[发明专利]聚焦旋转喷射纺丝装置及其使用方法

说明书

本发明描述了用于微米或纳米尺寸聚合物纤维以及此类纤维材料的聚焦定向沉积的系统和方法。该系统和方法采用一股或多股气流来卷吸和偏转由旋转喷射纺丝系统产生的纤维，以形成聚集的纤维流。一些实施例能够以相对高的纤维通量来控制纤维的排列和分布。

相关申请

本申请要求于2019年1月14日提交的美国临时专利申请No.62/792,036的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。

政府支持

本发明是在国家科学基金会授予的资助号为DMR-1420570的政府支持下完成的。政府对本发明有一定的权利。

技术领域

本公开的实施例涉及利用气流汇聚来操纵纤维运动的定向旋转喷射纺丝系统。

背景技术

纤维结构被自然和工程师用于多种功能：纤维增强、过滤、隔热、驱动控制等。这些功能的实现主要依赖于纤维的直径及其3D组织。许多生物组织由排列成复杂的三维排列的小直径纤维(例如，微米级或纳米级直径纤维)构成。例如，控制人体运动的肌肉纤维直径约为10μm至100μm，并且沿着驱动方向成束。作为另一个例子，胶原纤维是细胞外基质的主要成分，其直径约为10nm至约100nm，并被组织成多种不同结构以实现不同组织的不同机械性能。尽管人类在设计直径约为100μm及以上的厚纤维结构方面有着丰富的历史，但是使用传统技术控制纤维的排列和组织以设计直径约为10μm及以下的精细纤维结构仍然具有挑战性。挑战之一在于同时实现精细的纤维直径、复杂的三维(3D)结构以及高通量，这可以通过对两种主要的纤维制造技术进行比较来说明，即如图1A-1C所示的随机纤维沉积(随机-FD)和挤出式3D打印(挤出式-3DP)。在随机-FD技术中，例如熔喷和静电纺丝，纤维以随机排列的云接近目标，并且显示出对纤维排列和三维几何形状的较差控制。云内的空间分布和纤维取向都不受控制。对纤维云的控制不佳导致对沉积的控制不佳。相比之下，挤压式-3DP通过移动喷嘴挤压纤维，该喷嘴精确地控制沉积的位置和纤维每个部分的排列。然而，挤压式-3DP的通量较低。虽然这两种技术都能够生产大直径范围的纤维，但只有挤出式-3DP可以生产复杂的3D结构，而随机-FD在精细纤维的通量方面具有数量级的优势。通量的限制是固有的:为了填满相同的体积，所需的纤维长度随着纤维直径的减小而迅速增加。挤出式-3DP必须追踪纤维的长度(例如，对于某些应用，长度100km)，而纤维沉积则不需要。

因此，本领域需要能够以高通量生产小直径纤维(例如，直径小于10μm的纤维)的复杂3D结构的改进系统。

发明内容

本发明的一些实施例包括旋转喷射纺丝系统，该旋转喷射纺丝系统被构造成通过外部施加的气体(例如，空气流)来操控纤维运动，以形成定向的纤维流。一些实施例能够控制纤维排列并具有相对高的通量。

一些实施例提供了一种用于一根或多根微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦定向沉积的系统，该系统包括储存器，该储存器被构造成保持包括聚合物的材料并可围绕旋转轴线旋转。该储存器包括第一端；与第一端相对的第二端；从第一端延伸至第二端的外侧壁，储存器的形状包括从储存器的外侧壁径向向内设置的一个或多个孔，该一个或多个孔被构造成使得气体能够从第一端运动通过储存器到达第二端；和形成在外侧壁中的一个或多个孔口，该一个或多个孔口中的每一个被构造成用于在储存器的旋转期间通过孔口径向向外喷射材料作为喷射射流。该系统还包括一个或多个气流源，其每一个被构造成在储存器的旋转期间引导气流从储存器的第一端的上游通过储存器的一个或多个孔从储存器的第一端到第二端以及储存器的第二端的下游，该一个或多个气流源共同在储存器的第二端的下游的第一方向上形成组合气流，该组合气流卷吸并偏转一股或多股喷射射流，以在第一方向上形成一根或多根微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦流，该第一方向具有与储存器的旋转轴线成5度以内的取向。