[发明专利]制造纤维的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于从流体形成纤维的静电方法和设备。

背景技术

在低直径纤维的传统工业生产中，迫使诸如液态聚合物的液态材料通过被称为喷丝头的设备的小孔。许多纤维使用的液态聚合物的粘性很强，并且很难通过小孔。这些方法会遇到实际困难。

已知某些从液态聚合物中静电形成纤维的方法。这些方法使用形成一孔的一电极。流体从电极的第一侧到达第二侧通过该孔。将带有相反电荷的表面相对于电极远距离地设置在电极的第二侧上，以吸引并收集流体从孔中流出之后形成的纤维。这些方法需要在孔与收集纤维的带电表面之间的较大空气间隙的上方产生较大的电势差。依靠空气间隙上方产生的电场来产生流体中的必要电荷并且稀释流体。然后使稀释的流体凝固成纤维。对于低电导率的流体来说，使用诸如液态聚合物形成用于商业应用的纤维(例如织物)，以这些方法获得的流动速率是不能被接受的。已知的方法包括将毛细针管用作上面讨论的电极和孔。已经使用这些方法生产出具有直径为50纳米及以上的纤维。

纤维的静电成形具有较大的潜力，已经知道纤维的静电成形将带来更方便和更有效的生产纤维的方法。然而，尽管对研制这些方法作了相当大的努力，但这些方法不能处理工业上可接受的流动速率。

发明内容

本发明满足了这些需要。

根据本发明的一个方面，生产纤维的方法包括：提供一可凝固的流体流；藉助使液流通过形成一孔的本体，以便在液流离开该孔之前使其通过一电场，提供带有净电荷的液流以使液流分裂；以及使分裂的液流凝固以形成诸纤维。这里使用的“凝固”是指粘度的显著变化或材料会保持一定形状的状态变化。这里使用的“凝固”包括流体变为弹性体纤维、刚性或半刚性纤维以及固态或半固态纤维。

提供带有净电荷的步骤最好包括将净电荷注入液流。注入净电荷的步骤最好包括注入净电荷以便形成一用于至少0.5兆伏/米的液流的自电场。可凝固流体的电荷注入获得流体中的高电荷密度。电荷注入在流体流中或附近产生强大的“自场”，流体流在自场的影响下形成纤维。

在某些较佳实施例中，将一对电极设置在孔的附近，同时在电极之间保持一电位差。成对电极之一可包括本体。在电极与本体之间形成一电场，以便提供带有净电荷的液流。电荷注入发生在流体流中，即在电极与形成孔的本体之间的空间中。

流体流中以及紧靠该流体流周围的自场将流体流分裂成高度细长的诸细丝，所述细丝凝固以形成固态纤维。另一远离该孔的表面(例如容器或收集筒)可用于收集纤维。该表面可以处于与形成孔的本体相同的电位，或处于不同的电位。然而，不需要在该表面与本体之间提供较大的电位差。通常，形成孔的本体和收集表面是接地的。

孔的尺寸限制了可凝固流体的流动速率，以便实现大于已知的静电方法的生产率数量级。提高的生产率是令人惊奇的。本发明的实施例已经实现足够用于纤维的工业生产的生产率。

在某些较佳实施例中，该方法包括当分裂的液流离开该孔时对其进行加热。提供带有净电荷的液流的步骤最好提供具有至少为0.5库仑/立方米的电荷密度的液流。

在某些较佳实施例中，注入净电荷的步骤包括使液流通过一位于孔附近的电子枪。

提供一可凝固流体流的步骤包括使可凝固流体在某些较佳实施例中以至少0.1克/秒的速率通过一孔，或者在其它实施例中以至少0.5克/秒的速率通过一孔。可凝固流体可以按至少1克/秒的速率通过一孔。

提供可凝固流体流的步骤包括加热聚合材料，使液流凝固的步骤包括使分裂的液流冷却。提供可凝固流体流的步骤可以包括提供溶液中的聚合材料，使液流凝固的步骤包括使溶液蒸发。

例如，可凝固流体包括一液态聚合物。在某些较佳实施例中，液态聚合物包括一熔化聚合物。

可凝固流体可以包括一液态玻璃、一液态聚酯，例如聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(“PET”)、聚对苯二甲酸丁二酯或液态热塑性聚氨酯。

可凝固流体可以包括一液态溶液，该溶液包括一聚合材料，例如LEXAN^和二氯甲烷或四氢呋喃或尿烷。