专利名称：高通量电吹方法
技术领域：
本发明涉及通过高通量电吹工艺形成纤维网的方法。
背景技术：
溶液纺丝方法常用于制造纤维和非织造织物，并在某些情况下具有高通量的优 点，使得可大批量、商业化生产纤维或织物。这些方法可用于制备纤维网，其中这些纤维网 可用于医用衣服、过滤器和其他需要选择性屏障的最终用途。可利用具有小直径的纤维来 提高这些类型的纤维网的性能。—类称为电吹法的溶液纺丝方法通过在存在电场的情况下使与吹入气体结合的 聚合物溶液通过纺丝喷嘴进行纺丝来制备超细纤维。然而，期望在不损害纤维的均勻性和产品质量的情况下增加此方法的通量来提高 工艺效率并降低制造成本。发明概述本发明为纤维纺丝方法，所述方法包括以下步骤向喷丝头提供聚合物溶液，该聚 合物溶液包含溶解于在25°C下至少具有约6kPa蒸气压的至少一种溶剂中的至少一种聚合 物；在存在电场的情况下沿着远离喷丝头中的至少一个纺丝喷嘴的方向，排出与吹入气体 结合的聚合物溶液，其中聚合物溶液以介于约6至约100毫升/分钟/孔之间的排放速率 通过纺丝喷嘴排放；形成纤维；以及将所述纤维收集在收集器上。附图简述并入本说明书并为其组成部分的附图与描述内容一起用于解释本发明的原理。
图1为根据本发明的用于制备纤维网的现有技术的电吹设备的示意图。发明详述本发明涉及用于多种客户最终用途应用诸如过滤介质、能量存储器隔膜、防护服 装等的溶纺纤维网和织物。本发明采用电吹工艺将溶解于高蒸气压溶剂中的聚合物以高通量速率纺成纤维 或纤维网。用于制备纤维层的方法公开于国际公布号W02003/080905 (美国序列号 10/822, 325)中，该文献据此以引用方式并入。图1为可用于实施本发明方法的电吹设备 的示意图，该设备采用如国际公布号W02003/080905中所述的电吹法(或“电吹纺丝法”)。 此现有技术的电吹方法包括将聚合物溶于溶剂所得的溶液从储罐100通过喷丝头102送 到施加了高电压的纺丝喷嘴104，在聚合物溶液离开纺丝喷嘴104的同时将压缩气体或吹入气体通过吹入气体喷嘴106导向聚合物溶液从而形成纤维，并在由真空室114和鼓风机 112产生的真空下将所述纤维收集在接地的收集器110上形成纤维网。收集设备优选地为传送收集带，其设置在喷丝头102和收集器110之间的静电场 内。收集纤维层后，将所述纤维层导向收集器110下游侧上的收卷辊并旋拧在所述收卷辊 上。任选地，可将纤维网沉积到布置在传送收集带上的多种多孔稀松布材料的任何一种上， 诸如纺粘非织造物、熔喷非织造物、针刺非织造物、织造织物、针织织物、开孔薄膜、纸材以 及它们的组合。任选地，第二气体可接触喷丝头下游的纤维以帮助从纤维中赶走溶剂。当以高通 量速率电吹纤维时，必须将大量的溶剂从成纤聚合物溶液中移除。可将第二气体设置为冲 击纤维或将其用作吹扫气体以帮助从整个纺丝区域中移除溶剂。为了以高通量或高排放速率进行纤维纺丝，可使用具有高蒸气压的溶剂。根据本 发明，优选在25°C下至少具有6kPa蒸气压的溶剂，更优选在25°C下至少具有IOkPa蒸气 压的溶剂，还更优选在25°C下至少具有20kPa蒸气压的溶剂。合适的具有高蒸气压的溶剂 包括甲醇(16. 9)、乙醇(7. 9)、丙酮(30. 8)、丁酮(12. 1)、二氯甲烷(58. 1)、1，2_ 二氯乙烷 (10. 6)、三氟乙酸(14. 7)、乙酸乙酯(12. 4)、四氢呋喃(21. 6)、氯仿( )、四氯化碳(15.4) 以及烃，包括戊烷(68. 3)、己烷2)、庚烷(6. 1)、环己烷(13)、甲基环己烷(6. 1)和苯 (12. 3)，其中括弧中的数字为这些溶剂在25°C下的蒸气压(单位为kPa)。蒸气压数据得自 “Organic Solvents" Volume 2, fourth edition, by John Riddick, William Bunger, and Theodore Sakano, John Wiley & Sons, 1986 ( "Organic Solvents，，,第 4 版第 2 卷，1986 年，John Riddick、William Bunger 禾口 Theodore Sakano, John Wiley & Sons),或得自溶 剂物理特性的Dipra 数据库。 根据本发明，优选在25 °C下至少具有6kPa蒸气压的溶剂，更优选在25 °C下至少具 有IOkPa蒸气压的溶剂，还更优选在25°C下至少具有20kPa蒸气压的溶剂。聚合物溶液可在约0°C至溶剂沸点的温度下进行纺丝。这些溶剂可用于制备聚合物溶液，这些聚合物溶液可以一定的排放速率进行纺 丝，该排放速率介于约6至约100毫升/分钟/孔之间，更有利地介于约10至约100毫升 /分钟/孔之间，并且最有利地介于约20至约100毫升/分钟/孔之间。对可用于根据本发明的方法制备纤维层的聚合物无特别限制，只要其基本上以期 望的浓度溶解于所选溶剂中并可通过本文所述的方法纺成纤维即可。这些聚合物的实例通 常包括烃聚合物。适用于本发明的烃聚合物的实例包括聚烯烃、聚二烯、聚苯乙烯以及它们 的共混物。聚烯烃的实例包括聚乙烯、聚丙烯、聚(1-丁烯)、聚G-甲基-1-戊烯)以及它 们的共混物、混合物和共聚物。除了上述聚合物之外，其他实例包括聚砜、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、纤维素 酯、聚氯乙烯以及它们的共混物。聚(甲基)丙烯酸酯的实例包括聚甲基丙烯酸酯和聚甲 基丙烯酸甲酯。纤维素酯的实例包括三醋酸纤维素酯。聚酯的实例包括聚对苯二甲酸乙二 酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚(ε -己内酯)、聚(DL-乳酸)和聚(L-丙 交酯)。吹入气体可选自空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、烃、卤化碳、卤代烃、以及它们 的混合物。吹入气体在约环境温度至约300°C的温度下，以约50至约340米/秒的流速注入。所制备的纤维具有优选小于1，000纳米，更优选小于800纳米并最优选小于500
纳米的数均纤维直径。这些纤维可以为连续的或不连续的。这些纤维可具有基本上呈圆形 的横截面形状。电场可具有约10至约IOOkV的电势。电场可用于产生电晕电荷。可将纤维收集成包括横截面为圆形并且相互作用弱的聚合物纤维的纤维网，其中 这些聚合物纤维具有小于约1，000纳米的数均纤维直径。第二气体可选自空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、烃、卤化碳、卤代烃、以及它们 的混合物。第二气体在约环境温度至约300°C的温度下以约50至约340米/秒的流速注 入。测试方法纤维盲径如下测量。对每个细纤维层样本拍摄二至三个扫描电镜(SEM)图像。由 照片测量清晰可辨的细纤维的直径并进行记录。不包括瑕疵(即，细纤维的凸块、聚合物 球、细纤维的交叉处)。对于每个样本，由约50至300根纤维计算其数均纤维直径。
实施例使用上述一般方法和设备制备纤维实施例，其中的具体变化如下所述。实施例1在室温下将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的9重量％溶液溶解于丙酮(在25°C下具 有对.21^^的蒸气压)中。使用磁力搅拌器搅拌该溶液。将均相溶液转移到密封玻璃容器 中并运送至纺丝室。将溶液转移到纺丝室的储液器中并密封。使用具有0.254mm内径单纺 丝喷嘴的喷丝头。用转筒收集器收集样本。将喷丝头置于IOOkV的负电势下。将收集器接 地。纺丝喷嘴出口至收集器表面的距离为51cm。将空气用作吹入气体。第二气体使用氮气 以控制纺丝室内的相对湿度和温度。氮气的流量足以防止纺丝室中的溶剂蒸气浓度超过爆 炸下限。控制相对湿度为小于11%。在实验期间纺丝室温度接近23°C。使用0. 2044MI^的 氮气压力来保持6. 7毫升/分钟/孔的溶液流速。控制吹入气体以将出口速率保持在大约 67米/秒。吹入气体的温度接近23°C。溶液开始流动后不久，就可在喷流中观察到纤维。 纤维沉积在转筒上的长条中。测得这些纤维的数均纤维直径为393纳米。实施例2在室温下将聚苯乙烯的9重量％溶液溶解于二氯甲烷(在25°C下具有58. IkI3a的 蒸气压)中。使用磁力搅拌器搅拌该溶液。将均相溶液转移到密封玻璃容器中并运送至纺 丝室。将溶液转移到纺丝室的储液器中并密封。使用具有0.406mm内径单纺丝喷嘴的喷丝 头。用转筒收集器收集样本。将喷丝头置于IOOkV的负电势下。将收集器接地。纺丝喷嘴 出口至收集器表面的距离为95cm。将空气用作吹入气体。第二气体使用空气以控制纺丝室 内的相对湿度和温度。空气的流量足以防止纺丝室中的溶剂蒸气浓度超过爆炸下限。控制 相对湿度为小于11%。在实验期间纺丝室温度接近32°C。使用0.515MI^的氮气压力来保 持34. 3毫升/分钟/孔的溶液流速。控制吹入气体以将出口速率保持在大约150米/秒。 吹入气体的温度接近M°C。溶液开始流动后不久，就可在喷流中观察到纤维。纤维沉积在 转筒上的长条中。测得这些纤维的数均纤维直径为335纳米。
实施例3在室温下将聚苯乙烯的9重量％溶液溶解于二氯甲烷(在25°C下具有58. IkI3a的 蒸气压)中。使用磁力搅拌器搅拌该溶液。将均相溶液转移到密封玻璃容器中并运送至纺 丝室。将溶液转移到纺丝室的储液器中并密封。使用具有0.406mm内径单纺丝喷嘴的喷丝 头。用转筒收集器收集样本。将喷丝头置于IOOkV的负电势下。将收集器接地。纺丝喷嘴 出口至收集器表面的距离为114cm。将空气用作吹入气体。第二气体使用空气以控制纺丝 室内的相对湿度和温度。空气的流量足以防止纺丝室中的溶剂蒸气浓度超过爆炸下限。控 制相对湿度为小于11%。在实验期间纺丝室温度接近37°C。使用0. 77MPa的氮气压力来 保持57. 1毫升/分钟/孔的溶液流速。控制吹入气体以将出口速率保持在大约150米/ 秒。吹入气体的温度接近M°C。溶液开始流动后不久，就可在喷流中观察到纤维。纤维沉 积在转筒上的长条中。测得这些纤维的数均纤维直径为630纳米。实施例4 使用回流冷凝器将得自DuPont的Engage 8400 (乙烯辛烯共聚物)的11重量％ 溶液溶解于甲基环己烷(在25°C下具有6. IkPa的蒸气压)中。用磁力搅拌器搅拌该热溶 液。将均相溶液转移到密封玻璃容器中并运送至纺丝室。将溶液转移到纺丝室的储液器中 并密封。使用具有0.4064mm内径单纺丝喷嘴的喷丝头。用转筒收集器收集样本。将喷丝 头置于IOOkV的负电势下。将收集器接地。纺丝喷嘴出口至收集器表面的距离为30cm。将 空气用作吹入气体。第二气体使用氮气以控制纺丝室内的相对湿度和温度。氮气的流量足 以防止纺丝室中的溶剂蒸气浓度超过爆炸下限。控制相对湿度为小于9%。在实验期间纺 丝室温度接近。使用0. 308MPa的氮气压力来保持12. 6毫升/分钟/孔的溶液流速。 控制吹入气体以将出口速率保持在大约156米/秒。吹入气体的温度接近^°C。一旦溶液 开始流动，就可在喷流中观察到纤维。纤维沉积在转筒上的长条中。测得这些纤维的数均 纤维直径为502纳米。
权利要求
1.纤维纺丝方法，所述方法包括向喷丝头提供聚合物溶液，所述聚合物溶液包含溶解于在25°c下至少具有约6kPa蒸 气压的至少一种溶剂中的至少一种聚合物；在存在电场的情况下沿着远离所述喷丝头中的至少一个纺丝喷嘴的方向排出与吹入 气体结合的聚合物溶液，其中所述聚合物溶液以介于约6至约100毫升/分钟/孔之间的 排放速率通过所述纺丝喷嘴排放；形成纤维；以及将所述纤维收集在收集器上。
2.根据权利要求1的方法，其中所述溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮、丁酮、二氯甲烷、1， 2-二氯乙烷、三氟乙酸、乙酸乙酯、四氢呋喃、氯仿、四氯化碳和烃。
3.根据权利要求2的方法，其中所述烃选自戊烷、己烷、庚烷、环己烷、甲基环己烷和苯。
4.根据权利要求1的方法，其中所述蒸气压在25°C下为至少约lOkPa。
5.根据权利要求1的方法，其中所述蒸气压在25°C下为至少约20kPa。
6.根据权利要求1的方法，其中所述聚合物溶液以介于约10至约100毫升/分钟/孔 之间的排放速率通过所述纺丝喷嘴排放。
7.根据权利要求6的方法，其中所述聚合物溶液以介于约20至约100毫升/分钟/孔 之间的排放速率通过所述纺丝喷嘴排放。
8.根据权利要求1的方法，其中所述吹入气体选自空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、 烃、卤化碳、卤代烃以及它们的混合物。
9.根据权利要求1的方法，其中在约环境温度至约300°C的温度下，以约50至约340 米/秒的流速注入所述吹入气体。
10.根据权利要求1的方法，其中所述纤维具有小于约1000纳米的数均纤维直径。
11.根据权利要求10的方法，其中所述纤维具有小于约800纳米的数均纤维直径。
12.根据权利要求11的方法，其中所述纤维具有小于约500纳米的数均纤维直径。
13.根据权利要求1的方法，其中所述电场具有约IOkV至约IOOkV的电势。
14.根据权利要求1的方法，其中所述电场为电晕充电电场。
15.根据权利要求1的方法，其中所述纤维具有基本上圆形的横截面形状。
16.根据权利要求1的方法，所述方法还包括使所述纤维与位于所述喷丝头下游的第 二气体接触。
17.根据权利要求16的方法，其中所述吹入气体选自空气、氮气、氩气、氦气、二氧化 碳、烃、卤化碳、卤代烃以及它们的混合物。
18.根据权利要求16的方法，其中在约环境温度至约300°C的温度下，以约50至约340 米/秒的流速注入所述吹入气体。
19.根据权利要求1的方法，其中所述聚合物溶液中的所述至少一种聚合物选自聚烯 烃、聚二烯、聚苯乙烯、聚砜、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、纤维素酯、聚氯乙烯以及它们 的共混物。
全文摘要
本发明公开了纤维纺丝方法，所述方法包括以下步骤向喷丝头提供聚合物溶液，所述聚合物溶液包含溶解于在25℃下至少具有约6kPa蒸气压的至少一种溶剂中的至少一种聚合物；在存在电场的情况下沿着远离所述喷丝头中的至少一个纺丝喷嘴的方向，排出与吹入气体结合的所述聚合物溶液，其中所述聚合物溶液以介于约6至约100毫升/分钟/孔之间的排放速率通过所述纺丝喷嘴排放；形成纤维；以及将所述纤维收集在收集器上。
文档编号D01D5/00GK102144054SQ200980134737
公开日2011年8月3日 申请日期2009年9月8日 优先权日2008年9月5日
发明者G·T·迪, J·B·霍瓦尼克, J·V·米尔维尔德 申请人:纳幕尔杜邦公司