CN102223939A - 非织造聚合物纤维网 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非织造纤维网，所述非织造纤维网包含一种或多种聚合物纤维，其中所述一种或多种聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布。包含此类聚合物纤维的非织造纤维网显示具有诸如高效过滤之类的特定过滤应用所期望的平均流量孔径和孔隙率。

Description

非织造聚合物纤维网
发明领域
本发明涉及聚合材料的非织造纤维网。具体地讲，本发明涉及包含聚合物纤维的非织造纤维网，这些聚合物纤维具有符合约翰逊(Johnson)无界分布的数均纤维直径分布。
发明背景
用作过滤介质的非织造纤维网通常包含两种或更多种纤维，每种纤维具有不同的平均直径，使得非织造纤维网能够过滤较宽粒度范围的颗粒。一般来讲，不同类别的纤维位于纤维网的不同层，例如，过滤纤维网包含熔喷在纺粘纤维网上的一层0.8和1.5μm直径的微纤维。然而，暴露于纤维网顶部的此类少量的微纤维是脆性的，即使在正常操作和使用情况下也会断裂。并且，细直径纤维具有更低的单纤维重量，这使得它们难以在高效纤维流中运输和保留。此外，细直径纤维在流出熔喷模具时趋于分散而不是作为受控流移动到收集器中。
多层、多直径非织造纤维网的另一个实例是所谓的SMS纤维网，该纤维网包含一层纺粘纤维、一层熔喷微纤维、以及另一层纺粘纤维。此类多层纤维网更厚更重，并且其制造方法较为复杂。
组合纤维网(其中一种纤维流与另一种纤维流混合)是已知的，例如通过以下方法形成的复合纤维网：将纸浆纤维、短纤维、熔喷纤维和连续长丝的次流引入熔喷纤维的主流，然后对铺放的混合物进行水刺法处理。该纤维网是未取向的，具有良好的各向同性特性。然而，该领域未提及这样的纤维网，该纤维网包含连续、取向、热粘结的熔纺纤维的连贯基质和分散于熔纺纤维中的微纤维。
类似地，小直径、取向、熔喷的纤维(例如直径小于1μm)(可向其加入无取向的熔喷纤维)是已知的。但是该领域同样也未提及其中分散有熔喷微纤维的粘结熔纺纤维的连贯基质。
还已知的是这样的过滤元件，其包括含有热粘结的短纤维和非热粘结的带电微纤维的多孔模塑网，其中多孔模塑网通常通过纤维交叉点处的短纤维之间的粘结而保持其模塑构型。
纳米纤维过滤介质层通常沿包括粗纤维层的大容量过滤介质的上游表面设置。纳米纤维沿平行于大容量过滤介质层表面的方向延伸，不仅能够高效过滤小颗粒，还能够过滤较大的颗粒，后一项功能由粗过滤介质提供。纳米纤维以铺放在支撑基底上的薄层形式提供和/或与保护层结合使用的薄层形式提供以便获得多种有益效果，包括提高的效率、降低的初始压降、可清洁性、减少的过滤介质厚度和/或形成某些流体(例如水滴)不可渗透的屏障。之前的研究显示了几个固有的缺点，例如不存在支撑基底、纳米纤维层/基底分层、捕集的污染物快速堵塞过滤器、纳米纤维沿平行于介质表面的方向排列。
因此，需要可进行定制以满足具体应用(尤其是，其中过滤介质的平均流量孔径小于约2μm的应用)的严格条件的非织造过滤介质。
本发明公开了一种用于制造具有特定纤维直径特性的非织造纤维网的新方法以及此类非织造纤维网。具体地讲，本发明的非织造纤维网可用于诸如高效过滤之类的需要降低的平均流量孔径(例如小于约2μm)的应用。通过控制纤维直径的统计学参数，本发明制备了可确保此类降低的平均流量孔径的非织造纤维网。
发明概述
本发明涉及包含一种或多种聚合物纤维的非织造纤维网，这些聚合物纤维具有符合约翰逊无界分布的数均纤维直径分布。在一个优选的实施方案中，位于该纤维直径分布内的一种或多种纤维由相同的纺丝头制成。可通过聚合物熔体或聚合物溶液的离心纺丝制备纤维网。
在纤维网的另一个实施方案中，一种或多种聚合物纤维的数均纤维尺寸小于1μm。在另一个实施方案中，在基重为约25g.m-2时，本发明纤维网具有在约5ft3·ft-2min-1(0.0254m3.m-2.s-1)至约100ft3·ft-2min-1(0.508m3.m-2.s-1)范围内的弗雷泽(Frazier)孔隙率。
本发明还涉及优化非织造纤维网的平均流量孔径的方法，所述方法包括对一种或多种聚合物纤维进行纺丝，其中所述一种或多种聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布。
在一个实施方案中，所述一种或多种聚合物纤维的数均纤维尺寸小于1,000nm。
在该方法的一个实施方案中，纺丝包括以下步骤：
(i)向具有前表面纤维排放边缘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或溶液；
(ii)使所述纺丝熔体或溶液沿所述旋转分配盘的所述内纺丝表面流出，以便将所述纺丝熔体或溶液分布为薄膜并朝向前表面纤维排放边缘；以及
(iii)将单独的熔融或溶液聚合物纤维流从所述前表面排放边缘排放到气体流中以使纤维流变细，从而制得具有小于约1,000nm的平均纤维直径的聚合物纤维；
其中所述聚合物熔体或溶液具有的粘度高于用于制备所述聚合物纤维的最低有效粘度，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布；和/或
其中所述聚合物熔体或溶液具有的流量低于用于制备所述聚合物纤维的最大有效流量，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布；和/或
其中所述聚合物溶液具有的浓度高于用于制备所述聚合物纤维的最低有效浓度，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布；和/或
其中所述旋转分配盘的旋转速度小于用于制备所述聚合物纤维的最大有效旋转速度，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布。
最后，本发明还涉及通过上述方法制备的非织造纤维网。
附图简述
图1示出了峰度与偏度平方的曲线图，该图限定了非织造纤维网的聚合物纤维的数均直径分布符合约翰逊无界分布的情形。
发明详述
本发明一般涉及具有特定纤维尺寸分布的聚合物纤维的非织造纤维网。
术语“非织造的”是指包含众多无规分布的聚合物纤维的纤维网。聚合物纤维通常可以彼此粘结，或者可以不粘结。聚合物纤维可以是短纤维或连续纤维。聚合物纤维可包含一种材料或多种材料，也可以是不同纤维的组合或者是分别包含不同材料的类似纤维的组合。
如本文所用，术语“纳米纤维”是指横截面的数均直径小于约1000nm的纤维。优选地，数均直径在约10nm至约800nm的范围内。在优选的范围中，纤维的数均直径在约50nm至约500nm的范围内或约100nm至约400nm的范围内。如本文所用，术语“直径”包括非圆形形状的最大横截面。纤维的数均直径通过从每种测定的样品中随机选取至少100根可区别的纤维而限定。
“纳米纤维网”是聚合物纳米纤维的非织造纤维网。术语“纳米网”和“纳米纤维网”在本文中作为同义词使用。
所谓“离心纺丝”是指纤维纺丝工艺，其包括：向具有前表面纤维排放边缘的加热旋的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或溶液。使聚合物熔体或溶液沿所述内纺丝表面流出，以便将纺丝熔体或溶液分布为薄膜并朝向前表面纤维排放边缘。将熔体或溶液以单独的聚合物纤维流从前表面排放边缘排放到气体流中，以使纤维流变细，从而制得具有小于约1,000nm的平均纤维直径的聚合物纳米纤维。离心纺丝在美国专利5,494,616中有所描述，该专利全文以引用方式并入本文中。
I.约翰逊分布
当涉及聚合物纤维数均直径的频率或概率分布的形态时，“偏度”是指分布的不对称程度。如相关领域的普通技术人员所理解的那样，在数均直径随测量数目变化的曲线图中，不对称尾端偏向右侧延伸的分布称为“正偏态”或“右偏态”，而不对称尾端偏向左侧延伸的分布称为“负偏态”或“左偏态”。偏度的范围可以从负无穷大到正无穷大。
本发明中用于偏度(β1)的公式为：
β 1 = N ( N - 1 ) ( N - 2 ) Σ [ ( x i - X ) / s ] 3
其中：
“xi”是第i个观测值；
“X”为平均观测值；
“N”为观测数目；并且
“s”为标准偏差。
在另一方面，峰度是对本发明上下文中的聚合物纤维的数均直径的分布与正态分布的差异程度的一种量度。如相关领域普通技术人员所理解的那样，正值通常表明，在数均直径随测量数目变化的曲线图中，该分布具有比正态分布更为尖锐的峰形。负值表明该分布具有比正态分布更为平坦的峰形。
本文用于峰度(β2)的公式为：
β 2 = N ( N + 1 ) ( N - 1 ) ( N - 2 ) ( N - 3 ) Σ [ ( x i - X ) / s ] 4 3 ( N + 1 ) 2 ( N - 2 ) ( N - 3 )
其中：
“xi”是第i个观测值；
“X”为平均观测值；
“N”为观测数目；并且
“s”为标准偏差。
如相关领域普通技术人员理解的那样，“约翰逊曲线图”是四参数曲线图，并且可以用数据集的四个阶矩中的两个阶矩构建。纤维分布数据集的四个阶矩为平均值、方差、偏度和峰度。首先分析数据是否呈正态分布。为确定聚合物纤维的数均直径分布的正态性，采用了统计学中的零假设，如果P值小于0.05，则数据不呈正态分布的置信度为95％。于是构建约翰逊曲线图。在另一方面，如果P值大于0.05，实现了正态分布，则不构建约翰逊曲线图。
约翰逊曲线图绘制步骤中的关键阶矩是偏度(β1)和峰度(β2)。使用Minitab 15版软件测定偏度和峰度。使用图1中所示的曲线图识别约翰逊分布，该曲线图是偏度平方随峰度变化的曲线图。从约翰逊曲线图得出的结果可以是无界的、有界的、对数正态的或禁用的(无)。该曲线图指示了峰度与偏度平方的空间中四种变换落入的区域。黑色实线上的点对应于对数正态分布。
II.纤维制备
本发明涉及包含一种或多种聚合物纤维的非织造纤维网，这些聚合物纤维具有符合约翰逊无界分布的数均纤维直径分布。可通过聚合物熔体或聚合物溶液的离心纺丝制备纤维网。
在纤维网的另一个实施方案中，一种或多种聚合物纤维的平均纤维尺寸小于1微米。在另一个实施方案中，在基重为约25g.m-2时，本发明纤维网具有在约5ft3·ft-2min-1(0.0254m3.m-2.s-1)至约100ft3·ft-2min-1(0.508m3.m-2.s-1)范围内的弗雷泽孔隙率。
位于给定分布内的一种或多种聚合物纤维优选地由相同的纺丝头制成。这就意味着得到的分布是纺丝工艺固有的，而不是通过共混来自不同分布的纤维来得到所需的分布。
本发明还涉及通过制造具有符合约翰逊无界分布的数均纤维分布的纤维网来控制或优化非织造纤维网的平均流量孔径的方法。在一个优选的实施方案中，位于给定分布内的一种或多种纤维优选地由相同的纺丝头制成。
在另一个实施方案中，可通过使用粘度高于制备所需分布的方法的最低有效粘度的纺丝溶液或熔体来控制分布。可在该方法中采用常规实验来确定粘度。
在另一个实施方案中，可通过使所述聚合物熔体或溶液的流量低于用于制备所需约翰逊无界分布的最大有效流量来控制分布。可在该方法中采用常规实验来确定流量。
在另一个实施方案中，可通过使所述聚合物溶液的浓度高于用于制备所需约翰逊无界分布的最低有效浓度来控制分布。可在该方法中采用常规实验来确定浓度。
在另一个实施方案中，可通过将所述旋转分配盘的旋转速度保持在低于用于制备所需约翰逊无界分布的最大有效旋转速度来控制分布。可在该方法中采用常规实验来确定旋转速度。
有效粘度、有效流量、有效聚合物溶液浓度和有效旋转速度将取决于热塑性聚合物和共混聚合物的类型、其分子量以及聚合物中的其他添加剂。毫无疑问，本领域技术人员所熟知的纺丝温度和其他纺丝参数将有助于使聚合物纤维的数均纤维直径分布满足约翰逊无界分布。
虽然本发明举例说明了离心纺丝工艺，但可通过本领域技术人员已知的任何方法制备聚合物纤维。例如，该方法所得的纳米纤维网可包括通过选自如下的方法制造的非织造纤维网：电吹法、静电纺丝法、离心纺丝法和熔喷法。所述介质还可包括与纳米纤维网或上游层接触的稀松布支撑层。
初生纳米纤维网可主要包含或仅包含纳米纤维，纳米纤维可有利地通过静电纺丝法例如传统的静电纺丝法或电吹法以及在某些情况下通过熔喷法或其他此类合适的方法进行制备。传统的静电纺丝法是在全文并入本文中的美国专利4,127,706中所述的技术，其中向聚合物溶液施加高电压以生成纳米纤维和非织造垫。
“电吹”方法在世界专利公布WO 03/080905中有所公开，该专利全文以引用方式并入本文中。将包含聚合物和溶剂的聚合物溶液流从储罐送至喷丝头内的一系列纺丝喷嘴中，向喷丝头施加高电压，聚合物溶液经喷丝头排出。同时，任选地加热的压缩空气由空气喷嘴排出，该空气喷嘴设置在纺丝喷嘴的侧面或周边。通常向下引导空气，以形成吹气流，吹气流包裹住新排出的聚合物溶液并使其向前，并且有助于形成纤维网，纤维网收集于真空室上方的接地多孔收集带上。电吹方法使得可在相对短的时间周期内形成商用尺寸和数量的纳米纤维网，其基重超过约1g/m2，甚至高达约40g/m2或更大。
还可以通过离心纺丝方法制备本发明的纳米纤维网。如前文所述，离心纺丝是一种形成纤维的方法，其包括以下步骤：向具有旋转锥形喷嘴和前表面排放边缘的旋转喷射器提供熔融状态或溶于至少一种溶剂中的包含至少一种聚合物的纺丝溶液；使纺丝溶液或熔体从旋转喷射器流出，以便将所述纺丝溶液朝向喷嘴排放边缘的前表面分配；以及当溶剂(如果使用了的话)在电场的存在下或无电场存在下蒸发以产生聚合物纤维时，由纺丝溶液形成单独的纤维流。成型流体可在喷嘴周围流动以引导纺丝溶液离开旋转喷射器。可以将这些纤维收集在收集器上以形成纤维网。
还可通过诸如熔喷法的熔融方法制备用于本发明介质的纳米纤维网。例如，纳米纤维可包括由聚合物熔体制成的纤维。用于由聚合物熔体生产纳米纤维的方法描述于例如以下专利中：授予Akron大学的U.S.6,520,425、U.S.6,695,992、和U.S.6,382,526；授予Torobin等人的U.S.6,183,670、U.S.6,315,806、和U.S.4,536,361；以及美国专利公布2006/0084340。
在采用了溶剂的情况下，如果要进行聚合物溶液纺丝，则纺丝溶液包含溶于至少一种溶剂中的至少一种聚合物；如果要进行聚合物熔体纺丝，则纺丝溶液包含熔融成流体状态的至少一种聚合物。对于溶液纺丝法，可使用任何能够溶于可蒸发的溶剂中的成纤聚合物。适用于熔体和溶液纺丝两者的聚合物包括聚环氧烷、聚(甲基)丙烯酸酯、聚苯乙烯类聚合物和共聚物、乙烯基聚合物和共聚物、含氟聚合物、聚酯和共聚酯、聚氨酯、聚亚烷基、聚酰胺、和芳族聚酰胺。还可使用诸如热塑性聚合物、液晶聚合物、工程聚合物、可生物降解的聚合物、生物基聚合物、天然聚合物和蛋白质聚合物之类的聚合物类别。纺丝溶液的聚合物浓度可为纺丝溶液中含约1重量％至约90重量％的聚合物。此外，为了促进纺丝溶液或熔体进行纺丝，可以加热或冷却纺丝溶液。一般来讲，有效的纺丝溶液具有约10cP至约100,000cP的粘度。
另外，只要两种或更多种聚合物可溶于常用溶剂或者可进行熔融加工，则还可以制备共混聚合物。共混聚合物的一些实例可以是但不限于：聚(偏二氟乙烯)与聚(甲基丙烯酸甲酯)的共混物、聚苯乙烯与聚(乙烯基甲醚)的共混物、聚(甲基丙烯酸甲酯)与聚(环氧乙烷)的共混物、聚(甲基丙烯酸羟丙酯)与聚(乙烯吡咯烷酮)的共混物、聚(羟基丁酸酯)与与聚(环氧乙烷)的共混物、蛋白质与聚(环氧乙烷)的共混物、聚交酯与聚乙烯吡咯烷酮的共混物、聚苯乙烯与聚酯的共混物、聚酯与聚(甲基丙烯酸羟乙酯)的共混物、聚(环氧乙烷)与聚(甲基丙烯酸甲酯)的共混物、聚(羟基苯乙烯)与聚(环氧乙烷)的共混物。
任选地，可在所述方法中加入电场。可在旋转喷射器和收集器之间加上电势。可对旋转喷射器或收集器在另一个组件大体上接地的情况下进行充电，或只要在它们之间存在电势，它们两者均可被充电。此外，还可在旋转喷射器和收集器之间设置电极，其中对电极进行充电以便在电极和旋转喷射器和/或收集器之间产生电势。所述电场具有约1kV至约150kV的电势。令人惊讶的是，所述电场似乎对平均纤维直径没有什么影响，但的确可帮助纤维分离并朝收集器行进以加快纤维网铺放。
实施例
I.测试方法
在以上描述和以下非限制性实施例中，采用了下述测试方法以测定各种所记录的特性和性能。
A.纤维直径
纤维直径如下测量。在5,000倍放大率下拍摄各纳米纤维层样本的十张扫描电镜(SEM)图像。采用人工计数法计算纤维直径。可对单纤维进行多次纤维直径测量，因此测量值不会受到SEM视野中出现的纤维数目限制。
一般来讲，首先找到随机选取的纤维的边缘，然后沿宽度横向(垂直于该位点的纤维方向)测量该边缘与相对的纤维边缘的距离。定标和校准过的图像分析工具提供标度，从而可得到以毫米或微米为单位的实际读数。在每张SEM显微照片中测量不超过十(10)根可区别的纤维直径。在每个样本中测量总计至少一百(100)根可明显区别的纤维并记录测量值。不包括瑕疵(即，纳米纤维的凸块、聚合物球、纳米纤维的交叉处)。记录包括纤维尺寸分布在内的所有数据，并如上所述使用商业软件包(用于Windows的Minitab 15，Minitab，Inc.(State College，Pennsylvania))进行统计分析。该软件有关偏度和峰度的定义用于界定分布是约翰逊有界分布还是约翰逊无界分布。
B.粘度
粘度在配备有20mm平行板的Thermo RheoStress 600流变仪(Newington，NH)上测量。在23℃下以0至1,000s-1的连续剪切速率的上升变化收集了4分钟的数据，并且按10s-1时的cP数进行报告。
C.弗雷泽透气率
弗雷泽透气率是对多孔材料透气率的量度，其测量值单位为立方英尺/平方英尺/分钟。其测量在0.5英寸(1.25cm)的水压差下通过材料的气流体积。将孔口安装在真空系统内以将空气通过样本的流量限制到可测量的程度。孔口尺寸取决于材料的孔隙率。采用具有校准过的孔口的Sherman W.Frazier Co.双压力计测量弗雷泽透气率(也称为弗雷泽孔隙率)，单位为ft3/ft2/min。
D.平均孔径
平均孔径是对材料孔径的量度，对材料孔径而言会出现总气流的一半经大于平均孔径的孔通过样本，而气流的另一半经小于平均孔径的孔通过样本。根据ASTM F31 6-03的一般教导，使用毛细管流动孔径分析仪(CFP 1500 AEXL型，得自Porous Materials Inc.(Ithaca，N.Y.))测量平均流量孔径。将样本膜放置在样本室内并用表面张力为19.1达因/厘米的SilWick有机硅液(Porous Materials，Inc.(Ithaca，NY))润湿。样本室的底部夹具具有直径为2.54cm、厚为3.175mm的多孔金属盘插件(Mott Metallurgical，Farmington，Conn.，40μm多孔金属盘)，样本室的顶部夹具具有直径为3.175mm的孔。赋给平均流量孔径的值是三次测量的平均值。
E.流通阻隔性
流通阻隔性衡量在不损耗气流或液流的情况下对小颗粒的过滤效率。该特性被定义为弗雷泽孔隙率(m3.m-2.s-1)除以平均流量孔径(微米)。
II.实施例1
该实施例展示了在Typar(得自BBA Fiberweb(Old Hickory，TN)的聚丙烯非织造物)稀松布上制备纳米纤维网，其中在未使用电场的情况下铺放纳米纤维。
采用标准Aerobell旋转喷雾器以及用于控制高电压、涡轮速度和空气成形的控制机罩(得自ITW Automotive Finishing Group(位置))来制备连续纤维。使用的钟形喷嘴是ITW Ransburg部件号LRPM4001-02。将按重量计30％的聚偏二氟乙烯(Kynar 711，Atochem North America，Inc.)与70％的二甲基甲酰胺的纺丝溶液在55℃水浴中混合至均匀，然后倒入Binks 83C-220压力罐，进而送入PHD 4400型的50ml注射器泵(得自Harvard Apparatus(Holliston，Mass.))。然后将聚合物溶液通过输送管从注射器泵递送到旋转喷雾器。将施加于压力罐的压力设置为恒定的15psi。采用注射器泵控制通过旋转喷雾器的流量。将成形空气设置在恒定的30psi。将轴承空气设置在恒定的95psi。将涡轮速度设置为恒定的10K rpm。钟形杯的直径为57mm。在30℃下对聚合物溶液进行纺丝。在该测试过程中不使用电场。将纤维收集在Typar非织造收集筛网上，该筛网由一块不锈钢金属片固定在距离钟形喷嘴12英寸的位置。
该测试的结果示于表1中，汇总的数据示于表2中。对超过100根纤维进行了测定，这些纤维显示符合约翰逊无界分布并具有0.0359的流通阻隔性。
III.比较实施例1
比较实施例1按照与实施例1类似的方法制备，不同的是采用了25％(而非30％)的聚偏二氟乙烯(Kynar 711，Atochem North America，Inc.)与75％的二甲基甲酰胺的纺丝溶液，涡轮速度为40K rpm，纺丝温度为55℃，并且流量为15ml/min。
该测试的结果示于表1中，汇总的数据示于表2中。对超过100根纤维进行了测定，这些纤维显示符合约翰逊有界分布，并具有远大于实施例1的平均流量孔径和0.00011的流通阻隔性。造成平均流量孔径更大的原因是约翰逊分布不是无界的。
IV.实施例2
该实施例展示了在Typar稀松布上制备纳米纤维网，其中在使用电场的情况下铺放纳米纤维。
实施例2的制备方法类似于实施例1，不同的是施加了电场。通过将高压电缆连接于旋转喷雾器背面的高压接线头，从而将电场直接施加于旋转喷雾器。使用大的Teflon
Figure BPA00001374103000111
支架将旋转喷雾器与地完全绝缘，使得最靠近钟形喷嘴的平面为支承Typar收集带的不锈钢金属片。以电流控制模式使用+50kV的SL600电源(Spellman Electronics Hauppauge，New York)，并将电流设定为0.02mA。运行的高电压为约50kV。因为覆盖的纤维在整个收集区上都非常均匀，所以此时的纤维铺放效果比实施例1中的好得多。
该测试的结果示于表1中，汇总的数据示于表2中。对超过100根纤维进行了测定，这些纤维显示符合约翰逊无界分布并具有0.8μm的平均流量孔径和0.012的流通阻隔性。
V.比较实施例2
比较实施例2按照与比较实施例1类似的方法制备，不同的是施加了电场。通过将高压电缆连接于旋转喷雾器背面的高压接线头，从而将电场直接施加于旋转喷雾器。使用大的Teflon
Figure BPA00001374103000121
支架将旋转喷雾器与地完全绝缘，使得最靠近钟形喷嘴的平面为支承Typar收集带的不锈钢金属片。以电流控制模式使用+50kV的电源，并将电流设定为0.02mA。运行的高电压为约50kV。因为覆盖的纤维在整个收集区上都非常均匀，所以此时的纤维铺放效果远优于比较实施例1。
该测试的结果示于表1中，汇总的数据示于表2中。对超过100根纤维进行了测定，这些纤维显示符合约翰逊有界分布，并且由于施加电场而改善的铺放效果，使得平均流量孔径远小于比较实施例1中的平均流量孔径。然而，比较实施例2的平均流量孔径不像实施例2那样小，因为约翰逊曲线图不会产生无界分布并且流通阻隔性为0.0046。
VI.实施例3
实施例3按照与实施例1类似的方法制备，不同的是使用了70mm钟形杯。将纤维收集在Typar非织造收集筛网上，该筛网由不锈钢金属片固定在距离钟形喷嘴12英寸的位置。
该测试的结果示于表1中，汇总的数据示于表2中。对超过100种纤维进行了测定，这些纤维显示符合约翰逊无界分布并具有0.872的流通阻隔性。实施例3表现出比实施例1更大的平均流量孔径，这表明即使检测到约翰逊无界分布，更小的杯尺寸也会产生甚至更小的平均流量孔径。
VII.比较实施例3-5
通过静电纺丝设备对尼龙6，6的甲酸溶液进行纺丝。聚合物溶液的浓度为25重量％。将收集器速度保持在50rpm。施加的电压范围为20至50KV，喷嘴尖端与收集器之间的距离固定在110mm。所有的设置和工艺参数在参考文献1(Park，H.S.，Park，Y.O.，“Filtration Properties of Electrospun Ultrafine Fiber Webs”，Korean J.Chem.Eng.，22(1)，pp.165-172(2005))中示出。
纤维尺寸分布在参考文献1的第157页示出。针对每个相应的二进制数据，在Minitab 15版中使用统一的随机数值生成器对这些分布类型进行模拟。对连同偏度和峰度在内的统计数据进行计算以确定正确的约翰逊曲线图，并将统计数据示于表3中。比较实施例3-5由于在静电作用下铺放而具有介于2.93和6.06μm之间的平均流量孔径。然而，这些纤维分布都没有产生约翰逊无界曲线图，并且都没有得到如实施例2那样小于1μm的平均流量孔径。
VIII.比较实施例4
制备溶于二甲基乙酰胺中的25重量％的聚(偏二氟乙烯)溶液。采用配备1mm直径的注射器针头和鼓形反电极的静电纺丝设备来制造纤维。尖端与收集器的距离为15cm，施加的电压为10KV。所有的设置和工艺参数在参考文献2(Choi，S.S.，Lee，Y.S.，Joo，C.W.，Lee，S.G.，Park，J.K.，Han，K.S.，“Electrospun PVDF nanofiber web as polymer electrolyte or separator”，Electrochimica Acta，50，pp.339-34(2004))中示出。
纤维尺寸分布曲线图在参考文献2的第341页示出。针对每个相应的二进制数据，在Minitab 15版中使用统一的随机数值生成器对这些分布类型进行模拟。对连同偏度和峰度在内的统计数据进行计算以确定正确的约翰逊曲线图，并将统计数据示于表3中。比较实施例4由于在静电作用下铺放而具有3.28μm的平均流量孔径。然而，纤维分布是正态的，并且平均流量孔径不像实施例2那样小于1μm。
表1
表2
Figure BPA00001374103000142
表3
Figure BPA00001374103000143
*根据参考文献1测定。
**根据参考文献2测定。

Claims (8)

1.非织造纤维网，所述非织造纤维网包含一种或多种聚合物纤维，其中所述一种或多种聚合物纤维具有符合约翰逊无界分布的数均纤维直径分布。
2.如权利要求1所述的非织造纤维网，其中所述一种或多种聚合物纤维由相同的纺丝头制成。
3.如权利要求1所述的非织造纤维网，其中所述一种或多种聚合物纤维的数均纤维尺寸小于1,000nm。
4.如权利要求1所述的非织造纤维网，其中在基重为大约25g.m-2时，所述非织造纤维网具有在约5ft3·ft-2min-1(0.0254m3.m-2.s-1)至约100ft3·ft-2min-1(0.508m3.m-2.s-1)范围内的弗雷泽孔隙率。
5.如权利要求1所述的非织造纤维网，其中在基重为约25g.m-2时，所述非织造纤维网的流通阻隔特性大于0.01。
6.用于优化非织造纤维网的平均流量孔径的方法，所述方法包括对一种或多种聚合物纤维进行纺丝，其中所述一种或多种聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布。
7.权利要求5的方法，其中所述纺丝包括以下步骤：
(i)向具有前表面纤维排放边缘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或溶液；
(ii)使所述纺丝熔体或溶液沿所述旋转分配盘的所述内纺丝表面流出，以便将所述纺丝熔体或溶液分布为薄膜并朝向所述前表面纤维排放边缘；以及
(iii将单独的熔融或溶液聚合物纤维流从所述前表面排放边缘排放到气体流中以使所述纤维流变细，从而制得具有小于约1,000nm的平均纤维直径的聚合物纤维；
其中所述聚合物熔体或溶液具有的粘度高于用于制备所述聚合物纤维的最低有效粘度，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布；和/或
其中所述聚合物熔体或溶液具有的流量低于用于制备所述聚合物纤维的最大有效流量，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布；和/或
其中所述聚合物溶液具有的浓度高于用于制备所述聚合物纤维的最低有效浓度，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布；和/或
其中所述旋转分配盘的旋转速度小于用于制备所述聚合物纤维的最大有效旋转速度，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布。
8.非织造纤维网，所述非织造纤维网包含一种或多种纤维，其中所述非织造纤维网通过包括以下步骤的方法制备：
(i)向具有前表面纤维排放边缘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或溶液；
(ii)使所述纺丝熔体或溶液沿所述旋转分配盘的所述内纺丝表面流出，以便将所述纺丝熔体或溶液分布为薄膜并朝向所述前表面纤维排放边缘；以及
(iii)将单独的熔融或溶液聚合物纤维流从所述前表面排放边缘排放到气体流中以使所述纤维流变细，从而制得具有小于约1,000nm的平均纤维直径的聚合物纤维；
其中所述聚合物熔体或溶液具有的粘度高于用于制备所述聚合物纤的最低有效粘度，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布；和/或
其中所述聚合物熔体或溶液具有的流量低于用于制备所述聚合物纤维的最大有效流量，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布；和/或
其中所述聚合物溶液具有的浓度高于用于制备所述聚合物纤维的最低有效浓度，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布；和/或
其中所述旋转分配盘的旋转速度小于用于制备所述聚合物纤维的最大有效旋转速度，所述聚合物纤维的数均纤维直径分布符合约翰逊无界分布。
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