将液体聚合物静电纺丝成纳米级或亚微米级纤维的装置制造方法及图纸

一种用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的设备，包括静电纺丝外壳、位于静电纺丝外壳外部的线驱动系统和多个连续电极线。该静电纺丝外壳包括静电纺丝区和一个或多个液体聚合物涂覆器件，其中液体聚合物涂覆于多个连续电极线上。该多个连续电极线彼此平行，与线驱动系统啮合，并延伸通过静电纺丝外壳和位于其中的一个或多个液体聚合物涂覆器件。将高电压施加于静电纺丝区中的多个连续电极线，从而由涂覆于电极线上的液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维。

A device for electrospinning liquid polymers into nano or submicron fibers

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】将液体聚合物静电纺丝成纳米级或亚微米级纤维的装置
本公开涉及用于将液体聚合物静电纺丝成纳米级或亚微米级(submicronscale)纤维的装置和方法，且更具体而言涉及在不使用常规喷嘴或针的情况下将液体聚合物静电纺丝成纳米级或亚微米级纤维的装置和方法。
技术介绍
纳米级或亚微米级纤维适用于各种应用，包括过滤、组织工程、防护服装、复合材料、电池隔膜、储能等。静电纺丝是用于生成这个级别的高质量纤维的方法之一。然而，尽管静电纺丝相对容易做到，但它具有非常低的产量，并且因此具有非常高的生产成本。因此，静电纺丝成纳米级和/或亚微米级纤维不具有成本效益。因而，除了高价值应用之外，纳米纤维的静电纺丝已经在很大程度上仅限于学术研究。目前注射喷嘴、针式喷射(needle-jet)和旋转喷射制造工艺中的生产速率通常为约0.05克每小时(g/h)至约0.15g/h每喷嘴/喷射。据研究和/或使用，有几种方法提高了生产速率。这些方法包括气体辅助静电纺丝；多喷嘴系统的使用；无喷嘴/无针系统的使用；和增加旋转喷射总数。然而，这些方法每一种都有其问题，导致每台(市售)机器的最大持续生产速率不超过约2千克每小时(kg/h)。与喷嘴/针头系统相关的问题包括：注射喷嘴/针头孔口的堵塞；难以优化喷嘴阵列；和难以保持通过每个喷嘴的均匀进料速率。与无喷嘴/无针系统相关的问题包括：无法控制溶液储槽中的溶剂蒸发，导致溶液浓度和粘度变化；以及聚合物层涂覆积聚于静电纺丝元件的表面上，导致纤维纺丝速率显著降低。通过本公开的各方面解决了这些和其它缺点。附图说明在附图中，并不一定按比例绘制，相同的附图标记可以描述不同视图中的类似组件。具有不同字母后缀的相同数字可以表示类似组件的不同实例。附图通过示例而非限制性的方式图示说明了本文件中讨论的各个方面。图1是根据本专利技术的一个方面的简化静电纺丝装置的侧视图。图2是根据本专利技术的一个方面的用于将液体聚合物层施加于多个连续电极线上的液体聚合物涂覆器件的侧视图。图3是沿图2中A-A线截取的细节。图4A是沿图2中的B-B线截取的细节。图4B是根据本公开的一个方面的示例性电极线清洁组件的侧视图。图5是显示包括静电纺丝外壳、线驱动系统和线张紧系统的多个连续电极线行进路径的简化图的侧视图。图6是沿图5中A-A线截取的细节。图7是沿图6中B-B线截取的细节。图8是图示说明根据本专利技术的各方面的静电纺丝设备的辅助系统的示意图。图9是根据本公开的一个方面的静电纺丝设备的详细示意图。图10是显示图9的区段A的静电纺丝设备的部分示意图。图11是显示图9的区段B的静电纺丝设备的部分示意图。图12是显示图9的区段C的静电纺丝设备的部分示意图。图13是图示说明根据本专利技术的一个方面的用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法的框图。图14是图示说明根据本公开的一个方面用于驱动多个连续电极线通过静电纺丝装置的方法的框图。图15是图示说明根据本专利技术的一个方面的用于从静电纺丝外壳收集纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法的框图。图16是图示说明用于操作连续无针式静电纺丝纳米级或亚微米级聚合物纤维网于基底上的静电纺丝装置的方法的方框图。
技术实现思路
本公开内容的各方面涉及用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的装置，包括：a.静电纺丝外壳，包括：一种或多种液体聚合物涂覆器件；静电纺丝区，包括导电接地板；和线(电线，导线，金属丝，wire)清洁组件；b.位于静电纺丝外壳外部的线驱动系统；c.多个连续电极线，所述多个连续电极线彼此平行，与线驱动系统啮合，并延伸通过静电纺丝外壳和位于其中的一个或多个液体聚合物涂覆器件；d.基底传送器系统，位于所述静电纺丝外壳的外部；和e.一个或多个高压电源单元。一个或多个液体聚合物涂覆器件将液体聚合物层涂覆到多个连续电极线的表面上。一个或多个高压电源单元向多个连续电极线施加高电压，并在多个连续电极线和静电纺丝区中的导电接地板之间产生电场，从而由涂覆于多个连续电极线表面上的液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维。线清洁组件包括用于从多个连续电极线清除残留液体聚合物的溶剂。基底传送器系统(基底传送系统，substrateconveyorsystem)驱动基底通过静电纺丝外壳，并将纳米级或亚微米级聚合物纤维作为聚合物纤维网收集于基底上。本公开内容的各方面进一步涉及用于将液体聚合物源连续无针电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法，包括：采用位于静电纺丝外壳外部的线驱动系统，驱动多个连续电极线通过静电纺丝外壳，静电纺丝外壳包括至少一个液体聚合物涂覆器件和静电纺丝区；采用位于静电纺丝外壳外部的基底传送器系统驱动基底与多个连续电极线基本上平行地通过静电纺丝外壳和静电纺丝区；在至少一个液体聚合物涂覆器件中，将液体聚合物层涂覆于多个连续电极线的表面上；在静电纺丝区中，由涂覆于多个连续电极线表面上的液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维；将纳米级或亚微米级聚合物纤维作为聚合物纤维网收集于基底上；和使用位于静电纺丝外壳内的电线清洁组件从多个连续电极线的表面除去残留聚合物。具体实施方式通过参考以下对本公开和其中包括的实施例的详细描述，能够更容易地理解本公开。在各个方面中，本公开涉及用于将聚合物纤维网静电纺丝于基底上并将其收集于辊上的装置和方法。本文所述的装置和方法允许以相对于现有和已知的静电纺丝方法的更高的产量和生产强度—以及更低的资本投资和生产成本—生产纳米级或亚微米级纤维。在本专利技术的化合物、组合物、制品、系统、器件和/或方法公开和描述之前，应理解的是，除非另有说明，否则它们不限于具体的聚合物材料，或不限于特定的聚合物材料的状态(即，熔体或溶液)，或不限于用于制备聚合物溶液的特定溶剂类型，或不限于特定的操作条件(例如，溶液中的聚合物wt％，聚合物溶液中的添加剂，温度，电压，电场距离等)，或不限于特定的装置尺寸和结构材料(例如，所述电极线的组成，连续电极线的数量，电极线的长度，平行电极线之间的距离，电极线通过的聚合物涂覆器件的数量，两个液体聚合物涂覆器件之间的距离等)，并因此这些参数能够进行变化。还应理解的是，本文使用的术语仅用于描述特定方面的目的，而非旨在是限制性的。本公开内容涵盖了本公开的各要素的各种组合，例如，取决于相同独立权利要求的从属权利要求的要素的组合。此外，应理解的是，除非另有明确说明，否则决不意图将本文所述的任何方法解释为要求以特定顺序执行其步骤。因此，在方法权利要求实际上没有具体描述其步骤所遵循的次序或在所述权利要求或说明书中并没有另外专门说明该步骤将被限制于特定的顺序的情况下，则绝不旨在任何方面推断顺序。这适用于任何可能的非明确的解释基础，包括：关于步骤安排或操作流程的逻辑问题；从语法组织或标点符号中推断的普通含义；和所述说明书中描述的方面的数量或类型。本文提及的所有出版物均通过引用而结合于本文，以公开和描述与所引用的出版物相关的方法和/或材料。静电纺丝设备参照图1-12，本公开的各方面涉及用于将聚合物纤维网110静电纺丝于基底120上的装置100。图1中图示说明了装置100的简化示意图。该装置的具体部件包括静电纺丝外壳300、至少一个液体聚合物涂覆器件400、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的装置，所述装置包括：a.静电纺丝外壳，包括：一个或多个液体聚合物涂覆器件；包括导电接地板的静电纺丝区；和线清洁组件；b.线驱动系统，位于所述静电纺丝外壳的外部；c.多个连续电极线，所述多个连续电极线彼此平行，与所述线驱动系统啮合，并且延伸通过所述静电纺丝外壳和位于其中的一个或多个液体聚合物涂覆器件；d.基底传送器系统，位于所述静电纺丝外壳的外部；以及e.一个或多个高压电源单元，其中，所述一个或多个液体聚合物涂覆器件将液体聚合物层涂覆于所述多个连续电极线的表面上，所述一个或多个高压电源单元向所述多个连续电极线施加高电压，并在所述多个连续电极线和所述静电纺丝区中的所述导电接地板之间产生电场，从而由涂覆于所述多个连续电极线的表面上的所述液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维，所述线清洁组件包括用于从所述多个连续电极线清除残留液体聚合物的溶剂，以及所述基底传送器系统驱动基底通过所述静电纺丝外壳，并且将所述基底上的所述纳米级或亚微米级聚合物纤维收集为聚合物纤维网。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.06 US 62/443,0961.一种用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的装置，所述装置包括：a.静电纺丝外壳，包括：一个或多个液体聚合物涂覆器件；包括导电接地板的静电纺丝区；和线清洁组件；b.线驱动系统，位于所述静电纺丝外壳的外部；c.多个连续电极线，所述多个连续电极线彼此平行，与所述线驱动系统啮合，并且延伸通过所述静电纺丝外壳和位于其中的一个或多个液体聚合物涂覆器件；d.基底传送器系统，位于所述静电纺丝外壳的外部；以及e.一个或多个高压电源单元，其中，所述一个或多个液体聚合物涂覆器件将液体聚合物层涂覆于所述多个连续电极线的表面上，所述一个或多个高压电源单元向所述多个连续电极线施加高电压，并在所述多个连续电极线和所述静电纺丝区中的所述导电接地板之间产生电场，从而由涂覆于所述多个连续电极线的表面上的所述液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维，所述线清洁组件包括用于从所述多个连续电极线清除残留液体聚合物的溶剂，以及所述基底传送器系统驱动基底通过所述静电纺丝外壳，并且将所述基底上的所述纳米级或亚微米级聚合物纤维收集为聚合物纤维网。2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括至少一个液体聚合物涂覆歧管，其中所述至少一个液体聚合物涂覆歧管将所述液体聚合物进料至所述一个或多个液体聚合物涂覆器件。3.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括液体聚合物再循环和进料系统，其中所述液体聚合物再循环和进料系统从所述一个或多个液体聚合物涂覆器件接收溢流液体聚合物并向所述一个或多个液体聚合物涂覆器件提供新鲜液体聚合物。4.根据权利要求3所述的装置，进一步包括至少一个液体聚合物溢流储槽，其中所述至少一个液体聚合物溢流储槽从所述一个或多个液体聚合物涂覆器件接收溢流液体聚合物，并且使所述溢流液体聚合物返回到所述液体聚合物再循环和进料系统。5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，进一步包括通风气体供给系统，所述通风气体供给系统包括通风气体源和通风气体分配歧管，其中所述通风气体分配歧管从所述通风气体源接收通风气体并且将所述通风气体吹送到所述静电纺丝区中的所述多个连续电极线上，以促进纳米级或亚微米级聚合物纤维在所述基底上的收集。6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，进一步包括初级干燥区，所述初级干燥区包括初级分配歧管，其中所述初级分配歧管将初级干燥气体分配到所述基底和形成于其上的聚合物纤维网以促进其干燥。7.根据权利要求6所述的装置，进一步包括次级干燥区，所述次级干燥区包括次级分配歧管，其中所述次级分配歧管将次级干燥气体分配到所述基底和形成于其上的聚合物纤维网以促进其干燥。8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，进一步包括位于所述静电纺丝外壳附近的至少一个排放控制箱，所述至少一个排放控制箱包括用于使基底和所述多个连续电极线中的一个或多个进入或离开所述静电纺丝外壳的开口。9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其中所述一个或多个液体聚合物涂覆器件包括：液体聚合物涂覆歧管，用于在多个连续电极线的表面上涂覆液体聚合物层，所述液体聚合物涂覆歧管包括多个线入口孔和多个线出口孔；液体聚合物溢流储槽，用于接收从所述液体聚合物涂覆歧管溢出的液体聚合物；...

【专利技术属性】
技术研发人员：金学志，理查德·彼得斯，伊夫林·皮尔逊，
申请(专利权)人：沙特基础工业全球技术有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL