[发明专利]具有改善的化学和物理稳定性的纳米纤维和含有纳米纤维的网

说明书

本发明涉及由水性聚合物溶液生产纳米纤维，所述纳米纤维具有改善的化学和物理稳定性，用于制造含有纳米纤维的网。本发明的目的还有根据所述方法得到的网及其在例如过滤和分离应用中的用途。

已说明用于产生纤维形式的一维纳米结构的多种合成和制造方法^[1-3]。在这些方法中，静电纺纱似乎提供了得到纳米纤维的最简单的方法，该纳米纤维的长度异常长、直径均匀并且比较多样化^[4-5]。与用于产生一维纳米结构的其他方法不同，通过静电纺纱形成薄纤维基于衍生自聚合物溶液的粘弹性射流的单轴拉伸(或伸长)。该技术与用于拉伸微量纤维的工业过程类似，不同之处在于使用表面电荷之间的静电排斥(而不是机械或剪切力)来连续降低粘弹性射流的直径^[6-7]。与机械拉伸一样，静电纺纱也是连续过程，并且以高体积生产而著称。

描述静电纺纱的操作的第一专利出现在1934年，当时Formalas公开了一种通过利用表面电荷之间的静电排斥用于生产聚合物长丝的设备^[8]。虽然静电纺纱的装配极简单，但是纺纱机械结构相当复杂。当施用高电压(通常为1-30kV)时，喷丝板喷嘴处的聚合物溶液的悬挂的液滴变得高度充电，并且诱导的电荷在表面之上均匀分布。结果是，液滴经历两种主要类型的静电力：表面电荷之间的静电排斥；和外部电场施加的Coulombic力。在这些静电相互作用的作用下，液体液滴变形成为圆锥形物体，通常称为Taylor圆锥^[3，9]。一旦电场的强度已超过阈值，静电力可克服聚合物溶液的表面张力，因此迫使液体射流从喷嘴射出。在充电的射流从喷嘴到收集器的路径期间，发生以下过程：射流的拉伸和伸长、溶剂蒸发、聚合物沉淀和射流的固化。如果碰撞收集器的充电的射流为固体，则发生了纳米纤维形成，并且纳米纤维最终作为无规取向的非织造垫沉积^[3]。

使用熔融的聚合物或溶解于溶剂中的聚合物的溶液，可由静电纺纱生产纳米纤维。优选溶剂静电纺纱，这是由于在纳米纤维产生期间溶剂蒸发的贡献以及由此形成纳米纤维的受控的固化，由于具有较低直径的纤维最佳地通过该技术制备。在溶剂静电纺纱的情况下，还更容易控制静电纺纱特性，例如聚合物溶液的粘度和表面张力。与此相反，在熔体静电纺纱的情况下，由于熔融聚合物的冷却，难以控制熔融聚合物的静电纺纱特性和聚合物固化。关于纳米纤维的静电纺纱的一些出版物和专利可见例如US 6746517B2、EP 1326697 B1、US7318853B2、US 7270693B2、US 7179317B2、US 7090715B2、US6924028B2、US 6875256B2、US 6743273B2、US7008465B2、US6746517B2、EP 1326697 B1、US 6673136B2、EP 1317317 B1、US7270692B2、EP1317317B1。

虽然几乎所有的聚合物在理论上可静电纺纱，并且按需改变用于可静电纺纱的特性，但是仅少量的聚合物在工业上使用，例如尼龙、聚酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氨酯、聚乳酸，等。纳米纤维的常规静电纺纱主要使用在有机溶剂(例如甲酸、四氢呋喃(THF)、二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮和醇溶剂)中的聚合物溶液来生产纳米纤维。

对于静电纺纱，优选具有低毒性的溶剂，以避免暴露于危险化学品或使之最小化，以降低在材料处理、加工期间和在最终使用应用期间由该过程和产品的气态排放产生的与健康、安全和环境影响相关的风险。此外，优选不燃性溶剂，以避免着火的风险，特别是在涉及高电荷的静电纺纱过程中，高电荷可导致静电爆炸危险。由于所报道的原因，使用基于水的溶液用于静电纺纱过程的关注正变得重要，并且关于该领域已出版了一些科技论文^[10-17]。与其他溶剂相比，基于水的溶液的另一个优点为较低的成本。

关于可施用于静电纺纱过程的聚合物，理论上，可熔融或溶解的所有的聚合物可用于形成纳米纤维；然而，取决于产品的最终应用，聚合物的化学和物理特性是它们的最终应用所关心的事情。

当水溶性聚合物用于静电纺纱时，问题在于这样产生的纳米纤维溶胀或可溶于潮湿的条件和/或水中。通过使变为纳米纤维结构的一部分的聚合物交联，从而可改变聚合物纳米纤维的化学和物理性质，可克服这一点。交联为公知的反应，其中交联试剂反应并在聚合物链之间形成共价键，以改善例如对热、机械降解和溶剂的抗性。一种这样的实例为使用聚合物(例如聚乙烯醇)和在US2004060269A1中报道的交联剂的基于水的系统。