[发明专利]利用能更换的单独喷射端限流器的阵列的电喷射/电纺丝阵列

说明书

相关申请的交叉引用

无

关于联邦政府资助的研究的声明

不适用

背景技术

本发明总体上涉及小的或所谓“纳米”纤维或液滴的制造，其可通过向 液体填充的喷射端施加高的静电场由此在喷射端开口处产生泰勒锥从而 “纺”成纤维或“喷射”成液滴。Thandavamoorthy Subbiath，G.S.Bhat，R.W Tock和S.S.Ramkumar在文章“Electrospinning of Nanofibers”，Journal of Applied Polymer Science，Vol.96，557-569(2205)，Wiley Periodicals，Inc.中对该 领域有所教导。如上述文章在第561页所指出的，关于按比例放大该技术以 便以商业应用所需的沉积速率来制造纳米纤维的可能性和实用性存在着争 议。

所报道的关于纳米纤维电纺丝的基础性研发主要利用了单喷射管(通常 为中空的皮下注射管上的角切(square cut)尖端末端)。在该现有技术中，通常 使用正排量泵(每个针一个泵)调节进入到各单独喷射端中的液流。如果不为 各纺丝针单独提供正排量液体喷射端流动，则进入到电纺丝孔中的液体的流 动可能是非常不稳定的。为了达到商用的沉积速率，该发明人展望需要数千 个包括“电纺丝阵列(array)”的喷射孔，当采用如此多的喷射端时使用单独 的正排量泵变得不切实际。

美国专利No.6,713,001教导了使用独立的正排量泵以及改变选定喷射 端的局部电场。虽然美国专利No.6,713,001提出可仅利用加压液体或单一的 正排量泵来制造纺丝阵列，但是其中的实施例仅利用了由正排量泵进料的单 一的喷射端。该发明人的意见是，单一的加压流体或单一的正排量泵不能为 由许多独立的管组成的实际的大纺丝阵列提供进料，否则所述单独的管中的 流动会不受限制。提出该意见是因为与其相邻的管相比，各单独的不受限制 的喷射端的流速是天生不稳定的。由间隙中带电纤维或液滴的变化(部分地 由相邻喷射端的纺丝或喷射而产生)所导致的一个喷射端上静电场的变化通 过以静电方式影响该喷射端的流体凸出部分处的有效表面张力平衡而影响 该喷射端的流动。这又影响着进入到其它喷射端中的流动(有效压力)并因此 保持了不稳定性。

在钻研以上间接提及的流动不稳定性的尝试中，Kim和Park(WO 2005/090653 A1)教导了逆着重力向上纺丝的喷射端阵列，其中各喷射端提供 有过量的液体。然后将过量(滴下)的流体独立地收集在与各纺丝端同轴的清 除间隙中。于是过量的液滴不污染其上施加纺成纤维的产品。Kim和Park 还教导了在与纺丝端也同轴的另一间隙中使用空气流来使产生纺丝端液体 的泰勒锥保持逆着重力提升并由此适合于容许启动泰勒纺丝。Kim和Park 还教导使用漏斗形纺丝端来帮助形成泰勒池(Taylor pool)。从相对于产品来说 均提高至高电压的许多纺丝端收集过量的流体意味着所收集的流体需要经 过绝缘“液滴分离器(isolator)”以返回到来源处的液体泵。因此，Kim和Park 的教导导致仅仅为了避免滴落物到达产品而含有许多流体流动路径、许多流 量调节装置、和精密的机械加工部件的复杂的头(head)。该发明人谈到WO 2005/090653 A1中的附图显示了通向喷射端的流体路径，其为非常细的线， 并且可解释为毛细管。没有权利要求涉及该路径并且形成(钻成)具有合适长 径比的工作毛细管将是最困难的。

Andrady等在专利申请公开US 2005/0224998 A1中公开了通过使用在流 体源歧管内的公共电极来控制多个纺丝(挤出)端中的流体流动的尝试。

发明内容

基于类比，强有力的纺丝对电场强度和流体静压力的高灵敏度使人想起 了二极管电路的类似的公知特性(参见图1)，其中电压/电流特性描述于图2 中。在施加的电压(V)101(非常像流体静压力P₀或电场E)超过弯液面表面张 力阈值V_f 105之后，电流102(非常像液体流)快速增加。将固定电流保持为 l_x1，106(非常像保持纤维制造的纺丝或喷射流量)需要非常严格地控制施加的 电压(在我们的类比中的流体静压力或E电场)。二极管103的特性发生小的 变化(类似于粘度、密度、表面张力或电导率的小变化)也会大大改变l_x1106。