由静电纺丝分散体形成的制品的制作方法

专利名称：由静电纺丝分散体形成的制品的制作方法
由静电纺丝分散体形成的制品发明领域本发明一般地涉及制品和制造该制品的方法。更具体地，该方法包括形成含液体和可缩合固化的化合物的分散体，并静电纺丝该分散体，制造制品。相关现有技术的说明开发具有微米和纳米直径的纤维目前是工业、学术界和政府大量研究和开发的焦点。可由有机和无机材料，例如聚苯胺，聚吡咯，聚偏乙烯，聚丙烯腈，聚氯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚噻吩和碘掺杂的聚乙炔，形成这些类型的纤维。除了聚乙烯和合成亲水聚合物， 例如聚环氧乙烷以外，还由亲水生物聚合物，例如蛋白质，多糖，胶原，血纤维蛋白原，蚕丝和透明质酸形成这类纤维。可通过本领域称为静电纺丝的方法形成许多这些类型的纤维。静电纺丝是包括使用静电荷形成纤维垫的通用方法。典型地，静电纺丝包括将溶液负载到注射器内，并用注射器泵驱动该溶液到注射器的尖端，在尖端形成液滴。静电纺丝还通常包括施加电压到针上， 形成溶液的带电射流。然后延伸射流，并通过静电排斥连续搓线，直到它沉积在接地收集器上，从而形成纤维垫。可在宽泛的各种工业，其中包括在医学和科学应用中使用通过静电纺丝形成的纤维。更具体地，已使用这类纤维增强一些复合材料。还已使用这些纤维生产在医学透析、气体分离、渗透和水处理中使用的纳米管。在一些应用中，由静电纺丝各类两相和三相体系例如乳液，形成纤维。与这些体系一起使用的静电纺丝技术典型地产生显示出赋予纤维脆性和脆度的非所需的机械特征的纤维。因此，仍需要由分散体形成且显示出改进的应力和应变性能的纤维制品。仍需要开发形成这种制品的方法。发明概述和优点本发明提供纤维的制品和制造该制品的方法。纤维包括固化的化合物且由静电纺丝分散体而形成。该分散体包括液体和可固化的化合物。该方法包括形成分散体并静电纺丝该分散体的步骤。在一个实施方案中，该方法包括固化可固化的化合物的步骤。静电纺丝分散体允许形成显示出固化的化合物典型特征且显示出改进的应力和应变性能的纤维。形成这种纤维允许更加有效和精确地生产在医学、科学和制造工业中使用的各种材料。使用该分散体还允许使用各类可缩合固化的化合物形成可基于所需的物理和化学性能处理的产品。附图简述将容易地理解本发明的其他优点，因为当与附图结合考虑时，通过参考下述详细说明，将更好地理解这些优点，其中

图1是含本发明纤维的制品的扫描电镜图象，所述纤维包括纤维-纤维接点和球形缺陷。发明详述本发明提供含纤维的制品(即纤维制品)，如图1所示。本发明还提供制造制品的方法。该方法包括静电纺丝的步骤，如以下更加详细地描述的。制品可包括单层纤维或多层纤维。正因为如此，制品的厚度可以是至少0.01微米。更典型地，制品的厚度为约1微米-约100微米，和最典型地厚度为约25微米-约100 微米。制品不限于任何特定数目的纤维层数。制品可以是织造或非织造的，且可显示出微相分离。在一个实施方案中，纤维和制品是非织造的，和制品进一步定义为垫子。在另一实施方案中，纤维和制品是非织造的，且制品进一步定义为网。或者，制品可以是膜。纤维也可以是均勻或不均勻的且可具有任何表面粗糙度。制品可以防水，耐水，阻燃，导电，自清洁， 排水，流挂减少，及其组合。在一个实施方案中，制品是涂层。还认为，制品可以是织物，透气织物，过滤器，或其组合。此外，可在各种工业，例如在催化剂、过滤器、太阳能电池、电子组件、经皮贴剂、绷带、药物递送体系中和在抗微生物应用中使用该制品。制品的另一潜在的应用可以是用作超级疏水的多孔膜用以油-水分离或在生物医疗器件，例如血管替代品中使用，和在烧伤绷带中使用，以提供非粘附的可呼吸性。制品可以是超级疏水的纤维，且可显示出大于约150度的水接触角。在各种实施方案中，制品显示出150-180，155-175，160-170，和160-165度的水接触角。制品也可显示出低于15度的水接触角滞后。在各种实施方案中，制品显示出0-15，5-10，8-13和6-12的水接触角滞后。制品也可显示出水接触角和/或水接触角滞后的各向同性或非各向同性的性质。或者，制品可包括显示出各向同性性质的区域和显示出非各向同性性质的区域。纤维可具有任何的尺寸和形状，且典型地为圆柱形。典型地，纤维的直径为 0.01-100，更典型地0.05-10，和最典型地0. 1-1微米。在各种实施方案中，纤维的直径为1纳米-30微米，1-500纳米，1-100纳米，100-300纳米，100-500纳米，50-400纳米， 300-600 纳米，400-700 纳米，500-800 纳米，500-1000 纳米，1500-3000 纳米，1000-5000 纳米，2000-5000纳米，或3000-4000纳米。纤维还典型地具有5_20微米的尺寸，和更典型地具有10-15微米的尺寸。然而，纤维不限于任何特定的尺寸。纤维常常称为“细纤维”，它包括具有微米级直径的纤维(即直径至少1微米的纤维)和具有纳米级直径的纤维(即直径小于1微米的纤维)。该纤维的玻璃化转变温度(Tg)也可以是25°C -500°C。也可通过本领域已知的任何方式，将纤维连接到彼此上。例如，纤维可在其中它们交叠或者可物理地分离的地方熔合在一起，以便在制品内纤维仅仅铺设在彼此上。认为纤维当连接时，可形成孔度为0.01-100微米的网或垫。在各种实施方案中，孔度范围大小为 0. 1-100,0. 1-50,0. 1-10,0. 1-5,0. 1-2或0. 1-1. 5微米。要理解，孔度可以均勻或不均勻。 也就是说，制品可包括在某一区域内或者在各区域之间具有不同孔度的不同区域。此外， 纤维可具有任何截面特征，其中包括但不限于带状截面特征，椭圆形截面特征，圆形截面特征，及其组合。在一些实施方案中，可观察到纤维的“成珠粒(beading)”，这对于大多数应用来说是可以接受的。珠粒的存在，纤维的截面曲线(从圆形变化到带状)，和纤维的直径是形成纤维的方法的条件的函数，如以下进一步描述的。在一些实施方案中，纤维也可是防火的，如上所述。使用在铝箔基底上沉积的非织造垫的小片上的UL-94V-0垂直燃烧试验，测试纤维的防火性，尤其含纤维的非织造垫。在这一试验中，将非织造垫的长条保持在火焰上方约10秒。然后移开火焰10秒，再施加另外 10秒。在这一工艺过程中观察样品传播火焰的炽热滴落物，残焰和残炽的存在，以及沿着样品的高度的着火距离。对于含本发明纤维的非织造垫来说，在燃烧的那些纤维下方典型地观察到完整的纤维。非织造垫不完全燃烧是自灭火的证据，一种阻燃材料的典型行为且被视为优良的耐火性。在许多情况下，非织造垫可甚至实现UL 94 V-O等级。在不希望束缚于任何特定理论的情况下，认为耐火性典型地可归因于纤维内有机基团与硅原子之比低。有机基团与硅原子之比低可归因于在纤维内不存在有机聚合物和有机共聚物。然而，还认为耐火性可能是除了纤维内有机基团与硅原子之比低以外的因素所致。可由分散体形成纤维。正如本领域已知的，分散体包括与物质的另一相不混溶且在其内分散的一种物质的一相，即在连续相内的分散相。在本发明中，分散体包括液体和可固化的化合物，如以下更加详细地描述的。在一个实施方案中，液体是非极性液体。在另一实施方案中，液体是极性液体，例如醇，离子液体，或水。典型地，液体是水。水可以是自来水，井水，纯化水，去离子水，及其组合，且可以各种用量存在于分散体内，这取决于分散体的类型。液体可以是分散相或者连续相。在一个实施方案中，分散体包括分散相形式的固体颗粒和连续相形式的液体。在另一实施方案中，分散体包括非极性液体作为分散相和极性液体作为连续相。在各种实施方案中，液体的存在量可以是20-80，30-70,40-60或用量为约50重量份，相对于100重量份分散体计，只要分散体的总量不超过100重量份即可。分散体可进一步定义为“胶体”或“胶体分散体”，这两个术语可互换使用。典型地， 胶体包括在连续相内分散的尺寸小于100纳米的颗粒。胶体可按照各种方式分类。对于本发明的目的来说，胶体也可分类为凝胶(液体分散相和固体连续相)，乳液(液体分散相和液体连续相)，和/或泡沫(气体分散相和液体连续相)。胶体可以可翻转(即以大于一种状态存在)或者不可翻转。此外，胶体可以是弹性或粘弹性的。在一个实施方案中，分散体进一步定义为乳液，如以上首先引入的。根据分散和连续相的化学性质，乳液典型地分类为四类中的一种。第一类是水包油(0/W)乳液。0/W乳液典型地包括在形成液滴(所述液滴典型地称为乳液颗粒)的含水连续相(例如水)内的非极性的分散相(例如，油)。对于本发明的目的来说，术语“油”包括非极性分子且可包括可固化的化合物。第二种乳液是油包水(W/0)乳液。W/0乳液典型地包括在非极性连续相内的极性分散相，从而形成翻转乳液。第三类是水包油包水(w/0/w)乳液。这些类型的乳液包括在非极性连续相内的极性分散相，所述非极性连续相本身又分散在极性连续相内。例如， w/0/w乳液可包括捕获在较大油滴内的水滴，所述较大油滴本身又分散在连续水相内。第四类是水包水(W/W)乳液。这些类型的乳液包括在连续水溶液内的含水溶剂化分子，其中含水溶剂化分子和连续水溶液包括水溶性不同的分子。在不打算束缚于任何特定理论的情况下，认为前述类型的乳液取决于分散和连续相二者的氢键键合，η堆积，和/或盐桥连。在本发明中，分散体可进一步定义为这四类乳液中的任何一种。本领域还已知，在一定程度上，分散体不稳定。典型地，存在三类分散体不稳定性， 其中包括(i)絮凝，其中分散相的颗粒在连续相内形成团块，( )乳状液分层，其中分散相的颗粒朝连续相的表面或底部集中，以及(iii)破乳和聚结，其中分散相的颗粒聚结并在连续相内形成液体层。本发明的分散体可显示出一种或多种这些类型的不稳定性。本发明的分散体可包括尺寸变化的颗粒。在一个实施方案中，分散体包括1纳米-10微米的颗粒，更典型地1纳米-1微米，和最典型地1-100纳米。在另一实施方案中， 分散体可分类为纳米乳液。分散体可包括比以上所述的尺寸小或大的颗粒，这取决于本领域技术人员的需求。如上所述，分散体还包括可固化的化合物。可固化的化合物可以是本领域已知的可固化的任何有机或无机化合物。合适的可固化的化合物的非限定性实例包括通过自由基机理、氢化硅烷化、缩合、加成反应、紫外光、微波和热固化的化合物。这种可固化的化合物的实例包括但不限于过氧化物，酰胺，丙烯酸酯，酯，醚，酰亚胺，环氧乙烷，砜，脲，氨基甲酸酯，具有烯键式不饱和键的化合物，及其组合。在一个实施方案中，可固化的化合物选自硅烷，硅氧烷，硅氮烷，硅酮，二氧化硅，硅烯(silenes)，倍半硅氧烷，及其组合。在这一实施方案中，可固化的化合物典型地借助自由基、缩合和/或氢化硅烷化机理固化。在各种实施方案中，可固化的化合物的存在量可以是20-80，30-70，40-60，或用量为约50重量份，相对于 100重量份分散体计，只要分散体的总量不超过100重量份即可。或者，可固化的化合物可进一步定义为可缩合固化的化合物。正如本领域已知的， 可缩合固化的化合物借助缩合反应固化。缩合反应是其中两个分子结合形成新的单一分子且失去小分子例如水的化学反应。当失去水时，缩合反应也可称为脱水反应。仅仅为了描述的目的，以下列出了通用的缩合(脱水)反应流程图
权利要求
1.一种制造制品的方法，所述制品包括由分散体形成的纤维，所述方法包括下述步骤A.形成含下述的分散体⑴液体，和( )可缩合固化的化合物，和B.静电纺丝该分散体，降低液体的含量，以便可缩合固化的化合物借助缩合固化。
2.权利要求1的方法，其中分散体进一步包括表面活性剂。
3.权利要求2的方法，其中在形成分散体之前，将表面活性剂与液体结合。
4.权利要求2的方法，其中基于可缩合固化的化合物的重量，表面活性剂在分散体内的存在量为0. 5-5wt%。
5.权利要求1的方法，其中分散体进一步包括增稠剂。
6.权利要求5的方法，其中增稠剂进一步定义为聚环氧乙烷。
7.权利要求5的方法，其中在形成分散体之前，将增稠剂与液体结合。
8.权利要求5的方法，其中基于分散体的重量，增稠剂在分散体内的存在量为 0. 05-5wt%o
9.前述任何一项权利要求的方法，其中可缩合固化的化合物选自硅烷，硅氧烷，硅氮烷，硅酮，二氧化硅，硅烯，倍半硅氧烷，及其组合。
10.权利要求1-8任何一项的方法，其中可缩合固化的化合物进一步定义为可缩合固化的硅橡胶。
11.权利要求1-8任何一项的方法，其中可缩合固化的化合物进一步定义为可缩合固化的有机化合物。
12.权利要求11的方法，其中可缩合固化的有机化合物固化，形成选自聚酯、尼龙、聚氨酯、环氧树脂，及其组合的化合物。
13.权利要求1-8任何一项的方法，其中可缩合固化的化合物进一步定义为硅橡胶和分散体进一步包括可缩合固化的有机化合物。
14.权利要求1-8任何一项的方法，其中分散体包括20-80重量份可固化的化合物，相对于100重量份分散体计，只要分散体的总量不超过100重量份即可。
15.权利要求14的方法，其中分散体包括20-80重量份液体，相对于100重量份分散体计，只要分散体的总量不超过100重量份即可。
16.权利要求1-8任何一项的方法，其中液体进一步定义为水。
17.权利要求16的方法，其中可缩合固化的化合物分散在水中。
18.权利要求1-8任何一项的方法，进一步包括干燥纤维，以进一步降低液体的含量以便可缩合固化的化合物固化的步骤。
19.权利要求1的方法，其中分散体包括含可缩合固化的化合物的分散相，和含液体、 表面活性剂和增稠剂的连续相。
20.权利要求1-8任何一项的方法，其中纤维的应力为至少15psi和应变为至少 100%。
21.—种纤维制品，它包括固化的化合物且由静电纺丝含下述的分散体形成A.液体；和B.可缩合固化的化合物；其中降低所述液体的含量，以便所述可缩合固化的化合物固化。
22.权利要求21的制品，其中所述分散体进一步包括表面活性剂。
23.权利要求22的制品，其中在形成所述分散体之前，结合所述表面活性剂与所述液体。
24.权利要求22的制品，其中基于所述可缩合固化的化合物的重量，所述表面活性剂在所述分散体内的存在量为0. 5-5wt%。
25.权利要求21的制品，其中所述分散体进一步包括增稠剂。
26.权利要求25的制品，其中所述增稠剂进一步定义为聚环氧乙烷。
27.权利要求25的制品，其中在形成所述分散体之前，结合所述增稠剂与所述液体。
28.权利要求25的制品，其中基于所述分散体的重量，所述增稠剂在所述分散体内的存在量为0. 05-5wt%。
29.权利要求21- 任何一项的制品，其中所述可缩合固化的化合物选自硅烷，硅氧烷，硅氮烷类，硅酮，二氧化硅，硅烯，倍半硅氧烷，及其组合。
30.权利要求21- 任何一项的制品，其中所述可缩合固化的化合物进一步定义为硅橡胶。
31.权利要求21- 任何一项的制品，其中所述可缩合固化的化合物进一步定义为可缩合固化的有机化合物。
32.权利要求31的制品，其中所述可缩合固化的有机化合物选自聚酯、尼龙、聚氨酯、 环氧树脂，及其组合。
33.权利要求21- 任何一项的制品，其中所述可缩合固化的化合物进一步定义为硅橡胶和所述分散体进一步包括可缩合固化的有机化合物。
34.权利要求2118任何一项的制品，其中所述分散体包括20-80重量份所述可固化的化合物，相对于100重量份所述分散体计，只要所述分散体的总量不超过100重量份即可。
35.权利要求34的制品，其中所述分散体包括20-80重量份所述液体，相对于100重量份所述分散体计，只要所述分散体的总量不超过100重量份即可。
36.权利要求21- 任何一项的制品，其中所述液体进一步定义为水。
37.权利要求21的制品，其中所述分散体包括含所述可缩合固化的化合物的分散相， 和含所述液体、表面活性剂和增稠剂的连续相。
38.权利要求37的制品，其中所述可缩合固化的化合物包括相对于100重量份所述分散体计存在量为20-80重量份的硅氧烷弹性体，所述液体进一步定义为水且相对于100重量份分散体计存在量为20-80重量份，所述表面活性剂包括相对于100重量份所述分散体计存在量为0. 5-5重量份的甲基氨甲基丙醇，所述增稠剂进一步定义为聚环氧乙烷且相对于100重量份所述分散体计存在量为0. 05-5重量份。
39.权利要求21- 任何一项的制品，它进一步定义为非织造垫。
40.一种制造制品的方法，所述制品包括由分散体形成的纤维，所述方法包括下述步骤A.形成含下述的分散体 ⑴液体，和(ii)可固化的化合物，B.静电纺丝分散体，形成纤维；和C.固化该可固化的化合物。
41.权利要求40的方法，其中分散体进一步包括表面活性剂和增稠剂。
42.权利要求41的方法，其中基于可固化的化合物的重量，表面活性剂在分散体内的存在量为0. 5-5wt%。
43.权利要求41的方法，其中增稠剂进一步定义为聚环氧乙烷。
44.权利要求41的方法，其中增稠剂在分散体内的存在量为分散体重量的0.05-5%。
45.权利要求40-44任何一项的方法，其中可固化的化合物选自硅烷，硅氧烷，硅氮烷， 硅酮，二氧化硅，硅烯，倍半硅氧烷，及其组合。
46.权利要求40-44任何一项的方法，其中可固化的化合物进一步定义为硅橡胶。
47.权利要求40-44任何一项的方法，其中可固化的化合物进一步定义为可固化的有机化合物。
48.权利要求40-44任何一项的方法，其中分散体包括20-80重量份液体，相对于100 重量份分散体计，只要分散体的总量不超过100重量份即可。
49.权利要求40-44任何一项的方法，其中液体进一步定义为水。
50.权利要求49的方法，其中可固化的化合物分散在水中。
全文摘要
纤维的制品包括固化的化合物。由静电纺丝分散体形成纤维。该分散体包括液体和可缩合固化的化合物。降低液体在分散体内的含量，以便可缩合固化的化合物固化。由下述制造方法形成制品，所述制造方法包括形成分散体的步骤。该方法还包括静电纺丝分散体降低液体含量的步骤，以便可缩合固化的化合物固化。
文档编号D01D5/00GK102187022SQ200980140523
公开日2011年9月14日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月29日
发明者R·M·希尔, E·J·乔夫里, D·T·莱尔斯, B·J·路德维格 申请人:陶氏康宁公司