利用静电纺丝从聚合物溶液生产纳米纤维的方法和用于实施该方法的设备技术

本发明专利技术涉及利用在电场中的静电纺丝从聚合物溶液中生产纳米纤维的方法，所述电场由在带电电极和对电极之间的电势差产生。用于纺丝的聚合物溶液（２）利用旋转的带电电极（３０）的表面被供入所述电场，而在靠近对电极（４０）的所述带电电极（３０）的一部分周边上产生了纺丝表面，借此获得了高纺丝生产能力。本发明专利技术进一步涉及用于实施所述方法的设备，其中所述带电电极（３０）被装在枢轴上，并且其周边的（底部）部分被浸没在聚合物溶液（２）中，而对着所述带电电极（３０）的周边的自由部分定位着所述对电极（４０）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及利用在电场中的静电纺丝从聚合物溶液中生产纳米纤维的方法，所述电场由在带电的电极和对电极之间的电势差产生。此外，本专利技术涉及用于实施所述方法的设备，其由带电的电极和具有不同的电势的对电极组成，其中在它们中间产生了电场。
技术介绍
直径在10纳米到1,000纳米之间的聚合物纤维代表了一种新品级的材料，其具有某些极具价值的性质。这类聚合物纤维层的典型的应用领域是气体和液体的过滤、用于截留亚微米颗粒、细菌和化学品的屏障材料，其中达到了很高的过滤效率。纳米纤维被用作电池隔板、复合物增强材料，并且在医药领域中被用作药物载体和组织植入物载体。纳米纤维的高比表面积可以容易地为气体和液体介质所利用，决定了其具有特殊的吸附性质和用作不同的活性成分例如催化剂的载体的用途。在纳米纤维层中存在极小的孔是其具有极高绝热性质的条件。纳米纤维通过聚合物溶液加工工艺由宽范围的聚合物、聚合物共混物以及聚合物与低分子添加剂的共混物制成。不同于原则上类似的聚合物熔体成型工艺，在溶液工艺中获得了较小的纤维直径，因为溶液粘度较低。对于溶液加工，使用了流动气体介质的机械力或者静电场中的库仑力。静电纺丝得到具有较小直径的纤维，因为一次成型纤维由于在其体积中的当量电荷分布而分裂成大量长丝。直到今日，通过借助于气流的聚合物溶液加工生产纳米纤维的已知方法和装置描述于例如US6,382,526和US6,520,425。聚合物溶液被注入到环形截面的喷丝头。然后，借助于在所述环内部输送的气流的机械作用使所述溶液成型，或者因为可能是该环之外的情况，产生具有200纳米到3,000纳米直径的纤维。利用平均强度50,000V/m到500,000V/m的静电场将聚合物溶液成型的方法描述于专利申请WO0,127,365、WO0,250,346、US2002/0,175,449A1和US2002/084,178A1。按照这些技术方案，聚合物溶液被分配到内径0.5毫米到1.5毫米的圆柱形的纺丝喷嘴中。这些喷嘴被连接到直流电压源。流出物溶剂借助于静电力被吸引到对电极，该对电极通常是接地的，并且同时借助于这种力将其成型为细丝，其因此被分裂成相应的较小直径的丝束。纺丝从一个喷嘴或者一系列静态的或者移动的喷嘴进行，以提高装置的生产能力，对电极或者在对电极表面上或者在其表面附近移动的平板支持材料的均匀覆盖。所有上述用于生产纳米纤维的方法和装置的缺点是在一定时间内只能生产很少量的加工的聚合物材料。在借助于机械力成型纳米纤维的情况下，产生的纳米纤维的直径尤其依赖于空气质量和流过喷丝头的聚合物溶液的比例。当借助于库仑力在静电场中成型时，必需在喷丝头的喉部形成所谓的泰勒锥体，存在泰勒锥体是纤维成型所要求的，并且其要求相对窄的聚合物溶剂从喷丝头排出的速度与静电场强度的比例范围的条件。静电场的最大可调强度受到空气绝缘强度的限制，并且高于该极限时，在电极之间发生放电。鉴于上述情况以及可达到的纺丝聚合物溶液浓度，在一小时内在一个喷丝头中有可能加工大约0.1克到1克的聚合物，这从工业角度讲将使纳米纤维的生产出现很大问题。本专利技术的目的是创造一种在工业上可应用并且能够达到高纺丝生产能力的方法和装置。本专利技术的原理本专利技术的目的通过本专利技术生产纳米纤维的方法达到，其原理包括借助于旋转带电电极的表面将用于纺丝的聚合物溶液输送到静电场中，而在对电极附近的所述带电电极的一部分周边上是产生的纺丝表面。所述聚合物溶液处于有利条件，能够在电场中产生泰勒锥体，不仅当从喷丝头排出时如此，而且在其水平面的表面上时也是如此，特别有利地是在旋转体表面上的薄层中，所述旋转体部分地浸于包含该溶液的容器中。所述有利条件是指由聚合物分子量、浓度和温度决定的溶液的适当粘度、由聚合物的类型和存在表面活性成分导致的适当的表面张力以及由于存在低分子电解质而导致的适当的溶液导电性值。纺丝表面的尺寸取决于带电电极和对电极的尺寸和形状。形成纳米纤维的数量决定于纺丝表面的尺寸和形状。按照权利要求2，有利的是由所述聚合物溶液在带电电极的纺丝表面上、在静电场作用下生产的纳米纤维借助于电场漂移到对电极，并且在其前面被铺置到用于贮存纳米纤维的装置上，在其上形成层。该方法能够生产具有高质量和层的均匀性的纳米纤维层，基本上可以具有相当于装置的宽度的任意宽度。按照权利要求3实现了另一个改进。气流连同电场的作用促使纤维从带电电极漂移出来。然而，如果使纳米纤维向着对电极漂移，并且贮存在位于对电极前面的、透气的、用于贮存纳米纤维的设置上，并且在其上形成层，则是有利的。指向对电极的空气流通过按照权利要求5抽吸空气来产生。使用这种简单的方法，促进了纤维向着对电极的漂移，并且提高了生产率。按照权利要求6，位于带电电极和对电极之间的空间中的所述纳米纤维，借助于所述空气流，其向着对电极的路线发生偏移，并且被导向透气的、用于贮存纳米纤维的设置，该设置位于电场之外，而将聚合物溶液纺丝。按照权利要求7，用于使纳米纤维从带电电极到对电极的路线发生偏移的空气流，有利地借助于将电极之间的空间中的空气抽吸到相对于所述带电电极在所述透气的、用于贮存纳米纤维的设置后面的空间中而生产。为了提高装置的生产率，如果按照权利要求8，将辅助的干燥空气提供到所述纳米纤维被移走的空间中，借助于该干燥空气聚合物溶剂从纳米纤维蒸发得到加速，其中所述纳米纤维通过静电纺丝生产并且在电极之间的空间中移动，将是有利的。在使聚合物溶剂的蒸发加速而提高干燥效率的同时，当将至少一部分辅助的干燥空气从相对于所述带电电极而言在所述透气的支持设备前面的空间中抽出，而不是通过该装置时，则是有利的。此外，权利要求10的方法能够提高装置的生产性能，因为将所输送的辅助的干燥空气加热而能够带走较大量的在干燥纳米纤维时产生的溶剂蒸气。对于所有所述方法的实施方案，有利的是使用含水聚合物溶液，因为装置的整体构建比较容易，并且不需要从聚合物溶剂中除去有害的或者危险的气体。权利要求12的设备描述了用于实施上述方法的设备的基本特征，并且总的要点是所述带电电极被装在枢轴上，并且其周边的一部分被浸于所述聚合物溶液，而对着所述带电电极的周边的自由部分，定位有对电极。这样设置的设备能够将足够量的聚合物溶剂输送到电场中。在权利要求13的实施方案中，沿着带电电极的总长度，对电极围绕带电电极的周边的自由部分，这样在所述电极之间的整个空间中产生了具有相同强度的电场。在两个电极之间，定位有用于贮存纳米纤维的设置，在该设置的表面上，所述纳米纤维被铺置成层。按照权利要求15和16，存在所述设备的有利的实施方案，其中用于贮存纳米纤维的设置是透气的，并且产生了通过该设备的空气流。在另一个按照权利要求17的实施方案中，在所述电极之间的空间之外定位有透气的、用于贮存纳米纤维的设置，并且在该设置后面产生有形成一空气流的真空，所述空气流使所述纳米纤维从所述电极之间的空间向着用于贮存纳米纤维的设置漂移，至少一部分所述空气通过所述设置。在所述设备的上述实施方案中，有利的是形成按照权利要求18到22任何一项的贮存纳米纤维的设置。为了提高溶剂从纳米纤维的蒸发，按照权利要求23到25任何一项提供了进入所述设备的辅助的干燥空气。带电电极的有利的实施方案描述于权利要求26到28中，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产纳米纤维的方法，该方法利用静电纺丝、在由带电电极和对电极之间的电势差产生的电场中从聚合物溶液生产纳米纤维，其特征在于，利用旋转带电电极（３０）的表面将聚合物溶液（２）供入电场用于纺丝，而在靠近对电极（４０）的带电电极（３０）的一部分周边上产生纺丝表面（３１），借此获得了高的纺丝生产能力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：O伊萨克，F萨内特尼克，D卢卡斯，V柯特克，L马蒂诺瓦，J沙洛普埃克，
申请(专利权)人：利伯西科技大学，
类型：发明
国别省市：CZ[捷克]