專利名稱：靜電場中對聚合物基質(zhì)紡絲的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在紡絲電極與收集電極之間的紡絲空間中所感生出的靜電場中對聚 合物基質(zhì)進(jìn)行紡絲的方法，在該處，聚合物基質(zhì)從基質(zhì)貯存器傳送到靜電場中紡絲電極的 表面上，或者由紡絲電極的紡絲元件傳送。本發(fā)明還涉及一種通過在收集電極與紡絲電極或紡絲電極的紡絲元件之間感應(yīng) 出的靜電場中對聚合物基質(zhì)進(jìn)行靜電紡絲來生成納米纖維的裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前通過對各種類型的溶液以及液態(tài)的聚合物的熔融物進(jìn)行靜電紡絲而生成聚 合物納米纖維，這通常在環(huán)境溫度下進(jìn)行。在一些情況下，尤其是在對聚合物的熔融物進(jìn) 行紡絲時(shí)，需要增大裝置的一些部分的溫度以便不斷地制備熔融物以及避免熔融物凝固和 固定在這些部分上(如果熔融物凝固和固定在這些部分上，則這會(huì)逐漸降低整個(gè)裝置的輸 出)。這些部分的溫度增大還有利于對一些類型的聚合物溶液進(jìn)行紡絲，這是因?yàn)樵龃蟮臏?度可以減小這些溶液的粘度，由此使得靜電紡絲過程的初始化和維護(hù)得到支持，并且在一 些類型的聚合物溶液的情況下這甚至能夠?qū)崿F(xiàn)它們的紡絲。當(dāng)前，首先借助于載熱介質(zhì)(例如，熱空氣或熱油)實(shí)現(xiàn)這種加熱，然而，在這些情 況下的熱傳遞非常松弛，并且所需的載熱介質(zhì)的循環(huán)相對明顯地限制了用于靜電紡絲的裝 置的內(nèi)部空間的形狀、以及它的各個(gè)部分的布置。用于對載熱介質(zhì)進(jìn)行加熱和循環(huán)的方式、 以及在油或其它液體的情況下用于對它們進(jìn)行存儲(chǔ)的方式，不僅相對明顯地增大了對這些 裝置的空間的要求，還增大了對它們的維護(hù)的要求以及同時(shí)還增大了這些裝置的獲取和運(yùn) 行成本。另一個(gè)缺點(diǎn)在于溫度調(diào)節(jié)的低準(zhǔn)確性及其緩慢響應(yīng)。另一種加熱的方法是對貯存器中的聚合物基質(zhì)進(jìn)行感應(yīng)加熱，其中，在貯存器下 方的區(qū)域中安置感應(yīng)加熱板。然而，這種構(gòu)造除了相對高的溫度損耗和對空間的高要求以 外，還顯現(xiàn)出當(dāng)要求貯存器中的聚合物基質(zhì)的溫度變化時(shí)的緩慢響應(yīng)、以及設(shè)置這個(gè)溫度 的不準(zhǔn)確性。本發(fā)明的目的在于通過與背景技術(shù)的已知方法不同的另一種會(huì)更加有效且結(jié)構(gòu) 更簡單的方法來確保通過靜電紡絲生成納米纖維的裝置的一些部分的溫度發(fā)生易于調(diào)節(jié) 的臨時(shí)性或永久性增大，尤其是對于與聚合物基質(zhì)接觸的那些部分。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于利用用于增大一些部分的溫度的這個(gè)方法來對聚合物 基質(zhì)進(jìn)行靜電紡絲以生成納米纖維的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
通過在紡絲電極與收集電極之間的紡絲空間中感應(yīng)出的靜電場中對聚合物基質(zhì) 進(jìn)行靜電紡絲的方法而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，其中，聚合物基質(zhì)從基質(zhì)貯存器傳送到靜電場 中紡絲電極的表面上或由紡絲電極的紡絲元件傳送，本發(fā)明的原理在于通過將裝置的一 些部分、尤其是與聚合物基質(zhì)進(jìn)行接觸的那些部分(例如紡絲電極、或紡絲電極的紡絲元件)和/或聚合物基質(zhì)的溫度進(jìn)行直接電阻加熱而上升超過環(huán)境溫度。有利的是，通過直接施加到溫度應(yīng)增大的部分上的交流電壓而進(jìn)行直接電阻加 熱，來增大這些部件的溫度，并且同時(shí)將這些部分的溫度變換成熱能。因此，條件是這些部 分的導(dǎo)電性。增大用于生成納米纖維的裝置的所需部分的溫度的另一種方法是通過直流電壓 進(jìn)行直接電阻加熱，此時(shí)特定部分連接到高直流電壓源以及輔助高直流電壓源(它們之間 的壓差是幾十或幾百伏)，并且在帶到給定部分以后這些電壓的名義差變換成熱能。這個(gè)方 法特別適用于移動(dòng)應(yīng)用，此時(shí)與交流電壓源相比更易獲得直流高壓源。在例如由于某部分的非導(dǎo)電性而不能夠直接向這個(gè)部分施加交流電壓、或不同值 的兩個(gè)直流電壓的情況下，間接電阻加熱的變型是有利的，當(dāng)在溫度應(yīng)該增大的部分的附 近時(shí)，對連接到交流電壓源的加熱電阻器加以定位。交流電壓在這個(gè)電阻器中變換成熱能， 并且進(jìn)一步傳遞給所需部分。也已通過在收集電極與紡絲電極或紡絲電極的紡絲元件之間感應(yīng)出的靜電場中 對聚合物基質(zhì)進(jìn)行靜電紡絲生成納米纖維的裝置實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的原理在于 紡絲電極和/或紡絲電極的紡絲元件連接到對高壓絕緣的變壓器的二次繞組或次級繞組， 并且這個(gè)變壓器的一次繞組或初級繞組連接到交流電壓源。通過這個(gè)方式，確保了這個(gè)裝 置能夠向溫度應(yīng)該增大的這個(gè)裝置的那個(gè)部分傳遞交流電壓、并且同時(shí)多個(gè)部分與來自交 流電壓源的高直流電壓是絕緣的。接下來，已通過在收集電極與紡絲電極或紡絲電極的紡絲元件之間感應(yīng)出的靜電 場內(nèi)對聚合物基質(zhì)進(jìn)行靜電紡絲而生成納米纖維的裝置來實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的，而同時(shí)， 紡絲電極或紡絲電極的紡絲元件連接到直流高壓源的一極，本發(fā)明的原理在于紡絲電極 或紡絲電極的紡絲元件連接到輔助直流電壓源。由直流高壓源和由輔助直流高壓源傳送的 電壓差在傳送到給定部分以后變換成熱能。尤其對于對聚合物的熔融物進(jìn)行紡絲是有利的，如果裝置的一些部分連接到交流 電壓源或者輔助直流電壓源、并且在靜電場中還設(shè)置有至少一個(gè)加熱電阻器，該加熱電阻 器連接到對高壓絕緣的變壓器的二次繞組，并且變壓器的一次繞組連接到交流電壓源。因 此，加熱電阻器用于對位于靜電場內(nèi)不能夠通過直接電阻加熱而增大溫度的部分、或者結(jié) 構(gòu)太過復(fù)雜的部分來進(jìn)行間接電阻加熱。


在附圖中示意性示出了執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的對聚合物基質(zhì)進(jìn)行靜電紡絲的方法的 裝置的例子，其中，圖1示出了這個(gè)裝置的紡絲室的截面圖，圖2是這個(gè)裝置的另一個(gè)變型 的紡絲室的截面圖。附圖標(biāo)記列表1紡絲室2收集電極3直流高壓源4 基底5貯存器
51聚合物基質(zhì)6紡絲元件7變壓器71變壓器一次繞組72變壓器二次繞組8調(diào)節(jié)器9過壓保護(hù)10交流電壓源11輔助直流高壓源12調(diào)節(jié)器
具體實(shí)施例方式基于在圖1和圖2中示意性示出的用于對聚合物基質(zhì)進(jìn)行靜電紡絲的裝置的實(shí)施 例的示例來描述本發(fā)明及其原理。為了增大這些附圖的清晰透徹性和可讀性，僅僅通過簡 化方法表示裝置的一些部分而不管它們的真實(shí)結(jié)構(gòu)或尺寸如何，而對于理解本發(fā)明的原理 不重要的、以及其結(jié)構(gòu)或者相互布置對于本領(lǐng)域每個(gè)技術(shù)人員是清楚的一些其它部分則根 本沒有進(jìn)行表示。圖1所示的用于對聚合物基質(zhì)進(jìn)行靜電紡絲的裝置包括紡絲室1，在紡絲室1的 上部中設(shè)置有收集電極2，收集電極2連接到直流高壓源3的一極，直流高壓源3位于紡絲 室1之外。所示的收集電極2由金屬板形成，然而在根據(jù)技術(shù)要求或空間可能性的實(shí)施例 的另外未示出的例子中，可以使用任何其它已知的收集電極2的構(gòu)造，例如可以使用任何 類型的多個(gè)收集電極2或者它們的組合。在收集電極2的下方，非導(dǎo)電基底4通過未示出方式進(jìn)行傳送，它在所示的實(shí)施例 的例子中是織物。基底4的特定類型、它的運(yùn)動(dòng)方式以及他的物理屬性(例如，導(dǎo)電性)仍 首先取決于所使用的收集電極2的類型和生產(chǎn)技術(shù)，而在另外未示出的實(shí)施例的例子中， 基底4還可以使用導(dǎo)電材料(例如，帶有靜電表面拋光層的織物、金屬箔)。例如從CZ PV 2007-727已知一種特定類型的收集電極的使用，相反根本沒有使用基底4，并且通過對聚 合物基質(zhì)進(jìn)行靜電紡絲而產(chǎn)生的納米纖維直接沉積在這個(gè)收集電極的表面上。在紡絲室1的下部中布置有聚合物基質(zhì)51的貯存器5，在所示的實(shí)施例的例子中 貯存器5由開口容器形成，并且聚合物基質(zhì)51是呈液態(tài)的聚合物溶液。在另外未示出的實(shí) 施例的例子中，利用本發(fā)明的原理，還可以對聚合物的熔融物或者合適的固態(tài)聚合物基質(zhì) 51進(jìn)行紡絲，聚合物的熔融物或者合適的固態(tài)聚合物基質(zhì)51還對應(yīng)于貯存器5的構(gòu)造的 變化、以及未示出的用于向貯存器5中添加聚合物基質(zhì)51的方式的結(jié)構(gòu)的變化。在貯存器5的附近安置有紡絲電極，紡絲電極包括紡絲元件6，紡絲元件6與收集 電極2不同地連接到直流高壓源3的相反的另一極上，并且紡絲元件6可以按可調(diào)的間隔 在它的應(yīng)用位置與它的紡絲位置之間進(jìn)行移置。在應(yīng)用位置，紡絲元件6或者它的部段遠(yuǎn) 離收集電極2，并且在它的上面涂覆聚合物基質(zhì)51，而在紡絲位置，涂覆有聚合物基質(zhì)51的 紡絲元件6或它的部分靠近著收集電極2，在這里與收集電極2 —起形成靜電紡絲場，借助 于該靜電紡絲場則這個(gè)聚合物基質(zhì)51進(jìn)行紡絲。圖1表示了由導(dǎo)電線形成的紡絲元件6，當(dāng)它處于應(yīng)用位置時(shí)浸入在貯存器5中的聚合物基質(zhì)51的水平之下，并且在一個(gè)平面內(nèi) 在相反的兩個(gè)方向上在它的紡絲位置與它的應(yīng)用位置之間進(jìn)行移動(dòng)。然而，不需要任何變 化，本發(fā)明的原理就可以適用于紡絲電極的紡絲元件6的其它已知結(jié)構(gòu)(例如，根據(jù)CZ PV 2006-545在它們的紡絲位置與它們的應(yīng)用位置之間在環(huán)形軌跡上進(jìn)行移動(dòng)，或者根據(jù)CZ PV2007-485在它們的長度方向上進(jìn)行移動(dòng))。除了直流高壓源3之外，紡絲元件6導(dǎo)電地連接到變壓器7的二次繞組72，變壓 器7對于高壓絕緣。變壓器7的一次繞組71通過調(diào)節(jié)器8和過壓保護(hù)9連接到交流電壓 源10 (例如是230V交流電壓的公共分布網(wǎng)絡(luò))。變壓器7同時(shí)用于執(zhí)行交流電壓源10與 被提供幾十千伏的直流高壓的紡絲元件6之間的電流隔離/阻斷，這是因?yàn)榛谒墓ぷ?原理，它能夠?qū)⒐┙o它的一次繞組71的交流電壓變換為在二次繞組72中感應(yīng)出的交流電 壓，但不是執(zhí)行從紡絲元件6提供給它的直流高壓到二次繞組72的變換。一次繞組71和 二次繞組72中的繞組的數(shù)目的比例、以及提供給一次繞組71的電壓值，同時(shí)確定出了提供 給紡絲電極的紡絲元件6的交流電壓值，從而使得幾乎針對任何所需的交流電壓值可以使 用低交流電壓源10 (例如，具有恒值交流電壓的公共網(wǎng)絡(luò))和充足規(guī)模的變壓器7。提供給紡絲電極的紡絲元件6的交流電壓的電輸入根據(jù)它的電阻(例如根據(jù)方程 P = UI = RI2 = U2/R)變成所謂的Joule-Lence熱，并且增大紡絲元件6的溫度。于是，通過調(diào)節(jié)器8調(diào)節(jié)從源10提供給變壓器7的一次繞組71的交流電壓值，因 而可充分調(diào)節(jié)在它的二次繞組72上感應(yīng)的交流電壓值，則可以簡單地調(diào)節(jié)紡絲元件6的所 需溫度。在未示出的實(shí)施例的例子中，調(diào)節(jié)器8可有利地另外配備有反饋，從而能更加準(zhǔn)確 且更加迅速地達(dá)到紡絲元件6的所需溫度并將它長期保持在恒定值。針對交流電壓源10 的輸出的臺(tái)階狀變化，過壓保護(hù)9保護(hù)變壓器7以及紡絲電極的紡絲元件6免受臺(tái)階狀變 化影響。另一個(gè)保護(hù)元件是變壓器7的核的接地。紡絲電極的紡絲元件6的溫度增大尤其有利于對由聚合物熔融物形成的聚合物 基質(zhì)51進(jìn)行紡絲，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行紡絲所需的時(shí)間內(nèi)它支持殘留在貯存器5中的熔融物體 積為液態(tài)、或者施加在紡絲元件6上的熔融物51體積為液態(tài)，基于此，這些類型的聚合物基 質(zhì)51針對靜電紡絲的適用性增大、并且效率提高。接下來，在適當(dāng)選擇的紡絲元件6的溫 度的情況下，固體聚合物基質(zhì)51可進(jìn)行紡絲，而僅僅與紡絲元件6接觸時(shí)聚合物基質(zhì)51體 積的一小部分變成液態(tài)，并且同時(shí)它依附到紡絲元件6的表面并且由此進(jìn)行紡絲?；诖耍?限制了當(dāng)聚合物熔融物整體保持液態(tài)時(shí)發(fā)生的熱損耗，并且同時(shí)消除了貯存器5中的熔融 物發(fā)生不希望的凝固的問題。在另外實(shí)施例的例子中，相反，本發(fā)明的原理還可用于增大貯存器5的溫度和/或 直接增大聚合物基質(zhì)51的溫度以及在裝置的整個(gè)工作周期內(nèi)使其保持為液態(tài)。增大一些聚合物溶液的紡絲時(shí)的溫度會(huì)減小它們的粘性，這便利了對靜電紡絲過 程的初始化。因此，增大溫度不僅增大了整個(gè)裝置的輸出，而且擴(kuò)大了可紡溶液的平臺(tái)，這 是因?yàn)樗€實(shí)現(xiàn)了對這些聚合物溶液的紡絲、并使得對這些聚合物溶液的紡絲更加容易， 而至此僅在有一些困難或根本沒有困難的情況下即是可紡的。圖2示出了電連接的另一種可行方式，當(dāng)來自輔助電壓源11的直流高壓提供給紡 絲電極的紡絲元件6時(shí)，能使紡絲元件6的溫度增大。這個(gè)電壓值與從直流高壓源3提供 給紡絲元件的電壓值稍微不同，而且在提供給紡絲元件6以后表達(dá)為幾十或幾百伏的這些電壓的差變成熱輸出，由此增大了它的溫度。然后，借助于輔助直流高壓源11的輸出的調(diào) 節(jié)器12來控制紡絲元件6的溫度。調(diào)節(jié)器12處于未示出的優(yōu)選設(shè)置有反饋的實(shí)施例的例 子中。基于聚合物基質(zhì)5的導(dǎo)電性，來自輔助源11的直流高壓也可以直接用于增大基質(zhì) 5的溫度，并且在應(yīng)用導(dǎo)電貯存器51的情況下也可用于直接增大它的溫度，從而進(jìn)一步支 持并增大上述的優(yōu)點(diǎn)。在另外未示出的實(shí)施例的例子中，當(dāng)例如由非導(dǎo)電材料形成紡絲電極的紡絲元件 6時(shí)，為了增大它的溫度，借助于交流電而是用非直接加熱是較為有利的。在這種情況下， 在紡絲電極的每個(gè)紡絲元件6的附近或者至少在它的軌跡的一部分上，若在它于紡絲過程 中進(jìn)行移動(dòng)的情況下，則定位著一個(gè)加熱電阻器、或者當(dāng)運(yùn)用連接到交流電壓源10的上述 變壓器7時(shí)按需定位著更多加熱電阻器。在加熱電阻器中交流電直接變換成Joule-Lence 熱，并且它傳遞到紡絲元件6。這種相同的間接加熱方法還可用于對貯存器5和/或它之中 的聚合物基質(zhì)51進(jìn)行加熱。除了用于生成納米纖維的裝置的上述變型以外，在理論上直接和間接電阻加熱還 可用于其它已知和通用的裝置，而不管紡絲電極2的類型和結(jié)構(gòu)如何。例如，本發(fā)明的原理 可用于在收集電極2和紡絲電極或者紡絲電極的紡絲元件6上的直流電壓的極性的任何 配置下，用來加熱由從CZ專利294274已知的緊湊體所形成的紡絲電極、或者加熱由毛細(xì)管 (噴嘴)或一組毛細(xì)管(噴嘴)形成的紡絲電極。間接加熱或者通過直流電壓進(jìn)行加熱還 可用于紡絲電極或者它的紡絲元件6的接地、而不管提供給收集電極2的電壓的極性如何。
權(quán)利要求
1.在紡絲電極與收集電極(2)之間的紡絲空間中感應(yīng)出的靜電場中對聚合物基質(zhì) (51)進(jìn)行紡絲的方法，其中，聚合物基質(zhì)(51)從聚合物基質(zhì)(51)的貯存器(5)傳送到靜電 場內(nèi)紡絲電極的表面上、或由紡絲電極的紡絲元件(6)傳送，其特征在于借助于直接電阻 加熱，紡絲電極或紡絲電極的紡絲元件(6)和/或貯存器(5)和/或聚合物基質(zhì)(51)的溫 度增加到超過環(huán)境溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的對聚合物基質(zhì)(51)進(jìn)行紡絲的方法，其特征在于通過利用交流 電壓進(jìn)行直接電阻加熱而增大紡絲電極或紡絲元件(6)和/或貯存器(5)和/或聚合物基 質(zhì)(51)的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的對聚合物基質(zhì)(51)進(jìn)行紡絲的方法，其特征在于通過利用直流 電壓進(jìn)行直接電阻加熱而增大紡絲電極或紡絲元件(6)和/或貯存器(5)和/或聚合物基 質(zhì)(51)的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3之一的對聚合物基質(zhì)(51)進(jìn)行紡絲的方法，其特征在于通 過利用交流電壓進(jìn)行間接電阻加熱而增大紡絲電極或紡絲元件(6)和/或貯存器(5)和/ 或聚合物基質(zhì)(51)的溫度。
5.通過在收集電極(2)與紡絲電極或紡絲電極的紡絲元件(6)之間感應(yīng)出的靜電場中 對聚合物基質(zhì)(51)進(jìn)行靜電紡絲來生成納米纖維的裝置，其特征在于紡絲電極和/或紡 絲電極的紡絲元件(6)連接到變壓器(7)的二次繞組(72)，變壓器(7)對于高壓絕緣，并且 變壓器(7)的一次繞組(71)連接到交流電壓源(10)。
6.通過在收集電極(2)與紡絲電極或紡絲電極的紡絲元件(6)之間感應(yīng)出的靜電場 中對聚合物基質(zhì)(51)進(jìn)行靜電紡絲來生成納米纖維的裝置，其中，紡絲電極或紡絲電極的 紡絲元件(6)連接到直流高壓源(3)的一極，其特征在于紡絲電極或紡絲電極的紡絲元件 (6)連接到輔助直流電壓源(11)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的裝置，其特征在于在靜電場中還布置了至少一個(gè)加熱電阻 器，該至少一個(gè)加熱電阻器連接到對高壓絕緣的變壓器(7)的二次繞組(72)，而變壓器(7) 的一次繞組(71)連接到交流電壓源(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在紡絲電極與收集電極之間的紡絲空間中所感應(yīng)出的靜電場中對聚合物基質(zhì)進(jìn)行紡絲的方法，其中，聚合物基質(zhì)從基質(zhì)貯存器傳送到靜電場中紡絲電極的表面上、或者由紡絲電極的紡絲元件傳送，本發(fā)明的原理在于，借助于電阻加熱來使紡絲電極或紡絲電極的紡絲元件、和/或貯存器、和/或聚合物基質(zhì)的溫度上升到超過環(huán)境溫度。本發(fā)明還涉及用于執(zhí)行這個(gè)方法的裝置。
文檔編號(hào)D01D5/00GK101999016SQ200980112224
公開日2011年3月30日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
發(fā)明者J·克梅利克, L·塞夫西克, R·斯拉德塞克 申請人:埃爾馬科有限公司