纳米纤维网结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有独特一致结构的纳米纤维网产品。具体地，纳米纤维网可用于选 择性阻隔最终用途，诸如气体和液体过滤以及电池和电容器分隔体领域。
【背景技术】
[0002] 可由溶液方法诸如静电纺丝或电吹法生产聚合物纳米纤维。然而，为了由纳米纤 维制造工艺获得商业上可行的生产量，需要熔体纺丝法。无规沉积纤维的常规熔喷工艺在 对于大多数最终用途应用充分高的生产量下不提供充分的均匀度。无规的、不受控的沉积 另外在实施过程中不像可能期望的那样提供各向同性纤维网。需要具有高均匀度的纳米纤 维的各向同性纤维网。
【发明内容】
[0003] 本发明涉及一种包括纳米纤维的纳米纤维网。在一个实施例中，通过熔体纺丝法 生产纤维。在另一个实施例中，纤维包含聚烯烃。在另一个实施例中，纳米纤维网包括纤维， 其中所有纤维包含聚烯烃。纤维中的至少一些基本上由聚烯烃组成或所有纤维基本上由聚 烯烃组成。纤维中的至少一些可由聚烯烃组成或所有纤维可由聚烯烃组成。
[0004] 聚烯烃可不受限制地选自聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、以及它们的共聚 物。聚烯烃还可为乙烯与一种或多种烯烃单体的共聚物，烯烃单体包括丙烯、丁烷、己烷或 辛烷。
[0005] 在另一个实施例中，纳米纤维网包括聚合物纳米纤维，其中聚合物纤维具有小于 〇. 10的平均卷曲指数并且纳米纤维网具有小于5. 0的均匀度指数。在另一个实施例中，纳 米纤维网具有介于〇. 8和1. 2之间的纤维取向指数。
[0006] 本发明的纳米纤维网的中流量孔尺寸减去孔尺寸的众数还可小于1. 0。在另一个 实施例中，孔尺寸分布的99%宽度（W)与在众数MO处孔尺寸的峰值高度的比率小于0. 1。
[0007] 在另一个实施例中，本发明的纳米纤维网可包括布置成簇的多个连续聚合物纤 维，其中纤维具有小于1，OOOnm的平均直径并且其中纤维网具有对应于以下结构的大体形 态；
[0008] (i)每个纤维被置于沿其长度具有基本上恒定曲率的弧中；
[0009] (ii)指定族中的所有纤维弧具有基本上相同的曲率；
[0010] (iii)指定簇中的纤维弧是共面的并且指定簇中的任何指定纤维弧在该簇的平面 中与所述簇中的其它弧彼此间隔开且基本上平行地放置；并且
[0011] (iv)指定簇中纤维弧的曲率的中心是共线的。
【附图说明】
[0012] 图1为示出由来自本发明的多个离心式纺丝头的纤维的叠置形成的初生纳米纤 维网图案的实施例的示意图。
[0013] 图2为来自5个离心式纺丝头的纤维沉积图案的示意图。
[0014] 图3为来自10个离心式纺丝头的纤维沉积图案的示意图。
[0015] 图4为来自3个离心式纺丝头的纤维沉积图案和纤维网形成的图示。
[0016] 图5为在本发明中用于纤维网均匀度计算的图示。
[0017] 图6A-D为在本发明中使用的纤维取向的表征和测量方法的图示。
[0018] 图7为在本发明中使用的纤维卷曲指数（纤维直线度）的表征和测量方法的图 不。
[0019] 图8为在本发明中使用的纤维网孔尺寸的表征和测量方法的图示。
[0020] 图9A-C示出实例1的离心式熔纺聚丙烯纳米纤维网的纤维网和扫描电子显微镜 (SEM)图像。
[0021] 图10A-C示出实例2的离心式熔纺聚丙烯纳米纤维网的纤维网和SEM图像。
[0022] 图IlA-C示出实例3的离心式熔纺聚丙烯纳米纤维网的纤维网和SEM图像。
[0023] 图12A-C示出实例4的离心式熔纺聚对苯二甲酸乙二醇酯纳米纤维网的纤维网和 SEM图像。
[0024] 图13A-C示出比较例1的离心式熔纺聚丙烯纳米纤维网的纤维网和SEM图像。
[0025] 图14A-C示出比较例3的熔喷聚丙烯纤维网的纤维网和SEM图像。
[0026] 图15A-C示出比较例4的熔喷聚丙烯纤维网的纤维网和SEM图像。
[0027] 图16A-C示出比较例5的熔喷聚丙烯纤维网的纤维网和SEM图像。
[0028] 图17A-C示出比较例6的熔喷聚丙烯纤维网的纤维网和SEM图像。
[0029] 图18A-H示出用于制备取向曲线图的SEM图像。图18A-B为实例1的离心式熔纺 聚丙烯纳米纤维网的SEM图像和取向曲线图。图18C-D为比较例3的熔喷聚丙烯纤维网的 SEM图像和取向曲线图。图18E-F为比较例4的熔喷聚丙烯纤维网的SEM图像和取向曲线 图。图18G-H为比较例5的熔喷聚丙烯纤维网的SEM图像和取向曲线图。
[0030] 图19示出与熔喷聚丙烯纤维网相比离心式纺丝聚丙烯纤维网的应力-应变曲线 (通过基重归一化）。
[0031] 图20示出离心式纺丝聚丙烯纤维网在纵向（MD)和横向（TD)上的应力-应变曲 线（通过基重归一化）。
[0032] 图2IA-B示出实例1和2的离心式纺丝聚丙烯纳米纤维网的孔尺寸分布。
[0033] 图22A-B示出比较例3和4的熔喷纤维网的孔尺寸分布。
[0034] 图23A-B示出比较例5和6的熔喷纤维网的孔尺寸分布。
【具体实施方式】
[0035] 本发明申请人特别地将所有引用的参考文献的完整内容引入本公开内容中。此 外，当数量、浓度或其它数值或参数以范围、优选范围或优选上限数值和优选下限数值的列 表形式给出时，其应被理解为具体地公开由任何范围上限或优选数值和任何范围下限或优 选数值的任何一对所构成的所有范围，而不管所述范围是否被单独地公开。凡在本文中给 出某一数值范围之处，该范围均旨在包含其端点以及位于该范围内的所有整数和分数，除 非另行指出。不旨在将本发明的范围限制为限定范围时所列举的具体值。
[0036] 如本文所用的词语"包括"用于将术语"由...组成"和"基本上由...组成"的含 义包括在其范围之中。
[0037] 定义
[0038] 在此，术语"非织造物"是指包括多个基本上无规取向的纤维的纤维网，其中可通 过肉眼分辨出在纤维的布置中没有整体的重复结构。所述纤维可以彼此键合，或者可以是 非键合的，并且缠结以向所述纤维网赋予强度和完整性。纤维可以是短纤维或连续纤维，并 且可包含单一材料或多种材料，也可以是不同纤维的组合或者是各自由不同材料构成的类 似纤维的组合。
[0039] 适用于本发明的术语"纳米纤维网（nanoweb) "与"纳米-纤维网"或"纳米纤维的 网（nanofiberweb)"同义，并且是指主要由纳米纤维构造的纤维网。纳米纤维网可为非织 造物，或可为更有序的结构。"主要"是指纤维网中大于50%的纤维为纳米纤维，其中如本 文所用的术语"纳米纤维"是指数均直径小于lOOOnm，甚至小于800nm，甚至介于约50nm和 500nm之间，并且甚至介于约100和400nm之间的纤维。就非圆形横截面的纳米纤维而言， 如本文所用的术语"直径"是指最大的横截面尺寸。本发明的纳米网还可具有大于70%，或 90%，或甚至可包含100 %的纳米纤维。
[0040] "熔体纺丝法"意指由已通过加热流化的材料生产纤维的纤维形成工艺。使用增塑 剂来降低流化发生时的温度在熔体纺丝法中是可能的。熔纺有待与溶液纺丝区分开来，在 溶液纺丝中，在纺丝之前将材料溶解于溶剂中，通常至按溶液中材料的重量计50%或更少 材料的水平。
[0041] "离心式纺丝工艺"是指其中纤维通过从旋转构件中喷射可纤维化材料诸如聚合 物熔体或溶液而形成的任何工艺。如本文所用，该术语还可包括常规的纺丝工艺，其中纤维 流从模具中喷射并且被导致以圆形或螺旋图案朝向接收器行进。
[0042] "熔喷工艺"是指通过将聚合物熔体推动穿过孔且接着使用大体在纤维的方向上 引导的空气流将纤维变细来生产纤维的工艺。熔喷工艺在美国专利3, 849, 241或美国专利 4, 380, 570中举例说明。
[0043] "旋转构件"是指喷射或分配材料的纺丝装置，由此通过离心力形成纤丝或纤维， 无论是否使用另一种装置诸如气体或静电力辅助此类喷射。
[0044] "纤丝"是指当纤丝变细时，可以细的纤维前体形式形成的细长结构。在旋转构件 的排放点处形成纤丝。排放点可为如例如美国专利8, 277, 711所述的边缘，或者可为孔，通 过其流体被挤出以形成纤维。
[0045] "基本上"是指如果一个参数保持"基本上"处于某个值，那么描述该参数的数值从 该值进行的不影响本发明的功能的改变被认为在该参数的描述的范围内。"基本上由...组 成"是指在不改变本发明所要求保护的结构的情况下，除了所列出的之外的成分可出现在 本发明中。
[0046] 纤维的"曲率"是指纤维区段的曲率半径的倒数。
【具体实施方式】
[0047]
[0048] 本发明涉及一种作为初生纤维的产品，该产品生产为纳米纤维的均匀纤维网，用 于选择性阻隔最终用途，诸如气体和液体过滤以及电池和电容器分隔体领域。在一个实施 例中，通过熔体纺丝法生产纤维。在另一个实施例中，纤维包含聚烯烃。在另一个实施例中， 纳米纤维网包括纤维，其中所有纤维包含聚烯烃。纤维中的至少一些基本上由聚烯烃组成 或所有纤维基本上由聚烯烃组成。纤维中的至少一些可由聚烯烃组成或所有纤维可由聚烯 烃组成。
[0049] 聚烯烃可不受限制地选自聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、以及它们的共聚 物。聚烯烃还可为乙烯与一种或多种烯烃单体的共聚物，烯烃单体包括丙烯、丁烷、己烷或 辛烷。
[0050] 在另一个实施例中，纳米纤维网包括聚合物纳米纤维，其中聚合物纤维具有小于 〇. 10的平均卷曲指数并且纳米纤维网具有小于5. 0的均匀度指数。在另一个实施例中，纳 米纤维网具有介于〇. 8和1. 2之间的纤维取向指数。
[0051] 本发明的纳米纤维网中流量孔尺寸减去孔尺寸的众数还可小于1. 0。在另一个实 施例中，孔尺寸分布的99%宽度（W)与在众数MO处孔尺寸的峰值高度的比率小于0. 1。
[0052] 现在转至附图，图1为示出由来自多个离心式纺丝头的纤维的叠置形成的本发明 的初生纳米纤维网图案的实施例的示意图。
[0053] 图2为用于示出本发明的结构的本发明的离心式纺丝纳米纤维网的示意图。