CN104603337A - 多区电吹工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于通过电吹法制备纤维的方法和设备。在本发明的一个实施例中，从纺丝喷嘴形成的聚合物流通过第一温度区并持续第一停留时间，并且随后通过第二温度区并持续第二停留时间，其中所述第二区具有比所述第一区高的平均温度。在本发明的设备的一个实施例中，所述设备具有纺丝喷嘴出口和收集器之间的区域，所述区域包括至少两个区，聚合物流从所述区通过，其中所述第二区具有比所述第一区高的平均温度。

Description

多区电吹工艺

技术领域

背景技术

据认为电吹工艺涉及通过在纤维上存在电荷的情况下将由高速喷气流产生的过程溶液纺丝条抽长来形成纤维。纤维上的电荷能够通过在喷丝头附近存在强电场来引入。纤维形成和溶剂去除在纺丝组合件和收集器之间的喷气流体积中发生。

理想地，所述工艺的操作者期望制备较细的纤维，同时增加最大过程吞吐量。常规工艺仅允许在以其它目标为代价下实现这些目标中的一个。因此，需要一种方法，所述方法脱离纺丝和干燥温度对纤维尺寸和吞吐量的竞争效应。

发明内容

本发明涉及用于电吹法的方法和设备，其中纺丝单元包括至少两个区，所述区任选地被物理分隔物分隔。第一区(区1)包括纺丝组合件和邻近所述组合件的纤维形成体积，其中控制温度相对于第二区相对低，并且第二区(区2)中的温度相对于第一区增加。所述方法包括以下步骤：电吹聚合物溶液，以及使随后形成的聚合物流通过区1和区2。

在一个实施例中，本发明涉及用于制备纤维的方法，所述方法包括以下步骤：从具有带出口端的纺丝喷嘴的喷丝头电吹聚合物溶液，其中所述聚合物溶液包含至少一种聚合物和至少一种溶剂，其中所述电吹法包括以下步骤：

a)将所述聚合物溶液从所述纺丝喷嘴排放到电场中，同时从邻近所述纺丝喷嘴的出口端定位的气体喷嘴注入气体；

b)由排放的聚合物溶液形成包含聚合物纤维的聚合物流，蒸发溶剂并将聚合物纤维沉积到收集器上；并且

其中所述聚合物流通过保持在第一平均温度T1的第一区并持续第一停留时间，并且随后通过保持在第二平均温度T2的第二区并持续第二停留时间，并且其中所述第二温度T2高于所述第一温度T1。

在一个实施例中，存在多于一个气体喷嘴和/或纺丝喷嘴。在另一个实施例中，气体喷嘴围绕纺丝喷嘴，并且与所述纺丝喷嘴同心。

在另一个实施例中，T2和T1之间的温度差值在约20℃至约200℃的范围内。在一些实施例中，T1在约20℃至约40℃的范围内。在其它实施例中，T2在约45℃至约270℃，约55℃至约200℃，或约58℃至约160℃的范围内。

在另一个实施例中，第二长度D2为介于第一长度D1的1和5倍之间，优选地为第一长度D1的1至3倍。在其它实施例中，聚合物流在区1中的停留时间通常为0.1至10毫秒，优选地0.5至2毫秒。在一些实施例中，聚合物流在区2中的停留时间为在区1中的1至20倍，优选地为在区1中的1至5倍。

在一些实施例中，由纺丝喷嘴排放的聚合物溶液包含选自下列的至少一种聚合物：聚酰亚胺、尼龙、芳族聚酰胺、聚苯并咪唑、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚丙烯、聚苯胺、聚环氧乙烷、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、SBR(丁苯橡胶)、聚苯乙烯、PVC(聚氯乙烯)、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、聚醚砜、聚乙烯丁烯、或它们的衍生物或共聚物、或它们的任何组合。

本发明还涉及用于电吹纤维的设备。在一个实施例中，所述设备包括：

a)纺丝喷嘴，所述纺丝喷嘴具有用于排放聚合物溶液的出口端；

b)气体喷嘴，所述气体喷嘴邻近所述纺丝喷嘴的出口端设置，用于注入压缩气体以形成气体流；

c)收集器，所述收集器用于收集由排放的聚合物溶液形成的纤维；

d)电压，所述电压施加于i)所述纺丝喷嘴，或ii)所述收集器，或iii)任选的电极，所述电极与所述纺丝喷嘴和所述收集器电隔离，其中电场在所述纺丝喷嘴、收集器和任选的电极中的全部三者或任意两者之间产生；

其中，在所述纺丝喷嘴出口和收集器之间包括至少两个区，由聚合物溶液形成的聚合物流通过所述区；其中所述纺丝喷嘴出口被设置成排放到所述第一区中，并且其中所述第一区具有第一长度D1并且维持在第一平均温度T1；其中所述第二区位于所述第一区的末端和收集器前之间的区域中，具有第二长度D2，并且维持在第二平均温度T2；并且其中所述第二区平均温度T2高于所述第一区平均温度T1。

在本发明的一个实施例中，纺丝喷嘴和收集器之间的区域包括任选地被物理分隔物分隔的至少两个区，通过所述区纤维可从纺丝喷嘴通到收集器。在其它实施例中，除了温度之外，所述区还具有受控的气流和湿度。在本发明的另一个实施例中，受控的气流、湿度和/或温度的其它区可位于第一区和第二区之间、在第二区之后、和/或在第一区或第二区内部。在一些实施例中，所述设备的第二区在第一区的末端处开始并邻近收集器结束。

在所述设备的另一个实施例中，第一区和/或第二区中的温度可通过在第一区和/或第二区中供入维持在特定温度或温度范围下的气体诸如空气来控制。在此类实施例中，第一区和/或第二区可包括气体的进气口。

在本发明的另一个实施例中，在所述第一区和所述第二区之间不存在物理分隔物，并且相对距离D1和D2通过供入第一区的气体的第一流速(Q1)和供入第二区的气体的第二流速(Q2)以及由气体喷嘴排放的气体射流流速(Qv)来确定，并且其中比率Q1/Qv介于1和7之间，或甚至介于4和7之间。

在另一个实施例中，所述设备还包括第三区，其中所述第一区至少部分地位于第三区内，并且其中所述第三区包括至少部分地封装所述第一区的封装件诸如壁，并且其中所述封装件具有一个或多个开口，气体能够通过所述开口从第三区通入所述第一区中。在一个实施例中，区3包括供入其中用于控制第一区温度的气体，诸如空气，空气或其它气体能够通过第三区的封装件中的开口或孔从第三区通入第一区中。

在本发明的一个实施例中，其中所述设备中存在第三区，所述第一区和所述第二区之间不存在物理分隔物，并且相对距离D1和D2通过供入第三区的气体的第一流速(Q3)和供入第二区的气体的第二流速(Q2)以及由气体喷嘴排放的气体射流流速(Qv)来确定，其中比率Q3/Qv介于1和7之间。在其它实施例中，其中在所述第一区和所述第二区之间不存在物理分隔物，并且相对距离D1和D2通过供入第三区的气体的第一流速(Q3)和供入第二区的气体的第二流速(Q2)来确定，其中比率Q3/Q2介于0.3和1.5之间，或甚至介于0.8和1.2之间。

在所述设备的一个实施例中，第二长度D2介于第一长度D1的1和5倍之间，并且优选地为第一长度D1的1至3倍。

附图说明

图1示出了现有技术电吹设备的示意图。

图2示出了本发明的电吹设备和方法的一个实施例的示意图。

图3示出了本发明的电吹设备和方法的另一个实施例的示意图。

图4示出了本发明方法的一个实施例的纤维尺寸对气流比率Q3/Qv的曲线图。

图5示出了本发明方法的一个实施例的纤维尺寸对气流比率Q3/Qv的曲线图。

具体实施方式

申请人特别将所有引用的参考文献的完整内容引入本公开内容中。此外，当量、浓度或其他数值或参数以范围、优选范围或优选上限数值和优选下限数值的列表形式给出时，其应理解为具体地公开由任何范围上限或优选数值和任何范围下限或优选数值的任何一对所构成的所有范围，而无论所述范围是否被单独地公开。当本文描述数值范围时，除非另外指明，否则所述范围旨在包括其端点，以及所述范围内的所有整数和分数。不旨在将本发明的范围限制为限定范围时详述的具体值。

本发明涉及用于电吹以形成纤维，包括例如纳米纤维的方法。电吹工艺描述于全部转让给DuPont的美国专利号7,846,374；7,618,579；7,585,451；7,582,247；和7,465,159中，并且全部均全文以引用方式并入本文中。聚合物溶液形成纳米纤维网的电吹法还详细描述于如下文献中：Kim等人的世界专利公布WO 03/080905，对应于美国专利申请10/477,882，将它们全文以引用方式并入本文。

在电吹法的一个实施例中，所述方法包括以下步骤：将聚合物溶液给料于纺丝喷嘴，所述聚合物溶液包含溶于或分散于溶剂或溶剂混合物中的一种或多种聚合物；经由纺丝喷嘴将聚合物溶液排放到电场中，同时通过邻近纺丝喷嘴的独立喷嘴以喷气流形式注入压缩气体，通常为空气，使得压缩气体在聚合物溶液从纺丝喷嘴的出口端排放时冲击在所述聚合物溶液上；以及由所述聚合物溶液形成聚合纤维，蒸发溶剂，并将所述聚合物纤维沉积到地接收集器上。在一个实施例中，收集器还可通过在所述收集器下方施加真空而任选地增强。

定义

在本说明书中，术语“纺丝头”、“纺丝组合件”与“喷丝头”同义，并且是指包括聚合物溶液通过的纺丝喷嘴和气体诸如空气通过的第二喷嘴(如果存在)的整个组件。

如本文所用，术语“纺丝单元”是指纺丝头、收集器和介于其间的空间的整个组件。

如本文所用，术语“过程射流”或“过程喷射流”是指从喷丝头或邻近喷丝头的喷嘴发射的聚合物溶液和气体(诸如空气)的混合流。

如本文所用，与气体喷嘴相对于纺丝喷嘴的定位有关的术语“邻近”，是指气体喷嘴被定位成允许气体流(本文中也称为“气体射流”)诸如空气冲击在离开纺丝喷嘴的聚合物溶液上。气体射流(诸如喷气流)可被构造成在聚合物流离开纺丝头时轴对称地吹到所述聚合物流上。在所述方法的另一个实施例中，气体射流不轴对称地吹到聚合物流上，但从邻近并在单个孔或一排孔的任一侧上的狭槽吹送。

如本文所用，术语“聚合物流”是指包含聚合物纤维和溶剂的流，其在聚合物溶液从喷丝头排放时形成。形成的聚合物纤维可以为连续的、不连续的或它们的混合物。在本发明的一个实施例中，形成的聚合物纤维为“连续的”，其中存在从纺丝喷嘴的出口周围通到收集器的聚合物纤维的不间断流。在此类实施例中，多根连续纤维股线可在聚合物溶液离开纺丝喷嘴时通过在所述聚合物溶液上的气体射流的相互作用，而从每个喷丝孔形成。

所谓“纳米纤维”，是指具有小于约1000nm，并且甚至小于约800nm，并且甚至介于约50nm和800nm之间，并且甚至介于约50nm和约500nm之间的数均直径的纤维。就非圆形横截面的纳米纤维而言，如本文所用，术语“直径”是指最大的横截面尺寸。

所谓“室温”，本文是指在约20℃至约30℃的范围内的温度。

本发明的方法

本发明涉及用于电吹的方法，其中过程射流在冲击到收集器上之前通过至少两个区。在一些方面，本发明涉及用于制备纤维诸如纳米纤维的方法，所述方法包括以下步骤：从喷丝头电吹聚合物溶液，其中所述过程射流离开喷丝头进入第一区。第一区具有第一长度并保持在第一平均温度下。过程射流通过第一区并持续第一停留时间，并且然后通过保持在第二平均温度下的具有第二长度的第二区并持续第二停留时间，其中第二平均温度高于第一平均温度。

虽然不受理论的束缚，但据信，通过具有如本文所述的保持在较冷温度下的第一区，减小了第一区中的溶剂蒸发，从而导致具有较小直径的纤维形成。然后，聚合物流进入区2，所述区为较热的过程射流区域，并促进快速蒸发和纤维的干燥。另外，在一些实施例中，有利的是以保持过程射流的流动特征不受干扰的方式来供应气体(诸如空气)，所述气体被供应到区1和区2中以控制这些区中每一个的温度。因此，本发明的设备和方法能够制备较小的纤维直径而不牺牲吞吐量。

术语“T1”和“T2”为在过程射流分别在区1和区2中行进的距离范围内的平均温度。T2和T1之间的温度差值通常在约20℃至约200°的范围内。T1的范围通常是从约20℃至约40℃。T2可基于从聚合物流中蒸发或除去溶剂所期望的温度来选择。T2可以为例如在约45℃至约270℃，约55℃至约200℃，或约58℃至约160℃的范围内。

聚合物流在区1中的停留时间通常为约0.1毫秒至约10毫秒，优选地约0.5毫秒至约2毫秒。聚合物流在区2中的停留时间通常为在区1中的约1至约20倍，优选地在区1中的约1至约5倍。如本文所用，“停留时间”是指聚合物流完全通过给定区(从所述区起始端至所述区末端)所需要的时间点。

可用于本发明方法的聚合物不限于热塑性树脂，并且可包括大部分合成树脂，包括热固性树脂。合适的聚合物的例子包括聚酰亚胺、尼龙、芳族聚酰胺、聚苯并咪唑、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚丙烯、聚苯胺、聚环氧乙烷、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、SBR(丁苯橡胶)、聚苯乙烯、PVC(聚氯乙烯)、聚乙烯醇、PVDF(聚偏二氟乙烯)、聚乙烯丁烯、聚醚砜、或它们的衍生物或共聚物或它们的任何组合。

可用于本发明的聚合物溶液包含至少一种聚合物和至少一种溶剂。聚合物溶液可通过将一种或多种聚合物溶于或分散于至少一种溶剂中来制备。值得注意的是，聚合物不必溶于聚合物溶液中。例如，聚合物可部分地或完全地分散于溶液中。尽管溶解或分散一种或多种聚合物可能不需要任何特定的温度范围，但可能需要加热以帮助一种或多种聚合物的溶解或分散。在一个实施例中，基于所述聚合物溶液的总重量计，聚合物溶液中的聚合物浓度为至少约1.0重量％，在其它实施例中，范围是从约1.0重量％至约60重量％，并且在其它实施例中，范围是从约3重量％至约45重量％。

聚合物溶液还可包含一种或多种添加剂，所述添加剂包括例如与相关的聚合物相容的任何树脂、增塑剂、紫外线稳定剂、交联剂、固化剂、反应引发剂或它们的组合。

本发明的一些实施例中制备的聚合纤维具有约1600nm或更小的数均纤维直径，在另一个实施例中小于约1000nm，并且在另一个实施例中小于约800nm，或者甚至介于约50nm和800nm之间，或甚至介于约50nm和约500nm之间。制得的聚合物纤维可以为连续的、不连续的或它们的混合物。在一些实施例中，制得的聚合物纤维为基本上连续的或完全连续的。所谓的“基本上连续的”，是指在所述方法的操作期间，在纺丝喷嘴的出口和收集器表面之间存在不间断的纤维，但是在制得的纤维中可能偶尔存在断裂。不连续纤维可例如通过增加气体射流流速直至纤维分裂成不连续纤维股线块来制备。

本发明的设备

在本发明的另一个方面，提供用于电吹纤维诸如纳米纤维的设备，所述设备包括：纺丝喷嘴，所述纺丝喷嘴具有用于排放聚合物溶液的出口端；气体喷嘴，所述气体喷嘴邻近纺丝喷嘴的出口端设置，用于注入压缩气体(诸如空气)；以及收集器，所述收集器用于收集由聚合物溶液形成的纺丝纤维。

电压被施加于i)喷丝头，或ii)收集器，或iii)任选的电极，所述电极与所述纺丝喷嘴和收集器电隔离，以在所述纺丝喷嘴、收集器和任选的电极中的全部三者或任意两者之间产生电场。

现在转到附图，图1为如国际公布号WO2003/080905中所描述的用于电吹法(或“电喷纺丝”)的电吹设备的示意图。该现有技术电吹法包括通过喷丝头102将聚合物在溶剂中的溶液从储罐100给料于纺丝喷嘴104，对所述纺丝喷嘴施加高电压，同时在聚合物溶液离开纺丝喷嘴104时，将压缩气体或吹送气体通过吹气喷嘴106直接导向聚合物溶液以形成纤维，并且在由真空室114和鼓风机112产生的真空下在地接收集器110上将纤维收集成网。

电吹工艺中的电荷可以其它构形施加，如例如在美国专利号7,846,374；7,618,579；7,585,451；7,582,247；和7,465，159中所详述的那些。本领域技术人员将认识到，存在用于产生适用于电吹聚合物的电场的各种构形，并认为本发明不受产生电场的部件的限制。

图2为示意性地示出本发明的设备和方法的实施例。图2示出可用于本发明的纺丝组件(20)。将过程溶液(1)诸如聚合物溶液和压缩气体的气体流(3)给料于纺丝头(2)并且由过程溶液(1)和气体流(3)形成过程射流(7)。纺丝头(2)可相对于收集器(5)是带电的，或可以接地并且收集器(5)是带电的。另选地，过程射流(7)可由位于纺丝区中的至少一个(例如区1或区2)中的外部电极(未示出)来充电。任选的物理区分隔物(4)分隔两个区，区1(8)和区2(6)，其中区1(8)保持在平均温度T1，其低于保持在平均温度T2的区2(6)。包含聚合物流的过程射流(7)通过区1(8)，行进距离D1(即区1(8)的长度)并持续第一停留时间。一旦通过区1(8)，过程射流就进入区2(6)并行进距离D2(区2(6)的长度)并持续第二停留时间。在图2中所示的实施例中，D1是纺丝头(2)的出口端和区2(6)的起始端之间的距离，而D2是区1(8)的末端和收集器之间的距离。

在图2中所示的设备的另一个实施例中，在区2(6)中，区2(6)的温度通过向区2(6)直接供应热气体诸如空气(未示出)来调节，所述热空气与区2(6)中的环境空气/气体混合以产生区2(6)中的平均温度T2。在此类实施例中，区1和区2具有独立的气体供应诸如空气，以分别控制平均温度T1和T2。因此，过程射流(7)暴露于区1(8)中的平均温度T1并行进长度D1，并暴露于区2(6)中的平均温度T2并行进长度D2，其中T1比T2冷。

在其中不存在物理分隔物(4)的实施例中，相对距离D1和D2由到区1和区2的相对气体流速(诸如空气流速)(分别为Q1和Q2)，以及气体(诸如空气)射流/流(3)的气体流速(Qv)来确定。在一些实施例中，比率Q1/Qv通常为1至7，并且优选地4至7。比率Q1/Q2通常为0.3至1.5，并且优选地0.8至1.2。

进入区1(8)的气体流Q1的温度通常为室温至约40℃。进入区2(6)的气体流Q2的温度通常为约60℃至约280℃，或在一些实施例中约100℃至约280℃。邻近纺丝头(2)的气体流(3)的温度通常为室温至40℃。

术语“T1”和“T2”为在过程射流(7)分别在区1和区2中行进的距离范围内的平均温度。温度差值T2-T1通常为20℃-200℃。T1的范围通常是从室温至40℃，并且在其它实施例中为室温。T2可基于从聚合物流中蒸发或除去溶剂所期望的温度来选择。T2可以为例如在约45℃至约270℃，约55℃至约200℃，或约58℃至约160℃的范围内。

图3示出本发明的设备和方法的另一个实施例。在图3的纺丝组件(30)中，如在图3以示意性形式所示，第一区(9)位于第三区(10)内部，以至少部分地封装纺丝喷嘴将聚合物流排放入其中的空间。第一区(9)可以或可以不封装纺丝头(2)。图3示出其中不封装纺丝头(2)的实施例。例如，图3示出其中区1(9)邻近纺丝头(2)的出口但不将其封装的实施例。第一区(9)从邻近纺丝头(2)的纺丝喷嘴的出口端延伸至与区2(6)的界面。所述界面可包括具有开口的任选的分隔物(4)，在所述开口处，聚合物流可从区1(9)通入区2(6)中。在图3中，该实施例中的区1(9)的封装件(11)使得空气或其它气体通过所述封装件(11)的壁中的开口(未示出)从第三区(10)通入第一区(9)中，并且纤维能够从纺丝喷嘴的开口通过第一区(9)到分隔物(4)的开口并且通过分隔物(4)的开口。邻近纺丝喷嘴的第一区(9)的末端可以为完全开放的，或可具有合适的开口以使得气体(例如空气)和/或纤维通过所述区。

在图3中，区1(9)的温度控制通过从区3(10)供应气体诸如空气(未示出)来实现。例如，在一个实施例中，来自区3(10)的冷空气可通过区1的壁中的孔或开口，或通过区1的顶部，或上述两者进入区1。

区2(6)的温度通过向区2(6)直接或间接供应热气体诸如空气来调节，所述热气体与区2(6)中的环境空气/气体混合。区3和区2优选地具有与其连接的外部气体(例如空气)供应。因此，过程射流(7)暴露于区1(9)中的冷空气(相对于区2(6))并行进长度D1，并且暴露于区2(6)中的暖空气(相对于区1(9))并行进长度D2。

在其中不存在物理分隔物(4)的图3的实施例中，相对距离D1和D2由到区3和区2的相对气体流速(分别为Q3和Q2)，以及气体(例如空气)射流/流(3)的气体流速(Qv)来确定。比率Q3/通Qv常为1至7，并且优选地4至7。比率Q3/Q2通常为0.3至1.5，并且优选地0.8至1.2。

进入区3的气体流的温度通常为室温至约40℃。进入区2(6)的气体流Q2的温度通常为约60℃至约280℃，或在一些实施例中约100℃至约280℃。邻近纺丝头(2)的气体流(3)的温度通常为室温至约40℃。

用常规高电压充电部件，向纺丝头、收集器或任选的外部电极施加电压，所述电压优选地在约1至300kV的范围内，还更优选约10至100kV。聚合物溶液可以在约0.01至200kg/cm²，并且优选地约0.1至20kg/cm²的压力范围内排放。这使得聚合物溶液以足以大量生产纳米纤维的较大量来排放。

在另一个独立的实施例中，所述设备还包括在纺丝喷嘴下部的毛细管，其中所述毛细管具有约0.1至2.0mm的直径和约1至20的长度与直径的比率。

在所述设备的另一个实施例中，用于注入压缩气体(诸如空气)的气体喷嘴被设置在纺丝喷嘴两个侧面上的刀片边缘上，并且具有约0.1至5.0mm的距离或气隙。

在另一个实施例中，所述气体喷嘴具有环绕纺丝喷嘴的圆柱形形状和约0.1至5.0mm的宽度或气隙。

纺丝喷嘴的下端与收集器可间距约1cm至约200cm，并且优选地约25cm至约60cm。

实例

测试方法

纤维直径如下方式测定。对于每个细旦纤维层样品获取两至三个扫描电镜(SEM)图像。由照片测量清楚可分辨的细旦纤维的直径并记录。不包括缺陷(即，细旦纤维的团块、聚合物小滴、细旦纤维的交叉点)。计算每个样品的数均纤维直径为约50至300支。

设备

用于实例的设备由如图3所示的纺丝组件构成。存在区1和区2之间的物理分隔物(4)和分隔区1与区3的封装件。

区1包含纺丝头，其具有一个用于纺丝溶液的位于中心的孔。所述孔具有轴对称喷气流，其将空气吹过喷丝孔。将空气供应到区3，然后通过开放的区1的顶部进入区1。供入区3的空气的唯一出口通过区1到区2。在区2中，通过供应热空气来调节温度，所述热空气与区2中的环境空气混合。因此，过程射流暴露于区1中的冷空气(相对于区2)并行进可变的长度1，并暴露于区2中的热空气(相对于区1)，其中过程射流在被收集到收集器上之前行进长度D2。

结果

比较例A

在室温下将聚苯乙烯(PS)(DOW 685-D)的25重量％溶液溶于二甲基甲酰胺(DMF)中。将少量氯化锂(LiCl)也添加到溶液中以改善其电导率。磁力搅拌器用于搅拌溶液。将均匀的溶液转移到密封的玻璃容器中并输送到纺丝室中。然后将溶液转移到储存器中并密封。将具有0.4064mm内径的纺丝喷嘴的单个纺丝喷嘴喷丝头纺丝组合件用于该实验。

使用图3的设备构型。转筒收集器用于收集样品。纺丝头置于100kV的负电势下。收集器接地。喷丝头出口到转筒表面的距离为37cm。空气用于过程气体射流/流。进入系统的空气的相对湿度被控制为小于10％。在第一实验中，区3和区2两者均维持在31℃的恒温下。将喷丝头的聚合物溶液流量维持在0.83ml/min。这接近在该纺丝单元温度下可实现的最大溶液吞吐量。在较高的溶液吞吐量下，片材表现出表示纤维不完全干燥的湿点。

控制喷气流(图3中的气体流(3))的流速(Qv)以维持大约100m/秒的出口速率。一旦引发溶液流动，纤维就可以流形式可见。纤维以条形式沉积在转筒上。在运行之后，收集片材样品用于纤维尺寸分析。纤维的数均纤维直径被测量为793纳米。

实例1

在该实例中，使用如比较例A中所述具有相同组成的聚合物溶液和制备技术。喷丝头出口到转筒表面的距离为50cm。区1长度为16.5cm并且区2长度为33.5cm。区3维持在31℃的温度并且区2维持在62℃的温度。将空气用于气体射流/流。所有区中的空气的相对湿度被控制为小于约10％。保持溶液流量为2.7ml/min。这接近在该区2温度下可实现的最大溶液吞吐量。在较高的溶液吞吐量下，片材表现出表示纤维不完全干燥的湿点。

控制喷气流(图3中的气体流(3))的流速(Qv)以维持大约100m/秒的出口速率。喷气流温度接近23℃。一旦引发聚合物溶液流动，纤维就可以流形式可见。纤维以条形式沉积在转筒上。在运行之后，收集片材样品用于纤维尺寸分析。纤维的数均纤维直径测量为767纳米，其具有与比较例A相似的方差。

因此，实施多区纺丝几何形状允许制造具有相同纤维直径的纤维，但是过程溶液吞吐量为由单区纺丝技术实现的那些的三倍。

实例2

实例2示出到区1的冷空气流速Q3和在那些工艺设置下制成的片材料的纤维直径之间的关系。制备单个片材卷，并且在运行过程中到区1的冷空气流速Q3发生变化。尽管存在物理分隔物，但其不用作限定区1和区2的边界。区1和区2的相对位置通过Q2和Q3之间的相对气流流速以及喷气流的流速Qv来确定。

制备23重量％聚酰胺酸的DMF溶液。溶液粘度为6Pa sec。实验期间的溶液流量维持在接近1.5ml/min/h。单孔纺丝组合件(即，纺丝头)用于该实验。纺丝孔的直径为15密耳(0.375mm)。组合件表面到转筒收集器表面的距离为34cm。在该实验过程中，区3中的温度从25℃变化到32℃。在该实验过程中，区2中的温度从58℃变化到85℃。组合件维持在100kV的电势下并且转筒收集器接地。图4示出在到区1的各种冷空气流速Q3下测量的纤维直径，其中冷空气流供应以无量纲单位Q3/Qv标记，其中Q3为到区1的空气流速，并且Qv为图3中气体流(3)的固定喷气流流速。

相对于Qv增加Q3，增大了距离D1，对于该距离聚合物溶液保持在较低的区1温度。图4示出了随着Q3/Qv值增加，平均纤维直径减小。

实例3

实例3再次示出到区1的冷空气流速Q3和在那些工艺设置下制成的片材料的纤维直径之间的关系。该实验涉及制备单个片材卷，并在运行过程中改变到区3的冷空气流速Q3。制备23重量％聚酰胺酸溶液的二甲基甲酰胺(DMF)溶液。溶液粘度为6Pa sec。实验期间的溶液流速维持在接近1.4ml/min/h。单孔纺丝组合件(即，纺丝头)用于该实验。纺丝孔的直径为15密耳(0.375mm)。6cm狭槽喷头与该组合件一起使用，并且几何形状与实例2中所述的类似。气体射流/流的流速为10.1SCFM。组合件表面到转筒收集器表面的距离为34cm。在该实验过程中，区1中的温度从30℃变化到31℃。在该实验过程中，区2中的温度从68℃变化到82℃。组合件维持在100kV的电势下并且转筒收集器接地。图5示出在到区1的各种冷空气流速Q3下测量的纤维直径，其中冷空气流供应以无量纲单位Q1/Qv标记，其中Q3为到区1的气体流速，Qv为固定喷气流流速(图3中气体流(3))。图5示出了随着Q3/Qv值增加，平均纤维直径减小。所述图示出越多冷空气被推入过程射流的上段(区1)，则平均纤维直径越低，同时维持越高的溶液吞吐量。数据示出存在比率Q3/Qv的最大值，相当于图3中的比率D1/D2，高于所述最大值不具有纤维直径的进一步减小。

Claims (19)

1.用于制备纤维的方法，所述方法包括以下步骤：从具有带出口端的纺丝喷嘴的喷丝头电吹聚合物溶液，其中所述聚合物溶液包含至少一种聚合物和至少一种溶剂，其中所述电吹法包括以下步骤：

a)将所述聚合物溶液从纺丝喷嘴排放到电场中，同时从邻近所述纺丝喷嘴的出口端定位的气体喷嘴注入气体；

b)由排放的聚合物溶液形成包含聚合物纤维的聚合物流，蒸发溶剂并将聚合物纤维沉积到收集器上；并且

其中所述聚合物流通过保持在第一平均温度T1的第一区并持续第一停留时间，并且随后通过保持在第二平均温度T2的第二区并持续第二停留时间，并且其中所述第二温度T2高于所述第一温度T1。

2.根据权利要求1所述的方法，其中T2和T1之间的温度差值在约20℃至约200℃的范围内。

3.根据权利要求2所述的方法，其中T1在约20℃至约40℃的范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物流在所述第一区中的停留时间在约0.1毫秒至约10毫秒的范围内。

5.根据权利要求5所述的方法，其中所述聚合物流在所述第一区中的停留时间在约0.5毫秒至约2毫秒的范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物流在所述第二区中的停留时间是在所述第一区中的停留时间的约1至约20倍。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述聚合物流在所述第二区中的停留时间是在所述第一区中的停留时间的约1至约5倍。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物溶液包含选自下列的聚合物：聚酰亚胺、尼龙、芳族聚酰胺、聚苯并咪唑、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚丙烯、聚苯胺、聚环氧乙烷、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、SBR(丁苯橡胶)、聚苯乙烯、PVC(聚氯乙烯)、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、聚醚砜、聚乙烯丁烯、或它们的衍生物或共聚物或它们的任何组合。

9.用于电吹纤维的设备，所述设备包括：

a)纺丝喷嘴，所述纺丝喷嘴具有用于排放聚合物溶液的出口端；

b)气体喷嘴，所述气体喷嘴邻近所述纺丝喷嘴的出口端设置，用于注入压缩气体以形成气体流；

c)收集器，所述收集器用于收集由从所述纺丝喷嘴排放的聚合物溶液形成的纤维；

d)电压，所述电压施加于i)所述纺丝喷嘴，或ii)所述收集器，或iii)任选的电极，所述电极与所述纺丝喷嘴和所述收集器电隔离，其中电场在所述纺丝喷嘴、收集器和任选的电极中的全部三者或任意两者之间产生；

其中，在所述纺丝喷嘴出口和收集器之间包括至少两个区，由聚合物溶液形成的聚合物流通过所述区；其中所述纺丝喷嘴出口被设置成排放到所述第一区中，并且其中所述第一区具有第一长度D1并且维持在第一平均温度T1；其中所述第二区位于所述第一区的末端和所述收集器前之间的区域中，具有第二长度D2，并且维持在第二平均温度T2；并且其中所述第二区平均温度T2高于所述第一区平均温度T1。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一区和所述第二区由分隔物隔开，所述分隔物包括聚合物流和气体流能够通过的开口。

11.根据权利要求9所述的设备，所述设备还包括第三区，其中所述第一区至少部分地位于所述第三区内，并且其中所述第三区包括至少部分地封装所述第一区的封装件，并且其中所述封装件具有一个或多个开口，气体能够通过所述开口从所述第三区通入所述第一区中。

12.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一区具有第一气体入口并且所述第二区具有通过其供应气体的第二气体入口。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述第二区中的平均温度通过从所述第二气体入口供入所述第二区的气体来调节。

14.根据权利要求11所述的设备，其中区3具有用于控制所述第一区的温度的气体供应。

15.根据权利要求9所述的设备，其中在所述第一区和所述第二区之间不存在物理分隔物，并且相对距离D1和D2通过供入所述第一区的气体的第一流速(Q1)和供入所述第二区的气体的第二流速(Q2)以及由所述气体喷嘴排放的气体射流流速(Qv)来确定，并且其中比率Q1/Qv介于1和7之间。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述比率Q1/Qv介于4和7之间。

17.根据权利要求11所述的设备，其中在所述第一区和所述第二区之间不存在物理分隔物，并且相对距离D1和D2通过供入所述第三区的气体的第一流速(Q3)和供入所述第二区的气体的第二流速(Q2)以及由所述气体喷嘴排放的气体射流流速(Qv)来确定，并且其中比率Q3/Qv介于1和7之间。

18.根据权利要求11所述的设备，其中在所述第一区和所述第二区之间不存在物理分隔物，并且相对距离D1和D2通过供入所述第三区的气体的第一流速(Q3)和供入所述第二区的气体的第二流速(Q2)来确定，并且其中比率Q3/Q2介于0.3和1.5之间。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述比率Q3/Q2介于0.8和1.2之间。