专利名称：用于形成有序排列纤维的电纺丝工艺和设备的制作方法
用于形成有序排列纤维的电纺丝工艺和设备优先权本申请要求2009年7月22日提交的题为“ELECTROSPINNING PROCESS AND APPARATUS FOR ALIGNED FIBER PRODUCTION” 的美国专利申请第 12/507116 的优先权。
背景技术：
以及
发明内容
本发明涉及用于生产有序排列电纺丝纤维的工艺和设备，并且更确切地涉及用于形成具有纳米级或微米级尺寸的电纺丝纤维的工艺和相关设备。电纺丝是使用电荷从液体进料中抽吸出微米或纳米级纤维的纤维成形工艺，且电纺丝共享对纤维进行电喷雾以及传统方案的干式纺丝的特征。有利的是，此种成形工艺并非是入侵式的，并且无需使用凝结化学物或高温来产生固体丝状体。这些方面致使该成形工艺尤其适合于使用大且复杂的分子来生产纤维。也可从熔融前体实施无溶剂电纺丝，确保没有溶剂留在最终产物中。一种用于电纺丝的常规实验室装置包括喷丝头(通常是皮下注射器针)和接地集电板，该喷丝头连接于高压(5至50kV)的直流(DC)电源。液体进料(例如，溶液、悬浮液、 熔融物等等)例如使用注射泵或集液箱来穿过针梢端，且该注射泵或集液箱可提供恒定的进料速度、进料压力之类。与集液箱相关联的恒定压力进给对于较低粘度的进给料会是有利的。当充分的高压施加于液滴时，液滴本体带电，静电斥力反作用于表面张力，且液滴被拉伸。在临界点处，液流从液滴表面喷出，并形成所谓的泰勒锥体。如果液体的分子凝聚力充分小，则在液滴被电喷出时，液流会分解成多个液滴。另一方面，如果液体的分子凝聚力充分大，则液流分解不会发生，并且会形成带电的液体束。 液体束会以合适的电势吸引至其它带电物体。随着液体束在飞行中变干，由于电荷迁移至纤维表面，电流模式从欧姆变成对流。 液体束由在纤维中小弯曲部处启始的静电斥力所引起的振荡过程拉长，并最终沉积在接地集电极上。纤维由于此种弯曲不稳定性而产生的拉伸和变薄会致使形成具有均勻直径的纤维。电纺丝的应用包括催化、过滤介质、用于容纳纤维混合物的充填物以及用于组织工程学的台架。然而，一些纤维应用会受所产生的纤维层的沉积型式所限制。值得注意的是，如此纺成纤维的有序排列会增大适用这些纤维的应用场合的数量。例如，可使用有序排列纤维来制造光学偏振器。因此，有利的是，提供能够提供有序排列纤维收集并且对于纤维尺寸进行控制的高产量电纺丝工艺，同时保持与宽范围纤维成形材料的兼容性。本发明的这些和其它方面以及优点可经由纤维成形工艺来实现，该纤维成形工艺包括形成纤维流，该纤维流包括导电流体，且该纤维流由纤维成形模块形成，而该纤维成形模块以第一 DC电压偏压，将纤维流引导至收集器处，该收集器包括多个电极，且每个电极以第二 DC电压偏压，通过将时变电压施加于这些电极中的至少一个电极而将纤维流吸引至电极中的依次电极，以及将纤维流沉积在依次的成对电极之间，使得所沉积的纤维在相应的电极对之间有序排列。
一种用于形成有序排列电纺丝纤维的设备，该设备包括纤维成形模块，纤维收集模块，该纤维收集模块具有多个电极，以及时变电压电源，其中，时变电压电源构造成为电极中的一个或多个提供时变电压。在下面的详细描述中将阐述本发明的其它特征和优点，它们对本领域的技术人员来说部分地可从该说明书中变得显而易见，或可通过如本文(包括下面的详细描述、权利要求书以及附图)所述那样来实践本发明认识到。应予理解的是，上面的总体说明和下面的详细说明都提供了一些实施例，且这些实施例意在提供概况或框架以便理解如所要求保护的本发明的性质和特征。包括附图以提供进一步理解，附图包含在该说明书中并构成该说明书的一部分。附图示出各实施例并与说明书一起用于解释各种原理和操作。
图1是用于形成线性有序排列纤维的电纺丝试验装置的示意图；图2是结合图1所示设备而使用的变压器连接的示意图；图3是线性有序排列纤维的光学照片；图4是用于形成三角性构造的线性有序排列纤维的电纺丝试验装置的示意图；图5是结合图4所示设备而使用的变压器连接的示意图；图6是三角形构造的线性有序排列纤维的光学照片；图7是使用任意波形发生器的电纺丝试验装置的示意图；图8是结合图7所示设备而使用的变压器连接的示意图。
具体实施例方式本发明总地涉及一种电纺丝工艺以及用于形成有序排列电纺丝纤维的附带设备。 该工艺和设备通过将时变(例如，交流)电压施加于多电极(即，多触件)连接件而临时地控制纤维沉积的位置和定向。通过将不同的时变电压施加于一个或多个电极，最大程度地电吸引纤维的电极随时间而改变，当纤维被抽吸至电极时，这会诱使纤维有序排列。如本文所使用的那样，时变电压是随时间而改变的任何电压。时变电压的具体示例是AC电压，该AC电压通常包括以规律的间隔改变极性的电压。在本文所披露的各种实施例中，可参照AC电压或AC电源。应理解的是，虽然参照AC电压来描述各个实施例，但还可使用任何其它的时变电压。图1是根据一个实施例的用于形成线性有序排列纤维的电纺丝试验设备100的示意图。在纤维成形模块101中，液体进料110使用注射泵115泵送至分配针117，该分配针 117连接于多相DC电源120。所形成的纤维130行进至收集器140，在此，根据所施加AC电压的瞬时极性，该纤维由上电极142或下电极144所吸引。通过将上电极和下电极放置在诸如玻璃基片150之类的基片附近，纤维130可在玻璃基片150上在上电极和下电极之间线性有序排列。如图1的实施例所示，可基本上水平地朝向收集器140引导纤维130。在替代实施例中，纤维成形模块和收集器可设置成使得在非水平平面中朝向收集器引导该纤维。例如，能以倾斜角或基本上垂直地朝向收集器弓丨导纤维。
在图1中，多相DC电源120连接于下电极144。该多相DC电源还经由隔离变压器190而连接于上电极142。为了控制电极极性，单相120伏AC电源180经由可调变压器 181和隔离变压器190连接于上电极142。隔离变压器用于将AC中性信号、单相AC电源和 DC电源连接于上电极142。在图2中示出图1所示的隔离变压器连接的细节。隔离变压器190的输入包括来自于多相DC电源120的DC输入125、来自于单相AC电源180的AC输入185以及AC中性输入165。DC输入连接于隔离变压器的次级绕组，而AC输入连接于初级绕组。经组合的 DC+AC输出195连接于两个电极中的一个电极(例如，上电极142)。在所披露的每个实施例中，多相DC电源可包括负DC输出和正DC输出，该负DC输出连接于纤维成形模块的分配针，而正DC输出连接于电极。负DC输出可在从-2kV至-20kV 的范围内，而正DC输出可在从+2kV至+20kV的范围内。在一个实施例中，供给分配针的负 DC输出是约-10kV，而供给电极的正DC输出是约+5kV。单相AC电源可包括120V/60Hz的 AC电源。三相AC电源可包括208V三相电源。图3是在纤维收集15秒之后使用图1所示设备在载玻片350上所获得的线性有序排列纤维300的光学照片。图4是根据又一实施例的用于形成三角形构造的线性有序排列纤维的电纺丝试验设备400的示意图。如同先前的示例那样，液体进料410使用注射泵415泵送至分配针 417，该分配针117连接于多相DC电源420。所形成的纤维430朝向收集器440抽吸并且行进至该收集器440。然而，在该示例中，收集器包括三个电极左上方电极441、右上方电极 443以及下电极444。通过对3相AC电压信号向电极的应用进行控制，可在定位于电极附近的玻璃基片450上形成线性有序排列纤维的三角形构造。确切地说，当3相信号在电极中循环时，纤维430连续地吸引至相应电极441、443、444中的每个，使得以三角形型式沉积在玻璃基片450上的纤维在每个电极对之间线性有序排列。在图4中，多相DC电源420经由相应的隔离变压器492、494、496连接于左上方电极441、右上方电极443以及下电极444。三件一组的3相208伏AC电源482、484、486也经由相应的可调变压器483、485、487以及隔离变压器492、494、496连接于左上方电极441、 右上方电极443以及下电极444。图4所示的有序排列纤维生产装置包括与隔离变压器的连接，以实现较高的AC电压电平。与图1中所使用的AC电源和隔离变压器之间的单端AC连接相比，在图4所示的实施例中，这些连接包括不同的输入，其中两个热信号吸引至每个变压器。也就是说，对隔离变压器492、494、496的相应输入包括AC电源482、484、486的三个不同3相输出的成对排列。使用差别输入，208伏3相电源改变为120/208伏3相电源。此种差别输入方法产生与用在3相电源工业中所使用的“Y- Δ变换”类似的变换。在图5中示意地示出示例隔离变压器连接。参见图5，隔离变压器492的输入包括来自于多相DC电源420的DC输入425以及来自于3相AC电源482、484的一对异相AC输入461、463。隔离变压器494的输入包括来自于多相DC电源420的DC输入似6以及来自于3相AC电源484、486的一对异相AC输入 465、467。隔离变压器496的输入包括来自于多相DC电源420的DC输入427以及来自于 3相AC电源482、486的一对异相AC输入469、471。为了使DC信号通至电极，DC输入连接于每个相应隔离变压器的次级绕组，而AC输入连接于相应初级绕组。经组合的DC+AC输入 452、妨4、456连接于相应电极。在表1中概括根据本实施例的输入和输出的幅值和相位。表1隔离变压器的输入和输出
权利要求
1.一种用于形成有序排列电纺丝纤维的方法，所述方法包括形成纤维流，所述纤维流包括导电流体，且所述纤维流由纤维成形模块形成，而所述纤维成形模块以第一 DC电压偏压；将所述纤维流引导至收集器处，所述收集器包括多个电极，且每个电极以第二 DC电压偏压；通过将时变电压施加于所述电极中的至少一个电极而将所述纤维流吸引至所述电极中的依次电极；以及将所述纤维流沉积在依次的成对电极之间，使得所沉积的纤维在相应的电极对之间有序排列。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一DC电压和所述第二 DC电压的乘积是负的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收集器还包括基片，所述基片定位在所述电极附近，且所述沉积包括将所述纤维沉积在所述基片上。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维流基本上水平地引向所述收集器。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维流基本上垂直地引向所述收集器。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时变电压是AC电压。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收集器包括第一电极和第二电极，且所述第一电极经由可调变压器和隔离变压器连接于单相AC电源。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收集器包括第一电极、第二电极以及第三电极，且所述电极中的每个电极经由相应的可调变压器和相应的隔离变压器连接于DC 电源并且连接于三相AC电源。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述三相AC电源包括第一、第二以及第三相位信号，且所述第一隔离变压器连接于所述第一和第二相位信号，而所述第二隔离变压器连接于所述第二和第三相位信号，且所述第三隔离变压器连接于所述第一和第三相位信号。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，经有序排列的纤维具有在0.1和2微米之间的平均直径。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，经有序排列的纤维具有在0.4和1微米之间的平均直径。
12.一种用于形成有序排列电纺丝纤维的设备，所述设备包括纤维成形模块；纤维收集模块，所述纤维收集模块具有多个电极；以及时变电压电源，其中所述时变电压电源构造成为所述电极中的一个或多个提供时变电压。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述时变电压电源是AC电压电源，且所述时变电压是AC电压。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述收集器包括第一电极和第二电极，且所述第一电极经由可调变压器和隔离变压器连接于单相AC电源。
15.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述收集器包括第一电极、第二电极以及第三电极，且所述电极中的每个电极经由相应的可调变压器和相应的隔离变压器连接于DC 电源并且连接于三相AC电源。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述三相AC电源包括第一、第二以及第三相位信号，且所述第一隔离变压器连接于所述第一和第二相位信号，而所述第二隔离变压器连接于所述第二和第三相位信号，且所述第三隔离变压器连接于所述第一和第三相位信号。
17.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述时变电压电源是任意波形发生器，所述任意波形发生器适合于将时变电压供给至所述多个电极中的每个电极。
全文摘要
一种用于形成有序排列电纺丝纤维的工艺和设备。时变(AC)电压施加于多电极收集器，以瞬时地控制纤维沉积的位置和定向。
文档编号D01D13/00GK102575385SQ201080043014
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月22日 优先权日2009年7月22日
发明者A·S·巴卡, D·M·德林 申请人:康宁股份有限公司