[发明专利]受控气态环境中的电纺丝

说明书

对联邦赞助的研究的陈述

美国政府根据以下合同可具有本发明的已付费许可和在有限情况下在例如根据DARPA合同No.972-01-C-0058的条款所提供的合理条件下要求专利权人许可他人的权力。

相关申请的交叉参考

该申请涉及美国申请系列No.10/819,916(2004年4月8日递交，题为″使用旋转喷头的聚合物纳米纤维的电纺丝″，代理人案卷No.241015US-2025-2025-20，其整个内容在此作为参考并入本发明)。该申请还涉及美国申请系列No.10/819,942(2004年4月8日递交，题为″电喷雾/电纺丝装置和方法″，代理人案卷No.241013US-2025-2025-20，其整个内容在此作为参考并入本发明)。

技术领域

本发明涉及从聚合物溶液电纺丝纤维的领域。

背景技术

纳米纤维可用于各种领域，从服装工业至军事应用。例如，在生物材料领域中，对开发基于纳米纤维的结构具有浓厚的兴趣，该结构提供用于组织生长以有效地供养活细胞的台架。在纺织品领域中，对纳米纤维具有浓厚的兴趣，因为纳米纤维具有高的每单位质量的表面积，以提供轻的但高度耐磨性的衣服。例如，碳纳米纤维正用于例如增强复合体，热管理，和弹性体增强。纳米纤维的许多可能的应用随着制造和控制化学和物理性能的能力的提高而得到发展。

电喷雾/电纺丝技术可用于形成在主方向上小至一个纳米的颗粒和纤维。电喷雾现象包括在针的末端形成聚合物熔体的液滴，对该液滴充电，并通过电荷所产生的排斥电力而排出部分液滴。在电喷雾时，存在于液滴部分中的溶剂蒸发和形成小颗粒而不是纤维。电纺丝技术类似于电喷雾技术。但在电纺丝中和在排出过程中，随着这些部分被排出，由液体形成纤维。

亚微米范围内的玻璃纤维已存在一段时间。小微米直径纤维被制成且商业上用于空气过滤应用已超过二十年。更新近制造出直径低于1微米的聚合物熔体吹制纤维。几种增值的无纺应用(包括过滤，隔绝织物，擦拭物，个人护理，医学和药物应用)可受益于纳米纤维和纳米纤维织幅的有意义的技术性能。电纺丝纳米纤维在一个方向上的尺寸低于1μm和优选在该方向上的尺寸低于100nm。纳米纤维织幅通常应用于所选的各种基材以提供合适的机械性能和提供与纳米纤维织幅互补的功能性。在纳米纤维过滤器介质的情况下，已经根据打褶，过滤器制造，使用耐久性，和过滤器清洁而选择基材。

用于生产纳米纤维的基本电纺丝装置10在图1中给出。装置10产生电场12以将从针18的末端16挤出的聚合物熔体或溶液14引导至外电极20。外壳/注射器22储存聚合物溶液14。通常，电压源HV的一端直接电连接至针18上，和电压源HV的另一端电连接至外电极20上。在末端16和外电极20之间产生的电场12使得聚合物溶液14克服将聚合物溶液保持在一起的内聚力。聚合物射流被电场12从末端16牵引到外电极20(即电场提取)，和在从针18飞行至外电极20的过程中干燥以形成聚合物纤维。纤维通常在下游收集在外电极20上。

已经记载了使用各种聚合物的电纺丝工艺。形成纳米纤维的一种工艺例如描述于“聚合物纤维中的结构形成”(D.Salem，Hanser出版社，2001，其整个内容在此作为参考并入本发明)。通过选择合适的聚合物和溶剂体系，已经制成直径低于1微米的纳米纤维。

适用于电喷雾和电纺丝的流体的例子包括熔融沥青，聚合物溶液，聚合物熔体，作为陶瓷前体的聚合物，和/或熔融玻璃状材料。聚合物可包括尼龙，含氟聚合物，聚烯烃，聚酰亚胺，聚酯，和其它工程聚合物或能形成纺织品的聚合物。除了以上列举之外的各种流体或材料已被用于制造纤维，包括纯液体，纤维溶液，与小颗粒的混合物和生物聚合物。对用于制备纤维的材料的概述和列举描述于美国专利申请出版物2002/0090725 A1和2002/0100725 A1，和Huang等人的“复合体科学和技术”(vol.63，2003，其整个内容在此作为参考并入本发明)。美国专利申请出版物No.2002/0090725 A1描述了要被电处理的生物材料和生物相容的材料，以及可用于这些材料的溶剂。美国专利申请出版物No.2002/0100725 A1除了描述用于纳米纤维的溶剂和材料以外，还描述了大规模生产纳米纤维的困难，包括溶剂在小空间中的挥发。Huang等人部分列举了可用于生产纳米纤维的材料/溶剂。

尽管本领域有进展，但纳米纤维的应用由于可用于生产纳米纤维的处理条件的范围窄而受到限制。偏移会停止电纺丝工艺或生产电喷雾材料的颗粒。

发明内容