CN101999016B - 静电场中对聚合物基质纺丝的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在纺丝电极与收集电极之间的纺丝空间中所感应出的静电场中对聚合物基质进行纺丝的方法，其中，聚合物基质从基质贮存器传送到静电场中纺丝电极的表面上、或者由纺丝电极的纺丝元件传送，本发明的原理在于，借助于电阻加热来使纺丝电极或纺丝电极的纺丝元件、和/或贮存器、和/或聚合物基质的温度上升到超过环境温度。本发明还涉及用于执行这个方法的装置。

Description

静电场中对聚合物基质纺丝的方法和装置

技术领域

本发明涉及在纺丝电极与收集电极之间的纺丝空间中所感生出的静电场中对聚合物基质进行纺丝的方法，在该处，聚合物基质从基质贮存器传送到静电场中纺丝电极的表面上，或者由纺丝电极的纺丝元件传送。 

本发明还涉及一种通过在收集电极与纺丝电极或纺丝电极的纺丝元件之间感应出的静电场中对聚合物基质进行静电纺丝来生成纳米纤维的装置。 

背景技术

当前通过对各种类型的溶液以及液态的聚合物的熔融物进行静电纺丝而生成聚合物纳米纤维，这通常在环境温度下进行。在一些情况下，尤其是在对聚合物的熔融物进行纺丝时，需要增大装置的一些部分的温度以便不断地制备熔融物以及避免熔融物凝固和固定在这些部分上(如果熔融物凝固和固定在这些部分上，则这会逐渐降低整个装置的输出)。这些部分的温度增大还有利于对一些类型的聚合物溶液进行纺丝，这是因为增大的温度可以减小这些溶液的粘度，由此使得静电纺丝过程的初始化和维护得到支持，并且在一些类型的聚合物溶液的情况下这甚至能够实现它们的纺丝。 

当前，首先借助于载热介质(例如，热空气或热油)实现这种加热，然而，在这些情况下的热传递非常松弛，并且所需的载热介质的循环相对明显地限制了用于静电纺丝的装置的内部空间的形状、以及它的各个部分的布置。用于对载热介质进行加热和循环的方式、以及在油或其它液体的情况下用于对它们进行存储的方式，不仅相对明显地增大了对这些装置的空间的要求，还增大了对它们的维护的要求以及同时还增大了这些装置的获取和运行成本。另一个缺点在于温度调节的低准确性及其缓慢响应。 

另一种加热的方法是对贮存器中的聚合物基质进行感应加热，其中，在贮存器下方的区域中安置感应加热板。然而，这种构造除了相对高的温度损耗和对空间的高要求以外，还显现出当要求贮存器中的聚合物基质的温度变化时的缓慢响应、以及设置这个温度的不准确性。 

EP 0027777描述了一种用于进行熔融物纺丝的装置，其中，聚合物进行加热以融化并且接下来在贮存器中进行纺丝，聚合物熔融物由于重力而从该贮存器通过狭槽溢流出以进行纺丝。贮存器布置在板收集电极的上方，收集电极连接到高压源的一极，高压源的第二极连接到一种框架，该框架还连接到贮存器的一侧。贮存器的相对着的另一侧连接到交流源的一极，该交流源的第二极接地。通过这种方式，通过电阻加热对贮存器进行加热。当对重量大的贮存器进行加热时，这个装置对贮存器中聚合物基质的温度变化的请求的响应缓慢，并且对这个温度的调整是不准确的。 

KR 20060071530描述了一种用于进行熔融物纺丝的设备，包括：反应器，具有预定直径的纺丝孔和纺丝喷嘴；加热器，用于对反应器进行加热；温度控制器，用于控制加热器的温度；集中辊(focusing roller)，对通过喷嘴进行纺丝的纤维加以集中；高压产生器，用于向反应器和集中辊施加预定电压的DC电流；和高压变压器，安置于加热器的温度控制器与加热器之间，用以屏蔽温度控制器以便防止施加给反应器的高压传递到加热器的温度控制器。这个文献描述了对反应器和反应器内的熔融物的间接电阻加热，基于能耗的观点这是要求很高的过程。当对大质量进行加热时，对熔融物的温度的任何准确调节是困难和缓慢的。基于这个原因，由这个装置制备的纤维的直径是非常不同的。由于温度的范围很宽，所以发生聚合物熔融物的降解过程并且它的寿命明显减小。另一个缺点在于使用高压变压器，并且这不仅涉及价格还涉及设备的安全性。根据KR 20060071530的设备不适于通过对可能为易燃或甚至易爆的聚合物基质进行静电纺丝来制备纳米纤维，并且由此需要能够迅速改变进行纺丝的材料的温度、以及用于对它进行加热的装置的温度。 

本发明的目的在于通过与背景技术的已知方法不同的另一种会更加有效且结构更简单的方法来确保通过静电纺丝生成纳米纤维的装置的一些部分的温度发生易于调节的临时性或永久性增大，尤其是对于与聚合物基质接触的那些部分(即纺丝电极的纺丝元件)。 

本发明的另一个目的在于利用用于增大一些部分的温度的这个方 法来对聚合物基质进行静电纺丝以生成纳米纤维的装置。 

发明内容

通过在纺丝电极与收集电极之间的纺丝空间中感应出的静电场中对聚合物基质进行静电纺丝的方法而实现本发明的目的，其中，聚合物基质从基质贮存器传送到静电场中纺丝电极的表面上或由纺丝电极的纺丝元件传送，本发明的原理在于：通过将装置的一些部分、尤其是与聚合物基质进行接触的那些部分(例如纺丝电极、或纺丝电极的纺丝元件)和/或聚合物基质的温度进行直接电阻加热而上升超过环境温度。 

有利的是，通过直接施加到温度应增大的部分上的交流电压而进行直接电阻加热，来增大这些部件的温度，并且同时将这些部分的温度变换成热能。因此，条件是这些部分的导电性。 

增大用于生成纳米纤维的装置的所需部分的温度的另一种方法是通过直流电压进行直接电阻加热，此时特定部分连接到高直流电压源以及辅助高直流电压源(它们之间的压差是几十或几百伏)，并且在带到给定部分以后这些电压的名义差变换成热能。这个方法特别适用于移动应用，此时与交流电压源相比更易获得直流高压源。 

在例如由于某部分的非导电性而不能够直接向这个部分施加交流电压、或不同值的两个直流电压的情况下，间接电阻加热的变型是有利的，当在温度应该增大的部分的附近时，对连接到交流电压源的加热电阻器加以定位。交流电压在这个电阻器中变换成热能，并且进一步传递给所需部分。 

也已通过在收集电极与纺丝电极或纺丝电极的纺丝元件之间感应出的静电场中对聚合物基质进行静电纺丝生成纳米纤维的装置实现本发明的目的，本发明的原理在于：纺丝电极和/或纺丝电极的纺丝元件连接到对高压绝缘的变压器的二次绕组或次级绕组，并且这个变压器的一次绕组或初级绕组连接到交流电压源。通过这个方式，确保了这个装置能够向温度应该增大的这个装置的那个部分传递交流电压、并且同时多个部分与来自交流电压源的高直流电压是绝缘的。 

接下来，已通过在收集电极与纺丝电极或纺丝电极的纺丝元件之间感应出的静电场内对聚合物基质进行静电纺丝而生成纳米纤维的装 置来实现了本发明的目的，而同时，纺丝电极或纺丝电极的纺丝元件连接到直流高压源的一极，本发明的原理在于：纺丝电极或纺丝电极的纺丝元件连接到辅助直流电压源。由直流高压源和由辅助直流高压源传送的电压差在传送到给定部分以后变换成热能。 

尤其对于对聚合物的熔融物进行纺丝是有利的，如果装置的一些部分连接到交流电压源或者辅助直流电压源、并且在静电场中还设置有至少一个加热电阻器，该加热电阻器连接到对高压绝缘的变压器的二次绕组，并且变压器的一次绕组连接到交流电压源。因此，加热电阻器用于：对位于静电场内不能够通过直接电阻加热而增大温度的部分、或者结构太过复杂的部分来进行间接电阻加热。 

附图说明

在附图中示意性示出了执行根据本发明的对聚合物基质进行静电纺丝的方法的装置的例子，其中，图1示出了这个装置的纺丝室的截面图，图2是这个装置的另一个变型的纺丝室的截面图。 

附图标记列表 

1    纺丝室 

2    收集电极 

3    直流高压源 

4    基底 

5    贮存器 

51   聚合物基质 

6    纺丝元件 

7    变压器 

71   变压器一次绕组 

72   变压器二次绕组 

8    调节器 

9    过压保护 

10   交流电压源 

11   辅助直流高压源 

12   调节器 

具体实施方式

基于在图1和图2中示意性示出的用于对聚合物基质进行静电纺丝的装置的实施例的示例来描述本发明及其原理。为了增大这些附图的清晰透彻性和可读性，仅仅通过简化方法表示装置的一些部分而不管它们的真实结构或尺寸如何，而对于理解本发明的原理不重要的、以及其结构或者相互布置对于本领域每个技术人员是清楚的一些其它部分则根本没有进行表示。 

图1所示的用于对聚合物基质进行静电纺丝的装置包括纺丝室1，在纺丝室1的上部中设置有收集电极2，收集电极2连接到直流高压源3的一极，直流高压源3位于纺丝室1之外。所示的收集电极2由金属板形成，然而在根据技术要求或空间可能性的实施例的另外未示出的例子中，可以使用任何其它已知的收集电极2的构造，例如可以使用任何类型的多个收集电极2或者它们的组合。 

在收集电极2的下方，非导电基底4通过未示出方式进行传送，它在所示的实施例的例子中是织物。基底4的特定类型、它的运动方式以及他的物理属性(例如，导电性)仍首先取决于所使用的收集电极2的类型和生产技术，而在另外未示出的实施例的例子中，基底4还可以使用导电材料(例如，带有静电表面抛光层的织物、金属箔)。例如从CZ PV 2007-727已知一种特定类型的收集电极的使用，相反根本没有使用基底4，并且通过对聚合物基质进行静电纺丝而产生的纳米纤维直接沉积在这个收集电极的表面上。 

在纺丝室1的下部中布置有聚合物基质51的贮存器5，在所示的实施例的例子中贮存器5由开口容器形成，并且聚合物基质51是呈液态的聚合物溶液。在另外未示出的实施例的例子中，利用本发明的原理，还可以对聚合物的熔融物或者合适的固态聚合物基质51进行纺丝，聚合物的熔融物或者合适的固态聚合物基质51还对应于：贮存器5的构造的变化、以及未示出的用于向贮存器5中添加聚合物基质51的方式的结构的变化。 

在贮存器5的附近安置有纺丝电极，纺丝电极包括纺丝元件6，纺丝元件6与收集电极2不同地连接到直流高压源3的相反的另一极上，并且纺丝元件6可以按可调的间隔在它的应用位置与它的纺丝位置之间进行移置。在应用位置，纺丝元件6或者它的部段远离收集电极2， 并且在它的上面涂覆聚合物基质51，而在纺丝位置，涂覆有聚合物基质51的纺丝元件6或它的部分靠近着收集电极2，在这里与收集电极2一起形成静电纺丝场，借助于该静电纺丝场则这个聚合物基质51进行纺丝。图1表示了由导电线形成的纺丝元件6，当它处于应用位置时浸入在贮存器5中的聚合物基质51的水平之下，并且在一个平面内在相反的两个方向上在它的纺丝位置与它的应用位置之间进行移动。然而，不需要任何变化，本发明的原理就可以适用于纺丝电极的纺丝元件6的其它已知结构(例如，根据CZ PV 2006-545在它们的纺丝位置与它们的应用位置之间在环形轨迹上进行移动，或者根据CZ PV2007-485在它们的长度方向上进行移动)。 

除了直流高压源3之外，纺丝元件6导电地连接到变压器7的二次绕组72，变压器7对于高压绝缘。变压器7的一次绕组71通过调节器8和过压保护9连接到交流电压源10(例如是230V交流电压的公共分布网络)。变压器7同时用于执行交流电压源10与被提供几十千伏的直流高压的纺丝元件6之间的电流隔离/阻断，这是因为基于它的工作原理，它能够将供给它的一次绕组71的交流电压变换为在二次绕组72中感应出的交流电压，但不是执行从纺丝元件6提供给它的直流高压到二次绕组72的变换。一次绕组71和二次绕组72中的绕组的数目的比例、以及提供给一次绕组71的电压值，同时确定出了提供给纺丝电极的纺丝元件6的交流电压值，从而使得几乎针对任何所需的交流电压值可以使用低交流电压源10(例如，具有恒值交流电压的公共网络)和充足规模的变压器7。 

提供给纺丝电极的纺丝元件6的交流电压的电输入根据它的电阻(例如根据方程P＝UI＝RI²＝U²/R)变成所谓的Joule-Lence热，并且增大纺丝元件6的温度。 

于是，通过调节器8调节从源10提供给变压器7的一次绕组71的交流电压值，因而可充分调节在它的二次绕组72上感应的交流电压值，则可以简单地调节纺丝元件6的所需温度。在未示出的实施例的例子中，调节器8可有利地另外配备有反馈，从而能更加准确且更加迅速地达到纺丝元件6的所需温度并将它长期保持在恒定值。针对交流电压源10的输出的台阶状变化，过压保护9保护变压器7以及纺丝电极的纺丝元件6免受台阶状变化影响。另一个保护元件是变压器7 的核的接地。 

纺丝电极的纺丝元件6的温度增大尤其有利于对由聚合物熔融物形成的聚合物基质51进行纺丝，这是因为在进行纺丝所需的时间内它支持残留在贮存器5中的熔融物体积为液态、或者施加在纺丝元件6上的熔融物51体积为液态，基于此，这些类型的聚合物基质51针对静电纺丝的适用性增大、并且效率提高。接下来，在适当选择的纺丝元件6的温度的情况下，固体聚合物基质51可进行纺丝，而仅仅与纺丝元件6接触时聚合物基质51体积的一小部分变成液态，并且同时它依附到纺丝元件6的表面并且由此进行纺丝。基于此，限制了当聚合物熔融物整体保持液态时发生的热损耗，并且同时消除了贮存器5中的熔融物发生不希望的凝固的问题。 

在另外实施例的例子中，相反，本发明的原理还可用于增大贮存器5的温度和/或直接增大聚合物基质51的温度以及在装置的整个工作周期内使其保持为液态。 

增大一些聚合物溶液的纺丝时的温度会减小它们的粘性，这便利了对静电纺丝过程的初始化。因此，增大温度不仅增大了整个装置的输出，而且扩大了可纺溶液的平台，这是因为它还实现了对这些聚合物溶液的纺丝、并使得对这些聚合物溶液的纺丝更加容易，而至此仅在有一些困难或根本没有困难的情况下即是可纺的。 

图2示出了电连接的另一种可行方式，当来自辅助电压源11的直流高压提供给纺丝电极的纺丝元件6时，能使纺丝元件6的温度增大。这个电压值与从直流高压源3提供给纺丝元件的电压值稍微不同，而且在提供给纺丝元件6以后表达为几十或几百伏的这些电压的差变成热输出，由此增大了它的温度。然后，借助于辅助直流高压源11的输出的调节器12来控制纺丝元件6的温度。调节器12处于未示出的优选设置有反馈的实施例的例子中。 

基于聚合物基质5的导电性，来自辅助源11的直流高压也可以直接用于增大基质5的温度，并且在应用导电贮存器51的情况下也可用于直接增大它的温度，从而进一步支持并增大上述的优点。 

在另外未示出的实施例的例子中，当例如由非导电材料形成纺丝电极的纺丝元件6时，为了增大它的温度，借助于交流电而是用非直接加热是较为有利的。在这种情况下，在纺丝电极的每个纺丝元件6 的附近或者至少在它的轨迹的一部分上，若在它于纺丝过程中进行移动的情况下，则定位着一个加热电阻器、或者当运用连接到交流电压源10的上述变压器7时按需定位着更多加热电阻器。在加热电阻器中交流电直接变换成Joule-Lence热，并且它传递到纺丝元件6。这种相同的间接加热方法还可用于对贮存器5和/或它之中的聚合物基质51进行加热。 

除了用于生成纳米纤维的装置的上述变型以外，在理论上直接和间接电阻加热还可用于其它已知和通用的装置，而不管纺丝电极2的类型和结构如何。例如，本发明的原理可用于：在收集电极2和纺丝电极或者纺丝电极的纺丝元件6上的直流电压的极性的任何配置下，用来加热由从CZ专利294274已知的紧凑体所形成的纺丝电极、或者加热由毛细管(喷嘴)或一组毛细管(喷嘴)形成的纺丝电极。间接加热或者通过直流电压进行加热还可用于纺丝电极或者它的纺丝元件6的接地、而不管提供给收集电极2的电压的极性如何。 

Claims (7)

1.在纺丝电极的纺丝元件(6)与收集电极(2)之间的纺丝空间中感应出的静电场中对聚合物基质(51)进行纺丝的方法，纺丝元件连接到高压源的一极并且处于它的纺丝位置，收集电极(2)连接到高压源的第二极，其中，聚合物基质(51)从聚合物基质(51)的贮存器(5)传送到静电场中用于在纺丝电极的纺丝元件(6)的表面上进行纺丝，其特征在于：借助于通过利用交流电压对纺丝元件(6)进行直接电阻加热，纺丝电极的纺丝元件(6)的温度增加到超过环境温度，其中，从对高压绝缘的变压器(7)的二次绕组(72)提供所述交流电压，并且变压器(7)的一次绕组(71)连接到低交流电压源(10)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：借助于通过利用交流电压直接电阻加热来同时增大聚合物基质(51)的温度和/或聚合物基质(51)的贮存器(5)的温度，其中，从对高压绝缘的变压器(7)的二次绕组(72)提供所述交流电压，并且变压器(7)的一次绕组(71)连接到低交流电压源(10)。

3.在纺丝电极的纺丝元件(6)与收集电极(2)之间的纺丝空间中感应出的静电场中对聚合物基质(51)进行纺丝的方法，纺丝元件连接到高压源的一极并且处于它的纺丝位置，收集电极(2)连接到高压源的第二极，其中，聚合物基质(51)从聚合物基质(51)的贮存器(5)传送到静电场中用于在纺丝电极的纺丝元件(6)的表面上进行纺丝，其特征在于：借助于通过利用来自辅助直流电压源(11)的辅助高直流电压对纺丝元件(6)进行直接电阻加热，纺丝电极的纺丝元件(6)的温度增加到超过环境温度，并且来自辅助直流电压源(11)的辅助高直流电压的值与从高压源(3)提供给纺丝元件(6)的高压的值不同。

4.通过在纺丝电极的纺丝元件(6)与收集电极(2)之间感应出的静电场中对聚合物基质(51)进行静电纺丝来生成纳米纤维的装置，其中，纺丝元件(6)连接到高压源(3)的一极并且处于它的纺丝位置，收集电极(2)连接到高压源(3)的第二极，其特征在于：纺丝电极的纺丝元件(6)同时连接到对高压绝缘的变压器(7)的二次绕组(72)，并且变压器(7)的一次绕组(71)连接到交流电压源(10)。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于：变压器(7)通过过压保护(8)和调节器(9)而与交流电压源(10)相连接。

6.通过在纺丝电极的纺丝元件(6)与收集电极(2)之间感应出的静电场中对聚合物基质(51)进行静电纺丝来生成纳米纤维的装置，其中，纺丝元件(6)连接到直流高压源(3)的一极并且处于它的纺丝位置，收集电极(2)连接到直流高压源(3)的第二极，其特征在于：纺丝电极的纺丝元件(6)同时连接到辅助直流高压源(11)，并且来自辅助直流高压源(11)的辅助高压的值与从直流高压源(3)提供给纺丝元件(6)的高压的值不同。

7.根据权利要求4至6之一的装置，其特征在于：纺丝电极的纺丝元件(6)是由导电丝线形成的。

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