷嘴，其中接地极放置在喷嘴和集电极之间、集电极附近。令人遗憾的是，喷嘴的数量不可以无限地增加，并且各喷嘴之间的距离也有限制(这由电场本身决定)，因此，考虑到产量，即使该方案也不足以成为决定性的因素。不仅如此，还有更多基于基本物理定律的限制，例如不可能在纺纱空间内的气体的特定电介强度界限之上增加张力、使电极距离成比例增加的不现世性等。

文献GB 1346231中公开了用于聚合物溶液的静电纺纱的装置，其包含有环形纺纱电极，该电极可枢轴旋转地安装在竖直平板上，平板的下部处于聚合物溶液中，而上部位于两个竖直安装的集电极之间。溶液通过纺纱电极环的表面进行纺纱，同时纺纱过程还发生在位于就位的集电极之间的环形纺纱电极的上部，其尽可能接近这些平的电极。该装置很难用在工业中，因为太复杂、不能多产并且可能的纤维层会具有不规则的厚度和结构，最终导致静电纺纱所产生的非编织织物也具有厚度和结构。