专利名称：溶液纺丝纤维方法
技术领域：
本发明涉及形成纤维和纤维网的方法。特别是可制成或收集成纤维网的极 细纤维，该纤维网作为选择性屏障末端来4顿，如，过滤器，电池隔板和^ 的医疗用外衣。
背景技术：
旋转喷丝头(sprayer)连同成形流体和电场被用于雾化涂料以涂布目标装 置。由旋转喷丝头提供的离心力产生足够的切变使得涂料雾化，并且成形流体 和电场牵弓l雾化的涂料涂布到目标装置。这一方法己被优化以产生雾化小滴。 当太多的雾化小滴凝聚成较大的团块时就会出现不合格品。现有技术教导了关 于帝i腊没有较大团块的雾化小滴。对于极细纤维和用极细纤维制成的纤维网存在进一步的需要。这些类型的 网被作为选择性阻隔末端来使用。现有的极细纤维是由熔融纺制成盼'海岛"截 面纤维，裂膜， 一些熔喷方法以及静电纺制成。现在需要一种高产出(throughout) 方 珠制造极细纤维和均匀的纤维网。发明内容本发明提供了一种通过使用高速旋转喷丝头来制造极细纤维和均匀网的高 产出方法。在第一个实施方案中，本发明涉及一种纤维形成方法，包括将纺丝溶液供 应到具有圆锥形喷嘴的旋转喷丝头的步骤，该纺丝溶液具有溶解在至少一种溶 剂中的至少一种聚合物，所述喷嘴具有凹形内表面和前向表面出料边缘；从旋 转喷丝头沿该凹形内表面放出纺丝溶液以朝着喷嘴出料边缘的前向表面分送 (distribute)所述纺丝溶液；以及由纺丝溶液形成单独的纤维流的同时在不存在 电场的情况下溶剂蒸发以制成聚合纤维。成形流体可绕喷嘴流动来引导纺丝溶 液离开旋转喷丝头。所述纤维可被收^E收皿上来形成纤维网。在第二个实施方案中，本发明涉及一种纤维形成方法，包括将纺丝溶液供 应到具有旋转圆锥形喷嘴的旋转喷丝头的步骤，该纺丝溶液具有溶解在至少一种溶剂中的至少一种聚合物，所述喷嘴具有凹形内表面和前向表面出料边缘； 从旋转喷丝头沿该凹形内表面放出纺丝溶液以朝着喷嘴出料边缘的前向表面分送所述纺丝溶液；以及由纺丝溶液形成单独的纤维流的同时在存在电场的情况 下溶剂蒸发以制成聚合纤维。成形流体可绕喷嘴流动来引导纺丝溶液离开旋转 喷丝头。所述纤维可被收 收集器上以形成纤维网。
图1示出了适用于本发明使用的用来形成纤维的旋转喷丝头的喷嘴部分。 图2a是根据本发明的方法在没有电场情况下制成的聚乙烯纤维(环氧乙烷)的扫描电镜照片。图2b是被分配到集料稀布(scrim)上的图2a的纤维的扫描电镜照片。 图3a是根据本发明的方法在有电场情况下制成的聚乙烯纤维(环氧乙垸)的扫描电镜照片。图3b是被分配到集料稀布上的图3a的纤维的扫描电镜照片。图4是根据本发明的方法在有电场情况下制成的聚乙烯纤维(乙烯醇)的扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明涉及一种利用旋转喷丝头使纺丝溶液形成纤维的方法。 所述纺丝溶液含有至少一种溶解在至少一种溶剂中的聚合物。可以使用任 何纤维形成聚合物可溶解于可被雾化的溶剂中。适宜的聚合物包括聚烯化氧 (polyalkyleneoxide)，聚(甲基)丙烯酸酯，聚苯乙烯基聚合物和共聚物，乙烯 基聚合物和共聚物，含氟聚合物，聚酯和共聚酯，聚氨酯，聚烯类，聚翻安， 芳族聚鹏安，热塑性聚合物，液晶聚合物，工程聚合物，可生物降解聚合物， 生物基聚合物，天然聚合物以及蛋白质聚合物。所述纺丝溶液可具有聚合物在 纺丝溶液中为约1重量％至90重量％的聚合物浓度。而且，为有助于纺丝溶液 的纺丝，戶腿纺丝溶液可被加热或7賴卩。通常，具有约10cP至约100,000cP的 纺丝溶液是有效的。图1示出了用来将纺丝溶液形成纤维的旋转喷丝头10的喷嘴部分。纺丝溶 液通过将一种或多种聚合物溶解在一种或多种溶剂中来制备。所述纺丝溶液被 泵送，经由输送管20轴向穿过旋转喷丝头10。溶液的流动速率约lcc/min约至 500cc/min。当纺丝溶液离开输送管20后直接与旋转的圆锥形喷嘴30相接触并沿着该喷嘴的凹形内表面32行进直到其到达该喷嘴的前向表面出料i^！ 34。圆 锥形喷嘴30的旋,率在约10,000ipm至约100,000rpm之间。戶;M圆锥形喷嘴 30可以是任何类似圆锥形的形状，具有常规的凹形内表面，包含本文所例示的 喇叭型，杯型乃至截头锥型。喷嘴的凹形内表面32的形状會,影响到纤维的生 产。喷嘴的凹形内表面32的截面可MJ:线的或曲线的。喷嘴的前向表面出料边 缘34的形状也能够影响到纤维的生产。喷嘴的前向表面出料边缘34可呈尖状 或圆状，并且可包含锯齿或分7jC脊。可选择的，分布盘40可被用来帮助将纺丝 溶液从输送管20弓l导到喷嘴30的内侧凹形表面32。喷嘴的旋,度驱使纺丝 溶液沿着喷嘴的凹形内表面32并经过喷嘴的前向表面出料逝彖34以形成與虫 的纤维流，其通过离心力被甩离出料边缘。同时，溶剂蒸发直到形成本发明的 纤维。该纤维可被收^E收集器(未示)上以形成纤维网。可选的，图1所示的成形流体外壳50弓l导成形流体(箭头所示)绕喷嘴30 指引纺丝溶液离开旋转喷丝头10。所述成形流体可以是气体。不同气体在不同 温度可被用于降低或提高溶剂蒸发的速度，从而影响被产出的纤维的类型。因 此，戶腿成形气体可被加热或冷却以优化溶剂蒸发的速度。适用的气体是空气， 但任何其他的不会给纤维的形成带来不利影响的气体都可以被使用。可选地，电场可被加入到该方法中。在旋转喷丝头和收集器之间可施加电 压。旋转喷丝头或者收集器在其他元件基本上接地的情况下被充电，或者两者 均被充电，只要在两者之间存在电势差。另外，电极可被置于所述旋转喷丝头 和收集器之间，在此电极被充电，这样，在电极和旋转喷丝头和/或收集器之间 就会产生电势差。所述电场具有约lkV至约150kV的电压。令人惊奇的是，所 述电场看起来对于纤维的平均直径几乎没有影响，但却有助于纤维分开并朝向 收，m，以产出更均匀的纤维网。这种方法可制成极细纤维，优i^续纤维，其具有低于l,OOOnm的平均纤 维直径，更好的是约100nm至500nm。所述纤维可被收皿收，上形成纤维 网。所述收集器可以是导电的以在它和旋转喷丝头或电极之间产生电场。所述 收集器也可是多孔的以允许使用真空装置将蒸发的^诉呵选择的成形气体脱 出纤维，并帮助将纤维压到收，上制成纤维网。稀布材料可被放置在收， 上，以由此使得纤维直接收集在稀布上从而形成复合材料。例如，纺粘型无纺 布可被放置在收集器上并且纤维沉积在该纺粘型无纺布上。用这种方式可制成复合无纺材料。 测试方法在上述说明和接下来的非限制的实施例中，以下的测试方法被用于确定各 种报告的特性禾瞩性。粘度在配备有一个20mm平行板的Thermo RheoStress 600流变处进行测 量。在23。C下，剪切速率以4力H中的时间从0上升到1,000s"，将数据收集下来， 并以10s—'下的cP记录。纤维直径按如下方式确定。十个扫描电子显微镜(SEM)影像以5,000倍 放大率顾及到了每一个纳米纤维层样品。十一 (11)的放大倍数可从每张SEM 影像中清楚地辨别出被测量并记录的纳米纤维。瑕疵没有被包括进来(即，纳 米纤维块，聚合物球，纳米纤维交集)。^样品的平均纤维直径以纳米(nm) 来计 的己录。实施例在以下的实施例中本发明将被更详细地介绍。实施例1描述了在不使用电场情况下来制作聚(环氧乙垸)连续纤维。实 施例2描述了在使用电场情况下来制作聚(环氧乙垸)连续纤维。实施例3描 述了在4顿电场膚况下来制作聚(乙烯醇)连续纤维。实施例1连续纤维从ITW Automotive Finishing Group (自动精整机组)中制得，4OT 标准的Aerobell旋转喷雾器和适于高电压、涡轮速度和，空气控制的控制附 件。喇叭形喷嘴采用ITWRansbuiB型号为LRPM4001-02。粘均分子量(Mv) 为约300,000的10.0重量％聚(环氧乙烷)、0.1重量％氯化钠、以及89.9重量 %水的纺丝溶液被混合直到均匀，并注入到Binks 83C-220压力罐中以舰输送 管来配送给旋转喷丝头。压力罐上的压力被设定为恒量15psi。这样产生了约 2cc/min的涼遞。成形空气被设定为恒量30psi。承载空气(bearing air)被设定 成直量95psi。涡轮鹏被设定成恒量40,000rpm。在这^H微中没有〗柳电场。 纤维被收集到Reemay无纺布收集筛网上，借助不f辩H金属片被保持在距离喇叭 形喷嘴10英寸的适当位置上。利用扫描电子显微镜(SEM)影像测量纤维尺寸 并被确定为在100nm到500nm之间，平均纤维直径约为约415nm。该纤维的一 幅SEM影像如图2a所示。图2b是一幅显示了根据本实施例在Reemay稀布上纺出的纤维分布的SEM影像。实施例2实施例2除了应用了电场外，与实施例1的制备方法相同。fflil将高电压 电缆附着到旋转喷丝头背部的高压接线片上使得电场被直接应用于旋转喷丝 头。用大的特氟隆(Teflon)台(stand)将戶/M旋转喷丝头与地面完全隔离，这 样，离喇叭形喷嘴最近的接地是支撑Reemay收集带的不IMI金属片。将+50kV 电源以电流控制模式使用，电流被设定在0.02mA。最高电压约35kV。由于收 集区的覆盖非常均匀，所以纤维的铺展比实施例1要好得多。利用SEM影像测 量纤维尺寸并被确定为在100nm到500nm之间，平均纤维直径约为350nm。该 纤维的一幅SEM影像如图3a所示。图3b是根据本实施例在Reemay稀布上纺 出的纤维分布的SEM影像。实施例3在Behr旋转喷丝头上用65匪"生态钟(ecobdl)"锯齿状喇叭形喷嘴制得 连续纤维。纺丝溶液由15重量X的Evano180-18聚(乙烯醇)和水混合直到均 匀，并注入到压力罐中舰输送管来酉d^合旋转喷丝头。在23。C时纺丝溶液的 粘度为2,000cP。压力罐上的压力被设定为恒定压力以使测量到的流速为 17cc/min。成形空气被设定在100SL/min。涡轮速度被设定为恒定的50,000rpm。 将电场直接应用到旋转喷丝头上并将高压设定为50kV。纤维被收集到一个粘型 织物/熔喷织物/粘型织物(SMS)的复就纺布收集筛网上，借助接地的不f辩冈 金属片被保持被巨离喇叭形喷嘴21英寸的适当位置上。禾佣SEM影像测量纤 维尺寸并被确定为在100nm到600nm之间，平均纤维直径415nm。该纤维的 SEM影像如图4所示。
权利要求
1.一种纤维形成方法，包括以下步骤将纺丝溶液供应到具有旋转的锥形喷嘴的旋转喷丝头，该纺丝溶液具有溶解在至少一种溶剂中的至少一种聚合物，所述喷嘴具有凹形内表面和前向表面出料边缘；从旋转喷丝头沿该凹形内表面放出纺丝溶液以朝着喷嘴出料边缘的前向表面分送所述纺丝溶液；以及，由纺丝溶液形成单独的纤维流，同时在不存在电场的情况下溶剂蒸发以产生聚合纤维。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物从下组中选取，该组包括 聚烯化氧，聚(甲基)丙烯酸酯，聚苯乙烯基聚合物和共聚物，乙烯基聚合物 和共聚物，含氟聚合物，聚酯和共聚酯，聚氨酯，聚烯烃，聚MS安，芳族聚酰 胺，热塑性聚合物，液晶聚合物，工程聚合物，可生物降解聚合物，生物基聚 合物，天然聚合物以及蛋白质聚合物。
3. 如权利要求l戶诚的方法，其中戶腿纺丝溶液具有的聚合物浓度为约 1重量％—约90重量％的聚合物溶,、凝1」中。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述纺丝溶液可被加热或冷却。
5. 如权利要求1所述的方法，其中所述纺丝溶液具有约10cP至约100,000cP 的粘度。
6. 如权利要求1所述的方法，其中所述纺丝溶液以约lcc/min至约500cc/min 的流动鹏被供给。
7. 如权利要求1所述的方法，其中所述喷嘴的旋,度在约10,000ipm至 约100，000rpm之间。
8. 如权利要求1所述的方法，其中所述纤维具有低于约l,OOOnm的平均纤 维直径。
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述平均纤维直径为约100nm至约 500nm。
10. 如权利要求1戶腿的方法，进一步包掛械形流体绕喷嘴流动来引导纺 丝溶液离开旋转喷丝头。
11.如权利要求10戶腿的方法，其中戶腿成形流体包括气体。
12. 如权利要求11戶腿的方法，其中戶诚气体是空气。
13. 如权禾腰求1所述的方法，进一步包括将纤维收集到收集器上来形成纤维网。
14. 如权利要求13所述的方法，进一步包Sffl过收，施加真空来将纤维牵 引到收 上形成纤维网。
15. —种纤维形成方法，包括以下步骤将纺丝溶液供应到具有旋转的锥形喷嘴的旋转喷丝头，该纺丝溶液具有溶 解在至少一种溶剂中的至少一种聚合物，所述喷嘴具有凹形内表面和前向表面 出料職从旋转喷丝头沿该凹形内表面放出纺丝溶液以朝着喷嘴出料边缘的前向表面分送戶，纺丝溶液；以及，由纺丝溶液形成单独的纤维流，同时在存在电场的情况下溶剂蒸发制成聚 合纤维。
16. 如权禾腰求15戶诚的方法，其中戶腿聚合物从下组中选取，该组包括 聚烯化氧，聚(甲基)丙烯酸酯，聚苯乙烯基聚合物和共聚物，乙烯基聚合物 和共聚物，含氟聚合物，聚酯和共聚酯，聚氨酯，聚烯烃，聚itl安，芳族聚酰 胺，热塑性聚合物，液晶聚合物，工程聚合物，可生物降解聚合物，生物基聚 合物，天然聚合物以及蛋白质聚合物。
17. 如权利要求15戶服的方法，其中戶服纺丝溶液具有的聚，浓度为约1重量％—约90重量％的聚合物溶角裕、歸忡。
18. 如权利要求15所述的方法，其中所述纺丝溶液可被加热或冷却。
19. 如权利要求15所述的方法，其中所述纺丝溶液具有约10cP至约 100,000cP的粘度。
20. 如权利要求15所述的方法，其中所述纺丝溶液以约lcc/min至约 500cc/min的流动速度被供给。
21. 如权利要求15所述的方法，其中所述喷嘴的旋转速度在约10,000ipm至 约100,000rpm之间。
22. 如权禾腰求15戶腿的方法，其中戶脱纤维具剤氐于约l，OOOnm的平均纤 维直径。
23. 如权利要22所述的方法，其中所述平均纤维直径为约100nm至约 500nm。
24. 如权利要求15所述的方法，其中所述电场具有约lkV至约150kV的电压。
25. 如权禾腰求15戶腿的方法，进一步包括使成形流体绕喷嘴流动来弓(导纺 丝溶液离开旋转喷丝头。
26. 如权利要求25所述的方法，其中所述成形流体包括气体。
27. 如权利要求26戶脱的方法，其中戶脱气体是空气。
28. 如权利要求15所述的方法，进一步包括将纤维收集到收，上来形成纤 维网。
29. 如权利要求28戶腿的方法，进一步包 Mil收麟施加真空来将纤维牵 引到收 上以形成纤维网。
30. 如权利要求28所述的方法，其中将所述电压保持在旋转喷丝头和收， 之间。
31. 如权利要求28所述的方法，其中将所述电压保持在旋转喷丝头电极之 间，且戶腿电极位于旋转喷丝头和收集器之间。
32. 如权利要求28所述的方法，其中将所述电压保持在收集器和电极之间， 且所述电极位于旋转喷丝头和收，之间。
全文摘要
本发明涉及一种利用高速旋转喷丝头(10)使纺丝溶液形成纤维的方法。所述纤维可被收集成一个均匀的网以作为选择性屏障末端使用。纤维可被生产成具有低于1000nm的平均纤维直径。
文档编号D01D5/00GK101405441SQ200780009712
公开日2009年4月8日 申请日期2007年3月22日 优先权日2006年3月28日
发明者J·E·阿曼特罗特, J·R·穆尔, L·R·马沙尔, N·普菲芬伯格, T·黄 申请人:纳幕尔杜邦公司