CN105705686A - 用于制作纳米本体的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过将本体形成流体引入到分散介质中制作本体的设备，所述本体优选地为纳米本体。所述设备包含：流体外壳，其经配置以容纳分散介质；至少两个分离的流动路径，分散介质沿着流动路径在层流中流动，分离的流动路径中的至少两者在流动合并位置处汇聚；流体流动布置，其在使用中致使分散介质沿着每一流动路径流动到流动合并位置；至少一个流体引入布置，其定位于流动合并位置处或接近流动合并位置定位，至少一个流体引入布置在使用中经配置以将本体形成流体馈送到分散介质中；以及流动收缩布置，其接近于或跟随流动合并位置，流动收缩布置在使用中使接近于和/或跟随流动合并位置的分散介质流收缩且加速。

Description

用于制作纳米本体的设备

交叉参考

本申请案要求2013年3月6日申请的第2013900814号澳大利亚临时专利申请案的优先权，所述申请案的揭示内容应理解为并入到本说明书中。

技术领域

本发明大体上涉及用于制作例如颗粒或纤维等纳米本体(nano-bodies)的设备，且具体来说用于制作短纳米纤维的设备。本发明具体来说适用于通过在分散介质内的选定剪切速率的存在下将本体形成流体引入到分散介质中来制作纤维，且下文揭示与所述示范性应用相关的发明将是方便的。

背景技术

对本发明的背景技术的以下论述旨在促进对本发明的理解。然而，应了解，所述论述并非确认或承认所提及的材料中的任一者是公开的、已知的或如在本申请案的优先权日期的公共常识的部分。

通过将本体形成流体，例如溶解于水中的聚合物溶液(溶剂的0.1到30％重量/体积)，注射到分散介质中可产生短纳米纤维，所述分散介质通常是例如丁醇或水的流体，具有从约1到100厘泊(cP)范围内的粘度且在0.1到10m/s下移动。在这些条件下，聚合物溶液被拉出且断裂为短纤维，同时由丁醇造成的水从聚合物溶液的快速提取致使聚合物胶化。通过改变剪切力和聚合物浓度可将纤维大小控制在直径为15～2500nm，长度为2～20μm。

此纳米纤维产生方法的一个实例在国际专利申请PCT/AU2012/001273中描述，其内容以引用的方式并入本说明书中。该专利申请案描述用于执行所描述的短纳米纤维产生方法的实验室规模实验设备。所述设备由具有5cm叶轮片的旋转混合器组成，所述叶轮片浸没在分散介质(丁醇)的烧杯中。所述叶片由金属环包围，所述金属环包含16个沿圆周隔开的具有1.5cm²面积的系列狭缝且由所述狭缝划分。为了纤维产生，将混合器的叶轮驱动到4000与10000rpm之间的所需旋转(且因此剪切速率)，从而当在10000rpm时提供叶片顶端的大约26m/s的最大速率。随后通过与混合器的非常接近于叶片的侧上的端口中的一者邻近的25g针将选定本体形成流体注射到烧杯中的分散介质中。

此实验室规模的实验设备的叶轮片配置和旋转速度提供溶剂内的非层状(紊流)系统。这导致溶剂内的显著混合，且因此产生对系统内的反应剂的不良可预测性和控制。此外，整个系统配置提供对聚合物注入速率的不良控制，以及对针尖的定位的不良控制。

Mercader等人(2010)的“纤维固化动力学”PNAS早期版本(www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1003302107)描述用于研究纤维固化动力学的实验设备，其包括具有直径收缩的毛细管。所述管的直径收缩用以产生延伸的流动，含水PVA溶液的同向流动的流。通过将纳米管的水分散液注射到收缩的上游的同向流动的流中而产生纳米纤维。注入的纳米管当与PVA溶液接触时经历桥接凝聚以形成纤维。在所述管的中心以受控速率通过周围流体使纤维转化且延伸。所述收缩展示为响应于粘性曳力而在纤维中产生净拉伸应力。所形成纤维也展示为当周围曳力超过纤维的拉伸强度时分段为较短长度的纤维。

虽然展示通过此方法制作的纤维和短纤维，但应考虑所描述设备并不提供对用于小直径纤维的可再生制作的反应剂和流动条件的充分控制。此外，如所描述，在注射端口与毛细管的中心的对准方面预期存在一些困难。

因此将希望提供一种用于制作例如纤维、优选地短纳米纤维等拉制本体的改进和/或替代的装置。

发明内容

本发明的第一方面提供一种用于通过将本体形成流体引入到分散介质中来制作本体的设备，所述本体优选地为纳米本体。所述设备包含：

流体外壳，其经配置以容纳分散介质；

至少两个分离的流动路径，所述分散介质沿着所述流动路径在层流中流动，所述分离的流动路径中的至少两者在流动合并位置处汇聚；

流体流动布置，其在使用中致使所述分散介质沿着每一流动路径流动到所述流动合并位置；

至少一个流体引入布置，其定位于所述流动合并位置处或接近所述流动合并位置定位，所述至少一个流体引入布置在使用中经配置以将所述本体形成流体馈送到所述分散介质中；以及

流动收缩布置，其接近于或跟随所述流动合并位置，所述流动收缩布置在使用中使接近于和/或跟随所述流动合并位置的所述分散介质流收缩且加速。

本发明的设备的层流和收缩布置在流动合并位置处和/或跟随流动合并位置的分散介质中形成受控流动区域。层流的流体流动环境提供分散介质的流动与注入本体形成流体的流动之间的平滑过渡。本体形成流体因此馈送到周围受控流动区域且在流动合并位置处和接近于流动合并位置处收缩。与先前的基于叶轮和环的系统相比，这实现对聚合物注射的速率控制的改进。此外，与先前的基于叶轮和环的系统相比，定位于流动合并位置处或接近于流动合并位置定位的专用流体引入布置的使用改善了注射点的定位。

层流和收缩布置的组合产生可控延伸的流动，其拉制并形成跟随设备的流动合并位置的所描述本体配置。在例如长丝等长形本体由引入的本体形成流体形成的情况下，加速还可通过所需拉伸应力和/或剪切速率的产生而致使所述长形本体断裂，以允许由分散介质中的本体形成流体形成的长形本体分段。

应了解所述设备可用以制作具有不同配置、形状和大小的多种本体，优选地为纳米本体。实例包含棒、带、液滴、颗粒、长丝、纤维、短纤维、纳米纤维、短纳米纤维等。在优选实施例中，本发明的设备产生纤维，优选地为纳米纤维。制备的本体可包含不同材料芯，例如液体、胶、固体、气体或类似物。

流动收缩布置可包含使分散介质的流动收缩且加速的任何合适的组件。流动收缩可包括任何合适的布置，包含一或多个挡板、堰、流动收缩孔口、例如流体流动面积改变等尺寸改变等。

在一些实施例中(且如下所述)，可使用一或多个水翼使流过水翼的分散介质的流动加速且收缩。

在一些实施例中，流动收缩布置可包含流体外壳的尺寸的改变。尺寸改变优选地包括流体外壳的流体流动横截面积的改变，且更优选地包括与流动合并位置的下游的流动相比总流体流动横截面积从流动合并位置的上游的流动的减少。举例来说，在其中流体外壳包括导管的那些实施例中，流动收缩优选地包含导管内的横截面积的减少。流体外壳可因此包含具有第一流体流动横截面积的至少第一流动区段和具有第二流体流动横截面积的至少第二流动区段，所述第一流体流动横截面积大于所述第二流体流动横截面积。

第二流动区段的流动收缩产生加速区，其中分散介质在所述收缩的入口处沿着第二流动区段的流体外壳的轴线加速。此加速引起延伸的流场的形成。虽然不希望限于任何一个理论，但可认为通过由分散介质输送的注入的本体形成流体形成的本体响应于分散介质的加速而拉伸。所述加速导致所形成本体中的拉伸应力和/或施加于其的剪切应力，其可在最大压力超过本体的拉伸强度的情况下使本体分段或断裂。

第二流动区段可接近于流动合并位置或与流动合并位置隔一段距离、优选地在流动合并位置随后(下游)的短距离处开始。在一些实施例中，流动合并位置远离第二流动区段的开始的上游隔开。将后边缘且因此流体引入布置与第二流动区段隔开产生单独的流体引入区和加速区(如上文所描述)。

所述流动收缩优选地包括第一流动区段与第二流动区段之间的流体流动横截面积减少至少50％，更优选地减少至少60％，再更优选地减少至少70％，并且最优选减少至少75％。在包含板的那些实施例中，板之间的间隙优选地从8与15mm之间减少到1与5mm之间，更优选地从18与11mm之间减少到1与3mm之间，且再更优选地从9mm减少到2mm。

流动收缩可包括流体外壳中的直接尺寸改变，例如导管。然而，优选所述改变是更渐变的，具有渐进的尺寸改变。所述渐进可包括斜面或平滑过渡、阶梯式或其组合。举例来说，在一些实施例中，可提供位于流体外壳的第一流动区段与第二流动区段之间的第三流动区段，第三流动区段具有互连第一和第二流动区段的过渡横截面积，优选地成锥形的横截面积。第三流动区段的横截面积优选地包括第一流动区段与第二流动区段之间成5°与30°之间的锥形，且优选地在约10°的锥形。

流动收缩可包括流体外壳中的一个或一系列尺寸改变。在一些实施例中，流动收缩包含流体外壳中的两个或两个以上尺寸改变。举例来说，流动收缩可包含横截面积的第一减少，随后是横截面积的第二减少，且在一些实施例中随后是横截面积的第三或更多减少。流体外壳的所述系列的尺寸改变可将流体外壳的尺寸(例如横截面积)从初始尺寸渐进地改变到最终尺寸，或可包括一系列扩展和收缩点，其中流体外壳的尺寸在扩展尺寸与收缩尺寸之间变化。举例来说，流动收缩可包括第一横截面积与第二(减少或收缩)横截面积之间的横截面积的一系列减少和扩展。

进入导管(或多个导管)的第一流动区段的流体流动可具有任何合适的流动特性，包含层流、紊流等，只要所述流动在流动合并位置之前变成第一流动区段中的层流即可。可使用一或多种助流剂实现层流，所述助流剂修饰在流动合并位置之前的分散介质流动的流动特性。在一些实施例中，所述布置还包含位于流体外壳中的至少一个挡扳，其在使用中接触流动合并位置之前的分散介质流。在其它实施例中，可使用例如一或多个水翼等流量分配器以引发通过第一流动区段进入分散介质流的层流。下文更详细描述包含水翼的实施例。在优选实施例中，流体流动布置形成第一流动区段中的层流。在这方面中，可更易于控制层流的流体流动且预测结果。

在其中流体外壳包含分散介质流动通过的一或多个导管的那些实施例中，导管可采取若干配置。在一些实施例中，导管包括管状管，优选地为具有圆形、正方形、矩形或其它规则多边形横截面形状中的至少一者的管。

在一些实施例中，所述导管(或多个导管)包含至少两个隔开的板。所述板流体密封于所述导管内。流体密封件可包括任何数目的布置。在一些实施例中，所述板可容纳在液密壳体内，优选地流体密封在液密导管内，例如管状导管。在此实施例中，所述板可紧固或另外固定到液密导管的邻接或邻近表面。在一些实施例中，所述板在每一板的外围周围密封，且更优选地该板的边缘周围密封。

可有利的是能够改变流体外壳的尺寸，且确切地说改变分散介质流动通过的流体外壳的那些部分的尺寸(在相关实施例中)。举例来说，在导管包含至少两个隔开的板的情况下，可有利的是能够改变板之间的距离。此调整因此可改变流动区域并且因此改变在两个板之间流动以及流动到水翼和在水翼上方流动的分散介质的流速。

流动收缩布置可产生分散介质中的剪切应力，从而产生允许任何本体分段的条件，具体来说例如分散介质中的长丝等长形本体。流动收缩布置优选地在水翼的后边缘处产生分散介质中的剪切，其中流体具有至少0.1m/s、优选在0.2到20m/s之间、更优选在0.5与10m/s之间、再更优选在1到10m/s之间的线速度。在一些实施例中，流动收缩布置可产生在从约100到约190,000cP/秒范围内的剪切应力。

本发明的流体引入布置用以在设备的流动合并位置处或接近所述流动合并位置处将本体形成流体引入到分散介质中。可使用合适的技术将本体形成流体引入到分散介质。在一些实施例中，本体形成流体注射到分散介质中。可以选自约0.0001L/小时到约10L/小时或优选地从约0.1L/小时到10L/小时的范围内的速率将本体形成流体注射到分散介质中。

当本体形成流体是本体形成溶液时，如聚合物溶液等，可以选自由以下各项组成的群组的范围内的速率将本体形成溶液注射到分散介质中：从约0.0001L/小时到10L/小时，从约0.001L/小时到10L/小时，或从约0.1L/小时到10L/小时。

本领域的技术人员将了解，可根据执行本发明的工艺的规模、采用的本体形成流体的体积以及将选定体积的本体形成流体引入到分散介质所需的时间而改变本体形成流体引入到分散介质的速率。在一些实施例中，可能需要以较快速率将本体形成流体引入到分散介质中，这可帮助形成具有较光滑表面形态的纤维。可借助于例如注射泵或蠕动泵的泵而调节注射速度。

流体引入布置可为插入到流动合并位置中的单独元件，例如针或其它导管，或集成到位于流动合并位置处的本体或组件中。当形成于位于流动合并位置处的本体或组件中时，流体引入布置包含优选地位于所述本体或组件处或其上的至少一个孔口。所述孔口优选地流体连接到形成或容纳于所述本体或组件内的导管或通道，本体形成流体通过所述导管或通道馈送。

在一些实施例中，所述孔口中的一或多者可流体连接到至少两种不同的本体形成流体。这使得能够形成包含两种不同材料的纤维。本体形成流体可以不同方式组合。在一些实施例中，两个或两个以上本体形成流体可在引入到分散介质中之前互混合。在其它实施例中，所述两个或两个以上本体形成流体可接近于或在本体形成流体引入到分散介质中时互混合。举例来说，所述孔口中的一或多者可流体连接到至少一个本体形成流体流动通过的至少两个导管或通道，每一导管或通道在接近于所述至少一个孔口定位的合并区段处接合。合并区段优选地包含流体连接到所述至少一个孔口的短导管或通道。在一些实施例中，合并区段包括Y或T形接合点。

在一些实施例中，流体引入布置包含至少两个接近的孔口，每一孔口流体连接到至少一个本体形成流体。这使得相应本体形成流体当引入到分散介质中时能够以某种方式重叠、缠结或至少相互作用。后续纤维形成因此可产生缠结、混合或另外互连的纤维配置。在一些实施例中，所述孔口中的至少两者流体连接到不同的本体形成流体。这使得能够以具有缠结、混合或另外互连纤维配置的两种不同材料形成纤维配置。

在一些实施例中，所述孔口中的至少两者重叠。在此类实施例中，所述孔口中的至少两者可以第一孔口封闭于第二孔口内来布置。在一些形式中，所述孔口中的三个或三个以上可以重叠配置而配置。在一些形式中，所述两个孔口可同心地布置。举例来说，一个孔口(内部孔口)可完全或部分地由另一孔口(外部孔口)封闭。这可产生纤维内纤维的配置，其中第一纤维囊封或另外形成于另一纤维内。在那些实施例中第一材料可囊封在第二材料内，其中所述至少两个孔口中的至少两个流体连接到不同的本体形成流体。

流体引入布置的孔口可具有若干不同形状和配置。在一些实施例中，流体引入布置具有圆形形状。然而，应了解任何数目的形状可为可能的，包含星形、十字形、椭圆形、任何数目的规则多边形，例如三角形、正方形、矩形、五边形、八边形等。

所述至少两个分离的流动路径中的层流可以任何合适方式产生。在一些实施例中，所述分离的流动路径中的至少两者的单独流动路径包括单独的流动导管。在此实施例中，可通过对那些导管中的每一者中的流动特性的控制而在那些单独的导管中产生层流。举例来说，可控制流体流动布置以提供用于单独导管中的层流的所需流速。此外，可针对层流优化导管的配置。在此类实施例中，与接近于或跟随流动合并位置的所述至少两个单独流动导管的组合流入横截面积相比，流动收缩布置将包括流出横截面积的减少。

在其它实施例中，所述至少两个分离的流动路径可通过位于流体外壳中的至少一个水翼分离，所述水翼具有前导面和后边缘，流体流动布置致使分散介质在层流中从其前导面流动到后边缘。

本发明的第二方面提供一种用于通过将纤维形成液体引入到分散介质中而制作纤维的设备，所述设备包含：

流体外壳，其经配置以容纳分散介质；

位于所述流体外壳中的至少一个水翼，所述水翼具有前导面和后边缘；

至少一个流体引入布置，其定位于所述水翼中的至少一者的后边缘处或接近所述后边缘定位，所述至少一个流体引入布置在使用中经配置以将所述纤维形成液体馈送到容纳于所述流体外壳中的分散介质中；以及

流体流动布置，其在使用中致使所述分散介质流经所述水翼从其前导面流动到后边缘。

本发明的设备的水翼在水翼的后边缘处和/或跟随所述后边缘的分散介质中产生受控流动区域。所述水翼经设计以使在水翼上方流动的分散介质的流动加速且收缩以便形成延伸的流动，其在水翼的后边缘处拉制且形成纤维聚合物长丝。所述加速还可通过产生所需拉伸应力和/或剪切速率而致使所述长丝断裂，以允许由分散介质中的本体形成流体形成的长丝分段以形成短纤维。

所述水翼还产生在流动表面上方以及在其后边缘处和/或接近其后边缘的层流的流体流动环境。这提供分散介质的流动与注入的本体形成流体的流动之间的平滑过渡。本体形成流体因此馈送到周围受控流动区域且在水翼处和/或接近水翼处收缩，从而与先前的基于叶轮和环的系统相比实现对聚合物注射速率的控制的改进。此外，定位于水翼中的至少一者的后边缘处或接近所述后边缘定位且优选地并入所述水翼中的专用流体引入布置的使用与先前的基于叶轮和环的系统相比改善了注射点的定位。

所述水翼可具有各种形状和配置。在一些实施例中，水翼的前导面优选地包括圆形的或弯曲的表面。此外，水翼的后边缘优选地包括大致平坦边缘。然而，应了解，在其它实施例中可使用例如圆形、弯曲、波浪或类似的其它配置。另外，在一些实施例中，水翼围绕水翼的前导面与后边缘之间的翼弦线大致对称。如本领域应理解的是，水翼的翼弦线是连接水翼的前导边缘和后边缘的直线。然而，亦应了解，在其它实施例中其它配置水翼可为围绕翼弦线的不同形状或配置。

水翼、前导面和后边缘可遵循任何合适的几何形状。在一些实施例中，水翼具有线性几何形状。在其它实施例中，水翼具有圆柱形或椭圆几何形状，其中所述前导面和后边缘具有环形配置，以水翼中心点为中心。此水翼将优选地具有环面形状，优选地在后边缘处成锥形。分散介质将优选地流经内部空隙和水翼的外表面。

水翼优选地包含在前导面与后边缘之间的厚度中成锥形的锥形本体。在一些实施例中，水翼的锥形本体包括在其前导面与后边缘之间相对于其间的中心线、优选地为翼弦线成5°与30°之间的锥形，优选地成约10°的锥形。

有利地，以上优选配置在水翼的后边缘处或接近于所述后边缘产生层流。

为了产生跨越水翼的所要流型，水翼的锥形本体可包含沿着水翼的本体的纵向长度的至少一个曲线或波，且更优选地包含沿着所述纵向长度的多个曲线或波。

流体引入布置可为到水翼的单独元件，例如在水翼的后边缘处或附近插入的针或其它导管。然而，优选的是流体引入布置形成于水翼中。

当形成于水翼中时，流体引入布置包含至少一个孔口，优选地定位于水翼处或水翼上，在水翼的后边缘处或接近所述后边缘。所述孔口优选地流体连接到形成或容纳于所述水翼内的导管或通道，本体形成流体馈送通过所述导管或通道。

在一些实施例中，所述设备包含两个或两个以上水翼。这些多水翼系统可使水翼并排对准、堆叠、平行放置、串联或类似情形。

水翼可包含任何数目的流体引入布置。在包含纵向长形的或另外合适设定尺寸的水翼的那些实施例中优选地使用多个流体引入布置。在水翼包括多个流体引入布置的情况下，优选的是那些流体引入布置沿着每一水翼的纵向长度隔开。类似地，所述设备可包含在流体外壳内隔开的多个水翼。每一水翼将包含定位于每一相应水翼中的至少一者的后边缘处或接近所述后边缘定位的至少一个流体引入元件。

在其中水翼包含多个流体引入布置的那些实施例中，所述水翼优选地包含流体连接到流体引入布置中的每一者的中心馈送导管。中心馈送导管可用以将本体形成流体从单个源馈送到个别流体引入布置中的每一者。中心馈送导管优选地形成于水翼的本体内。在一些实施例中，中心馈送导管沿着所述或每一水翼的纵向长度延伸。在一些实施例中，中心馈送导管以水翼的翼弦线为中心。但应了解，中心馈送导管可定位在水翼内或外的任何合适的位置。

在一些实施例中，流动收缩布置包含水翼以及流体外壳的横截面积的改变以便使流体外壳中分散性介质的流动收缩且加速。再次，在其中流体外壳包括导管的那些实施例中，流动收缩优选包括导管内的横截面积的改变。在此类实施例中，导管优选地包含具有第一横截面积的至少第一流动区段和具有第二横截面积的至少第二流动区段，所述第一横截面积大于所述第二横截面积。

第二流动区段可接近于水翼的后边缘或与所述后边缘成一距离、优选地在所述后边缘之后(下游)短距离处开始。在一些实施例中，水翼的后边缘远离第二流动区段的开始的上游隔开。将后边缘且因此流体引入布置与第二流动区段隔开产生单独的流体引入区和加速区(如上文所描述)。

水翼优选地位于定位在所述导管的第一与第二流动区段之间的第三流动区段中。所述第三流动区段具有互连第一和第二流动区段的过渡横截面积，优选地为成锥形横截面积。第三流动区段的锥形优选地大致匹配于水翼的前导面与后边缘之间的锥形。

取决于设备的配置可使用任何合适的流体外壳。在一些实施例中，流体外壳可包含分散介质流动通过的至少一个导管。在其它实施例中，流体外壳可包含其中保持分散介质的储集器。这些配置的一或多个组合也是可能的。在每一实施例中，分散介质优选地再循环通过流体外壳。

流体流动布置可取决于设备的总体配置而采取各种形式。

在一些实施例中，流体流动布置包括用于沿着分离的流动路径泵送分散介质的泵送布置。分散介质因此可以所需流动速率泵送以产生层流且在流动收缩布置内产生分散介质和夹带的所形成本体的所需流动加速。在此实施例中，流体外壳优选地包括分散介质流动通过的导管。

在其它实施例中，流体流动布置包括可旋转元件，其被驱动或另外移动以使水翼在流体外壳内旋转。在此实施例中，流体外壳优选地包括其中保持分散介质的合适的储集器。所述储集器可保持在容座、容器、器皿或其它散装液体保持本体中。合适的实例包含混合器皿，例如烧杯、桶、滚筒或更大工艺器皿。所述可旋转元件优选地包括连接到轴杆或其它被驱动元件的驱动元件，例如马达。所述至少一个水翼因此优选地在所述轴杆的基底处或附近优选地连接到所述轴杆。流体流动布置优选地包括混合器的转子或搅拌器元件。在包含水翼的那些实施例中，水翼优选地包括所述转子或搅拌器元件的驱动叶轮的部分。在这些实施例中，在分散介质中可旋转地驱动水翼以产生所述流体内的必要剪切力。

在其它实施例中，以上两个实施例的组合也可以是可能的，其中流体流动布置包括用于在单独的流动路径中泵送分散介质的泵送布置，和被驱动或另外移动以使设备的组件(例如水翼)在流体外壳内旋转的可旋转元件。

流体外壳可包含一或多个助流剂，其修饰在流动合并位置之前的分散介质流的流动特性。在一些实施例中，所述布置还包含位于外壳中的位置中的至少一个挡扳，其在使用中接触流动合并位置之前的分散介质流。在其中流体外壳包括导管的那些实施例中，挡板优选地位于流动合并位置上游的导管中。

在本发明的设备中可使用大量本体形成流体和分散介质。合适的实例在公开为WO2013056312A1的国际申请案PCT/AU2012/001273中详细地描述，所述申请案的内容以引用方式并入本说明书中。

本体形成流体优选地为可流动粘性液体且包含至少一种本体形成物质。在示范性实施例中，在本发明的工艺中采用的分散介质是大体上具有比本体形成流体低的粘度的液体。本体形成流体的粘度(μ1)与分散介质的粘度(μ2)之间的关系可表示为粘度比(p)，其中p＝μ1/μ2。在本发明的一个形式中，所述粘度比在从约2到100的范围中。在一些实施例中，所述粘度比在从约2到50的范围中。

在一些实施例中，分散介质优选地具有在从约1到100厘泊(cP)范围内的粘度。在该工艺的实施例中，分散介质具有在从约1到50厘泊(cP)范围内的粘度。在一些实施例中，分散介质具有在从约1到30厘泊(cP)，或从约1到15厘泊(cP)范围内的粘度。在一些实施例中，本体形成流体具有在从约3到100厘泊(cP)范围内的粘度。在一些实施例中，本体形成流体具有在从约3到60厘泊(cP)范围内的粘度。

在优选实施例中，本体形成流体包括聚合物溶液，且分散介质包括聚合物不溶于其中的液体。

在一组实施例中，本体形成流体呈本体形成溶液的形式，包含合适的溶剂中的至少一种本体形成物质。本体形成物质可为可溶解于溶剂中的聚合物或聚合物前驱体。在一些实施例中，本体形成溶液包含至少一种聚合物。

如本文所使用的术语“聚合物”指代天然产生或由共价链接的单体单元构成的合成化合物。聚合物将大体上含有10个或10个以上单体单元。

如本文所使用的术语“聚合物前驱体”指代能够经历进一步反应以形成聚合物的天然产生或合成化合物。聚合物前驱体可包含预聚合物、大分子单体和单体，其可在选定条件下反应以形成聚合物。

在一组实施例中，本体形成溶液可为包含溶解或分散于溶剂中的至少一种聚合物的聚合物溶液。聚合物溶液可用以形成聚合物纤维。

本发明的设备可用以从某一范围的聚合物材料制备聚合物纤维。合适的聚合物材料包含天然聚合物或其衍生物，例如多肽、多糖、糖蛋白及其组合，或合成聚合物，以及合成和天然聚合物的共聚物。

在一些实施例中，本发明的设备用以从水可溶或水分散性聚合物制备纤维。在此类实施例中，本体形成流体可包含水可溶或水分散性聚合物。本体形成流体可为聚合物溶液，包含可溶解于水性溶剂中的水可溶或水分散性聚合物。在一些实施例中，所述水可溶或水分散性聚合物可为天然聚合物或其衍生物。

在一些实施例中，本发明的设备用以从有机溶剂可溶聚合物制备纤维。在此类实施例中，本体形成流体可包含有机溶剂可溶聚合物。本体形成流体可为包含溶解于有机溶剂中的有机溶剂可溶聚合物的聚合物溶液。

在本发明的设备的示范性实施例中，本体形成流体可包含选自由以下各项组成的群组的至少一种聚合物：多肽、海藻酸盐、聚葡萄胺糖、淀粉、胶原蛋白、丝蛋白、聚氨基甲酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚酯、聚烯烃、酉朋酸官能化聚合物、聚乙烯醇、聚烯丙基胺、聚乙烯亚胺、聚(乙烯基吡咯啶酮)、聚(乳酸)、聚醚砜及其无机聚合物和共聚物。

在一些实施例中，本体形成物质可为聚合物前驱体。在此类实施例中，该体形成流体可包含至少选自由以下各项组成的群组的聚合物前驱体：聚胺酯预聚合物，和有机/无机溶胶-凝胶前驱体。

本发明的设备中使用的分散介质包含至少一种合适的液体。在一些实施例中，分散介质包含选自由以下各项组成的群组的至少一种液体：酒精、离子液体、酮溶剂、水、低温液体，和二甲亚砜。在示范性实施例中，分散介质包含选自由C₂到C₄醇组成的群组的液体。分散介质可包含添加剂或其它性质，其致使存在于本体形成流体中的本体形成物质当暴露于分散流体时为不溶的或另外沉淀或成为凝胶体。

分散介质可包含两种或两种以上液体的混合物，例如水与含水可溶溶剂的混合物，两种或两种以上有机溶剂的混合物，或有机和含水可溶溶剂的混合物。其还可包含对分散介质的添加剂，其与本体形成液体化学相互作用以便引发溶解聚合物的沉淀或胶凝，所述溶解聚合物包含但不限于酸或碱、离子分子和固定试剂。

本发明的设备中采用的本体形成流体可包含在从约0.1％到50％(w/v)范围内的量的本体形成物质。在一组实施例中，本体形成流体是包含在从约0.1％到50％(w/v)范围内的量的聚合物的聚合物溶液。在其中本体形成流体包含聚合物(例如聚合物溶液或分散液中)的实施例中，所述聚合物可具有在从约1x10⁴到1x10⁷范围内的分子量。聚合物浓度和分子量可经调整以提供所需粘度的本体形成流体。

在一些实施例中，本体形成流体和/或分散介质可进一步包含至少一种添加剂。所述添加剂可为选自由以下各项组成的群组中的至少一者：颗粒、交联剂、增塑剂、多官能键联剂和凝固试剂。

在示范性实施例中，所述设备用以制作长丝和纤维，优选地为纳米纤维，且更优选地为短纤维，且再更优选地为短纳米纤维。由本发明制作的纤维优选地制作为不连续纤维而不是连续纤维。此外，通过本发明的工艺制备的纤维优选地为胶态(短)纤维。在一些实施例中，通过所述工艺制备的纤维具有在从约15nm到约5μm范围内的直径。在一组实施例中，所述纤维可具有在从约40nm到约5μm范围内的直径。在优选实施例中，所述纤维具有50到500nm之间的直径。此外，所述纤维具有至少约1μm的长度，优选地从约1μm到约3mm，更优选地在2到20μm之间。

使用本发明的设备制作的例如纤维等本体可形成物品的部分。所述物品的表面上可包含所述本体。所述物品可为医疗装置或生物材料，或用于过滤或打印应用的物品。

附图说明

现将参考附图的图式描述本发明，所述附图阐释本发明的特定优选实施例，其中：

图1提供根据本发明的纤维产生装置的第一实施例的透视示意图。

图2提供用于在图1中所示的纤维产生装置中使用的流动装置的第一实施例的横截面示意图。

图3提供用于在图1中所示的纤维产生装置中使用的流动装置的第二实施例的横截面示意图。

图4提供图3中所示的水翼配置流动装置的水翼上方的流动的等流速线图。

图5提供图3中所示的流动装置的流动板的透视示意图。

图6提供图3中的流动装置的产生区段的(A)侧视图以及(B)详细视图。

图7提供在图3中的流动装置中使用的水翼的一个形式的透视图。

图8提供在图3中所示的流动装置中使用的水翼的另一形式的透视图，其中(A)是正视图，(B)是沿着图8A的A-A线的横截面图。

图9提供在图3中的流动装置中使用的双本体注射水翼的横截面图。

图10说明在图3中的流动装置中使用的水翼中可使用的各种流体引入布置孔口配置。

图11提供图3的纤维产生装置的第二实施例的另一形式的(A)平面图和(B)正面截面图。

图12提供根据本发明的纤维产生装置的第二实施例的透视图。

图13提供根据本发明的在实验设备中使用的水翼和通道的配置和尺寸。

图式14到19提供从图13的实验设备制作的纤维的光学显微镜图像。

具体实施方式

图1到12说明根据本发明的纤维制作设备200、500的不同实施例。本发明的设备200、500的每一实施例可用以使用国际申请案PCT/AU2012/001273中详细描述的工艺制作例如纤维等本体，所述申请案的内容再次以引用方式并入本说明书中。

如国际公开文本WO2013056312A1中教示，所述过程包含大致步骤：

将本体形成流体的流引入到具有从约1到100厘泊(cP)范围内的粘度的分散介质中；

从所述分散介质中的所述本体形成流体的流形成本体，例如长丝等；

且其中条件(形成的剪切应力)是适当的

在允许所述长丝的分段的条件下剪切所述本体。

本发明的设备经配置以优化将本体形成流体引入到分散介质的层流中，且使分散介质和其中的本体形成流体加速以便拉制且形成所要本体的步骤的条件。此加速还可通过本体中的所需拉伸应力和/或分散介质中的剪切速率的产生而致使形成的本体(例如长丝)断裂。

首先参见图1，展示根据本发明的纤维形成设备200的第一实施例的大致概述。所说明的设备200包括流动回路202，分散介质(例如溶剂等)循环通过所述流动回路。流动回路202包含三个流体连接的单元201、203和205。首先，溶剂储集器或罐201，其中收集大量选定分散介质，然后馈送通过流动回路。到泵布置203的入口流体连接到溶剂罐201。泵布置203将分散介质泵送到流体连接的流动装置205中。泵布置203可包括任何合适的泵，包含但不限于正位移泵、旋转正位移泵、往复正位移泵、齿轮泵、螺旋泵、螺杆泵、根型泵、蠕动泵、活塞泵、三重式活塞泵、隔膜泵、绳泵、叶轮泵、脉冲泵、液压柱塞泵、速度泵、离心泵、径向流动泵、轴向流动泵、混合流动泵、喷射泵、重力泵或其组合。纤维形成于流动装置205中，如下文详细解释。其中具有纳米纤维的分散介质流动通过到溶剂罐201，其中分散介质可再循环通过流动回路202。可使用例如过滤、离心提取、浮选等任何数目的标准固-液分离技术在溶剂罐201之前或从所述溶剂罐提取产生的纤维。

第二纤维形成设备200还包含本体形成流体泵207，其将选定本体形成流体喷射到流动装置205中，如将在下文更详细地描述。再次，本体形成流体泵207可包括任何合适的泵，包含但不限于正位移泵、旋转正位移泵、往复正位移泵、齿轮泵、螺旋泵、螺杆泵、根型泵、蠕动泵、活塞泵、三重式活塞泵、隔膜泵、绳泵、叶轮泵、脉冲泵、液压柱塞泵、速度泵、离心泵、径向流动泵、轴向流动泵、混合流动泵、喷射泵、重力泵或其组合。在一些实施例中，本体形成流体泵207包括注射泵或蠕动泵。

如上所提到，纤维产生发生在流动装置205中。流动装置205可具有若干配置，图2中说明其中的两个。每一配置使用不同方法在流动合并位置处形成层流。

图2说明流动装置205A的第一实施例，其中两个单独的流动导管225汇聚在合并位置245处，且随后流入流动收缩227中。流动装置205A因此具有三个相异截面：

·第一流动区段226A，其包括流入区段，所述流入区段包括各自具有导管高度h_流入的两个分离的流动导管225A和225B；

·第二流动区段228A，其包括具有导管高度h_流出的流出导管229A；以及

·第三流动区段230A，其位于第一流动区段226A与第二流动区段228A之间，具有在第一流动区段226A与第二流动区段228A之间成锥形的过渡横截面区域(在所说明的实施例中处于约10°，但应了解其精确角度可变化)。

如图中所示，由第一区段226A的单独导管225A和225B的组合导管高度2xh_流入提供的组合流动面积大于第二流动区段228A的出口导管229A的导管高度h_流出的流动面积。第一流动区段226A的横截面积因此大于第二流动区段228A的横截面积。此尺寸改变形成流动收缩，其在第三流动区段230A中的收缩入口227处开始。所述流动收缩优选地包括第一流动区段226A与第二流动区段228A之间的横截面积减少至少50％，更优选地减少至少60％，再更优选地减少至少70％，并且最优选减少至少75％。然而，应了解，确切尺寸将取决于流动装置205A和设备200的大小和配置。

控制单独导管225A和225B中的流体流量以提供通过导管225A和225B且到合并位置245的层流。组合流随后流动通过出口导管229A。如可容易理解，层流可通过各种流动参数的优化和控制而产生，包含流速、导管配置、流体性质等。

流动合并位置245包含定位于合并边缘245A处或接近合并边缘245A定位的一或多个流体引入孔口249，其经配置以将本体形成流体馈送到分散介质中。如上所述，控制单独导管225A和225B中的流动以提供通过导管225A和225B且到合并位置245的层流。在合并边缘245A处的流体引入孔口249的位置因此提供在外部分散介质流动与本体形成流体的注入流动之间的平滑过渡。孔口249中的每一者流体连接到贯穿导管225A与225B之间的分离元件241的导管251，且流体连接到分离元件241中的中心馈送通道253。分离元件241可为用以使流动装置205A中的两个流动导管225A和225B分离的任何壁、板或阀体。中心馈送通道253流体连接到本体形成流体泵207(图1)，所述本体形成流体泵以所需流动速率将本体形成流体馈送到流体引入孔口249。

应注意，合并边缘245A在远离收缩227的上游和第二流动区段228A的开始处隔开，其中合并边缘245A定位在第三流动区段230A内。这产生接近合并边缘245A的单独的本体形成流体引入区和第二流动区段228A内的加速区。

所说明的流动导管225A、225B和229A可具有任何合适的配置和横截面形状。在一些实施例中，流动导管225A、225B和229A具有圆形、椭圆形、正方形、矩形或其它常规多边形横截面形状。在一些实施例中，流动导管225A、225B和229A形成于两个隔开的板208A和209A之间，所述两个板之间定位有分隔板241。

图3到11说明用于在图1中所示的设备200中使用的流动装置205B的第二实施例。如图3中所示，流动装置205B的此实施例使用水翼240将分散介质的单个流入225分离为两个单独的流动路径225C和225D。

如图7中最佳所示，所说明的流动装置包括液密壳体206，其容纳一对隔开的板：上部板208和下部板209，分散介质在其之间流动。液密壳体204包括具有矩形横截面的长形的管状本体210。管状本体210包含大致与每一板208平行安放的顶部212和基底214。管状本体210包含两个凸缘末端215。末端板216和217使用一系列紧固件218流体密封到凸缘末端215的末端上，所述紧固件在此情况下为螺钉和紧固螺母。例如O形环(未说明)的流体密封件夹在相应末端板216和217与凸缘末端215之间。包括圆锥的或扩口的导管的引入端220和引出端222形成于末端板216和217中，且用以流体连接板208与209之间的流动路径与流动回路202。

上部板208通过一系列可调节紧固件216(图7中展示其中两个，例如螺钉)可移动地附接到长形的管状本体210的顶部212。类似地，下部板209通过一系列可调节紧固件217(图7中展示其中两个，例如螺钉)可移动地附接到长形的管状本体210的基底214。通过旋转相应的可调节紧固件216和217，且进而调整所述紧固件上的上部板208或下部板209的位置，可调节顶部212与上部板208之间的距离以及基底214与下部板209之间的距离。应了解可等同地使用其它附接和可调节布置，且这些都属于本发明的精神和范围内。

图3到7中最佳地说明保持在流动装置201内的板208和209。如那些图中所示，所述板包括两个隔开的板，所述板之间形成间隙G，分散介质流动通过所述间隙。间隙G具有三个相异截面：

·第一流动区段226，其包括具有间隙高度H_流入的流入区段(图3)；

·第二流动区段228，其包括具有间隙高度H_流出的流出区段(图3)；以及

·第三流动区段230，其位于第一流动区段226与第二流动区段228之间，具有在第一流动区段226与第二流动区段228之间以约10°成锥形的过渡横截面区域。

如图中所示，H_流入大于H_流出，从而使第一流动区段226的横截面积大于第二流动区段228的横截面积。此尺寸改变形成第三流动区段230中的流动收缩227。所述流动收缩优选地包括第一流动区段与第二流动区段之间的横截面积减少至少50％，更优选地减少至少60％，再更优选地减少至少70％，并且最优选减少至少75％。在所说明的实施例中，板之间的间隙优选地从9mm的H_流入减少到2mm的H_流出。然而，应了解确切尺寸将取决于设备200的大小和规模。

通过使用如上文所描述的可调节紧固件218更改两个板208、209在壳体204内的定位，可改变板208与209之间在第一流动区段(H_流入)与第二流动区段(H_流出)之间的间隙的尺寸。

水翼240(图4和7中最佳说明)位于板208、209之间且大致在间隙G的第三流动区段230内。应注意水翼240的后边缘244远离第二流动区段228的开始的上游隔开，其中后边缘244定位在第三流动区段230内。这产生接近水翼240的后边缘244的单独本体形成流体引入区、以及间隙G的第二流动区段228内的加速区。

如图4中最佳所示，水翼240帮助接近于且跟随水翼240的后边缘244的分散介质的加速，以便从自水翼240的后边缘244引入的本体形成流体拉制且形成纤维聚合物长丝。流体加速区跟随水翼240的后边缘244，且通过第二流动区段228和第三流动区段230中的流动收缩227而增强。再次，此流体加速还可产生本体中的所需拉伸应力和/或分散介质中的剪切速率以使通过分散介质中的本体形成流体形成的本体分段。

虽然不希望受任何一个理论限制，但应认为，跟随水翼240的后边缘244的加速区(通过水翼以及第二流动区段228和第三流动区段230中的流动收缩产生)使通过第二流动区段228的分散介质和形成的本体加速，从而引起延伸的流场的形成。由流体输送的本体(在图4中所说明的实例的情况下为纤维)响应于分散介质的加速而拉伸。第二流动区段228与第三流动区段230之间的速率差导致纤维内的拉伸应力。也可通过周围分散介质的流动特性而施加剪切应力。如果本体(在此情况下为纤维)中和施加于本体的最大压力超过纤维的拉伸强度，那么本体分段。

所说明水翼240具有线性配置且大致围绕水翼244的前导面242与后边缘242之间的翼弦线X-X(图3)对称。如本领域应了解，水翼240的翼弦线X-X是连接水翼240的前边缘248与后边缘244的直线。水翼240的前导面242包括圆化或弯曲的表面。此外，水翼240的后边缘244包括大致平坦边缘。水翼240还有锥形本体245，其在前导面242与后边缘244之间相对于其间的翼弦线X-X以约10°(图5中的角度角度α是160°)成锥形。有利地，此配置还在水翼240的后边缘244处或接近所述后边缘产生层流。

在一些实施例(未说明)中，水翼240的锥形本体245包含沿着锥形本体245的纵向长度的至少一个曲线或波。在一些实施例中，水翼240的锥形本体245包含沿着纵向长度的多个曲线或波，以便产生跨越水翼240的所要流型。

水翼240定位于板208与209之间，其中水翼240的后边缘244接近于从第三流动区段230到第二流动区段228的过渡处。水翼240的前导面242位于第一流动区段226的末端部分内，紧邻于第三流动区段230之前。如图11中最佳所示，水翼240也附接到壳体210，其中水翼的侧边缘243附接到壳体210的邻近侧。此连接可为任何合适的紧固或连接布置，包含紧固件、铆钉、安装托架、搭扣紧固件等。所述连接优选地允许水翼240在间隙G内移动，更优选地围绕板208、209之间的连接点枢转。这使得水翼240能够在分散介质的流中自对准，进而确保水翼240周围和流体引入孔口250(下文描述)处的对称流动。

在使用中，泵布置203在板208与209之间且跨越水翼240将分散介质泵送到流动装置205B的引入端220中。分散介质因此可在水翼240上方以所要流动速率泵送以加速本体形成流体，以便在水翼240的后边缘244处拉制且形成纤维聚合物长丝。

在此实施例中，跟随水翼240的后边缘244和在第三流动区段230内的分散介质以及其中的本体形成流体的加速和收缩产生允许所形成本体的分段的条件。在所述本体是长丝的情况下，这导致形成纤维，通常是短纤维。例如用以提供纤维的长丝等所形成本体的剪切或分段可在合适的剪切应力下进行。在所说明的实施例中，水翼240、第三流动区段230以及跨越水翼240从其前导面242到后边缘244的分散介质的流速的配置在水翼的后边缘处的分散介质中产生剪切，其中线性流体速度是至少0.2m/s，优选地在0.2到20m/s之间，更优选地在0.3到10m/s之间。在一些实施例中，通过在从约100到约190,000cP/秒的范围内的剪切应力的形成，可得到分段。

虽然说明一个水翼240，但应了解，多水翼系统也是可能的且在本发明的范围内。多水翼系统可使水翼并排对准、堆叠、平行放置、串联等。

如图7中最佳说明，水翼240包含定位于后边缘244处或接近后边缘244定位的多个流体引入孔口250，其经配置以将本体形成流体馈送到分散介质中。如上文所述，水翼240经配置以在其后边缘244处提供层流。在后边缘244处的流体引入孔口250的位置因此提供外部分散介质流动与本体形成流体的注入流动之间的平滑过渡。每一流体引入孔口250沿着水翼240的纵向长度以尺寸F隔开。孔口250中的每一者流体连接到贯穿每一水翼240的导管252且流体连接到水翼240中的中心馈送通道254。中心馈送通道254大致纵向贯穿水翼240的长度。所述中心馈送通道254流体连接到本体形成流体泵207(图1)，所述本体形成流体泵以所要流动速率将本体形成流体馈送到流体引入孔口250。

多个流体引入孔口250的使用提供具有高纤维生产率的手段。

再次，可以选自约0.0001L/小时到约10L/小时。或从约0.1L/小时到10L/小时的范围内的速率将本体形成流体注射到分散介质中。当本体形成流体是例如聚合物溶液等本体形成溶液时，可以选自由以下各项组成的群组的范围内的速率将本体形成溶液注射到分散介质中：从约0.0001L/小时到10L/小时，从约0.001L/小时到10L/小时，或从约0.1L/小时到10L/小时。

相关领域的技术人员将理解，本体形成流体引入到分散介质的速率可根据流动装置205和设备200的规模、采用的本体形成流体的体积以及将选定体积的本体形成流体引入到分散介质所需的时间而改变。在一些实施例中，可能需要以较快速率将本体形成流体引入到分散介质中，这可帮助形成具有较光滑表面形态的纤维。

水翼240的使用使得流体引入孔口250能够具有若干不同形状和配置，同时仍维持对流动到那些流体引入孔口250的分散介质的流动的控制。因此，虽然未说明，但应了解，流体引入孔口250可具有任何数目的形状，包含星形、椭圆形、任何数目的规则多边形，例如三角形、正方形、矩形、五边形、八边形等。

如图8中所示，水翼340可具有圆柱形或椭圆几何形状，其中前导面342和后边缘344具有环形配置，以水翼中心点Y为中心。如图8(B)中所示，此水翼340具有环面形状，具有在前导面342与后边缘344之间的锥形。水翼340包含围绕后边缘344沿圆周定位且隔开的多个流体引入孔口250。类似于图6和8中所示的水翼150，流体引入孔口350中的每一者流体连接到贯穿每一水翼340的导管352且流体连接到水翼340中的中心馈送通道354。中心馈送通道354围绕水翼240的圆周环形地延行。所述中心馈送通道354流体连接到本体形成流体馈送泵(未说明)，所述本体形成流体馈送泵以所要流动速率将本体形成流体馈送到流体引入孔口250。水翼340将优选地使用一或多个支撑件或支架悬挂于导管中。虽然未说明，但应了解，到本体形成流体馈送泵(例如图1中所示的泵207)的流体连接将可能定位于那些支架/支撑件中的一或多者中。在使用中，分散介质将流动通过内部空隙和水翼340的外表面。

虽然未说明，但应了解，流体引入孔口250可流体连接到至少两种不同的本体形成流体。这使得能够形成包含两种不同材料的纤维。

如图9中所示，在水翼440的一些实施例中流体引入孔口450可流体连接到本体形成流体流动通过的两个导管或通道452A和452B。在所说明的实施例中，每一导管或通道452A和452B连接到单独的中心馈送通道454A和454B，所述单独的中心馈送通道将选定本体形成流体馈送到相应导管452A和452B。单独的导管452A和452B在接近于流体引入孔口450定位的合并区段455处接合。在所说明的实施例中，合并区段455包括Y形接合点，但在其它实施例中可包括T形接合点或其它接合点配置。合并区段455还包含流体连接到流体引入孔口250的短导管。此布置提供归因于层流通道而“预先混合”不同本体形成流体以获得多域纤维的手段。

如图10中所示，流体引入孔口250可包括各种形状和配置。举例来说，流体引入孔口250可包括圆形(图10(a)到(e))、星(图10(f))、正方形((图10(g)和(h))、十字(图10(i))或矩形/狭槽形状(图10(j))。应了解，孔口250可包括在图10中说明的那些形状之外的大量其它形状。

如图10(c)、(d)和(h)中所示，流体引入孔口250可包括两个或两个以上接近且对准的孔口250，每一孔口250流体连接到不同的本体形成流体。这使得相应本体形成流体当引入到分散介质中时能够以某种方式重叠、缠结或至少相互作用。另外，这允许以具有缠结、混合或另外互连纤维配置的两种不同材料形成纤维配置。图10(c)中所示的孔口250包括以圆形孔口形成的两个并排流体引入孔口250X和250Y。流体引入孔口250X和250Y中的每一者将流体连接到单独的本体形成流体馈送布置(导管252和中心馈送通道254)。类似地，图10(d)和(e)中所示的孔口250包括以圆形或正方形孔口形成的四个并排流体引入孔口250E、250F、250J和250K。再次，流体引入孔口250E、250F、250J和250K中的每一者将流体连接到单独的本体形成流体馈送布置(导管252和中心馈送通道254)。

如图10(b)和(e)中所示，流体引入孔口250包括两个或两个以上同心地布置或重叠的孔口。这可产生纤维内纤维的配置，其中第一纤维囊封或另外形成于另一纤维内。在那些实施例中，第一材料可囊封在第二材料内，其中所述至少两个孔口中的至少两个流体连接到不同的本体形成流体。图10(b)中所示的孔口250包括两个同心地布置的圆形流体引入孔口250M和250N。类似地，图10(e)中所示的孔口250包括两个重叠布置的圆形流体引入孔口250M和250N。内部流体引入孔口250N形成于外部流体引入孔口250M内，且相对于外部流体引入孔口250M偏离中心而定位。流体引入孔口250M和250N中的每一者将流体连接到单独的本体形成流体馈送布置(导管252和中心馈送通道254)。

导管的第一流动区段226中的流体流量可具有任何合适的流动特性，包含层流、紊流等。在优选实施例中，流体流量布置形成第一流动区段226中的层流。为了辅助层流，若干扩散器挡板276定位于第一流动区段226的开始处，其在使用中接触水翼240上游的分散介质流。

现在参见图12，展示用于制作例如纤维和/或短纳米纤维等本体的第二设备500。所说明设备500包含：流体容器502，其形成经配置以容纳分散介质504的流体外壳；搅拌器或混合器布置506，其包含连接到轴杆510的驱动元件508，在此情况下为马达，所述轴杆具有浸没于分散介质504中的叶轮布置512。叶轮布置512包含围绕叶轮180°相隔布置的两个水翼514。每一水翼514具有前导面516和后边缘518。水翼514在分散介质504中沿箭头A的方向由驱动元件508可旋转地驱动，以致使分散介质504流经每一水翼514从其前导面516流动到后边缘518。

每一水翼514包含定位于后边缘处或接近后边缘定位的多个流体引入孔口520，其经配置以将本体形成流体馈送到分散介质中。孔口520中的每一者流体连接到贯穿每一水翼514且通过轴杆510到连接导管522的导管。连接导管522流体连接到泵(未说明)，例如蠕动泵、注射泵等类似泵，其以所要流动速率将本体形成流体馈送到流体引入孔口520。

可以选自约0.0001L/小时到约10L/小时、或从约0.1L/小时到10L/小时的范围内的速率将本体形成流体注射到分散介质中。当本体形成流体是例如聚合物溶液等本体形成溶液时，可以选自由以下各项组成的群组的范围内的速率将本体形成溶液注射到分散介质中：从约0.0001L/小时到10L/小时，从约0.001L/小时到10L/小时，或从约0.1L/小时到10L/小时。

再次，相关领域的技术人员将理解，本体形成流体引入到分散介质的速率可根据设备500的规模、采用的本体形成流体的体积以及将选定体积的本体形成流体引入到分散介质所需的时间而改变。在一些实施例中，可能需要以较快速率将本体形成流体引入到分散介质中，这可帮助形成具有较光滑表面形态的纤维。

流体容器502可包括可容纳分散介质504的任何合适的容座、容器、器皿或其它散装液体保持本体。确切的容器将取决于设备的规模。对于实验室规模制作，可使用烧杯或其它实验台容器。对于较大规模制作，可设想大的混合器工艺器皿或类似物将为合适的。

水翼514的配置产生本体形成流体的必要加速，以便从在水翼514的后边缘518处引入的本体形成流体拉制且形成所要本体，例如颗粒或纤维聚合物长丝。再次，流型和流体加速还可造成接近和/或跟随水翼514的后边缘518的分散介质中的流体收缩。在一些情况下，产生的加速度可产生所需的拉伸应力和/或剪切速率以使通过分散介质中的本体形成流体形成的本体分段。在形成的长丝的情况下，所述分段可形成短纤维。

所说明水翼514可具有与关于先前实施例的流动装置205B描述的水翼240类似的配置。

如先前描述，在本发明的设备中可使用大量本体形成流体和分散介质。所述本体形成流体(描述为纤维形成液体)和分散介质中的每一者的合适实例详细地描述于国际申请文本PCT/AU2012/001273中，所述申请案的内容以引用方式并入本说明书中。

实例

实例1-剪切预测

为了确定图3到11中说明的流动装置是否可在层流下产生所需剪切力，已经执行本文档中所示的计算。所有计算是参考网站http://www.pressure‐drop.com/Online‐Calculator/index.html和以下值列表来进行：

丁醇的密度：805.7kgm^‐3

丁醇的粘度：2.59310^‐3kgm^‐1s^‐1

绝对管粗糙度0.01mm

管宽度：10cm

体积和速率/剪切计算

已经针对具有10cm宽度和每一表中指定的高度的矩形横截面测试管计算以下在不同速率和管流出高度(H_流出)的管的每米压力。

表1：1mm高度

速率(m/s)	压力(kPa)	体积/s	流动类型*
				0.1	3	0.01	L
0.2	6	0.02	L
				0.4	13	0.04	L
0.8	25	0.08	L
				1.6	50	0.16	L
3.2	100	0.32	L
				6.4	374	0.64	T
12.8	1305	1.28	T

表2：2mm高度

速率(m/s)	压力(kPa)	体积/s	流动类型*
				0.1	1	0.02	L
0.2	2	0.04	L
				0.4	3.5	0.08	L
0.8	7	0.16	L

1.6	13	0.32	L
				3.2	45	0.64	T
6.4	153	1.28	T
				12.8	537	2.56	T

表3：3mm高度

速率(m/s)	压力(kPa)	体积/s	流动类型*
				0.1	0.3	0.03	L
0.2	0.7	0.06	L
				0.4	1.4	0.12	L
0.8	2.8	0.24	L
				1.6	8	0.48	T
3.2	27	0.96	T
				6.4	92	1.92	T
12.8	324	3.84	T

表4：6mm高度

*流动类型是L＝层流或T＝紊流。

结果表明，在针对流入和流出导管中的每一者的每一指定条件，层流是可能的。应注意，流入导管(图3中的第一区段226)将具有与流出导管(图3中的第二区段228)相同的移动通过其的量，并且因此针对为流出导管选择的导管的大小来说将具有较小的压力、较低的速度和与流出类似的流动类型(仍与以上值成比例)。

实例2-设备纤维产生

图11和图1中大体上说明的流动装置205B用以产生纳米纤维。

图13中展示流动通道和水翼240的尺寸(以mm计)。如图13中所示，入口通道区段500具有8.92mmx3mm深度的高度和深度，且出口通道区段502为1.84mmx3mm的高度和深度。贯穿装置的通道的深度是3mm。如图1所示，使用泵203(KDSLegato-270注射泵)将保持在～15℃的丁醇分散介质在板208与209之间且流经水翼240泵送到流动装置205B的引入端220。如表5中详细描述以各种流动速率在水翼240上方泵送丁醇分散介质。再次如表5中详细描述使用注射泵207(NewEraNE-4000)以各种流动速率将保持在～22℃的聚(乙烯丙烯酸)(PEAA)本体形成流体泵送到水翼240中的中心馈送通道254中，其中本体形成流体在板208与209之间流动。使用的聚(乙烯丙烯酸)(PEAA)的浓度也如表5中详细描述而变化。

表5-实验条件和结果

在每次运行中形成的纤维是使用放置在装置的出口处的20mL小瓶从流中俘获。随后在显微镜载玻片上将所得纤维干燥，使用光学显微镜(奥林巴斯DP71)研究且拍照。随后从这些图像确定产生的纤维的平均直径，表5中提供其结果。图13到18中展示从每次运行产生的纤维的光学图像，且所述图像对应于如表5中详细说明的各种运行。

结果清楚地说明图11中所示的流动装置在某一范围的分散介质和本体形成流体流动条件下产生具有亚微米范围中的直径的短纤维。

所属领域的技术人员将了解本文所述的本发明除特别描述的那些内容以外容许进行变化和修改。应理解本发明包含属于本发明的精神和范围内的所有变化和修改。

在本说明书(包含权利要求书)中使用术语“包括”的情况下，所述术语应解释为指定所陈述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一或多个其它特征、整数、步骤、组件或其群组的存在。

Claims (34)

1.一种用于通过将本体形成流体引入到分散介质中制作本体的设备，所述设备包含：

流体外壳，其经配置以容纳分散介质；

至少两个分离的流动路径，所述分散介质沿着所述流动路径在层流中流动，所述分离的流动路径中的至少两者在流动合并位置处汇聚；

流体流动布置，其在使用中致使所述分散介质沿着每一流动路径流动到所述流动合并位置；

至少一个流体引入布置，其定位于所述流动合并位置处或接近所述流动合并位置定位，所述至少一个流体引入布置在使用中经配置以将所述本体形成流体馈送到所述分散介质中；以及

流动收缩布置，其接近于或跟随所述流动合并位置，所述流动收缩布置在使用中使接近于和/或跟随所述流动合并位置的所述分散介质流收缩且加速。

2.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述流动收缩布置包含与所述流动合并位置的流动下游相比从所述流动合并位置的流动上游的总流体流动横截面积的减少。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述流体外壳包含具有第一流体流动横截面积的至少第一流动区段和具有第二流体流动横截面积的至少第二流动区段，所述第一流体流动横截面积大于所述第二流体流动横截面积。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述流动收缩包括所述第一流动区段与所述第二流动区段之间的流体流动横截面积减少至少50％，更优选地减少至少60％，再更优选地减少至少70％，并且最优选减少至少75％。

5.根据权利要求3或4所述的设备，其中所述流动合并位置远离所述第二流动区段的开始的上游隔开。

6.根据权利要求3、4或5所述的设备，其进一步包含位于所述流体外壳的所述第一流动区段与所述第二流动区段之间的第三流动区段，所述第三流动区段具有过渡横截面积，优选地为互连所述第一和第二流动区段的成锥形横截面积。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第三流动区段的所述横截面积中的过渡包括在所述第一与第二流动区段之间以5°与30°之间成锥形，优选地在所述第一与第二流动区段之间以约10°成锥形。

8.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述流体引入布置包含至少一个孔口。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述流动合并位置包含接近于所述至少两个单独的流交叉且合并的位置的流动合并边缘，所述至少一个孔口定位于所述流动合并边缘处或所述流动合并边缘中。

10.根据权利要求8或9所述的设备，其中所述至少一个孔口流体连接到至少两种不同的本体形成流体。

11.根据权利要求8至10中任一权利要求所述的设备，其中所述至少一个孔口流体连接到至少一种本体形成流体流动通过的至少两个导管或通道，每一导管或通道在接近于所述至少一个孔口定位的合并区段处接合。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述合并区段包含流体连接到所述至少一个孔口的短导管或通道。

13.根据权利要求11或12所述的设备，其中所述合并区段包括Y或T形接合点。

14.根据权利要求8至13中任一权利要求所述的设备，其中所述流体引入布置包括至少两个接近的孔口，每一孔口流体连接到至少一种本体形成流体。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述孔口中的至少两者流体连接到不同的本体形成流体。

16.根据权利要求14或15所述的设备，其中所述孔口中的至少两者是以第一孔口封闭于第二孔口内来布置。

17.根据任一前述权利要求所述的设备，其包括沿着所述流动合并位置隔开的多个流体引入布置。

18.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述分离的流动路径中的至少两者包括单独的流动导管。

19.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述至少两个分离的流动路径是通过位于所述流体外壳中的至少一个水翼而分离，所述水翼具有前导面和后边缘，所述流体流动布置致使所述分散介质在层流中从所述水翼的所述前导面流动到所述后边缘。

20.根据权利要求19所述的设备，其中流体引入元件定位于每一相应水翼的所述后边缘处或接近所述后边缘定位。

21.根据权利要求19或20所述的设备，其中所述水翼包含锥形本体，所述锥形本体在所述前导面与所述后边缘之间的厚度中以5°与30°之间成锥形，优选地在所述水翼的所述前导面与后边缘之间相对于中心线、优选地相对于其间的翼弦线以约10°成锥形。

22.根据权利要求21所述的设备，其中所述水翼的所述锥形本体包含沿着本体纵向长度的至少一个曲线或波，更优选地包含沿着所述本体纵向长度的多个曲线或波。

23.根据权利要求19至22中任一权利要求所述的设备，其包括在所述流体外壳内隔开的多个水翼，每一水翼包含定位于每一相应水翼中的至少一者的所述后边缘处或接近所述后边缘定位的至少一个流体引入元件。

24.根据任一前述权利要求所述的设备，其进一步包含位于所述流体外壳中的位置中的至少一个挡扳，所述挡扳在使用中在所述流动合并位置之前接触所述分散介质流。

25.根据权利要求24所述的设备，其中所述挡板位于所述流体外壳中处于所述流动合并位置的上游。

26.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述流体外壳包括以下各项中的至少一者：

至少一个导管，所述分散介质流动通过其中；或

储集器，其中保持所述分散介质。

27.根据权利要求26所述的设备，其中所述流体外壳包括所述分散介质流动通过的导管，且所述导管包含至少两个隔开的板。

28.根据权利要求27所述的设备，其中所述板之间的距离可改变。

29.根据权利要求27或28所述的设备，其中所述板容纳在液密壳体内。

30.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述流体流动布置包括以下各项中的至少一者：

可旋转元件，其被驱动或被移动以使所述水翼在所述流体外壳内旋转；或

泵送布置，其用于跨越所述水翼泵送所述分散介质。

31.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述分散介质再循环通过所述流体外壳。

32.根据任一前述权利要求所述的设备，其用于形成纤维，优选地为纳米纤维。

33.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述流动收缩布置产生所述分散介质中的至少0.1m/s、优选在0.2到20m/s之间、更优选在1到10m/s之间的线速度。

34.至少一种本体，其优选地为使用根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备形成的纳米本体。