通过熔体纺丝法来制备纳米纤维制造技术

本发明专利技术涉及利用高速旋转分配盘由纺丝熔体形成纳米纤维的方法和设备。可将所述纤维收集为均匀的纤维网以用于选择性屏障最终用途。可制备具有小于1,000nm的平均纤维直径的纤维。

【技术实现步骤摘要】
通过熔体纺丝法来制备纳米纤维本申请是分案申请，其母案的申请日为2008年3月27日，申请号为200880017384.0，专利技术名称为“通过熔体纺丝法来制备纳米纤维”。
本专利技术涉及一种用于形成纤维和纤维网的熔体纺丝法。具体地讲，可制备超细纤维并将其收集到适用于下列应用的纤维网中：选择性阻挡最终用途(例如在空气和液体过滤、阻燃、生物医学、电池和电容器隔板、生物燃料膜、美容面膜领域中)、生物医学应用(例如止血、伤口敷料和愈合、人工血管、组织支架、合成ECM(细胞外基质))以及传感应用、电子/光学纺织物、EMI屏蔽和抗化学生物保护涂层。
技术介绍
在本领域中，已知离心式雾化工艺用于制备金属、金属合金和陶瓷粉末。在本领域中，已知离心式纺丝工艺用于制备聚合物纤维、碳沥青纤维和玻璃纤维(例如在美国专利3,097,085和2,587,710中有所公开)。在此类方法中，由旋转盘或分配盘所提供的离心力产生足以引起物质雾化或形成纤维的剪切。然而，离心式纺丝仅成功用于制备具有大于微米尺寸的直径的纤维。对超细纤维和由超细纤维制成的纤维网的需求在不断增长。这些类型的纤维网可用于选择性阻挡最终用途。目前超细纤维是通过熔纺“海岛型”横截面纤维、分裂薄膜、某些熔喷工艺和静电纺纱法制成的。然而，因其非常低的产量，这些方法通常局限于制备非商业数量的纳米纤维。为通过熔体纺丝法来成功制备纳米或亚微米直径的纤维，必须通过作用于喷丝头上的熔体喷嘴的机械力或静电力对聚合物进行拉伸。然而，很难产生使直径减小到纳米级所需的力。自二十世纪七十年代末以来，一些大学已经展开了对熔融静电纺丝法的研究，但未报道过在制备纳米纤维、特别是由聚烯烃(例如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP))制成的纳米纤维方面的成功消息。静电纺丝法和静电喷射法是通过静电力和/或剪切力的作用，而使聚合物溶液形成具有亚微米级直径的纤维的方法。被收集为非织造垫的纤维具有某些有用的特性，例如高表面积质量比率，因此在过滤、生物医学应用(例如伤口敷料、人工血管、组织支架)和传感应用中有巨大的潜力。然而，绝大多数纳米纤维结构是通过溶剂纺丝工艺制备的。用作溶剂以溶解许多待纺聚合物的化学品会留下不符合行业标准的残余物。出于对清洁剂处理、环境安全和生产率的考虑，一直期望通过熔体纺丝法来制备纤维。直接通过聚合物熔体来纺丝纳米纤维将具有优于溶液纺丝法的数种优势：消除了对溶剂及其伴随的回收利用的需求，提高了产量并且纺丝的聚合物具有低溶剂溶解度。而且，多组分体系(例如共混物和复合物)将更易于熔纺，因为在很多情况下，此类共混物没有共同溶剂。最终，生产率将提高10-500倍，并且成本因消除了溶剂回收而将显著下降。需要一种高产量、高性价比和高能量效率的方法来熔体纺丝纳米纤维和均匀纤维网。
技术实现思路
在一个实施方案中，本专利技术涉及纳米纤维的形成方法，该方法包括以下步骤：向具有前表面纤维排放边缘(forwardsurfacefiberdischargeedge)的受热的旋转分配盘的内纺丝表面提供至少一种热塑性聚合物的纺丝熔体，使该纺丝熔体沿着所述内纺丝表面流出以将该纺丝熔体分配为薄膜并朝向前表面纤维排放边缘，以及将各个熔融的聚合物纤维流从前表面排放边缘排出以使纤维流变细，从而制备具有小于约1,000nm的平均纤维直径的聚合物纳米纤维。本专利技术的第二实施方案是用于制备聚合物纳米纤维的熔体纺丝设备，该设备包括熔融聚合物供给管、包括可旋转的熔融聚合物分配盘的喷丝头、和针对可旋转的熔融聚合物分配盘的间接加热源，所述供给管具有进口部分和出口部分以及在出口部分处的至少一个熔融聚合物出口喷嘴，并且穿过熔体纺丝设备轴向定位，所述喷丝头具有围绕熔融聚合物供给管的出口部分并与熔融聚合物供给管的出口部分流体连通的内纺丝表面进口部分。本专利技术的另一个实施方案是收集包含聚烯烃的纳米纤维，这些纳米纤维具有小于约500nm的平均纤维直径。附图说明图1为适用于形成根据本专利技术的熔纺纳米纤维的熔体纺丝设备的断面剖视图。图2为本专利技术的熔体纺丝设备的纤维纺丝与形成区域内所需温度特征图的例示。图3A为根据本专利技术的熔融聚合物分配盘的断面侧视图，图3B为其顶视图。图4A为得自实施例1的聚丙烯(PP)纤维的扫描电子显微照片。图4B为实施例1的纤维直径的直方图。图5A为得自实施例2的聚丙烯纤维的扫描电子显微照片。图5B为实施例2的纤维直径的直方图。图6A为得自实施例3的聚丙烯纤维的扫描电子显微照片。图6B为实施例3的纤维直径的直方图。图7A为得自实施例4的聚丙烯纤维的扫描电子显微照片。图7B为实施例4的纤维直径的直方图。图8A为得自实施例5的聚乙烯纤维的扫描电子显微照片。图8B为实施例5的纤维直径的直方图。具体实施方式在传统离心式纤维纺丝工艺中，有两种类型的喷丝头。基于毛细管的纺丝使用具有侧喷嘴孔的转子。将聚合物熔体经侧喷嘴孔挤出，通过离心式拉伸来形成大直径纤维，例如美国专利4,937,020中所公开的。基于毛细管的传统离心式纺丝与本专利技术的情况不相关。另一种是使用锥形盘作为转子的基于薄膜分裂的纺丝，例如美国专利2,433,000中所公开的。聚合物熔体或溶液直接或者经分配盘底部的喷嘴孔流到锥形盘表面上。基于薄膜分裂的传统离心式纺丝与本专利技术的关系更加密切。对基于薄膜分裂的传统离心式纺丝而言，大直径纤维由具有约3至4密耳厚度的离散厚熔膜或不均匀的厚熔膜分裂所形成。还没有关于使用这种传统离心式纤维纺丝工艺来形成纳米纤维的报道。相反，根据本专利技术，纳米纤维可由在分配盘的内表面上充分展开并在低微米级范围内具有典型薄膜厚度的薄熔膜，通过旋转分配盘(例如钟形杯)的前排放边缘处的薄膜分裂而形成。对传统离心式纺丝中的薄膜分裂而言，聚合物粘度比本专利技术中的聚合物粘度相对更高。粘度越高，所形成的纤维越大。在本专利技术中，如果聚合物具有足够低的熔体粘度，则可在无任何流变改性的情况下将纺丝熔体纺织成纳米纤维。作为另外一种选择，为了有助于极高粘度的熔体纺丝，可将纺丝聚合物塑化、水解或换句话讲裂解以降低粘度。一般来讲，具有介于约1,000cP至约100,000cP之间的粘度、甚至介于约1,000cP至约50,000cP之间的粘度的纺丝熔体是适用的。在本专利技术的一个可供选择的实施方案中，旋转分配盘下游布置了另外的固定盘或“剪切”盘，聚合物熔体经旋转分配盘与剪切盘之间的间隙流出，在此间隙中对聚合物熔体所施加的剪切引起剪切致稀。剪切盘还可充当熔体分配盘，有助于在旋转聚合物分配盘的内表面上形成更加均匀并且充分展开的薄熔膜。根据本专利技术，纺丝熔体包含至少一种聚合物。任何可熔纺的、形成纤维的聚合物均可使用。合适的聚合物包括含有聚烯烃的热塑性材料，例如聚乙烯聚合物和共聚物、聚丙烯聚合物和共聚物；聚酯和共聚酯，例如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、生物聚酯、热致液晶聚合物和PET共聚酯；聚酰胺(尼龙)；聚芳酰胺；聚碳酸酯；丙烯酸类和甲基丙烯酸类，例如聚(甲基)丙烯酸酯；聚苯乙烯基聚合物和共聚物；纤维素酯；热塑性纤维素；纤维质；丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)树脂；缩醛；氯化聚醚；氟聚合物，例如聚三氟氯乙烯(CTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)；以及聚偏氟乙烯(PVDF)；乙烯基聚合物；可生物降解的聚合物，生物基聚合物，双组分聚合物和共混物；嵌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2007.03.29 US 60/9211351.用于制备聚合物纳米纤维的熔体纺丝设备，所述设备包括：熔融聚合物供给管，所述熔融聚合物供给管具有进口部分和出口部分以及在所述出口部分处的至少一个熔融聚合物出口喷嘴，所述供给管穿过所述熔体纺丝设备沿轴向定位；包括可旋转的熔融聚合物分配盘的喷丝头，所述喷丝头具有围绕所述熔融聚合物供给管的出口部分并与所述熔融聚合物供给管的出口部分流体连通的内纺丝表面进口部分、和前表面排放边缘部分；和针对所述可旋转的熔融聚合物分配盘的间接加热源，其中分配盘具有平坦的内纺丝表面，该表面垂直于分配盘旋转轴并且前表面排放边缘与所述内纺丝表面之间的角度为0度，或者分配盘具有凹形的内纺丝表面，其中凹形的表面指的是分配盘的内纺丝表面的横截面是弯曲的，并且其中所述设备还包括固定剪切盘，所述固定剪切盘与所述熔融聚合物供给管的出口部分成环形设置并且平行于所述可旋转的熔融聚合物分配盘的表面并且通过间隙与所述可旋转的熔融聚合物分配盘的表面分开。2.权利要求1的熔体纺丝...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄滔，L·R·马沙尔，J·E·阿曼特鲁特，S·耶姆布里克，W·H·敦，J·M·奥康诺尔，T·米勒，M·阿夫古斯蒂，M·D·韦策尔，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：