CN101189368A - 用于从聚合物溶液中通过静电纺纱生产纳米纤维的方法和装置 - Google Patents

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CN101189368A CNA2006800199610A CN200680019961A CN101189368A CN 101189368 A CN101189368 A CN 101189368A CN A2006800199610 A CNA2006800199610 A CN A2006800199610A CN 200680019961 A CN200680019961 A CN 200680019961A CN 101189368 A CN101189368 A CN 101189368A
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L·马雷斯
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Abstract

本发明涉及一种通过在电场中进行静电纺纱从聚合物溶液中生产纳米纤维方法，该电场由集电极(4)和可枢轴旋转的、长形形状的纺纱电极(1)之间的电势差产生，而该纺纱电极(1)的部分回路接触聚合物溶液(3)，当纺纱电极(1)旋转时，聚合物溶液(3)被纺纱电极的至少一部分表面带出并进入电场，在电场中且在集电极(4)的表面上产生纳米纤维，而纳米纤维被带向集电极(4)并沉积在集电极(4)附近的基本材料(5)的表面上，基本材料在纺纱电极(1)和集电极(4)之间受引导。聚合物溶液(3)，在纺纱电极(1)的表面上并且在纺纱电极(1)表面与被纺纱电极(1)的轴线穿过且垂直于基本材料(5)平面的平面的交接处，沿纺纱电极(1)的整个长度暴露在最大场强且等场强的电场中，由此沿纺纱电极(1)的整个长度获得高的且均匀的纺纱效果。本发明还涉及一种用于通过静电纺纱从聚合物溶液中生产纳米纤维的装置。

Description

用于从聚合物溶液中通过静电纺纱生产纳米纤维的方法和装置
技术领域
本发明涉及通过在电场中进行静电纺纱(electrostatic spinning)从聚合物溶液中生产纳米纤维的方法，该电场由集电极(collectingelectrode)和可枢轴旋转的且为长形形状的纺纱电极之间的电势差产生，而该纺纱电极的部分回路接触聚合物溶液，当纺纱电极旋转时，聚合物溶液被它的一部分表面带出并进入电场，在电场中并在集电极的表面上产生了纳米纤维，纳米纤维被带向集电极并沉积在集电极附近的基本材料(basic material)的表面上，基本材料在纺纱电极和集电极之间受引导。
本发明还涉及用于通过在电场中进行静电纺纱从聚合物溶液中生产纳米纤维的装置，该电场由集电极和可枢轴旋转的且为长形形状的纺纱电极之间的电势差产生，而该纺纱电极联接有驱动器，且其至少一部分表面接触聚合物溶液，目的在于将聚合物溶液由这些表面部分带入纺纱电极和集电极之间的电场中，而在纺纱电极和集电极之间产生用于基本材料通道的轨道，其基本材料的来自纺纱电极一侧的表面用于沉积所产生的纳米纤维。
背景技术
纳米纤维由宽范围的聚合物和聚合物化合物来制备，这可以来自水或非水溶剂的溶液。各种低分子添加物不可以或不需要(如该需要可能是的那样)添加到溶液中，它们在添加了之后调节正在纺织的溶液的一些重要物理特性或者是它们在合成的聚合物中带来新的化学、物理、生物或其它特性。同时，纳米纤维还可以从聚合物的熔融物中制备，但是不同于基本上相似的产生聚合熔融物的过程，由于溶液与熔融物相比的低粘性，在处理溶液的过程中可以获得更小直径的纤维。为形成溶液，使用了流动的气体媒介的机械力，或静电场中的库仑力，也就是所谓的静电纺纱，其带来更小直径的纤维。
在专利US 6382526和US 6520425中举了从聚合物溶液通过气流制备纳米纤维的示例。由这种技术所生产的纳米纤维的直径为200至3000纳米。
在专利申请WO 0127365、WO 0250346、US 2002/0175449A1、US 2002/084178A1和WO 2005/024101A1中，介绍了从由平均场强为50000至500000V/m静电场作用的聚合物溶液中制备纳米纤维的示例。前四个所提申请中的方案部分类似于使用气流机械力的专利中所引用的方案。此外，具有圆形截面且内直径0.5到1.5mm的喷嘴，其上还施加有直流电压。在喷出聚合物溶液的喷嘴的反面，放置了大部分接地电极(集电极)。这样的设置导致细的进一步分裂的聚合物溶液束的拉伸，最终提供了纳米纤维。该方法的最大问题在于产量低。在一个纺纱喷嘴上，一小时产生0.1到1克的聚合物，这从工业使用的角度来说，从这些溶液中生产纳米纤维是相当有问题的。为提高产量，并且改善施加到集电极或接地极各层的均匀性，建立了一组固定的或移动的喷嘴，其中接地极放置在喷嘴和集电极之间、集电极附近。令人遗憾的是，喷嘴的数量不可以无限地增加，并且各喷嘴之间的距离也有限制(这由电场本身决定)，因此，考虑到产量，即使该方案也不足以成为决定性的因素。不仅如此，还有更多基于基本物理定律的限制，例如不可能在纺纱空间内的气体的特定电介强度界限之上增加张力、使电极距离成比例增加的不现世性等。
文献GB 1346231中公开了用于聚合物溶液的静电纺纱的装置，其包含有环形纺纱电极，该电极可枢轴旋转地安装在竖直平板上，平板的下部处于聚合物溶液中，而上部位于两个竖直安装的集电极之间。溶液通过纺纱电极环的表面进行纺纱，同时纺纱过程还发生在位于就位的集电极之间的环形纺纱电极的上部，其尽可能接近这些平的电极。该装置很难用在工业中，因为太复杂、不能多产并且可能的纤维层会具有不规则的厚度和结构，最终导致静电纺纱所产生的非编织织物也具有厚度和结构。
而且，根据文献EP 1059106A2的解决方案，其介绍了一种用于把溶液或聚合物熔融物改变为纤维性结构的装置，该装置包含平面的集电极和纺纱电极，两电极之间产生电场。纺纱电极用于把溶液或聚合物熔融物(下文仅称为溶液)传入电场，同时重要的是，足够高曲率的聚合物溶液的各层在其上面产生，在其上电场电荷被集中，使得纳米纤维从溶液层或熔融物中产生。产生的纳米纤维通过库仑力的作用被带到集电极。在所介绍的变型中的一个内，纺纱电极通过周边上设有凸起物的可枢轴旋转的圆盘形成，而圆盘周边的一部分浸在聚合物溶液中，并把流体聚合物带出到电场。圆盘表面可以用聚合物溶液弄湿，使得其上产生附层。一旦圆盘旋转，每个凸起物都逐渐地由聚合物溶液层覆盖，其逐渐获得电极电荷，这意味着是负的，并且由于高曲率，纳米纤维产生在其上。没有消耗掉的聚合物溶液回到容器中。圆盘设置成其旋转轴线平行于底基织物的移动方向。该方案的缺点在于效率不高，因为只有小质量的易于纺纱的聚合物溶液渗透在静电场内，并且只有小部分转换成织物。另一缺点在于纳米纤维层沿宽度的厚度不规则。
还描述了较大质量圆盘的倾斜框架，圆盘在圆周上设有凸起物，其可以放置在朝向放电电极的倾斜位置。根据该发明，如果圆盘核心由绝缘材料制成，将有利于防止双重电场的影响。该方案的优点在于，纤维层在基本材料上的附着更加均匀。该方案由于歪斜放置的圆盘的旋转式驱动而非常复杂，并且所附纳米纤维层的均匀度的增加只能发生在基本材料的移动方向，并且在基本材料宽度方向上不能认为是均匀的。
其它的实施方案介绍了显示在图14中的圆盘，其圆周上生成有成形的凸起物，并且凸起物之下生成有用于聚合物溶液的收集空穴，以促进聚合物溶液质量的定量，而且其优点在于每次带入静电场用来纺纱的聚合物溶液的质量都相等。该方案的缺点在于纺纱发生在电荷最集中的、凸起物的峰部，而收集空穴设置在比凸起物峰部更小的直径上，因此把量好质量的聚合物溶液传输到相应的峰部会很复杂。而且，在圆盘的旋转方向上，即图14的箭头所示的方向上，没有聚合物溶液进入收集空穴(151)，溶液只能向下流入空穴，这使得溶液粘在凸起物表面上(在其向上旋转时)。同时，也不可能总是把相同质量的聚合物溶液配量到收集空穴中。
在专利文献WO 2005/024101 A1中所示的技术试图成功地解决产量的难题和上述各方案的其它问题。在这种情况下纺纱电极产生为圆柱状的电极，该电极围绕其主轴线旋转，并且表面的下部浸在聚合物溶液中。圆柱轴线定位在与基本材料平面平行的平面上，并且垂直于基本材料的运动方向。在圆柱表面上实现了薄层，在产生所谓泰勒(Taylor)锥的同时，上述的溶液束被从中吸出，然后形成在集电的反相电极上或合适的基底层(其前方的纳米纤维层)上。所述技术对于水基聚合物溶液工作地非常好。但并没有解决非水基溶液的纺纱问题。这关系到水基和非水基溶液的基本的不同特性，其首先由小水分子内的强偶极矩带来。这预先确定了水基和非水基聚合物溶液从外电场的影响上看的总体的不同特性。而且，在水基聚合物溶液中，所产生的纳米纤维层沿整个纺纱电极的长度也是不完全均匀的。
从上文可以明显看出，现在所设计的用来制备优质纳米纤维和纳米纤维层的装置总是一对处在不同电势上的电极。不夸张地说，电极及其结构是整个装置的核心，并以决定性的方式提前决定了整个装置在生产纳米纤维中的成败。
本发明的目的在于，提供一种方法和装置，其在工业上能够实现非水基聚合物溶液在溶剂中的纺纱，并且还获得很高的纺纱产出，而且在水基和非水基的聚合物溶液中进一步提高了产生的纳米纤维层的均匀度。
发明原理
本发明的目的已经由根据本发明的通过在电场中进行静电纺纱从聚合物溶液中生产纳米纤维的方法而实现，其原理在于，在纺纱电极表面上的聚合物溶液，在纺纱电极表面与被纺纱电极轴线穿过且垂直于基本材料平面的平面的交点处，沿整个纺纱电极的长度都暴露在场强最大且均匀的电场中，由此沿纺纱电极的整个长度获得同等且均匀的纺纱效果，因此沉积在基本材料上的纳米纤维层厚度也变得均匀。
如果聚合物溶液以大量相同批次形式带入电场则这会是有利的，而这些批次互相划分开，且围绕圆形轨道在电场中移动，而批次的共有位置并不改变，且这些批次设置成一组批次，该组批次沿纺纱电极的长度，在穿过纺纱电极轴线且垂直于基本材料平面的平面内，相对于集电极在纺纱电极和集电极之间电场的最高场强等势线上延伸。把聚合物溶液分配成批次，且每个批次都在其尽可能接近集电极时放置在电场的最高场强处。
有利地，运输彼此划分开的聚合物溶液批次的方向与基本材料的移动方向反向，由此获得更均匀的纳米纤维层。
用于通过在电场中进行静电纺纱从聚合物溶液中生产纳米纤维的装置的原理在于，用于把聚合物溶液带入电场的纺纱电极的表面各部分的附着表面(coating surface)，位于穿过纺纱电极轴线且垂直于基本材料平面的平面内，形状通过具有最高场强的纺纱电极和集电极之间的电场的等势线产生。
如果附着表面被填充，则对于水基聚合物溶液的纺纱这就足够了，其使得这些装置的结构变得简单。
对于水基和非水基聚合物溶液的纺纱来说，纺纱电极包含由平的导电材料制成的波纹状薄片(lamella)的系统，其切向于波纹而朝着旋转轴线安装，同时在垂直于基本材料平面且穿过纺纱电极旋转轴线的平面内，在波纹状薄片的中央，它们具有纺纱电极和集电极之间的电场的最高场强的等势线的形状。这样的纺纱电极能够把足够量的聚合物溶液带入纺纱电极和集电极之间的电场中最合适的地方，并同时还产生良好的非水基聚合物溶液的纺纱。
同时，如果薄片在其外侧设有凸起物，则将是有利的，并且特别有利于纺纱的快速启动和纺纱过程的恒定保持。
纺纱电极包含薄片系统，薄片围绕纺纱电极的旋转轴线均匀地围绕其圆周沿径向和纵向设置，并且设有向外突出的尖端，当纺纱电极的尖端位于垂直于基本材料平面的平面内时，这些尖端的峰部(peak)位于纺纱电极和集电极之间的电场的最高场强的等势线上。
根据权利要求9，薄片由薄的导电材料制成，且和尖端及其峰部一起制成。该实施方案简单且没有大幅增加纺纱电极的价格。
同时，如果尖端峰部是弓形的或尖形的，则有利于启动纺纱过程。
根据权利要求12，薄片由平的导电材料制成，且沿向外的方向装备有结束于成形的峰部的且为矩形体的尖端。
根据权利要求13，这些尖端是圆柱形的，并且结束于成形的峰部。
根据权利要求14，成形的峰部由沿纺纱电极旋转方向定向的斜表面制成。
根据另一实施方案，成形的峰部由沿纺纱电极旋转方向定向的斜表面制成，而斜表面内生成有凹部用于测量一直以相同量所取的聚合物溶液，且用于把一批次聚合物溶液暴露到纺纱电极和集电极之间的电场的作用下。
根据权利要求16，成形的峰部由小的支座产生，支座有利地包括沿薄片长度方向定向的上部斜表面和朝向纺纱电极旋转方向定向的前部斜表面以及后部斜表面，且允许理想地把小支座上的聚合物溶液批次暴露到从各侧部均匀作用到溶液批次的电场的作用下。
为获得所生产纳米纤维层的更大宽度，至少两个并排的纺纱电极设置在一个轴线上。
为获得所生产纳米纤维层的更大厚度，纺纱电极设置成至少两个在朝向基本材料的移动方向上相继。
为获得所生产纳米纤维层的大宽度，纺纱电极设置成至少两个并排地位于一条轴线上且至少相继地位于两行内，而下一行纺纱电极位于上一行纺纱电极之间的空隙处。
同时，各行纺纱电极放置成垂直于基本材料的移动方向，或放置成相对于基本材料的移动方向而倾斜。
附图说明
根据本发明的装置实施方案的示例示意性地显示在附图中，其中：
图1显示了带有薄片状纺纱电极的装置的横截面，而薄片设有带有成形峰部的尖端，
图2显示了带有纺纱电极的装置的纵截面，而纺纱电极带有填充的附着表面，
图3a和图3b显示了带有平薄片的薄片状纺纱电极的视图，
图4a和4b是波浪状薄片状纺纱电极的视图，
图5a是带有薄片的薄片状纺纱电极视图，而薄片装备有圆柱形的带有成形峰部的尖端，
图5b是带有尖端的薄片的视图，尖端设置成具有公共间隔，
图6薄片状纺纱电极的视图，而薄片设有矩形体的尖端，
图7a是薄片状纺纱电极的平薄片的成形峰部的细节视图，
图7b是薄片状纺纱电极尖端峰部的视图，其带有修改成凹痕状的简单斜表面，
图7c是薄片状纺纱电极尖端峰部的视图，其带有凹痕状的简单斜表面，
图7d是薄片状纺纱电极尖端峰部的视图，其带有小支座，
图8a是纺纱电极的串联设置，
图8b是纺纱电极的并联设置，
图8c纺纱电极的串联和并联相结合的设置，偏移了纺纱电极的一半长度，而
图8d是根据图8c的设置，其中纺纱电极旋转轴线的方向不同于基本材料的偏移方向。
实施例的示例
图1、图3至图7中显示了用于通过静电纺纱从聚合物溶液中生产纳米纤维的装置，其包括由薄片11产生的纺纱电极1，薄片11设置成沿径向和纵向围绕轴线12，其以已知的但未显示的方式可枢轴旋转地安装在设备的主体上。纺纱电极1的独立薄片11或整个纺纱电极1以已知的但未显示的方式与未显示的高压源或接地端连接。薄片11沿纺纱电极1的整个长度伸展，且均匀地围绕其圆周分布。在所示实施方案中，纺纱电极的轴线12由轴杆121产生，其以已知的但未显示的方式与保证其旋转运动的驱动器联接。
在纺纱电极1之下，放置了装有聚合物溶液3的容器2。纺纱电极1下部的薄片11浸在聚合物溶液3中。每个薄片都包括大量尖端111，在其端部产生有成形的峰部1111，峰部1111是聚合物溶液3的液滴31的携带表面，如图1所示。
在纺纱电极1之上设置了集电极4，其以已知的但未显示的方式连接到高压源上并与纺纱电极极性相反或连接到接地端上。纺纱电极的轴线12安装成与集电极4平行，相应地与集电极4的平面平行。集电极4和纺纱电极1之间，在对它们中的一个施加了高压电压而第二电极接地或第二电极连接到高压的相反极性上之后，产生强烈的电场，保证了Taylor锥在薄片11的尖端111的峰部1111上的形成，并把聚合物溶液3的束32从峰部1111的尖端111吸向集电极4。
在纺纱电极1和集电极4之间，通常在集电极4附近，存在着用于基本材料5的引导件，基本材料5由基底织物或根据所生产的、包括纳米纤维层的织物的使用要求的另一合适材料，或由纳米纤维层产生的织物而产生。在所示实施方案中，引导件包括两对滚筒，即引入滚筒61和传输滚筒62。基本材料也可以由安装在一对滚筒上的无限带状物(infinite band)产生，一对滚筒中至少一个是从动的，而纳米纤维层从无限带状物以已知的方式捡出，且沉积到包装中。基本材料5的移动方向通常与纺纱电极的1旋转方向一致。然而，为增加所附纳米纤维层33的均匀度，反转纺纱电极1的旋转方向并把纺纱电极1反向于基本材料5的运动方向而旋转会是有利的。
成形的峰部1111由小的表面产生，这些表面形成用来在通过薄片11把聚合物溶液从容器取出之后优化在成形峰部上的聚合物溶液3的液滴31在电场中的形状。每个这样的液滴31都代表一批次带入电场用于纺纱的聚合物溶液3。
图2显示了根据本发明、用于通过静电纺纱从水基聚合物溶液生产纳米纤维的装置的备选实施方案。在这种情况下，当与文献WO2005/024101A1比较时，产生纺纱电极1的圆柱形主体形成在穿过纺纱电极1的旋转轴线12且垂直于基本材料平面5的平面内，形成为用于所选电场电势的最高场强的纺纱电极1和集电极3之间的电场的等势线的形状。纺纱电极1的附着表面被填充，并且不由设置成沿纺纱电极1的长度的薄片产生，如上述实施方案。在根据图2的纺纱电极1的实施方案中，有可能例如以套管(collar)或尖端形式的径向的凸起物(如文献WO 2005/024101A1中的螺旋的或沿轴向的凸起物)而形成外表面的形状。
在其它未显示的备选实施方案中，为了(特别是从水基聚合物溶液中)生产纳米纤维，纺纱电极可以产生为轮式系统，其设置成同轴并排地位于公用轴杆上，而该系统的附着表面位于穿过纺纱电极轴线并垂直于基本材料平面的平面内、由用于所选电场电势的最高场强的纺纱电极1和集电极3之间的电场的等势线产生。同时轮可以设置成紧密并排的或带有一定间隔的形式，并可以在其圆周上设有各种形状的凸起物。
用于对来自非水基和水基溶液的聚合物进行纺纱的纺纱电极1的实施方案大致地显示在图3a中，而图3b中是其部分电极的细节。纺纱电极1包括轴杆12，在其上附有端面(face)122，而端面122内以沿径向的方式安装有平的长形薄片11，在薄片11上形成有向外突出的平的尖端111，尖端111结束于成形的峰部1111。峰部1111为弓形的。独立薄片11的尖端111具有不同的长度，而它们的附着曲线是电场的等势线，电场位于纺纱电极1和集电极4之间的、在穿过纺纱电极的轴线12且垂直于基本材料平面5的平面内。
用于对来自非水基和水基溶液的聚合物进行纺纱的纺纱电极1的实施方案的另一示例显示在图4a中，视角为对着电极轴线，而图4b显示了薄片相对于轴杆的设置，视角为三向投影视角。在该实施方案中，薄片11由波纹状平的导电材料产生，且其端部安装在附接到轴杆121上的端面122内。同时相对于轴杆121，薄片11安装成与波纹成切向的方式。薄片蛇形(serpentine)11的薄表面指向从纺纱电极1向外的方向，其在垂直于基本材料平面且穿过波浪状薄片11的中心的平面内的径向方向上形成为用于所选电场(纺纱电极1和集电极4之间产生的)电势的最高场强的等势线的形状。在未显示的实施方案示例中，独立的薄片11在其外侧设有凸起物。
根据图5a的实施方案示例显示了用于对来自非水基和水基溶液3的聚合物进行纺纱的纺纱电极1，其包括附接在轴杆121上的端面122，端面122之间是以沿径向地方式安装的薄片11，薄片11设有指向外的尖端111，尖端111结束于成形的峰部1111。当纺纱电极的尖端111位于垂直于基本材料平面5的平面内时，薄片尖端的峰部1111的附着曲线代表纺纱电极1和集电极4之间产生的电场的最高场强的等势线。
在根据图5a的实施方案中，尖端111为圆柱形的形状，其设置成紧密并排的形式，其成形的峰部1111(在图7c中以细节形式显示)包括斜表面1111a，其中存在凹部1111b，而凹部在有利的情况下是球形或者锥形的。纺纱电极的薄片成形的峰部111在其它实施方案中通过斜表面1111a产生(仅如图7b所示)，或由小支座1111c产生(如图7d所示)。小支座包括沿薄片11的长度方向定向的上部斜表面S1、相对于纺纱电极旋转方向向前定向的前部斜表面S2和相对于纺纱电极旋转方向向后定向的后部斜表面S3。在未显示的实施方案中，小支座1111c的前部表面和下部表面可以由平的斜表面产生。在另一未显示的实施方案中，小支座1111c的上部斜表面内产生有凹部或凹痕(dimple)。
图5b显示了根据图5a的纺纱电极的的薄片实施方案示例，其中薄片11上的尖端111设置成带有一定间距。成形的峰部1111包括斜表面1111a，其中设有凹部1111b。薄片的尖端峰部1111的附着曲线代表纺纱电极1和集电极4之间产生的电场的等势线。
根据图6的纺纱电极包括具有一定厚度(与前述实施方案中的厚度相似)的平的薄片11，其安装在轴杆上且沿向外的方向设有矩形体的凸起物，凸起物设置成彼此分开，且在其端部有由斜表面1111a产生的成形峰部1111。薄片的成形峰部1111还可以由其它方式产生，特别是上述的方式，也即例如凹部1111b或小支座1111c产生。
为尽可能获得所生产的纳米纤维层33的更大宽度、更大均匀度和/或更大厚度，纺纱电极1可以设置成各种形式，如图8a到图8d所示。
在根据图8a的实施方案中，存在在一条轴线12上彼此隔开一定距离的至少两个纺纱电极1，在所示的实施方案示例中，存在三个纺纱电极1。纺纱电极1之间的距离选择成使得产生在基本材料5上的纳米纤维层33在电极之间是均匀的。
在根据图8b的实施方案中，三个电极1排成相继的三行1210、1220、1230沿基本材料5的移动方向而设置。该实施方案为获得更大厚度的层33而设计，且其必须包括位于相继的两行中的至少两个纺纱电极1。
为获得所生产的纳米纤维层33的更大宽度和更大均匀度，纺纱电极1设置成至少两个并排地在一条轴线12上且至少位于相继的两行中，而第二行1220的纺纱电极1位于第一行1210纺纱电极1的空隙之间。
在根据图8c的实施方案中，纺纱电极1的行1210、1220、1230和1240设置成垂直于基本材料5的移动方向。
纺纱电极1的行1210、1220、1230和1240设置成相对于基本材料5的移动方向而倾斜。
聚合物溶液3以限定的液滴的形式被带入在特定薄片11的尖端峰部111上的电场极部(electric field pole)，其径向地且纵向地沿旋转轴线12设置，在公用轴线上旋转。当其垂直于基本材料5的平面且穿过纺纱电极1的旋转轴线12的平面时，尖端111的高度保证这些尖端峰部1111位于电场等势线中。同时尖端111的峰部上的小表面，大约为1mm2，保证了电场在液滴处的局部性的增加，这提供了启动纺纱过程的最优条件。然后尖端111的峰部1111可以具有各种修改形式，这或多或少优化了液滴的形状。在最简单的设置中，它可以是水平表面1111a或凹部1111b，而在更复杂的变型中，例如小支座1111c中，其在使用上是非常有利的。小支座1111c保证了液滴以对称的方式暴露在电场中，而同时所储存的聚合物溶液3从峰部洗去经过处理的残留的聚合物溶液3。
如上所述，为启动纺纱过程，有必要使聚合物溶液3(优化地，其体积的一小部分)进入强电场。通过实验已经证明水基聚合物溶液3与非水基聚合物溶液3在使用电磁力纺纱的原理上有所不同。结果并非如此惊奇，因为水分子的小尺寸和强偶极矩使它在其它具有较大分子和较小或几乎没有偶极矩的普通溶剂中处于突出地位。而静态相对介电常数εr的值(水81，丙酮21.4，乙醇25.1等)更证明了水完全不同的特性。溶剂代表溶液中最主要的物质(一般为约80％重量)，并且基本上限定了聚合物溶液的特性。大部分或完全地由非极性分子产生的聚合物溶液比起包含大量极性分子的聚合物溶液会呈现出不同的朝向外部电场的取向。已知地，双极子类似于磁场中的磁针，在朝向外部电场时会有清晰的取向，也即双极子的矢量平行于电场的矢量。之前无序移动的分子，在溶液内被强迫成更加一致的内部设置。因此，水基聚合物溶液可以内部地分层为极性化的层，这最终导致强电场和液体整个表面的存在。来自几乎非极性或非极性溶剂的聚合物溶液实际上对外部电场免疫，且电场不影响分子的内部重新布置。在这样的聚合物溶液的表面上，并不产生强电场，相反地，初始电场还会减弱，且减弱的速度由流体主体的尺寸来规定(大表面和大厚度会显著地减弱电场强度)，而流体主体之后就扮演简单的绝缘器角色。因此，有必要通过其它方式保证电场的高强度，上述结构的纺纱电极1就用于此目的。薄片尖端的峰部1111形成为小的斑点(cca 1至4mm2)以确保粘在上面的液滴进入这样强度的电场，尤其是在液滴与薄片尖端111的边缘接触的位置(所谓的三角点，即三种不同电介质的接触点)，而因此开始产生Taylor锥，把成束的聚合物溶液3吸引到贴靠集电极4。Taylor锥是一般的效果，它们是作用力(聚合物溶液易于受到的那种作用力)的结果，并且一旦受到在作用区域矢量垂直于液体表面的切平面的外部力(此处为库仑力)的作用就会产生；并开始超过液体分子的内部一致性所产生的力及表面张力。
实际上所有非水基溶剂中的聚合物溶液都属于在电场环境中最不容易改变内部的聚合物溶液。需要指出，那种聚合物溶液本身必须符合更多的限定因素才可以启动纺纱过程，这些因素包括诸如由聚合物分子质量、浓度和温度给定的溶液粘性，聚合物类型、有无表面活性物质及合适的溶液导电率给定的合适的表面张力，如果需要，溶液导电率可以通过加入低分子电解液而增加。
易于纺纱的聚合物溶液3的数量会受纺纱电极1的尺寸影响，因此总体性能也会受纺纱电极1的尺寸影响。不过纺纱电极的尺寸并不成正比地影响性能，这甚至导致，从纺纱电极3的一定长度开始，再继续增加长度就会明显地不利，因为对于纺纱电极的长度单元来说，其性能基本上降低而同时非均匀度增加。这是由关于电场的普通物理定律而限定的。解决方案是对大量“较小”纺纱电极进行各种结合，当独立的纺纱电极1并联或串联地或串并结合地设置时，而同时纺纱电极1的主轴线12在连续的生产系统中不需要垂直于基本材料5的移动方向。不仅如此，纺纱电极在并联设置中可以朝向彼此偏移半个长度，这进一步有利于所附纳米纤维层33的均匀度。最终的设置总是由机器的相应性能需求来给定(宽度和速度)。
另一处修改在于，纺纱电极1相对于基本材料5的运动在连续过程中的旋转。在某些聚合物溶液3中，可能出现以对角差分的形式存在于附在偏移的基本材料5上的纳米纤维层33中的不均匀度，这是由于该过程是逐渐启动的且与每个薄片11都分开的。有效的补偿是纺纱电极1的旋转方向和速度。在是速度的情况下，如果纺纱电极1旋转的圆周速度大于基本材料5移动速度的15倍到20倍，将是最优的情况。不仅如此，重要的是纺纱电极1相对于基本材料5移动方向的旋转方向。纺纱电极朝向基本材料5移动的反旋带来更均匀的结果，而旋转速度与非反旋时相比，并不需要超过基本材料5的移动速度很多。
另外的修改在于，本发明可以在电极上施加各种电压值。有利地，产生需要的电势，使得相反极性的电压施加在两个电极上(纺纱电极和集电极)。比起仅施加电压在一个电极(通常是纺纱电极)上而第二电极(集电极)置为零电势，可以更好地限定并控制电场。零电势，特别是集电极上的零电势，会带来大量的缺陷，因为在纺纱区域也即纺纱电极附近，安装有装置的其它部分，其也是零电势并可能以不可限定的方式调整电场，并把得到的纤维带入不希望的地方。由于由聚合物溶液的带电物质传输的小电流(约数百μA)，电流回路甚至可以不管其它情况下需要考虑的绝缘体(如装置的塑料部分等)而闭合。该由集电极上的相反电势而移除，由此电极对于易于纺纱材料来说“变得可见”。纳米纤维对基本材料5的更多可限定的影响产生了这种变化的最终结果。
示例1
根据图3的薄片状纺纱电极在盛有聚酰胺PA612的酸溶液(浓度20％重量，Mr 2800g/mol)容器中旋转。薄片浸入成只有尖端的斑点(spot)浸在溶液中。电极以反旋方式朝向非导电纺粘基底织物的移动而旋转。
实用性
根据本发明的方法和装置可应用于制备纳米纤维层，特别是从具有直径为100到500纳米的纳米纤维的可溶于非水基的溶剂的聚合物中制备，但也可用于来自水基溶液的聚合物的纺纱。这些层可以用于作为蓄电池隔板的过滤结构、产生特定的合成物、生产保护性衣服、医疗和其它领域。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 一种从聚合物溶液(3)中通过在电场中进行静电纺纱生产纳米纤维的方法，所述电场由集电极(4)和可枢轴旋转的长形形状的纺纱电极(1)之间的电势差产生，所述纺纱电极(1)的回路的一部分接触所述聚合物溶液(3)，而通过所述纺纱电极(1)的旋转，所述聚合物溶液(3)至少被所述纺纱电极(1)的一部分表面带出并进入所述电场，在所述电场中在所述集电极(4)的表面产生所述纳米纤维，所述纳米纤维被带向所述集电极(3)并沉积在基本材料(5)的表面上，所述基本材料(5)在所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间且在所述集电极(3)附近的地方受引导，其特征在于，在所述纺纱电极(1)的表面上的所述聚合物溶液(3)，在所述纺纱电极(1)的表面与被所述纺纱电极(1)的轴线穿过且垂直于所述基本材料(5)的平面的平面的交接处，沿所述纺纱电极(1)的整个长度都遭受到具有最大场强和均匀场强的电场，由此沿所述纺纱电极(1)的整个长度获得高的且均匀的纺纱效果。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物溶液以大量相同的批次被带入所述电场，所述批次彼此划分开，且围绕所述电场内的圆形轨道移动，而批次的共有位置不变，且所述批次设置成批次组，这些批次组沿所述纺纱电极(1)的长度，在穿过所述纺纱电极(1)的轴线且垂直于所述基本材料(5)的平面的平面内，相对于所述集电极(3)而落在所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间电场的最高场强的等势线上。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，彼此划分开的所述聚合物溶液(3)批次的带出方向与所述基本材料(5)的移动方向反向。
4. 一种用于通过在电场中进行静电纺纱从聚合物溶液(3)中生产纳米纤维的装置，所述电场由集电极(4)和可枢轴旋转的纺纱电极(1)之间的电势差产生，所述纺纱电极是长形形状的且与驱动器联接，并且其表面的至少一部分与所述聚合物溶液(3)接触，且目的在于把所述聚合物溶液通过这些表面部分带出而进入所述纺纱电极(1)和所述集电极(4)之间的电场，而在所述纺纱电极和所述集电极之间产生了用于基本材料(5)的通道的轨道，所述基本材料在所述纺纱电极(1)一侧的表面用于沉积所产生的纳米纤维，其特征在于，用于把所述聚合物溶液(3)带出而进入所述电场的所述纺纱电极(1)的表面部分具有附着表面，所述附着表面位于穿过所述纺纱电极的轴线(12)且垂直于所述基本材料(5)的平面的平面内，其形状通过所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间的电场的具有最高场强的等势线产生。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述附着表面是被填充的。
6. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述纺纱电极(1)包括波纹状薄片(11)的系统，所述薄片由平的导电材料制成，其与它的波纹相切地朝向所述旋转轴线安装，同时，在垂直于所述基本材料(5)的平面且穿过所述纺纱电极的旋转轴线的平面内并在所述波纹状薄片(11)的中心，所述波纹状薄片(11)具有在所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间的电场的最高场强的等势线的形状。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述薄片(11)在外侧设有凸起物。
8. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述纺纱电极(1)包括薄片系统(11)，所述薄片设置成沿径向和纵向围绕所述纺纱电极(1)的旋转轴线(12)且均匀地围绕其圆周，并设有向外突出的尖端(111)，而在当所述纺纱电极的所述尖端(111)位于垂直于所述基本材料(5)的平面的平面时的位置处，这些尖端的所述峰部(1111)处在所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间电场的最高场强的等势线上。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述薄片(11)由薄的导电材料与所述尖端(111)及其峰部一起制成。
10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述尖端峰部(111)是弓形的。
11. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述尖端峰部(111)是尖形的。
12. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述薄片(11)由平的导电材料制成，且在向外的方向装备有矩形体的尖端(111)，其结束于成形的峰部(1111)。
13. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述尖端(111)是圆柱形的，且结束于成形的峰部(1111)。
14. 根据权利要求8、12或13中任一项所述的装置，其特征在于，所述成形的峰部(1111)由沿所述纺纱电极(1)的旋转方向定向的斜表面(1111a)制成。
15. 根据权利要求8、12或13中任一项所述的装置，其特征在于，所述成形的峰部(1111)由沿所述纺纱电极(1)的旋转方向定向的斜表面(1111a)制成，而所述斜表面内存在凹部(1111b)。
16. 根据权利要求8、12或13中任一项所述的装置，其特征在于，所述成形的峰部(1111)由小支座(1111c)产生。
17. 根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述小支座(1111c)包括向所述薄片长度方向(11)定向的上部斜表面(S1)和朝向所述纺纱电极(1)的旋转方向定向的前部斜表面(S2)以及后部斜表面(S3)。

Claims (22)

1.一种从聚合物溶液(3)中通过在电场中进行静电纺纱生产纳米纤维的方法，所述电场由集电极(4)和可枢轴旋转的长形形状的纺纱电极(1)之间的电势差产生，所述纺纱电极(1)的回路的一部分接触所述聚合物溶液(3)，而通过所述纺纱电极(1)的旋转，所述聚合物溶液(3)至少被所述纺纱电极(1)的一部分表面带出并进入所述电场，在所述电场中在所述集电极(4)的表面产生所述纳米纤维，所述纳米纤维被带向所述集电极(3)并沉积在基本材料(5)的表面上，所述基本材料(5)在所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间且在所述集电极(3)附近的地方受引导，其特征在于，在所述纺纱电极(1)的表面上的所述聚合物溶液(3)，在所述纺纱电极(1)的表面与被所述纺纱电极(1)的轴线穿过且垂直于所述基本材料(5)的平面的平面的交接处，沿所述纺纱电极(1)的整个长度都遭受到具有最大场强和均匀场强的电场，由此沿所述纺纱电极(1)的整个长度获得高的且均匀的纺纱效果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物溶液以大量相同的批次被带入所述电场，所述批次彼此划分开，且围绕所述电场内的圆形轨道移动，而批次的共有位置不变，且所述批次设置成批次组，这些批次组沿所述纺纱电极(1)的长度，在穿过所述纺纱电极(1)的轴线且垂直于所述基本材料(5)的平面的平面内，相对于所述集电极(3)而落在所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间电场的最高场强的等势线上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，彼此划分开的所述聚合物溶液(3)批次的带出方向与所述基本材料(5)的移动方向反向。
4.一种用于通过在电场中进行静电纺纱从聚合物溶液中生产纳米纤维的装置，所述电场由集电极和可枢轴旋转的纺纱电极之间的电势差产生，所述纺纱电极是长形形状的且与驱动器联接，并且其表面的至少一部分与所述聚合物溶液接触，且目的在于把所述聚合物溶液通过这些表面部分带出而进入所述纺纱电极和所述集电极之间的电场，而在所述纺纱电极和所述集电极之间产生了用于基本材料的通道的轨道，所述基本材料在来自所述纺纱电极一侧的表面用于沉积所产生的纳米纤维，其特征在于，用于把所述聚合物溶液(3)带出而进入所述电场的所述纺纱电极(1)的表面部分的附着表面，位于穿过所述纺纱电极的轴线(12)且垂直于所述基本材料(5)的平面的平面内，其形状通过具有最高场强的所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间的电场的等势线产生。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述附着表面是被填充的。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述纺纱电极(1)包括波纹状薄片(11)的系统，所述薄片由平的导电材料制成，其与它的波纹相切地朝向所述旋转轴线安装，同时，在垂直于所述基本材料(5)的平面且穿过所述纺纱电极的旋转轴线的平面内并在所述波纹状薄片(11)的中心，所述波纹状薄片(11)具有在所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间的电场的最高场强的等势线的形状。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述薄片(11)在外侧设有凸起物。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述纺纱电极(1)包括薄片系统(11)，所述薄片设置成沿径向和纵向围绕所述纺纱电极(1)的旋转轴线(12)且均匀地围绕其圆周，并设有向外突出的尖端(111)，而在当所述纺纱电极的所述尖端(111)位于垂直于所述基本材料(5)的平面的平面时的位置处，这些尖端的所述峰部(1111)处在所述纺纱电极(1)和所述集电极(3)之间电场的最高场强的等势线上。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述薄片(11)由薄的导电材料与所述尖端(111)及其峰部一起制成。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述尖端峰部(111)是弓形的。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述尖端峰部(111)是尖形的。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述薄片(11)由平的导电材料制成，且在向外的方向装备有矩形体的尖端(111)，其结束于成形的峰部(1111)。
13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述尖端(111)是圆柱形的，且结束于成形的峰部(1111)。
14.根据权利要求8、12或13中任一项所述的装置，其特征在于，所述成形的峰部(1111)由沿所述纺纱电极(1)的旋转方向定向的斜表面(1111a)制成。
15.根据权利要求8、12或13中任一项所述的装置，其特征在于，所述成形的峰部(1111)由沿所述纺纱电极(1)的旋转方向定向的斜表面(1111a)制成，而所述斜表面内存在凹部(1111b)。
16.根据权利要求8、12或13中任一项所述的装置，其特征在于，所述成形的峰部(1111)由小支座(1111c)产生。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述小支座(1111c)包括向所述薄片长度方向(11)定向的上部斜表面(S1)和朝向所述纺纱电极(1)的旋转方向定向的前部斜表面(S2)以及后部斜表面(S3)。
18.根据权利要求4至17中任一项所述的装置，其特征在于，所述纺纱电极(1)设置成至少两个并排地位于一条轴线(12)上。
19.根据权利要求4至17中任一项所述的装置，其特征在于，所述纺纱电极(1)设置成至少两个相继地朝向所述基本材料(5)的移动方向。
20.根据权利要求4至1 7中任一项所述的装置，其特征在于，所述纺纱电极(1)设置成至少两个并排地位于一条轴线(12)上且至少位于相继的两行内，而下一行的纺纱电极(1)位于上一行纺纱电极(1)的空隙之间。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述纺纱电极(1)的行定位成垂直于所述基本材料(5)的移动方向。
22.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述纺纱电极(1)的行定位成相对于所述基本材料(5)的移动方向歪斜。
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