CN101589182B - 纱线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种由多条纳米纤维纺织成的纱线，其特征在于，纳米纤维中的至少一部分被出现在预定距离的褶皱所折叠，该预定距离是具体间隔的整数倍。通过将纳米纤维纺织在多个移动导电带上而产生该褶皱，导电带相对于其运动方向倾斜。还提供了一种用于生产这种纱线的方法和设备。

Description

纱线及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种由静电纺织纤维(spun fibres)制成的纱线，以及制造这种纱线的方法。

背景技术

美国专利692,631中最先描述了纤维的静电纺织。原则上，一滴聚合物溶液或融化体(melt)放置在高电场中。该液滴中感应的相同电荷之间的互斥作用与液体的表面张力相抗衡，并且当施加足够强的电场(典型地，0.5-4kV/cm)时，静电力克服液体的表面张力，且聚合物溶液或融化体的射流从液滴喷射出。静电不稳定性导致喷射的快速且混乱的振荡，并进而导致溶剂的快速蒸发以及落在后面的聚合物纤维的拉伸和变细。然后，所形成的纤维典型地以非织造纤维网的形式被收集在反电极上。所收集的纤维通常非常均匀，并能够具有若干微米的纤维直径，向下低至5nm。

纳米纤维材料的三个使其非常适于多种应用的固有特性是其高比表面积(表面积/单位质量)，高纵横比(长度/直径)及其仿生能力。这些特性导致静电纺织纤维(electrospun fibres)潜在地应用在诸如高性能过滤器、吸收性纺织品、纤维增强复合材料、用于创伤敷料和组织工程支架以及药物控释材料的生物医学纺织品、纳米和微电子器件、电磁屏蔽、光电器件和高性能电极、以及基于纳米纤维的传感器的不同领域中。

在很多这些应用中，静电纺织纤维的定线或受控定向很重要，并且，仅当在高生产率下获得纤维定向的充分控制时，产品的大规模商业应用才能够变得可行。在过去的几年中，世界范围的研究组将其注意力集中在获取连续单纳米纤维或单轴纤维束的纱线形式的静电纺织纤维方面。此研究的成功将允许用传统的纺织品制造方法(例如编织、针织和刺绣)制造纳米纤维。由此，这将不仅允许若干上述应用的重要的商业应用，也将打开许多其它激动人心的新应用的大门。将纳米纤维结合入传统的纺织品产生了一些机会。在第一个例子中，仅将传统织物中的纤维或纱线的一小部分替换成相似直径的纱线，但是现在由数千条纳米纤维组成，这能够在不增加其总质量的情况下显著地增加织物的韧性和比表面积。可替代地，甚至整个织物都能由纳米纤维纱线制成。这在经常需要能够抵抗极端温度、子弹、以及化学或生物制剂的轻质且透气织物的防护服应用中具有重要的作用。在审美的角度上，纳米纤维织物也表现出非常柔和的触摸(handling)特征，并已被提出用于人造革和人造绒的生产。

在科学和专利文献中已描述了多种用于从静电纺织纤维制备纱线的方法。一些最早的方法可上追溯至二十世纪三十年代，并在Anton Formhals的7个美国专利中描述。在美国专利1,975,504中，纤维从钝齿轮喷丝头被静电纺织到转轮或环带装置的边缘上。在转轮或环带的边缘上收集的纤维被推动或扯下，并缠绕成纱线。PCT申请WO 2005/123995A1中也描述了一种非常相似的使用多个旋转收集器和重复收集器的方法。

美国专利2,187,306描述了能够通过在预成型纱或纤维条上静电纺织纤维来制造包芯纱的方法，而美国专利2,109,333描述了静电纺织人造短纤维能够制成纱线的方法。

在美国专利2,349,950中，静电纺织装置中的反电极的电晕放电用来在收集纤维和将其缠绕成纱线之前中和带电纤维。

Ko等人(高级材料(Advanced Materials)，2003，15，1161-1165)描述了能够由聚丙烯腈/碳纳米管混合物制造“自组装”纱线的方法。

Kim(PCT申请WO 2004/074559A1)，Smit等人(聚合物(Polymer)，46，2005，2419-2423)以及Khil等人(J.Biomed.Mater.Res.B 72(2005)117)已经提出了这样的方法：通过在水浴器表面上拉动静电纺织纤维网并收集产生的成束纤维纱线来制造纱线。在新加坡国立大学的Ramakrishna等提出的变型中，纤维被纺织到底部带有孔的水浴器上。由孔中流出的水所形成的涡流缠绕(twist)纤维网并将其对齐成对齐的纤维束纱线，该纤维束纱线是以连续方式从水浴器底部中的孔被收集的。

PCT申请WO 2005/073442A1描述了一种静电纺织纤维的非织造网被切成带状物，或者网从开始被纺织成细带条的方法。然后，使用气动捻线机缠绕非织造带状物，以形成连续纱线。

在PCT申请WO 2006/052039A1中，描述了一种特殊的静电纺织收集带，其由环带型收集器组成，该环带型收集器具有与机器方向平行的凹槽并在皮带上的凹槽中具有导电带。纤维被纺织在凹槽中的导电带上，然后以连续的方式被移除并缠绕成纱线。

中国专利CN 1766181，CN 1687493和CN 1776033本质上描述了相同的方法，其中，使用相反极性的高压从相反方向纺织纤维。碰撞相反极性喷丝头之间的中间空气的纤维被中和，然后被收集在卷取辊上并缠绕成纱线。

在PCT申请WO 2006-135147A1中，Kim描述了一种特殊的构造，其中，包含数千条纺丝头(nozzle)的C形纺丝头组合件被设置成靠近以高线性速度旋转的鼓式收集器。适度对齐的纤维的窄网以连续方式被收集而离开旋转鼓表面，并被共同缠绕成连续的纱线。

从静电纺织纤维制备连续纱线的理想方法应该是可向上升级的，产生高程度的纤维对齐，并适用于能够被静电纺织成纤维的所有聚合物和/或共混聚合物。虽然现有技术中描述的方法不同程度地满足这些需求中的一部分，但是没有一个方法完全满足所有三个需求。

通过现有技术中描述的各种方法获得的纱线总是具有一个或多个缺点。在许多情况中，例如，Formhals描述的方法，所获得的纱线具有非常低的或随机的沿着纱线轴线的纤维对齐程度。纤维的对齐对于纱线强度非常重要，因为当纱线处于张力下时，维的对齐确保了纤维之间的拉伸载荷的最佳共享分布。换句话说，较低程度的纤维对齐导致较低强度的纱线。一些方法的另一缺点是扩大该方法困难或昂贵，例如Ko的自组装纱线。最后，在纤维被电纺织到水浴器上的情况中，纱线不能由水溶性或水敏性聚合物制成。如果某人认为许多用于组织工程应用的生物降解聚合物是水敏性的，那么这会是一个主要缺点。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种纱线和用于生产这种纱线的方法，其至少部分地缓和上述问题中的一部分。

根据本发明，提供了一种由多条纳米纤维纺织成的纱线，其特征在于，至少部分纳米纤维被出现在预定距离的褶皱所折叠。

本发明的其它特征规定了至少一个具体间隔的整数倍的预定距离；规定了至少一些纤维具有多个褶皱；以及规定了在相同方向上基本对齐的纤维。

本发明还提供了一种用于生产纱线的方法，该方法包括将多条纤维静电纺织到多个相对于其运动方向倾斜的移动导电带上，从而纤维横跨至少部分导电带，从导电带上收集纤维并将纤维形成纱线。

本发明的其它特征规定了导电带由绝缘间隙彼此分开；规定了绝缘间隙是空气间隙或者由绝缘材料填充；规定了导电带彼此平行；规定了导电带间隔预定距离，优选地间隔相等距离；以及规定了导电带之间的间隔在1μm到300mm之间。

本发明的其它特征规定了导电带相对于其运动方向倾斜的角度在5°到175°之间，优选地相对于其运动方向倾斜90°；规定了导电带具有均匀厚度，优选地在100nm到30mm之间；规定了导电带保持在地电位(electric ground potential)或具有与静电纺织源的极性相反的极性的电位；以及规定了静电纺织源和导电带之间的距离是均匀的，优选地在0.5mm到500mm之间。

本发明的其它特征规定了纺织自下至上地发生，其中静电纺织源在导电带下方，可替代地，纺织以自上至下或并排的方式发生；规定了纤维由机械或静电手段形成纱线；以及规定了纱线被收集在卷取辊上。

本发明还进一步提供用于生产纱线的设备，包括静电纺织源和多个被布置成从纺织源收集纤维并相对于其可移动的导电带、以及网收集器和与其串联布置的网捻线机，其特征在于，导电带相对于其运动方向倾斜。

本发明的其它特征规定了导电带被承载在移动表面上；规定了该表面包括皮带，一对间隔的皮带或鼓；规定了导电带彼此绝缘；规定了导电带彼此平行；规定了导电带等距地隔开；以及规定了导电带之间的间隔是1μm到300mm之间。

本发明的其它特征规定了导电带相对于其运动方向倾斜5°到175°之间，优选地相对于其运动方向倾斜90°；规定了导电带具有均匀厚度，优选地在100nm到30mm之间；规定了导电带保持在地电位；以及规定了静电纺织源和导电带之间的距离是均匀的，优选地在0.5mm到500mm之间。

附图说明

将参考附图，仅通过实施例说明本发明，附图中：

图1是用于生产纱线的设备的示意图；

图2是图1中的设备的纤维收集器的透视图；

图3是图2中的收集器的顶平面图；

图4是图2中的收集器的一部分在使用时的顶平面图；

图5是图2中的收集器在使用时的顶平面图；

图6是由图2中的收集器产生的预制纱网的顶平面图；

图7是使用图1中的设备产生的纱线的一部分的侧视图；

图8是纱线的拆开部分的照片；以及

图9是通过此方法产生的纱线的扫描电子显微镜(SEM)图像。

具体实施方式

用于从纳米纤维生产纱线2的设备1在图1至图5中示出，并包括具有多个静电纺丝喷头(electrostatic spinning jet)4的静电纺织源6，纤维收集器9与静电纺丝喷头4间隔开。在此实施例中，纺织源6位于收集器9的下方100mm处。然而，可使用任何合适的定向，包括自上至下或并排的定向，具有0.5mm到500mm之间的分隔距离。

静电纺织源6使用传统的基于编织针的纺织设备，但是也可使用多针装置，无针纺织技术或任何其它静电纤维成形方法。因此，目前为止所描述的设备1具有相当传统的构造。

如图2和图3所示，收集器9包括支撑在一对辊子11，12之间的环带10。驱动其中的一个辊子12，从而皮带10的顶部沿箭头14的方向移动。

根据本发明，皮带10上具有多个相对于其长度倾斜的角度θ并由此相对于皮带10的运动方向倾斜的角度θ的导电带15。导电带15由铜制成，每个导电带15具有100nm到30mm之间的厚度t。在此实施例中，每个导电带15的厚度t或宽度是均匀的，并且是1mm，但是为了示意性的目的，以放大的比例示出。皮带10的材料(在此实施例中是类似橡胶的材料)将导电带15沿着其长度彼此绝缘。然而，导电带15的端部导电地连接并保持于地电位。

导电带15相对于皮带10运动方向倾斜的角度θ在5°到175°之间，并且每个导电带15之间的距离d在1μm到300mm之间。在此实施例中，导电带15彼此平行，并相对于皮带10的运动方向倾斜90°，每个导电带15之间的距离d是10mm。此外，在此实施例中，导电带15具有相同的高度。

以传统方式在纺丝头7和导电带15之间施加电位20。在此实施例中，导电带15保持在地电位。

皮带10被馈送到网收集器辊子22，23上，其进而馈送到网捻线机25中。牵伸辊26和卷取辊28以传统方式位于捻线机25之后。

在使用中，纳米纤维4被静电地拉动至导电带15。如图4和图5所示，每条纤维4趋向于通过在一对或多个邻近导电带15之间折叠而横跨该一对或多个邻近导电带15。因此，纤维的每个褶皱30之间的距离与导电带15之间的预定距离d相对应，并将等于d或者是d的整数倍。

收集在皮带10上的纤维4以传统方式被网收集器辊子22，23抽取并被馈送到使得纤维4形成纱线2的网捻线机25中。在纱线2被收集在卷取辊28上之前，牵伸辊26拉直纱线2。

在被馈送入网捻线机25之前的预制纱网5a在图6中示出，并具有由多条基本沿皮带10行进方向延伸的纤维形成的薄片的外观。可清楚地看见，在网5a的宽度上，纤维中与导电带15相对应的褶皱30的位置像是高纤维密度的平行线32。

从图8中的示出了拆开纱线部分的照片，这也是显而易见的。箭头指示了由纤维中的褶皱引起的并与导电带相对应的较高纤维密度的线。较高密度线的宽度由收集器上的导电带的厚度决定。导电带即使只有0.5mm的厚度，也能用肉眼清楚地看见这些线。这些线的出现清楚地表明纱线是用本发明的方法来制造的。

将可理解的是，通常地，纤维将不会简单地自身折过来以形成纯粹的180°弯曲，而是与导电带的厚度和纤维的生产率(通常为千米/分钟的水平)相比，如果每个纤维的直径非常细的话，则使得每个纤维一定程度的混乱。因此，每个褶皱可以包括多个随机环或其他随机图案，这增加了在每个导电带处的纤维密度。

图7中示出了用设备1生产的纱线2的一部分的放大图。可清楚地看到折叠纤维35中的褶皱37间隔了距离d或距离d的整数倍。褶皱37的间隔是预定的，因为其反映了导电带15的间隔。重要地，纤维在纱线长度方向上也是均匀定向的。

已发现的是，例如，与扫描电子显微镜SEM中所使用的典型尺度相比，这些褶皱出现的区域是相当大的，通常通过肉眼或者在光学显微镜下都是可见的。然而，在导电带非常细并且彼此间隔非常近时，可能需要SEM来识别这些线。

图9中示出了用本方法产生的纱线的SEM图像。从此图像中将注意到，纤维表现出比现有技术工业方法高得多的高程度对齐。

纱线中的纤维对齐以及纤维中的规则间隔褶皱的出现不仅确保了将容易识别出用此方法生产的纱线，也提供了强度大且可均匀再生的纱线。从与已知的用于生产纳米纤维纱线的方法相比显而易见的简单变型来看，这些是令人惊奇的结果。

将可理解的是，在本发明的范围内存在许多其它方法和设备。例如，导电带可以任何适当的方式被承载，包括被承载在旋转鼓上。进一步可替代地，导电带可通过其端部而被固定在一对皮带之间，以具有梯状构造，其中导电带被空气间隙彼此隔开。导电带可被任何适当的绝缘材料隔开，并且不需要均匀间隔，不需要平行或具有相同厚度。细长导电表面的导电带能够具有任何适当的构造，并可由任何适当的材料制成。例如，导电带可以是线状或带状，或甚至由金属板或类似元件的边缘提供。

清楚地，在纱线中发现的纤维中的褶皱将反映导电带的间隔，并将由此间隔所预先确定。同样，当导电带移动成与静电纺织纤维源对齐或不对齐时，将发现此间隔在纱线的长度上重复其自身。

能够以任何适当的方式构造静电纺织源和纤维收集器，包括向上和向侧面地纺织，并且能够使用任何适当数量和构造的喷丝头或无针源。

同样，能够使用任何适当的材料或材料组合来制造纳米纤维。

Claims (27)

1.一种由多条纳米纤维纺织成的纱线，其特征在于，所述纳米纤维的至少一部分被沿着所述纱线的长度出现在预定距离处的褶皱所折叠。

2.根据权利要求1所述的纱线，其中，所述预定距离是至少一个具体间隔的整数倍。

3.根据权利要求1或2所述的纱线，其中，所述至少一部分的纤维具有多个褶皱。

4.根据权利要求1所述的纱线，其中，所述纤维基本沿相同方向对齐。

5.一种用于生产纱线的方法，包括：将多条纤维静电纺织到多个相对于其运动方向倾斜的移动导电带上，从而所述纤维横跨所述导电带的至少一部分以形成纤维网；从所述导电带上收集所述纤维网：以及将所述纤维网形成纱线。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述导电带被绝缘间隙彼此隔开。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述绝缘间隙是空气间隙或者由绝缘材料填充的间隙。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述导电带彼此平行。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述导电带间隔预定距离。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述预定距离是相等的。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述导电带之间的间隔在1μm到300mm之间。

12.根据权利要求5所述的方法，其中，所述导电带相对于其运动方向倾斜的角度在5°到175°之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述导电带相对于其运动方向倾斜90°。

14.根据权利要求5所述的方法，其中，所述导电带具有均匀厚度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述导电带的厚度在100nm到30mm之间。

16.根据权利要求5所述的方法，其中，所述导电带保持在地电位或具有与所述静电纺织源的极性相反的极性的电位。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述静电纺织源与所述导电带之间的距离在0.5mm到500mm之间。

18.根据权利要求5所述的方法，其中，所述纤维通过机械或静电手段形成为纱线。

19.一种生产纱线的设备，包括静电纺织源和多个被设置成从所述纺织源收集具有网的形式的纤维并相对于所述纺织源可移动的导电带、以及网收集器和与所述网收集器串联布置的网捻线机，其特征在于，所述导电带相对于其运动方向倾斜。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述导电带承载在移动表面上。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述表面选自皮带、鼓、以及一对间隔的皮带。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的设备，其中，所述导电带彼此平行。

23.根据权利要求19所述的设备，其中，所述导电带等距地隔开。

24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述导电带之间的间隔在1μm到300mm之间。

25.根据权利要求19所述的设备，其中，所述导电带相对于其运动方向倾斜的角度在5°到175°之间。

26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述导电带相对于其运动方向倾斜90°。

27.根据权利要求19所述的设备，其中，所述导电带具有100nm到30mm之间的厚度。

Images