專利名稱：一種用于生產(chǎn)纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由各種聚合物、聚合物摻混物、陶乾前體混合物和 金屬前體混合物生產(chǎn)非常精細(xì)的纖維的方法。
背景技術(shù)：
獲自聚合物溶液的非常精細(xì)的纖維，經(jīng)常稱為納米纖維，適用 于各種用途中，包括過濾介質(zhì)、組織工程支架結(jié)構(gòu)和器件、纖維強(qiáng) 化復(fù)合材料、傳感器、電池和燃料電池的電才及、催化劑載體材料、
才察布(wiping cloths )、吸4欠墊、術(shù)后防粘劑、智能紡品(smart-textiles )， 以及適用于人造羊絨和人造皮革中。
纖維靜電紡絲首次描述于美國專利692,631中。原理上，聚合 物溶液或熔體的小液滴^皮置于高電場(chǎng)中。液滴中誘導(dǎo)的相同電荷之 間的4非斥作用與液體表面張力進(jìn)4亍竟?fàn)?，而?dāng)施加足夠強(qiáng)的電場(chǎng) (典型地為0.5~4 kV/cm)時(shí)，靜電力克服流體的表面張力且聚合 物溶液或熔體的射流從液滴噴射。靜電不穩(wěn)定性導(dǎo)致射流的快速、 混亂振蕩，由此導(dǎo)致溶劑快速蒸發(fā)，以及留下的聚合物纖維拉長(zhǎng)和 變細(xì)。形成的纖維隨后在反電才及上#1收集，典型地以無紡網(wǎng)狀形式 -陂收集。所收集的纖維通常非常均勻并且纖維直徑可為幾樣t米，下 至低達(dá)5nm。
通過靜電紡絲生產(chǎn)大量納米纖維的技術(shù)障礙包括生產(chǎn)率低，以 及大多數(shù)聚合物需從溶液進(jìn)行紡絲的事實(shí)。平均起來，基于溶液的靜電紡絲，采用針噴絲器(或噴絲針，needle spinnerets),溶液的 通過速率(throughput rate )為lmL/hM十的凄t量級(jí)。直徑在5(K100nm 范圍的纖維典型地乂人具有相對(duì)較低濃度，0.5wt% 10wt°/"々溶液進(jìn) 行紡絲，這取決于聚合物的類型和分子量。這意味著，假設(shè)聚合物 密度為約lg/mL,則基于針的電紡絲工藝的典型固體通過速率為 0.005g 0.01g纖維/h/針。如果推演該計(jì)算，則以5mVs的速率生產(chǎn) 面密度(planar density)為80g/m2的納米纖維網(wǎng)將需要最少40000 根針。除了需要數(shù)量如此之大的針之外，不同針之間的電場(chǎng)干涉也 限制了它們之間的最小間隔，而且基于針的噴絲器的連續(xù)工作需要 經(jīng)常清洗針，因?yàn)榫酆衔锍练e會(huì)堵塞噴絲器。
盡管電紡絲工藝在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上相對(duì)成本有效，4旦是單針裝置 上較低的纖維生產(chǎn)速率，使得以工業(yè)容量生產(chǎn)過于昂貴，難以用于 大多婆t商品應(yīng)用如過濾和吸附紡織品中。通過^是高生產(chǎn)速率，能夠 顯著降低成本，/人而拓寬電紡絲納米纖維的應(yīng)用范圍并開啟新一支術(shù) 發(fā)展之門。
1934年Formhals已經(jīng)試圖通過采用多齒專侖源(multiple cogwheel sources )來提高電紡絲生產(chǎn)率(美國專利1，975，504)。在 后來的設(shè)計(jì)中，他采用的多針裝置(美國專利2,109,333 )從那時(shí)起 就已經(jīng)成為第一種提高實(shí)驗(yàn)室中電紡絲生產(chǎn)率的顯著方法。多針工 藝或許看起來簡(jiǎn)單，但是由于系統(tǒng)復(fù)雜性和針堵塞的高幾率，這經(jīng) 常是不方〗更的。
最近一段時(shí)間，已經(jīng)提出了不同的方法。在Reneker等(PCT WO 00/22207)描述的工藝中，通過向環(huán)形柱中進(jìn)沖+成纖維溶液、迫使 氣體通過柱以形成環(huán)形薄月莫、然后將其石皮碎成多股成纖維材沖牛，來 生產(chǎn)納米纖維。Kim(PCT WO 2003/03004735):沒計(jì)了復(fù)雜多噴頭組件系統(tǒng) (block system )，其中紡絲〉容液通過氣流進(jìn)^f亍^空制。
由A丄.Yarin， E. Zussman, Polymer 45 (2004) 2977-2980提出的
多納米纖維的向上無針電紡絲，采用雙層系統(tǒng)，其中下層是鐵磁懸 浮液而上層是聚合物溶液。當(dāng)永久》茲場(chǎng)施加于該系統(tǒng)時(shí)，,茲性流體 的穩(wěn)、定頂插才奉(vertical spikes)向上4,過層間界面以及聚合物溶液 的游離層。當(dāng)強(qiáng)電場(chǎng)以這種狀態(tài)貫穿該系統(tǒng)而施加時(shí)，多重電紡絲 射流從插棒頂端(spike tips)引發(fā)，導(dǎo)致高速率的纖維生產(chǎn)。當(dāng)射 流填充密度(packing density )與多針裝置比較時(shí)，計(jì)算出的生產(chǎn)率 提高了 12倍。無針工藝還避免了針頭堵塞的潛在問題。該系統(tǒng)的 潛在缺陷包括磁性懸浮液和聚合物溶液的相容性問題和纖維受流 體污染的風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于熔體電紡絲多針噴嘴組件(pack)的具體設(shè)計(jì)由Chun和 Park(PCT WO 2004/016839)才是出。然而，除了附加聚合物熔融成分 之外，設(shè)計(jì)上與前述多針設(shè)計(jì)并無顯著差異。
Karies等(PCT WO 2004/080681)描述了用于所形成的纖維的更 高生產(chǎn)率紡絲和具體反電極的各種i殳計(jì)， <旦是多針和插才奉發(fā)刷型紡 絲源(spiked hairbrush-type )與二十世紀(jì)三十年代Formhals已經(jīng)描
述的針和齒4&源沒有顯著變化。
Kim連同Park在其2003年的i殳計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出 具有除去溢流噴嘴組件和附加氣流噴嘴的向上紡絲噴嘴組件(PCT WO 2005/090653 )。在這種設(shè)計(jì)中，紡絲噴嘴由三個(gè)同心管構(gòu)成。 內(nèi)管提供紡絲溶液，中間管用于在其溢流時(shí)除去過量的未紡絲溶 液，而外管圍繞紡絲射流形成氣泡，降低了射流對(duì)鄰近射流所形成 的靜電排斥影響。這種設(shè)計(jì)引入到隨后的專利(PCT WO
2005/073442)中，其描述/人電紡絲納米纖維網(wǎng)形成連續(xù)的紗線。
6Andrady等i殳計(jì) 一 種由4爭(zhēng)管組成的系統(tǒng)(PCT WO 2005/100654),通過該系統(tǒng)紡絲溶液^皮泵至該管表面的幾個(gè)射流出 口 。然后電紡絲纖維在置于內(nèi)紡絲管外側(cè)周圍的另一萬走轉(zhuǎn)管上—皮收 集。雖然存在氣體流過系統(tǒng)相關(guān)的這種和附加的復(fù)雜性，但紡絲溶 液泵吸的速率約為1.5mL/h,這并不比單射流裝置采用的典型 1.0mL/h流速高很多。盡管該系統(tǒng)要求用于高生產(chǎn)率電紡絲，但是 其更體現(xiàn)纖維收集的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的轉(zhuǎn)鼓法的特定情況。
Andrady和Ensor隨后i殳計(jì)了另 一種方法，其中聚合物-容'液#1 泵至單個(gè)盒狀容器中，在其一側(cè)上具有2 100個(gè)針狀出口 ( PCT WO 2006/043968 )。 這種設(shè)計(jì)非常類似于 NanoStatics (www.歸ostatics,com)使用的i殳計(jì)。在這兩種'清況下，老F獲4尋了纖 維高生產(chǎn)率，但是針后的流體死體積較大導(dǎo)致每針的流速控制較 差。這有可能導(dǎo)致在最后的纖維網(wǎng)中產(chǎn)生液滴和噴灑聚合物碎片。
Beetz等近來的i殳計(jì)(PCT WO 2006/047453 )由流體的高壓噴 霧和同時(shí)電噴射或電紡絲組合構(gòu)成。實(shí)際上，當(dāng)向流體施加高電壓 時(shí)，紡絲流體在高壓下受力而通過小徑(< lmm)管。
Dosimmu et al" Nanotechnology 17 (2006) 1123-1127提出的多
孔管表面上的多射流，描述了聚合物溶液的應(yīng)用，聚合物溶液被通 電并由空氣壓力推動(dòng)通過多孔聚乙烯管的管壁。在多孔表面上形成 多射流并電紡絲成納米纖維。由該管的生產(chǎn)率比典型的單射流快約 250倍。進(jìn)一步的工作還需要實(shí)施，4旦是初始計(jì)算表明潛在生產(chǎn)率 約為每米長(zhǎng)度多孔管4.2g/min。盡管該方法顯示出許多前景，但是制。
目前最顯著的高產(chǎn)電紡絲系統(tǒng)已知為 NanoSpider (http:〃www.nanospider.cz/)。在這種方法中，成纖維聚合物〉容液》文置于盤中，而導(dǎo)電圓筒緩慢旋轉(zhuǎn)通過紡絲溶液，在圓筒表面上形成薄
層溶液。當(dāng)足夠高的電壓施加于紡絲圓筒和》丈置于圓筒上10~20cm 的反電極之間時(shí)，從圓筒表面就會(huì)發(fā)出成百上千的射流并電紡絲至 靶上。NanoSpider實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)計(jì)，取決于聚合物，具有約lg/min 的生產(chǎn)率。
日本專利JP3918179描述了一種方法，其中通過向〉容液中經(jīng)多 孔膜或薄管吹入壓縮空氣而在聚合物溶液表面連續(xù)產(chǎn)生氣泡。高電 壓施加于聚合物溶液和反電極板之間。當(dāng)電壓足夠高時(shí)，電紡絲射 流就在聚合物溶液中的氣泡上形成，而形成的纖維在反電極上收 集。這種^^開的方法要求聚合物溶液中的氣泡以高體積形成，而隨 后非?？焖俚乇?。盡管其聲稱能夠使用任〗可可溶解聚合物以及包 括各種有機(jī)溶劑的任何合適的溶劑，j旦是眾所周知大多數(shù)有機(jī)溶劑 并不易于形成氣泡。在這種有機(jī)溶劑中形成的氣泡因此將是非常短 暫的。另外，盡管該專利聲稱對(duì)有枳"容劑的普遍適用性，但是所給 實(shí)施例證明僅采用水、2-丙醇和丙酮中的聚合物溶液進(jìn)行紡絲。該 專利也描述了反電極與氣泡間隔合適距離而放置，因?yàn)橥ㄟ^恒定爆 裂氣泡產(chǎn)生的紡絲溶液的液滴能夠?yàn)R射到反電極上已經(jīng)形成的纖 維而敦)不這些纖維。
發(fā)明目的
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種生產(chǎn)纖維的方法，其至少部分地 緩解上述中的某些問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于生產(chǎn)纖維的方法，該方法包括在 纖維紡絲溶液的表面上形成多個(gè)氣泡并在溶液和與其隔開的反電才及之間施加電壓以促^f吏射流/人氣泡延伸到反電才及，該方法特4正在于 ;容-液經(jīng)處理以穩(wěn)、定氣泡。
本發(fā)明另外的特征是將紡絲溶液用表面活性劑進(jìn)4亍處理；對(duì)于 表面活性劑，選自用于水溶液的陰離子表面活性劑、陽離子表面活 性劑、非離子表面活性劑和兩性離子(zitterionic)表面活性劑；且 對(duì)于表面活性劑，包括用于有機(jī)溶劑的石圭表面活性劑(silicone surfactant )。
本發(fā)明的其他特4正是對(duì)溶液中氣泡形成的速率進(jìn)4亍控制乂人而 使氣泡與反電極之間維持預(yù)定距離；可替代地氣泡形成在具有溢流 口 (或溢流，overflow)的容器中，超過預(yù)定高度的氣泡通過溢流 口3皮排出；而容器中溶液的體積維持在預(yù)定的水平。
本發(fā)明的另外特征是采用表面活性劑以延長(zhǎng)氣泡壽命(或存在 期，lifetime)并4是高氣泡形成效率；以及采用表面活性劑以進(jìn)一步 改善氣泡結(jié)構(gòu)和均勻性。
本發(fā)明的另外特4正是將通過射流形成的纖維連續(xù)地乂人反電極 上排出(或脫離，draw off)用于進(jìn)一步處理；以及對(duì)于反電才及，包 括多個(gè)間隔開的、移動(dòng)導(dǎo)體。
^^艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面提供了 ，通過在壓力下向》容液中引入氣 體而形成氣泡。
根據(jù)本發(fā)明這個(gè)方面的另外特征是將氣體在基本上不大于產(chǎn) 生氣泡所需的壓力下引入溶液中；以及對(duì)氣體《1入速率進(jìn)行控制以 使氣泡與反電極維持預(yù)定距離。


本發(fā)明將僅僅以舉例的方式參照附圖進(jìn)行描述，其中 圖1是用于生產(chǎn)纖維的裝置的圖解說明；
圖2a和2b是采用圖1中裝置形成的纖維的掃描電鏡(SEM)
圖3是由氣泡噴發(fā)的電紡絲射流的圖像；
圖4a至4c是由用濃度為0.1、 0.5和lxCMC的十二烷基石克酸 鈉作為表面活性劑的8wt。/。聚乙烯醇溶液生產(chǎn)的纖維的SEM圖像；
圖5a至5c是由用濃度為0.1、 0.5和lxCMC的十二烷基硫酸 鈉作為表面活性劑的10wt。/。聚乙烯醇溶液生產(chǎn)的纖維的SEM圖像； 以及
圖6a至6c是由用濃度為0.1、 0.5和lxCMC的十二烷基硫酸 鈉作為表面活性劑的12wt。/。聚乙烯醇溶液生產(chǎn)的纖維的SEM圖像。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的方法包括在纖維紡絲溶液的表面上形成氣泡并通過 在溶液和與其隔開位于氣泡表面上方的反電才及之間施加電壓而促 4吏射流,人氣泡表面噴射。射流在其行進(jìn)至反電極時(shí)以已知方式形成 纖維。重要的是，該溶液用合適的表面活性劑處理以穩(wěn)、定氣泡。
表面活性劑在降低表面張力以及提高氣泡穩(wěn)定性方面的作用 是眾所周知的。表面活性劑的選擇在很大程度上取決于溶液的特性 并且有各種表面活性劑可供選擇。然而選4奪表面活性劑的主要因素是其通過穩(wěn)、定;容液中形成的氣泡而延長(zhǎng)氣泡壽命的能力。因此，優(yōu) 選氣泡盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持穩(wěn)定，并由此盡可能降低氣泡壁破裂的頻率。
通過加入氣泡穩(wěn)定表面活性劑而延長(zhǎng)氣泡壽命，與氣泡未經(jīng)穩(wěn) 定時(shí)相比，在每個(gè)氣泡表面能夠形成更穩(wěn)定的射流，并變成纖維。 氣泡壽命延長(zhǎng)和相關(guān)的射流穩(wěn)定性提高，也導(dǎo)致形成更加均勻的纖維。
而且，每次氣泡爆裂，就會(huì)通過氣泡壁-皮裂產(chǎn)生小液滴。仍如 現(xiàn)有才支術(shù)中所:坡露的，如果這些液滴落到已經(jīng)形成的纖維上、尤其 是落到反電極上形成的纖維網(wǎng)上，它們會(huì)再次溶解而由此損壞這些 纖維。在不采用表面活性劑穩(wěn)定溶液的情況下，氣泡壁經(jīng)常石皮裂而 導(dǎo)致形成高體積的這種濺射液滴。
加入氣泡穩(wěn)定表面活性劑提高了氣泡壽命并由此降低氣泡壁 破裂的頻率。這意味著聚合物溶液的濺射液滴體積降j氐以及獲得的 纖維質(zhì)量提高。
泡形成效率、氣泡結(jié)構(gòu)和氣泡均勻性的能力。氣泡結(jié)構(gòu)是重要的， 因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)在相似條件下，在大氣泡上形成的射流比小氣泡上形 成的射流多。在不含氣泡穩(wěn)定表面活性劑的溶液中，大氣泡的壽命 也比小氣泡的壽命短。
一般而言，陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、非離子表 面活性劑和兩性離子表面活性劑能夠用于水溶液而石圭表面活性劑 能夠用于有機(jī)溶劑。采用近來已可利用并如表面活性劑發(fā)揮作用的 特定納米粒子和聚合物，也是可能的。在本i兌明書中，術(shù)語"表面 活性劑，，應(yīng)該具有其最寬泛的意義并包括用于穩(wěn)定氣泡的這些產(chǎn)品
11和任何其他試劑。在需要的情況下，也能夠使用表面活性劑的任何 合適的混合物。
在溶液中形成氣泡的任何合適的方法都能夠使用，包括在壓力 下吹送氣體通過溶液、攪拌溶液、通過揮發(fā)液體如戊烷在溶液中膨 脹、或通過顆粒物質(zhì)如發(fā)酵粉在溶液中熱分解。在大多凄t情況下， 最實(shí)際且易于控制的形成氣泡的方法是吹氣通過溶液。
在這些情況下應(yīng)用表面活性劑是更有利的，因?yàn)樵谖捶€(wěn)定溶液 中形成氣泡需要高氣體流速而這增加了氣泡壁破裂的振幅，對(duì)已經(jīng) 形成的纖維增加了濺落風(fēng)險(xiǎn)。
調(diào)節(jié)所用噴嘴的類型和氣體壓力，也可以形成更大的氣泡，其 具有以上描述的優(yōu)點(diǎn)。
力以進(jìn)一步確保氣泡穩(wěn)定性。更大的壓力將會(huì)導(dǎo)致氣泡更快地形成 和破裂。
當(dāng)在不含氣泡穩(wěn)定表面活性劑的聚合物溶液中吹氣泡時(shí)，氣泡 存時(shí)舉交短并且需要通過高速向溶液中吹氣而4寺續(xù)產(chǎn)生新氣泡。另 外，當(dāng)通過細(xì)管向溶液吹氣而產(chǎn)生氣泡時(shí)，氣泡主要集中在管口正 上方、溶液表面的較小區(qū)域內(nèi)。當(dāng)氣泡通過多孔膜吹入這種溶液中 時(shí)，氣泡將主要形成在直接位于膜上方的溶液表面上，因此膜面積 需要增大，才能夠在整個(gè)溶液表面上有效形成氣泡。
這些缺點(diǎn)能夠通過使用穩(wěn)定劑進(jìn)4亍克服。當(dāng)聚合物溶液含有合 適的表面活性劑時(shí)，氣泡在形成后能夠維持更長(zhǎng)時(shí)間。這意味著吹 進(jìn)溶液的氣泡形成氣體能夠更有效地利用。進(jìn)而這意^未著〗吏用氣體 按比例降低，這意味著輸入原料的成本節(jié)省，如果使用特種氣體則尤其如此。類似地，如果氣體是壓縮空氣，所4吏用的4安比例變小的 體積意味著產(chǎn)生壓縮空氣所需能量的成本節(jié)省。另外，在這種溶液 中存時(shí)較長(zhǎng)的氣泡將傾向于鋪展為自動(dòng)覆蓋大面積的溶液表面，這 導(dǎo)致用于纖維形成的可用面積的更好利用。這也簡(jiǎn)化了氣體f I入到 溶液中必需的方式，因?yàn)檫@避免了對(duì)大氣泡產(chǎn)生表面的需要。
在考慮合適的表面活性劑和形成氣泡的方式時(shí)，溶液上均勻氣 泡或氣泡表面的產(chǎn)生也應(yīng)該考慮。表面越均勻，所獲得的纖維就越
一致。氣泡形成所采用的裝置也應(yīng)該才是供用于將氣泡(bubble)或 泡沫(foam)表面至反電極的距離控制在預(yù)定距離或距離范圍內(nèi)的 設(shè)置(或手段，means )。其簡(jiǎn)單方式是提供具有溢流口 (或溢流， overflow)的容納溶液的容器或槽，通過溢流口，過量的氣泡被排 出，使之破裂而隨后返回到溶液中。這可通過圍繞槽的周圍并與其 頂部間隔開才是供溝槽而容易地實(shí)現(xiàn)，溢出頂部的過量氣泡進(jìn)入該溝 槽中用于再循環(huán)。
更為復(fù)雜的裝置可以包括使用用來測(cè)定槽中氣泡高度和控制 氣泡形成的器件，例如通過控制向溶液中引入氣體的速率而由此將 氣泡的高度維持在預(yù)定水平。
任何合適的反電極都能夠使用。反電極將優(yōu)選設(shè)計(jì)成容許將纖 維乂人其中連續(xù)移除，并且可以為PCT/IB2007/003177中描述的類型， 其具有多個(gè)間隔開的、移動(dòng)導(dǎo)電性條帶。然而在反電才及上直4妄收集 纖維并不是必需的。
以下實(shí)施例用于舉例說明以上描述的本發(fā)明的各個(gè)方面。
實(shí)施例1
13濃度為6wt。/o的溶液由聚丙烯腈(PAN ) ( Mw=210 000 g/mol) 在N，N-二曱基曱酰胺(DMF)中制成。溶液的發(fā)泡性通過采用薄 塑料管狀噴嘴以150~3000mL/min的速率吹入壓縮空氣通過溶液而 進(jìn)行測(cè)試。形成的單個(gè)氣泡的壽命遠(yuǎn)^f氐于1秒，且未能獲得穩(wěn)定的 氣泡。然后爿尋來自工業(yè)源(JSYK 580 (L580))的石圭表面活性劑以 244 g/L的濃度加入溶液中并重復(fù)進(jìn)行發(fā)泡性測(cè)試。覆蓋整個(gè)槽表面 的穩(wěn)定泡沫能夠產(chǎn)生且單個(gè)氣泡的壽命為10 80秒。
參照?qǐng)D1,將包含表面活性劑的纖維紡絲卩容液(l)傾倒入長(zhǎng)槽 (2)中(長(zhǎng)槽表面積為36 cm2并具有沿其長(zhǎng)度中心延伸的孔管 (4)),并由標(biāo)準(zhǔn)空氣壓縮機(jī)(未示出)注入空氣。反電極(6)位 于槽上13 cm處。
然后空氣(7)注入通過管(4)，并調(diào)節(jié)流速以在溶液(1)表 面上獲得穩(wěn)定泡沫(8)。然后在溶液(1)和反電極(6)之間施力口 46kVDC高電壓。
許多電紡絲射流,人形成泡沫的氣泡(8)表面噴射并快速形成 纖維。
SEM分一斤表明，6wt。/。的溶液產(chǎn)生具有一些^朱體且平均直徑 1.18pm的纖維(參見圖2a)。該方法采用具有244 g/L相同硅表面 活性劑的8wt。/。PAN溶液重復(fù)實(shí)施。SEM分析表明，所形成的纖維 更加均勻，無珠體，平均纖維直徑為1.29 (參見圖2b)。圖3 示出在這些條件下形成的具有從其表面噴射的許多射流的單個(gè)氣 泡。
在相同條件下未使用表面活性劑僅僅能夠形成少量纖維。這些 纖維主要通過由氣泡:曝裂時(shí)形成的濺射液滴通過電場(chǎng)i秀導(dǎo)的電紡 絲而形成。由于氣泡壁夂暴裂期間液滴形成的不可預(yù)測(cè)凈爭(zhēng)性，以及液滴尺寸上對(duì)應(yīng)的變化，由這些液滴形成的纖維的直徑或形態(tài)學(xué)不具 有再現(xiàn)性。
實(shí)施例2
溶液由聚乙烯醇(PVOH) (Mw=72000g/mol, >98%水解)在 蒸餾水中以不同濃度制成，其具有如下所示不同濃度的表面活性劑 十二烷基硫酸鈉(SLS):
聚合物濃度(wt%)表面活性劑濃度(xCMCSLS) *
80.1
80.5
81
100.1
100.5
101.0
120.1
120.5
121.0
*1 x CMC SLS = 0.0082 mol/1
在圖1中所示的裝置使用時(shí)槽(2)與反電極(6)之間的距離 i殳置成10 cm。將含有聚合物和表面活性劑的溶液傾入槽中，打開 并調(diào)節(jié)氣流而獲得穩(wěn)、定的泡沫。在槽中的溶液與反電才及之間施加高 電壓并調(diào)節(jié)電壓至剛好高于在具體溶液中引發(fā)射流所需的電壓。這 個(gè)范圍為25~35 kV。從氣泡表面噴射許多電紡絲射流并快速地形成 纖維。
所獲得的纖維網(wǎng)的SEM分析清楚地表明，隨著表面活性劑濃 度增加和氣泡更加穩(wěn)定，所獲得的纖維質(zhì)量提高。為了實(shí)施這種分 析，反電極用鋁箔板覆蓋而使纖維在其上形成。隨后獲取板樣并對(duì) 其進(jìn)4于SEM分析。圖4a 4c示出了 8wt。/。溶液的結(jié)果。在圖4a (0.1 x CMC表面 活性劑)中，^見察到初始形成的一些纖維^皮大的聚合物賊射液滴 (spatters )損壞而后來形成的纖維被溶劑蒸氣部分溶解。在圖4b (0.5xCMC表面活性劑)中看到纖維更干燥，但大的賊射液滴仍 然損壞了許多纖維。在圖4c ( l.OxCMC表面活性劑)中，觀察到 顯著的改進(jìn)，其中大部分纖維干燥以及濺射液滴顯著減少。
圖5a 5c示出了 1Owt。/o溶液的類似結(jié)果。在圖5a (0.1 x CMC 表面活性劑)中，觀察到大部分纖維被大的聚合物賊射液滴損壞。 在圖5b ( 0.5 x CMC表面活性劑)中，纖維更干燥，但是許多纖維 表現(xiàn)出i朱體瑕瘋(或缺陷，defects)且瑕疵和纖維之間的體積比較 高。在圖5c ( 1.0 x CMC表面活性劑)中，觀察到優(yōu)于圖5b中結(jié) 果的改進(jìn)，其中大部分纖維干燥，且5朱體非足瘋與正常纖維之間的體 積比得以改善。
圖6a 6c示出了 12wt。/。溶液的結(jié)果。在圖6a (0.1 x CMC表面 活性劑)中，，見察到暗線(dark lines)，此處濕射流沉積在反電才及 上，損壞了下面的纖維。在圖6b (0.5 x CMC表面活性劑)中，千 纖維的比例得到改善，〗旦是一些不身見則的纖維形態(tài)仍然能夠 見察 到。在圖6c (l.OxCMC表面活性劑)中，觀察到進(jìn)一步的改善， 其中大部分纖維干燥且纖維均勻性提高。
由這些實(shí)驗(yàn)明顯可見，穩(wěn)定溶液中的氣泡對(duì)纖維質(zhì)量具有顯著 影響。不僅濺射減少伴隨纖維損壞降〗氐，而且纖維質(zhì)量也得以改善。
應(yīng)該理解，存在用于生產(chǎn)纖維的方法的許多其他實(shí)施方式，這 些實(shí)施方式，尤其是關(guān)于纖維紡絲溶液的類型和所用的表面活性 劑、形成氣泡的方法以及實(shí)現(xiàn)纖維形成的條件，落入本發(fā)明的范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)纖維的方法，其包括在纖維紡絲溶液的表面上形成多個(gè)氣泡并在所述溶液和與其隔開的反電極之間施加電壓以促使射流從所述氣泡延伸到所述反電極，所述方法的特征在于所述溶液經(jīng)處理以穩(wěn)定所述氣泡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述溶液用表面活性劑處 理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述表面活性劑選自用于水 溶液的陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、非離子表面活 性劑和兩性離子表面活性劑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述表面活性劑包括用于有 才幾溶液的-圭表面;舌'l"生劑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述表面活性 劑延長(zhǎng)氣泡壽命。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述表面活性 劑提高氣泡形成效率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述表面活性 劑改善氣泡結(jié)構(gòu)和均勻性。
8. ^^艮據(jù)前述^L利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氣泡與所述 反電極維持預(yù)定的距離。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，控制所述溶液中的氣泡形 成速率以4吏所述氣泡與所述反電才及維持預(yù)定的距離。
10. 一艮據(jù)一又利要求8所述的方法，其中，所述氣泡形成在具有溢流 口的容器中，超過預(yù)定高度的氣泡通過所述溢流口被排出。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述容器中所 述溶液的體積維持在預(yù)定的水平。
12. 才艮據(jù)前述4又利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過所述射流 形成的纖維乂人所述反電才及上連續(xù)排出用于進(jìn)一步處理。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述反電極包括多個(gè)間隔 開的、移動(dòng)導(dǎo)體。
14. 才艮據(jù)前述沖又利要求中4壬一項(xiàng)所述的方法，其中，通過在壓力下 向所述溶液引入氣體形成所述氣泡。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，在基本不大于產(chǎn)生氣泡 所需的壓力下將所述氣體引入所述溶液中。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或權(quán)利要求15所述的方法，其中，控制將所 維持預(yù)定的距離。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于生產(chǎn)纖維的方法，該方法包括在纖維紡絲溶液的表面上形成多個(gè)氣泡并在溶液和與其隔開的反電極之間施加電壓以促使射流從氣泡延伸到反電極，該方法的特征在于溶液用表面活性劑進(jìn)行處理從而穩(wěn)定氣泡。
文檔編號(hào)D01D5/00GK101657571SQ200880012326
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月17日
發(fā)明者安東·尤金·斯米特, 羅納德·道格拉斯·桑德森 申請(qǐng)人:斯坦陵布什大學(xué)