通過在電場內(nèi)的聚合物的溶液或熔體紡絲而生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法，以及來自該方 ...的制作方法
【專利說明】通過在電場內(nèi)的聚合物的溶液或熔體紡絲而生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法，以及來自該方法制備的聚合物納米纖維的線性形成物發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法，其中通過電場對紡絲電極表面上的聚合物的溶液或熔體的力的作用而創(chuàng)造了聚合物納米纖維。
[0002]本發(fā)明進(jìn)一步涉及來自所述方法制造的聚合物納米纖維的線性形成物(linearformat1n)。
【背景技術(shù)】
[0003]迄今為止使用靜態(tài)針紡絲電極(噴嘴、毛細(xì)管等)或無針紡絲電極(旋轉(zhuǎn)圓筒、在其長度方向移動的繩(cord)、旋轉(zhuǎn)線圈、包覆繩(coated cord)等。)而用于在電場中進(jìn)行聚合物的溶液或熔體紡絲的所有已知方法的典型產(chǎn)品是相同極性的隨機(jī)交織的納米纖維的平面層。這樣的層結(jié)合其它支撐或覆蓋層具有許多應(yīng)用，即在過濾和衛(wèi)生裝置(means)領(lǐng)域，但是在另一方面，對于許多其它應(yīng)用，以及對于通過標(biāo)準(zhǔn)紡織技術(shù)方法的深加工，它的用途相當(dāng)有限。這是因為這些應(yīng)用更傾向于來自納米纖維的線性形成物、或通過這種線性形成物的加工所建立的更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。
[0004]從這層意義上說，例如US 2008265469描述了來自納米纖維的線性形成物的生產(chǎn)方法，其基于以下原則:自具有相反極性電荷的幾對彼此相對(against)布置的噴嘴直接抽出納米纖維，且隨后連接這些納米纖維。這只會導(dǎo)致低的生產(chǎn)量，而且由于各個噴嘴的電場的相互影響，其不是恒定的。因此產(chǎn)生的線性形成物具有相當(dāng)不均勻和偶然的結(jié)構(gòu)以及低的抗拉強(qiáng)度，由于這樣，這種方法只適合于實驗室里的試驗性使用。
[0005]US 20090189319描述了用于制造來自納米纖維的線性形成物的方法，所述方法通過扭曲(twisting)由靜電紡絲形成的納米纖維的平面層來進(jìn)行。以這種方式建立的線性形成物也只有有限的抗拉強(qiáng)度且不適合實際應(yīng)用。此外，扭曲納米纖維平面層的方法在技術(shù)上是相對復(fù)雜的和耗時的，其僅僅實現(xiàn)了低的生產(chǎn)率，因此這種方法僅適用于有限的實驗室規(guī)模。
[0006]根據(jù)WO 2009049564，對于制造來自納米纖維的線性形成物的其它的可能性是通過使用集電極，在其中一個描述的實施方案中所述集電極包含排布于轉(zhuǎn)盤的橫坐標(biāo)或圓周上的單一電荷系統(tǒng)。于是產(chǎn)生的納米纖維優(yōu)選沿著這些電荷沉積，因此形成線性形成物。以這種方式制造的形成物比根據(jù)上述任一方法制造的形成物的抗拉強(qiáng)度高，但是對于實際應(yīng)用仍然不足。所述方法另外的缺點是所制造的來自可實現(xiàn)的納米纖維的線性形成物的長度是相對短的，因為它被集電極的最大可能長度限制。由于這種原因，所述方法也不能成功用于工業(yè)規(guī)模。
[0007]本發(fā)明的目的是消除或至少減少【背景技術(shù)】的缺點，和提出納米纖維的生產(chǎn)方法，所述方法將能夠制造來自聚合物納米纖維的線性形成物，所述線性形成物可進(jìn)一步被利用或通過標(biāo)準(zhǔn)紡織技術(shù)程序被加工，這種方法維持了在工業(yè)生產(chǎn)中的足夠的生產(chǎn)率和足夠的適用性。
[0008]發(fā)曰月原理
[0009]通過在電場中的聚合物的溶液或熔體紡絲生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法來實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其中通過電場對位于紡絲電極表面上的聚合物溶液或熔體的力的作用而產(chǎn)生了聚合物納米纖維。其原理在于在與交流電壓源相連接的紡絲電極和所產(chǎn)生的和/或提供至紡絲電極附近的空氣和/或氣體的離子之間交替形成用于靜電紡絲的電場，由此，根據(jù)紡絲電極上的交流電壓的相位，產(chǎn)生具有相反極性的電荷和/或具有帶有相反極性的電荷的片段的聚合物納米纖維，在聚合物納米纖維產(chǎn)生之后，由于靜電力的影響，它們聚集在一起，因此產(chǎn)生束(tow)狀或帶狀的線性形成物，其在遠(yuǎn)離紡絲電極的方向朝電場梯度方向在空間里自由移動。以這種方式由聚合物納米纖維制造的線性形成物具有不同的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，因此與借助直流電壓通過靜電紡絲制造的相似材料相比較，也具有不同的機(jī)械性能，且所述線性形成物可通過標(biāo)準(zhǔn)紡織技術(shù)程序加工。然后正在制造的線性形成物在紡絲電極上面的空間內(nèi)移動，由此，如果它是必要或滿足需要的，可以將它捕獲在靜止或移動的收集器(collector)上。如果將它捕獲在平面的靜止或移動的收集器上，其則形成納米纖維層，或者換句話說，其沉積成納米纖維層。
[0010]確保連續(xù)和長期紡絲的交流電壓的適當(dāng)?shù)膮?shù)是12_36kV的范圍內(nèi)的電壓和35-400HZ范圍內(nèi)的頻率。
[0011]通過來自本方法制造的聚合物納米纖維的線性形成物而進(jìn)一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其原理在于所述線性形成物是電中性的并且由以不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)排列的聚合物納米纖維形成，其中各納米纖維以微米級長度的片段改變它們的方向。由于這種結(jié)構(gòu)，該形成物相比于根據(jù)目前已知方法產(chǎn)生的線性形成物獲得了更好的機(jī)械性能，由此所述線性形成物可進(jìn)一步通過標(biāo)準(zhǔn)紡織技術(shù)程序加工(諸如扭曲)，并且線或紗可以通過其制造。
【附圖說明】
[0012]附圖中圖1示意性地顯示了用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的裝置的一個實施方案和所述方法的原理，所述方法用于通過在電場中聚合物的溶液或熔體紡絲而生產(chǎn)聚合物納米纖維，在圖2示出了聚合物溶液層上建立的泰勒錐(Taylor cones)的圖片，圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法制造的來自聚乙烯醇縮丁醛的納米纖維的線性形成物的圖片，圖4示出了所述形成物在24倍放大率的SEM圖像，圖5示出了所述形成物在100倍放大率的SEM圖像，圖6示出了所述形成物在500倍放大率的SEM圖像，圖7示出了所述形成物的不同部分在500倍放大率的SEM圖像，圖8示出了所述形成物在1010倍放大率的SEM圖像，以及圖9示出了所述形成物在7220倍放大率下、具有單根纖維的測量的直徑的SEM圖像。
【具體實施方式】
[0013]根據(jù)本發(fā)明，生產(chǎn)聚合物納米纖維的方法以聚合物的溶液或熔體紡絲為基礎(chǔ)，所述聚合物溶液或熔體位于紡絲電極的表面或者連續(xù)不斷或間歇性地被提供到紡絲電極上，同時由于將交流電壓提供至紡絲電極，紡絲過程運行。如圖1所示，在執(zhí)行所述方法的裝置的實施方案中，有紡絲電極1，其由與交流電壓源之相連接的靜態(tài)桿形成，然而在其它沒有示出的實施方案中，對于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法，可以使用紡絲電極I的任意其它已知類型或形狀(諸如由噴嘴、針、桿、薄板等，或是它們的陣列形成的靜態(tài)紡絲電極1，或通過移動由旋轉(zhuǎn)圓筒、旋轉(zhuǎn)線圈、轉(zhuǎn)盤或其它旋轉(zhuǎn)體、或在其長度方向移動的繩等組成的表面紡絲電極I形成的靜態(tài)紡絲電極I)。通常，至少在聚合物溶液或熔體的安置區(qū)域或供應(yīng)區(qū)域是局部凸的的任何靜態(tài)體或移動體，原則上可用作紡絲電極I。
[0014]在紡絲電極I上提供交流電壓之后，根據(jù)該電壓的當(dāng)前相位和極性，在所述紡絲電極I與環(huán)境空氣的或另一些氣體的離子M或叢之間建立用于紡絲的電場，所述氣體是已經(jīng)提供和/或正被連續(xù)不斷地提供至相反極性的電極附近的氣體。這些離子M或丑是在紡絲電極I附近產(chǎn)生的或者是受提供到紡絲電極I上的電壓的作用而被吸引至電極附近。在沒有示出的實施方案中，然后可以放置和/或引導(dǎo)正和/或負(fù)離子M或叢的合適來源至紡絲電極I附近，所述來源至少在紡絲開始之前和/或期間是起作用的。由于這些電場對位于紡絲電極表面的聚合物溶液或熔體的