改进的电吹纤维网形成工艺的制作方法

专利名称：改进的电吹纤维网形成工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于形成纤维网(fibrous web)的工艺，其中聚合物流通过纺丝喷嘴被喷到电场中，电场具有足够的强度以施加电荷在聚合物上，而推进的气流有助于聚合物离开纺丝喷嘴。
背景技术：
PCT专利公报编号WO 03/080905A公开了一种用来生产纳米纤维网的设备和方法。这种方法包括将聚合物溶液输送至加有高电压的纺丝喷嘴，同时压缩气体被用来将离开喷嘴的聚合物溶液包围在推进的气流中，然后将所得到的纳米纤维网收集在接地的抽吸式收集器上。
PCT专利公报编号WO 03/080905A中所公开的这种工艺有若干缺点，尤其是当这种工艺以商业规模实施时。其中一个缺点是，纺丝喷嘴、喷丝板以及包含喷嘴的喷丝组合件和所有相连的上游溶液装置在纺丝过程中都保持在高电压下。由于聚合物溶液是导电的，因此，与之接触的所有装置都处于高电压下，如果用来驱动聚合物溶液泵的马达及齿轮箱不与泵电绝缘，那么将形成短路，而使纺丝头组合件的电位降低至较低的水平，而不足以形成把电荷施加在聚合物溶液上所需的电场。
PCT专利公报编号WO 03/080905A中所公开工艺的另一个缺点是，溶液和/或溶剂供给源必须从物理上断开，以便与高电压绝缘。否则，溶液和/或溶剂供应系统将使纺丝头组合件接地，从而消除把电荷施加在聚合物溶液上所需的强电场。
而且，为了工作正常和安全起见，所有与带电聚合物溶液接触的装置必须是电绝缘的。这种绝缘要求很难达到，因为它包含很多装置，比如喷丝组合件、输送管线、计量泵、溶液贮槽、泵、以及控制装置和仪器如压强计和温度表。由此产生的还有一个问题是，很难设计出能够相对于接地工作在高电压下的仪器和工艺参数通信系统。此外，所有外露的保持在高电压下的尖角或拐角必须是圆形的，否则它们将在这些点形成强电场而可能放电。潜在的尖角/拐角源包括螺栓、角铁等。而且，在生产过程中高电压将对日常维护带电装置的那些人员会造成危害。所处理的聚合物溶液和溶剂通常是可燃的，这使高电压的存在将会产生另一种更加严重的潜在危险。
发明概要本发明涉及一种用于形成纤维网的电吹(electroblowing)工艺，包括以下步骤(a)从喷丝板中的纺丝喷嘴中排出聚合物流，以形成纤维网，纤维网具有正极性或负极性的电荷，和(b)将纤维网收集到收集装置上，其中，将电压施加在收集装置上，该电压的极性与纤维网的极性相反，而喷丝板基本上是接地的，因此在喷丝板与收集装置之间就产生了足够强度的电场，当聚合物流从纺丝喷嘴排出时可施加电荷到聚合物流上。
定义术语“电吹”和“电吹纺丝”在这里可互换地用来表示一种通过将推进气流大致朝着收集装置引导以形成纤维网的工艺，聚合物流从纺丝喷嘴被喷射到该气流中，从而形成被收集在收集装置上的纤维网，其中，纺丝喷嘴和收集装置之间保持一定的电位差，该电位差具有足够的强度，用以将电荷施加在从纺丝喷嘴排出的聚合物上。
术语“纳米纤维”指的是直径小于1,000纳米的纤维。
附图简介在构成本说明书一部分的附图中，显示了本发明的优选实施例，它们与说明书的描述一起用来解释本发明的原理。


图1是现有技术的图示；图2是根据本发明的工艺的示意图；图3A是根据本发明的另一种可选工艺的示意图；图3B是图3A所示收集装置的细部图。
本发明的详细描述现在将参考附图所示的实例来详细介绍本发明的优选实施例。在所有附图中，类似的标号用来表示类似的部件。
PCT专利公报编号WO 03/080905A(图1)中公开了一种用来形成纤维网的电吹工艺，在此引用参考其内容。这种工艺具有在“发明背景”中已经介绍过的若干缺点。
因此希望有一种能够避免这些缺点的改进了的电吹工艺。
在本发明的工艺中，参考图2所示的本发明的一实施例，包含聚合物和溶剂的聚合物流从储存罐中，或者聚合物熔体从挤出机100中，被输送至位于喷丝板102中的纺丝喷嘴104(也被称作“模具”)，聚合物流通过纺丝喷嘴排出。可在气体温度控制器108中被选择性地加热或冷却的压缩气体从布置在纺丝喷嘴104附近或周围的气体喷嘴106流出。气体被大致向下引导成为推进气流，它可向前推进新排出的聚合物流，从而有助于形成纤维网。
可以认为，在从排出的聚合物流拉拔纤维的最初阶段，推进气流提供主要的推进力，而且在使用聚合物溶液的情况下，推进气流可同时剥掉沿单根纤维表面的质量边界层，从而大大提高在形成纤维网的过程中溶剂以气体形式从聚合物溶液中扩散出的速率。
在某一时刻，单根纤维周围的局部电场具有足够的强度，使得电场力成为主要的拉拔力，并最终将单根纤维的直径拉拔至几百纳米或更小。
可以认为，纺丝喷嘴尖端、即也被称作“模具尖端”的几何形状可在尖端周围的三维空间中产生强电场，从而使电荷被施加到网上。模具尖端可以为圆筒形毛细管的形式，或者可以具有圆筒形毛细管线性阵列的形式。在模具尖端是线性阵列的实施例中，推进的气流从位于喷丝板102每一侧的气体喷嘴106中流出。气体喷嘴具有在细长锐缘之间形成的缝隙形式，每条锐缘分别在喷丝板的每一侧沿线性阵列及喷丝板的长度方向而延伸。或者，在模具尖端为圆筒形毛细管形式的实施例中，气体喷嘴106可以具有围绕喷丝板102的环形缝隙的形式。可以认为，电场与纤维网上的电荷结合可形成作用在纤维网纤维和纤丝上的扩张力，从而导致网能够更好地散布，而在收集装置的收集面上形成十分均匀的网铺设。
从气体喷嘴106流出的压缩气体的速度优选是在大约10米/分钟与大约20,000米/分钟之间，更为优选的是在大约100与大约3,000米/分钟之间。
优选的是，聚合物溶液是导电的。用于本发明的聚合物的实例可以包括聚酰亚胺、尼龙、聚芳酰胺、聚苯并咪唑、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚丙烯、聚苯胺、聚环氧乙烷、PEN(聚萘二甲酸乙二酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、SBR(丁苯橡胶)、聚苯乙烯、PVC(聚氯乙烯)、聚乙烯醇、PVDF(聚偏二氟乙烯)、聚丁乙烯，以及它们的共聚物或衍生化合物。通过选择适合于溶解聚合物的溶剂，可以制备聚合物溶液。聚合物溶液可以与添加剂混合，添加剂包括任何一种与相关聚合物相容的树脂、增塑剂、紫外线稳定剂、交联剂、固化剂、反应引发剂等。任何一种已知的适用于传统电纺工艺中的聚合物溶液都可以用于本发明的工艺中。
在本发明的另一个实施例中，被输送至喷丝组合件并通过喷丝板中喷嘴排出的聚合物流是聚合物熔体。任何已知的适用于熔体纺丝工艺中的聚合物都可以聚合物熔体的形式被用于本发明工艺中。
Z.M.Huang等人在《复合材料科学与技术》63卷(2003)、第2226-2230页中公开了适于在这种工艺中使用的聚合物熔体和聚合物-溶剂的组合，其通过引用而结合于本文中。
用来收集所生产的纤维网的收集装置位于喷丝板102下面的某一距离处。在本发明的一个实施例中，如图2所示，收集装置包含与高电压相连的活动的导电带110，纤维网被收集在它上面。带110优选是用多孔导电材料如金属网屏制成的，使得能够用鼓风机112通过气体收集管114从该收集带的下面抽真空。在本发明的这一实施例中，必须用任何一种已知的方法使收集带与地面隔开绝缘。所收集的纳米纤维网被送至卷起辊(未示出)。
在本发明的另一个实施例中，如图3A和3B所示，活动的收集基底118(图3B)是叠置在与高电压相连的导电元件120上的一种不导电基底，导电元件120本身叠置在不导电的支承材料122上。导电元件120和/或不导电的支承材料122可以是静止不动的。活动的收集基底118由供给辊124供应，而所收集的纳米纤维网与收集基底118一起被送至卷起辊126。在本发明的一个实施例中，纳米纤维和推进气流被引向收集基底118，纳米纤维在那里沉积，并被收集起来而成为叠在不导电收集基底118上的纳米纤维网。收集基底118、导电元件120以及支承材料122都是非常透气的，使得能够利用真空使吹到收集基底上的推进气流透过收集基底118、导电元件120和支承材料122排出。可以用鼓风机112通过气体收集管114从支承材料122的下面抽吸，而形成真空。收集基底118可以是任何一种基本上不导电的透气材料如纺织物、无纺布、纱布等。当推进气流中的气体通过真空排出时，导电元件120是一种多孔材料，而且最好是一种金属网屏，比如可以是筛目超过大约50的高筛目筛网。在此实施例中，必须用任何已知的方法使高电压的导电网屏120与地面绝缘隔离。
在另一个实施例中，依照图3B的活动的不导电收集基底118可以由供给辊供应，并在图2所示的活动的导电带110之上输送。在这种方法中，包含纳米纤维的纤维网沉积在收集基底上，而纳米纤维网和活动的不导电收集基底的组合通过传统的方法与活动的导电带分离，并被转送至卷起辊。
已经发现，喷丝板与收集面之间的距离(也被称作“模具至收集器的距离”或“DCD”；在图2和3A中示出)在大约1厘米至大约200厘米的范围之内，而且优选在大约10厘米至大约50厘米的范围之内。
还发现，当喷丝头的尖端或模具尖端从喷丝板突出一段距离e时(图2和3A)，喷嘴与收集面之间的距离小于喷丝板与收集面之间的距离，结果可形成更加均匀的电场。可以认为，这是因为突出的喷嘴建立了使电场线集中在周围的锐边或空间点。
施加在收集装置、即如图2中所示的活动的导电带110或如图3中所示的静止导电网屏120上的电压在大约1千伏至大约500千伏的范围之内，而且最好是在大约10千伏至大约100千伏的范围内。
本发明的工艺可避免象“发明背景”中所描述的那样，需要在高电压下维护包含喷丝板的喷丝组合件以及所有其它的上游设备。通过将电压施加在收集装置上，喷丝组合件、喷丝板以及所有的上游设备可以接地或基本上是接地的。“基本上接地”指的是，喷丝板可以保持在低电压水平，也就是说，在-100伏与+100伏之间。
优选的是，聚合物排出压力在大约0.01公斤/平方厘米至大约200公斤/平方厘米的范围之内，更优选的是在大约0.1公斤/平方厘米至大约20公斤/平方厘米的范围之内，而通过每个孔的聚合物溶液的流量在大约0.1立方厘米/分钟至大约15立方厘米/分钟的范围之内。
实例1
用0.1米宽的喷丝组合件进行试验，以演示将高电压施加在收集器上的这种工艺。在这个试验中，收集器包含用框架支承的矩形金属网屏。收集器是静止的，并通过使用特氟隆(Teflon)支承件与地面电绝缘。-60千伏的电压施加在收集器上，并且喷丝组合件接地连接。
尼龙6(型号BS400N，可从新泽西州Mount Olive的BASF公司得到)在蚁酸(可从芬兰的Helsinki的Kemira Industrial Chemicals公司得到)中的22wt％(重量百分数)含量的溶液通过100毫米宽的具有11个喷嘴的喷丝板进行电吹，所述喷嘴的流量为1.5立方厘米/孔。推进的气流以4标准立方英尺每分(2升每秒)的流率通过空气喷嘴而引入。空气被加热到大约70℃。从喷丝板到收集器顶面的距离为大约300毫米。该工艺进行了大约1分钟。
对来自于所收集产品的十九根纤维的直径进行了测量。纤维的平均尺寸为390纳米，其标准偏差为85。
对比实例象上面所介绍的那样重复进行试验，这次负电压供应源连接在喷丝组合件上。所有其它的工艺参数设置是相同的。
这种工艺试验的结果与高电压施加在喷丝组合件上并且收集面进行接地的工艺试验同样好。由此而产生了能够很好地纺丝到收集器上的细纤维。
对所收集产品中的十九根纤维的直径进行测量。该“对比实例”中的平均纤维尺寸为511纳米，其标准偏差为115。
权利要求
1.一种用于形成纤维网的电吹工艺，包括以下步骤(a)从喷丝板中的纺丝喷嘴中排出聚合物流以形成纤维网，所述纤维网具有正极性或负极性的电荷，和(b)将所述纤维网收集在收集装置上，其中，电压被施加在所述收集装置上，所述电压的极性与所述纤维网的极性相反，并且所述喷丝板基本上是接地的，使得在所述喷丝板与所述收集装置之间产生足够强度的电场，以便当所述聚合物流从所述纺丝喷嘴排出时，可施加电荷到所述聚合物流上。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述聚合物流是聚合物溶液流。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述聚合物流是熔融聚合物流。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述聚合物流是导电的。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述收集装置是具有收集面的导电的活动收集带。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述导电的活动收集带是多孔的，并且所述工艺还包括，在与所述收集面相对的一侧施加抽吸力到所述收集带上。
7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述收集装置是叠置在导电元件上的不导电的活动收集基底，所述导电元件由不导电的支承结构来支承，并且所述电压施加在所述导电元件上。
8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述不导电的活动收集基底是透气的且所述导电元件是多孔的，并且所述工艺还包括，在与所述收集基底相对的一侧施加抽吸力到所述不导电的支承结构上。
9.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，从所述喷丝板到所述收集面的距离在大约1厘米至大约200厘米之间。
10.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，从所述喷丝板到所述收集面的距离在大约10厘米至大约50厘米之间。
11.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述电压在大约1千伏至大约500千伏之间。
12.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述电压在大约10千伏至大约100千伏之间。
13.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述带电纤维网的极性是负的，而施加在所述收集装置上的所述电压的极性是正的。
14.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述带电纤维网的极性是正的，而施加在所述收集装置上的所述电压的极性是负的。
15.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述纺丝喷嘴与所述收集面之间的距离小于所述喷丝板与所述收集装置之间的距离。
16.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，所述导电元件是静止的。
17.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述收集装置还包括由供给辊供应的在所述导电的活动收集带上进给的不导电的活动收集基底。
全文摘要
本发明提供了一种用以形成纳米纤维网的改进的电吹工艺，其中，聚合物流借助于推进气流从喷丝板中的纺丝喷嘴排出，而所得的纳米纤维网被收集在收集装置上。这种工艺包括，施加高电压到收集装置上，并使喷丝板接地，从而在喷丝板和收集装置之间产生足够强度的电场，当聚合物从纺丝喷嘴排出时可施加电荷到聚合物上。
文档编号D04H1/56GK1985030SQ200580023211
公开日2007年6月20日 申请日期2005年7月13日 优先权日2004年7月13日
发明者J·E·阿曼特罗特, M·A·布赖纳, M·C·达维斯, Y·M·金 申请人:纳幕尔杜邦公司