[发明专利]浸没旋转喷射纺丝装置(IRJS)及其用途

说明书

相关申请

本申请涉及2013年2月13日提交的美国临时申请号61/764349和2013年6月21日提交的美国临时申请号61/837779，其各自的全部内容通过引用在此并入。

政府支持

本发明全部或部分由国家科学基金会授予的DMR-0213805号拨款支持。美国政府对本发明享有一定权利。

背景技术

电纺丝是制造聚合物纤维的常用的常规方法。电纺丝使用高压在针尖处的聚合物溶液液滴与收集装置之间产生电场。电源的一个电极置于溶液中，而另一个电极则连接到收集装置。这向聚合物溶液液滴施加静电力。电场随电压上升而增强，因而增大作用于针尖处聚合物溶液悬垂液滴上的力的大小。增加的静电力作用于与液滴表面张力相反的方向，导致液滴伸长，形成称为泰勒锥的锥形。当静电力克服液滴表面张力时，聚合物溶液的带电连续喷射流从该锥射出。聚合物溶液喷射流向着收集装置加速，混乱地抖动和弯曲(whipping and bending wildly)。随着溶液离开针并向着收集装置移动，喷射流随溶剂蒸发而快速变薄和干燥。在接地的收集装置的表面上沉积了随机取向的固体聚合物纤维的无纺垫。Zufan(2005)Final RET Report；Xie，J.W.等(2008)Macromolecular Rapid Communications 29(22):1775-1792；Reneker，D.H.等，(2007)Advances in Applied Mechanics 41:43-195；Dzenis，Y.(2004)Science304(5679):1917-1919；Rutledge，G.C.和Yu，J.H.(2007)“Electrospinning”In Encyclopedia of Polymer Science and Technology，John Wiley&Sons:New Jersey；Krogman，K.C.等(2009)Nature Materials 8(6):512-518；Pham，Q.P.等(2006)Tissue Engineering12(5):1197-1211；Boland，E.D.等(2001)Journal of Macromolecular Science-Pure and Applied Chemistry 38(12):1231-1243；Teo，W.E.和Ramakrishna，S.(2006)Nanotechnology 17(14):R89-R106；Li，D.；Xia，Y.N.(2004)Advanced Materials 16(14):1151-1170；Greiner，A.和Wendorff，J.H.(2007)Angewandte Chemie-International Edition46(30):5670-5703。

存在多项与电纺丝有关的缺陷，例如，低生产速率、需要高压电场、要求精确的溶液电导率和需要用于产生对齐(aligned)的纤维结构的额外装置。Lia和Xia(2004)Advanced Materials16:1151-1170；Weitz等(2008)Nano Letters 8:1187–1191；Arumuganathar，S.和Jayasinghe，S.N.(2008)Biomacromolecules9(3):759-766。

克服与电纺丝有关的缺陷的装置及方法已经在例如美国专利公布号US2012/0135448和PCT公布号WO2012/068402中记载。这些装置被称为旋转喷射纺丝装置(RJS)，并允许容易地制造微米、亚微米和纳米尺度的聚合物纤维。RJS装置允许基本上通过将聚合物溶液经储室孔口喷射到空气中来形成聚合物纤维。随着材料溶液中的溶剂快速蒸发，空气阻力将喷射流延展并伸长为纤维。不管怎样，在缓慢蒸发溶剂例如水性溶剂的情况下和在储室以低旋转速度旋转的情况下，材料喷射流所经受的空气阻力可能不足以在它们到达收集装置前蒸发一定的溶剂。另外，单独的空气阻力不足以在聚合物需要接触交联(on-contact crosslinking)、沉淀和/或空气中伸长与接触交联或沉淀的组合的情况下制备聚合物纤维。因此，使用水溶性聚合物和/或例如需要接触交联和/或沉淀的聚合物溶液制造聚合物纤维来形成物理和化学稳定的聚合物纤维仍然是具有挑战性的。

因此，本领域需要用于制造聚合物纤维例如纳米纤维的改进系统、装置和方法。