[发明专利]通过聚合物溶液或熔体的静电纺丝生产纳米纤维的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及通过聚合物溶液或熔体的静电纺丝生产纳米纤维的方 法，其中，产生的纳米纤维沉积在纺丝室内的基底之上。

本发明也涉及通过聚合物溶液或熔体的静电纺丝生产纳米纤维的 装置，所述装置包含纺丝室，在所述纺丝室内，产生的纳米纤维沉积 在基底之上。

背景技术

纳米纤维应当理解成直径达到纳米(10^-9m)位值的纤维，而通过 一般的纺丝方法生产的纳米纤维的直径在大约20nm-800nm的范围内变 化。

纳米纤维层实际上主要用于连接织物的其它层，作为精细过滤的 过滤层，用于防护服的制造，在医学中用作特殊的选择性多孔绷带， 并且用于很多其他领域和应用。

生产纳米纤维的最重要的方法是聚合物溶液或熔体的静电纺丝。 在静电纺丝时，适当的聚合物溶液或聚合物熔体以适当的方式被带入 到静电场中，通过至少一个自旋电极和至少一个集电极之间的电势差 产生所述静电场。然后，这样产生的不随时间变化的静电场作用在聚 合物溶液/熔体上，例如通过具有某一值的所谓库仑力的自旋电极的旋 转将所述聚合物溶液/熔体带入到静电场内，通过对自旋电极和集电极 的静电势的适当选择，所述库仑力作用于从自旋电极到集电极的方向 上。所需的这些力的值，以及静电场的强度通过以下事实给出：在静 电纺丝的过程中，这些力不仅必须克服聚合物溶液/熔体的表面张力， 也必须克服由溶液/熔体的粘性产生的力。通过将适当值的力作用到聚 合物溶液/熔体层上，这个层产生变形，然后所有参与的力的平衡状态 导致产生所谓的泰勒锥。在库仑力进一步作用时，从这些泰勒锥出现 纤维主核的伸长，然后所述纤维主核通过其随后的分裂产生最终的纳 米纤维。然后从聚合物溶液/熔体的表面把纳米纤维“抽出”，这近似 地处在两个电极产生的静电场力线的方向上。在理想情况下，当仅有 集电极的库仑力作用在纳米纤维上时，产生的纳米纤维会复制力线的 方向。

优选还在纳米纤维接触集电极之前，必须以适当的方式捕获以上 述方式产生的纳米纤维，并且从进行纺丝过程的纺丝区域输送所述纳 米纤维。通常以如下方法实施对根据以上所述步骤产生的纳米纤维的 捕获：向自旋电极和集电极之间的空间内插入适当的基底，在大多数 情况下由织物结构形成所述基底，纳米纤维沉积在织物结构的表面上， 并且通过织物结构的运动输送到纺丝区域之外。

在织物结构的表面上沉积纳米纤维时，实际上会出现一些问题， 这些问题由如下事实产生：上述织物结构在很多情况下是不导电的， 并且具有电绝缘体(电介质)的性质。在聚合物溶液/熔体的静电纺丝 时，某一电势被送至自旋电极或者聚合物溶液/熔体，通过自旋电极部 分地浸入到聚合物溶液/熔体之内，所述电势也被送至聚合物溶液/熔 体，相应地到达自旋电极。聚合物溶液/熔体和从其产生的纳米纤维具 有与自旋电极相同的电荷。在带电的纳米纤维被送至不导电的织物结 构后，由于织物结构的绝缘性质，电荷不被带出，并且织物结构被充 电，与进入的纳米纤维具有相同的电荷。根据织物结构的类型和性质， 立即或者在织物结构接触带电的纳米纤维之后的短时间间隔内产生对 织物结构的充电。这个情况对电纺丝的过程具有不利的负面影响，这 特别是因为两个原因。第一个原因是总体的弱化且原始静电场变得不 均匀；根据因相同电荷间的相互排斥力的已知事实，另一个原因也就 是接近纳米纤维的排斥力。只要纳米纤维层被完全生产出来，这就导 致相当劣质的纳米纤维的产生，这由增大的纳米纤维的直径所造成的 纳米纤维层的均匀性的显著降低而变得明显，所述纳米纤维同时以不 理想的方式被输送并沉积在整个纺丝空间内。因此，在此之后，纳米 纤维的整个制造过程可能会完全停止。

本发明的目的是消除上述问题或至少使上述问题最小化，所述问 题在通过聚合物溶液或熔体的静电纺丝生产纳米纤维期间出现，在其 间，产生的纳米纤维沉积在纺丝室内的基底之上。

发明内容

已经通过根据本发明的静电纺丝生产纳米纤维的方法实现本发明 的目的，本发明的原理在于：在进入到纺丝室内之前，基底的电导率 增大。这意味着具有增大电导率的基底进入到纺丝室中的静电场之内， 例如，导电的基底代替原先不导电的基底，因此以上所述的静电场的 干扰不会出现，并且在充分导电的基底材料的情况下，静电纺丝的过 程以未受干扰的方式按其原理进行。