CN110168149A - 将液体聚合物静电纺丝成纳米级或亚微米级纤维的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的设备，包括静电纺丝外壳、位于静电纺丝外壳外部的线驱动系统和多个连续电极线。该静电纺丝外壳包括静电纺丝区和一个或多个液体聚合物涂覆器件，其中液体聚合物涂覆于多个连续电极线上。该多个连续电极线彼此平行，与线驱动系统啮合，并延伸通过静电纺丝外壳和位于其中的一个或多个液体聚合物涂覆器件。将高电压施加于静电纺丝区中的多个连续电极线，从而由涂覆于电极线上的液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维。

Description

将液体聚合物静电纺丝成纳米级或亚微米级纤维的装置

技术领域

本公开涉及用于将液体聚合物静电纺丝成纳米级或亚微米级(submicron scale)纤维的装置和方法，且更具体而言涉及在不使用常规喷嘴或针的情况下将液体聚合物静电纺丝成纳米级或亚微米级纤维的装置和方法。

背景技术

纳米级或亚微米级纤维适用于各种应用，包括过滤、组织工程、防护服装、复合材料、电池隔膜、储能等。静电纺丝是用于生成这个级别的高质量纤维的方法之一。然而，尽管静电纺丝相对容易做到，但它具有非常低的产量，并且因此具有非常高的生产成本。因此，静电纺丝成纳米级和/或亚微米级纤维不具有成本效益。因而，除了高价值应用之外，纳米纤维的静电纺丝已经在很大程度上仅限于学术研究。

目前注射喷嘴、针式喷射(needle-jet)和旋转喷射制造工艺中的生产速率通常为约0.05克每小时(g/h)至约0.15g/h每喷嘴/喷射。据研究和/或使用，有几种方法提高了生产速率。这些方法包括气体辅助静电纺丝；多喷嘴系统的使用；无喷嘴/无针系统的使用；和增加旋转喷射总数。然而，这些方法每一种都有其问题，导致每台(市售)机器的最大持续生产速率不超过约2千克每小时(kg/h)。与喷嘴/针头系统相关的问题包括：注射喷嘴/针头孔口的堵塞；难以优化喷嘴阵列；和难以保持通过每个喷嘴的均匀进料速率。与无喷嘴/无针系统相关的问题包括：无法控制溶液储槽中的溶剂蒸发，导致溶液浓度和粘度变化；以及聚合物层涂覆积聚于静电纺丝元件的表面上，导致纤维纺丝速率显著降低。

通过本公开的各方面解决了这些和其它缺点。

附图说明

在附图中，并不一定按比例绘制，相同的附图标记可以描述不同视图中的类似组件。具有不同字母后缀的相同数字可以表示类似组件的不同实例。附图通过示例而非限制性的方式图示说明了本文件中讨论的各个方面。

图1是根据本发明的一个方面的简化静电纺丝装置的侧视图。

图2是根据本发明的一个方面的用于将液体聚合物层施加于多个连续电极线上的液体聚合物涂覆器件的侧视图。

图3是沿图2中A-A线截取的细节。

图4A是沿图2中的B-B线截取的细节。

图4B是根据本公开的一个方面的示例性电极线清洁组件的侧视图。

图5是显示包括静电纺丝外壳、线驱动系统和线张紧系统的多个连续电极线行进路径的简化图的侧视图。

图6是沿图5中A-A线截取的细节。

图7是沿图6中B-B线截取的细节。

图8是图示说明根据本发明的各方面的静电纺丝设备的辅助系统的示意图。

图9是根据本公开的一个方面的静电纺丝设备的详细示意图。

图10是显示图9的区段A的静电纺丝设备的部分示意图。

图11是显示图9的区段B的静电纺丝设备的部分示意图。

图12是显示图9的区段C的静电纺丝设备的部分示意图。

图13是图示说明根据本发明的一个方面的用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法的框图。

图14是图示说明根据本公开的一个方面用于驱动多个连续电极线通过静电纺丝装置的方法的框图。

图15是图示说明根据本发明的一个方面的用于从静电纺丝外壳收集纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法的框图。

图16是图示说明用于操作连续无针式静电纺丝纳米级或亚微米级聚合物纤维网于基底上的静电纺丝装置的方法的方框图。

发明内容

本公开内容的各方面涉及用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的装置，包括：

a.静电纺丝外壳，包括：

一种或多种液体聚合物涂覆器件；

静电纺丝区，包括导电接地板；和

线(电线，导线，金属丝，wire)清洁组件；

b.位于静电纺丝外壳外部的线驱动系统；

c.多个连续电极线，所述多个连续电极线彼此平行，与线驱动系统啮合，并延伸通过静电纺丝外壳和位于其中的一个或多个液体聚合物涂覆器件；

d.基底传送器系统，位于所述静电纺丝外壳的外部；和

e.一个或多个高压电源单元。

一个或多个液体聚合物涂覆器件将液体聚合物层涂覆到多个连续电极线的表面上。一个或多个高压电源单元向多个连续电极线施加高电压，并在多个连续电极线和静电纺丝区中的导电接地板之间产生电场，从而由涂覆于多个连续电极线表面上的液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维。线清洁组件包括用于从多个连续电极线清除残留液体聚合物的溶剂。基底传送器系统(基底传送系统，substrate conveyor system)驱动基底通过静电纺丝外壳，并将纳米级或亚微米级聚合物纤维作为聚合物纤维网收集于基底上。

本公开内容的各方面进一步涉及用于将液体聚合物源连续无针电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法，包括：

采用位于静电纺丝外壳外部的线驱动系统，驱动多个连续电极线通过静电纺丝外壳，静电纺丝外壳包括至少一个液体聚合物涂覆器件和静电纺丝区；

采用位于静电纺丝外壳外部的基底传送器系统驱动基底与多个连续电极线基本上平行地通过静电纺丝外壳和静电纺丝区；

在至少一个液体聚合物涂覆器件中，将液体聚合物层涂覆于多个连续电极线的表面上；

在静电纺丝区中，由涂覆于多个连续电极线表面上的液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维；

将纳米级或亚微米级聚合物纤维作为聚合物纤维网收集于基底上；和

使用位于静电纺丝外壳内的电线清洁组件从多个连续电极线的表面除去残留聚合物。

具体实施方式

通过参考以下对本公开和其中包括的实施例的详细描述，能够更容易地理解本公开。在各个方面中，本公开涉及用于将聚合物纤维网静电纺丝于基底上并将其收集于辊上的装置和方法。本文所述的装置和方法允许以相对于现有和已知的静电纺丝方法的更高的产量和生产强度—以及更低的资本投资和生产成本—生产纳米级或亚微米级纤维。

在本发明的化合物、组合物、制品、系统、器件和/或方法公开和描述之前，应理解的是，除非另有说明，否则它们不限于具体的聚合物材料，或不限于特定的聚合物材料的状态(即，熔体或溶液)，或不限于用于制备聚合物溶液的特定溶剂类型，或不限于特定的操作条件(例如，溶液中的聚合物wt％，聚合物溶液中的添加剂，温度，电压，电场距离等)，或不限于特定的装置尺寸和结构材料(例如，所述电极线的组成，连续电极线的数量，电极线的长度，平行电极线之间的距离，电极线通过的聚合物涂覆器件的数量，两个液体聚合物涂覆器件之间的距离等)，并因此这些参数能够进行变化。还应理解的是，本文使用的术语仅用于描述特定方面的目的，而非旨在是限制性的。

本公开内容涵盖了本公开的各要素的各种组合，例如，取决于相同独立权利要求的从属权利要求的要素的组合。

此外，应理解的是，除非另有明确说明，否则决不意图将本文所述的任何方法解释为要求以特定顺序执行其步骤。因此，在方法权利要求实际上没有具体描述其步骤所遵循的次序或在所述权利要求或说明书中并没有另外专门说明该步骤将被限制于特定的顺序的情况下，则绝不旨在任何方面推断顺序。这适用于任何可能的非明确的解释基础，包括：关于步骤安排或操作流程的逻辑问题；从语法组织或标点符号中推断的普通含义；和所述说明书中描述的方面的数量或类型。

本文提及的所有出版物均通过引用而结合于本文，以公开和描述与所引用的出版物相关的方法和/或材料。

静电纺丝设备

参照图1-12，本公开的各方面涉及用于将聚合物纤维网110静电纺丝于基底120上的装置100。图1中图示说明了装置100的简化示意图。该装置的具体部件包括静电纺丝外壳300、至少一个液体聚合物涂覆器件400、线驱动系统600、线张紧系统700、导电接地板800和至少一个将电压施加于多个连续电极线1000的高压电源单元820。基底120从基底供给辊200展开并被驱动通过静电纺丝外壳。通过线驱动系统600和线张紧系统700，多个连续电极线1000大致平行于移动基底120的面驱动通过静电纺丝外壳。多个连续电极线1000和基底120的移动方向可以是并流的，或者是逆流的。用至少一个液体聚合物涂覆器件400的每一个中的液体聚合物层涂覆多个连续电极线1000，并且通过由至少一个高压电源单元820施加于多个连续电极线1000的高电压和导电接地板800之间的电压差促使许多液体泰勒锥喷射物(Taylor Cone jets)840从多个连续电极线1000的表面喷射，接触基底120，并在基底120上形成聚合物纤维网110。聚合物纤维网110和基底120离开静电纺丝外壳300并通过例如将它们卷绕于组合辊210(如图1所示)上，或在其它方面如本文所述通过将聚合物纤维网110与基底120分离并将该聚合物纤维网110卷绕到单独的纤维网辊上而进行收集。线清洁组件500从多个连续电极线1000的表面除去多余的液体聚合物以及任何固化的聚合物。下面进一步详细描述装置100的组件和操作。

静电纺丝外壳300是封闭的外壳，以容纳静电纺丝过程并最小化潜在有害物质释放到工作环境中。静电纺丝外壳300—除了允许多个连续电极线1000通过静电纺丝外壳300的最小尺寸的孔口和允许基底120(和形成于其上的聚合物纤维网110)进出静电纺丝外壳300的窄孔之外—基本上是封闭的并在低于大气压下操作。在静电纺丝过程中产生的蒸气包含于静电纺丝外壳300内，并随后收集于蒸气收集和溶剂回收系统1600中，正如本文进一步的详细描述。在一些方面中，静电纺丝外壳300在相对于大气压的负压下操作，从而使靠近静电纺丝外壳300的大气/空气被吸入静电纺丝外壳300中并由蒸气收集和溶剂回收系统1600进行收集，这防止静电纺丝外壳300中的潜在有害蒸气逸出到大气中。多个连续电极线1000经驱动而通过孔直径稍微大于所用电极线的直径的孔口进入静电纺丝外壳300中并随后从其中出来，然后如本文进一步所述，由向静电纺丝聚合物纤维网110中的纤维提供聚合物源的液体聚合物层涂覆。

静电纺丝外壳300包括至少一个液体聚合物涂覆器件400。至少一个液体聚合物涂覆器件400提供液体聚合物源以涂覆多个连续电极线1000。在示例性方面中，至少一种液体聚合物涂覆器件400包括液体聚合物涂覆歧管(manifold)410和液体聚合物溢流储槽420。

液体聚合物涂覆歧管410包括多个线入口孔430和与线入口孔430的数量相对应的多个线出口孔440。线入口孔430和线出口孔在一些方面中可以具有从液体聚合物涂覆歧管410的外表面向远侧延伸一段长度“L”的部分，或它们的长度L可以为零，在这种情况下，孔的厚度对应于液体聚合物涂覆歧管的厚度。孔的直径和长度可以根据要控制的液体聚合物溢流的水平而变化。液体聚合物通过液体聚合物再循环和进料系统1200通过液体聚合物供给口450而提供于液体聚合物涂覆歧管410。液体聚合物再循环和进料系统1200在下面进一步详细描述。在本文更全面地解释的操作的一些方面中，多个连续电极线1000中的每一个以连续环路驱动至至少一个液体聚合物涂覆器件400中，通过线入口孔430，并进入液体聚合物涂覆歧管410，在其中涂覆液体聚合物层。然后，每个已涂覆的连续电极线1000通过对应于其线入口孔430(与其对准)的线出口孔440离开液体聚合物涂覆歧管410并离开液体聚合物涂覆器件400。

液体聚合物溢流储槽420接收从液体聚合物涂覆歧管410溢出的液体聚合物和从离开液体聚合物涂覆歧管410的多个连续电极线1000滴下的任何液体聚合物。当液体聚合物溢流储槽420充满时，液体聚合物再循环口455将收集在储槽中的液体聚合物再循环到液体聚合物再循环和进料系统1200中。在一些方面中，液体聚合物再循环口455通过重力流动将液体聚合物再循环到液体聚合物再循环和进料系统1200中。

本文的液体聚合物可以是适用于静电纺丝应用的任何聚合物，并且包括纯熔体液态的天然和合成聚合物或通过将聚合物溶解于纯溶剂或溶剂混合物中形成的液体溶液。此外，液体聚合物能够包括混合到一起的一种或多种聚合物。适用于本公开内容的各方面的示例性天然聚合物包括，但不限于，蛋白、纤维素、木质素、胶原、DNA和橡胶。适用于本公开的各方面的示例性合成聚合物包括，但不限于，聚酰胺、聚氨酯、聚苯并咪唑、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸酯、聚环氧乙烷、聚苯胺、聚苯乙烯、聚乙烯基苯酚、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚芳酰胺和合成橡胶。在一些方面中，一种或多种不同种类的聚合物源可以形成具有不同纤维层的单个聚合物纤维网110。例如，在包括多个液体聚合物涂覆器件400的系统中，每个液体聚合物涂覆器件400可以被供给不同的液体聚合物源，从而使聚合物纤维网110将会包括在基底120上具有多个层的多种聚合物。

线驱动系统600使多个连续电极线1000移动通过静电纺丝外壳300。在某些方面中，线驱动系统包括主动线驱动滚筒(master wire drive drum)610和拉动多个连续电极线1000的从动线驱动滚筒(slave wire drive drum)620。主动线驱动滚筒610的驱动力直接源自电源单元，如变频驱动器(VFD)，而从动线驱动滚筒620的驱动力源自主动线驱动滚筒610。主动和从动线驱动滚筒排布设计结构的一个特定优点是能够使传递到每个连续电极线的拉力大幅增加，而不会在线和滚筒之间滑动或打滑。

主动线驱动滚筒610包括主动齿轮板630，并且从动线驱动滚筒620包括偶联至主动齿轮板630的从动齿轮板640，从而使得在主动线驱动滚筒610旋转时从动线驱动滚筒620会沿相反方向旋转。主动线驱动滚筒610偶联至使主动线驱动滚筒610旋转的马达驱动轴650。在一些方面中，变速马达会驱动主动线驱动滚筒610。主动线驱动滚筒610的速度在一些方面中可以变化从而以约1米每分钟(m/min)至约200m/min的速度驱动多个连续电极线1000。在某些方面，定速马达能够驱动主动线驱动滚筒610。

从动线驱动滚筒620偶联至自由旋转轴660从而允许其响应于主动线驱动滚筒610的旋转而自由旋转。在另一方面中，从动线驱动滚筒620可以由主动线驱动滚筒610通过链而不是通过诸如本文的那些的耦合齿轮板(630、640)进行驱动。

如图6所示，每个主动线驱动滚筒和从动线驱动滚筒都包括多个线引导件670以分开多个连续电极线1000。多个线引导件中的每一个都包括用于引导多个电极线1000之一的通道或凹槽。如图5所示(对于仅一个线)，连续电极线1000被主动线驱动滚筒610和从动线驱动滚筒620牵拉。连续电极线1000可以由这些线滚筒的每一个上的线引导件670引导。连续电极线可以从从动线驱动滚筒620通过线张紧系统700成环。

线张紧系统700向多个连续电极线1000提供必要量的张力。在某些方面中，线张紧系统独立地张紧多个连续电极线1000中的每一个。这能够通过使每个连续电极线1000由独立的线张紧器710引导以向连续电极线提供独立的张力而实现。图5提供了一个线的示例并显示出了一个线张紧器710；应认识到的是，在一些方面中，每个连续电极线1000将具有其自己的线张紧器710。因此，包括250根线的装置将包括250个各自的张紧器。在某些方面中，各个张紧器可以分成安装于不同位置的组，以解决与安装空间限制有关的问题。例如，可能难以将示例性的250个各自的张紧器安装于单排中，在这种单排情况下合乎需要的是将连续电极线彼此间隔开一小段距离(例如，相距5毫米(mm)，或相隔10mm，相距15mm，或相隔20mm)。因此，在一个方面中，连续电极线可以分成5组：组1包括用于线1、6、11、16、......和246的张紧器；组2包括用于线2、7、12、17、......和247的张紧器；组3包括用于线3、8、13、18、......和248的张紧器；组4包括用于线4、9、14、19、......和249的张紧器；而组5则包括用于线5、10、15、20、......和250的张紧器。按照这种方式，每根线的张紧器之间的可用距离就增加到25mm。

多个连续电极线1000可以是任何合适的线类型，包括但不限于，编织的(辫状的，braided)、扭曲的、琴弦的(piano)和拉制的(drawn)。可能合乎需要的是，选择提供相对高表面积的线从而使更多液体聚合物能够涂覆线表面并可用于静电纺丝，但更高表面线可以提供更多保留残留未反应聚合物的表面，这可能会出现污染/清洁问题。

本文描述的装置100和相关组件—包括但不限于线驱动系统600；具有各自线张紧器710的线张紧系统700；和包含至少一个液体聚合物涂覆器件400的静电纺丝外壳300，该至少一个液体聚合物涂覆器件400包括具有多个线入口孔430和相应的线出口孔440的液体聚合物涂覆歧管410—允许数十个甚至数百个连续电极导线1000经驱动而通过静电纺丝外壳300，其中它们能够用液体聚合物涂覆并用于静电纺丝过程。而且，这些多个(几十个/几百个)连续电极线1000在无端环中连续地循环通过静电纺丝外壳300，因此用于形成聚合物纤维网110的静电纺丝过程能够以比目前已知的静电纺丝过程大得多(大几个数量级)的容量进行。

该装置包括至少一个高压电源单元820，其为静电纺丝过程提供必要的电场强度。至少一个高压电源单元820中的每一个都具有负电压源和正电压源。通常而言，负电压源接线并连接至位于静电纺丝外壳300内部并靠近基底120的第一侧810的导电接地板800，而正电压源接线并连接至与位于基底120的第二侧830附近的多个连续电极线1000接触的至少一个导电自由旋转轴850，如图1和图10所示。在一些方面，至少一个导电的自由旋转轴850包括均匀分布于其表面上的多个凹槽(例如，V形凹槽)。每个凹槽接收连续电极线1000之一。凹槽和电极线之间的良好接触通过调节相应的线张紧器710保持，从而使来自至少一个高压电源单元820的正电压传递至每个电极线1000上。在操作期间，导电自由旋转轴850随着电极线1000移动而自由旋转。在一些方面中，至少一个高压电源单元820的正和负源可以在导电接地板800和连续电极线1000之间切换。在这些方面中，设想了负电压静电纺丝过程。

图1中所示的至少一个高压电源单元820，处于静电纺丝外壳300的外部，在导电接地板800和多个连续电极线1000之间施加电压差。在操作期间，施加于涂有液体聚合物的连续电极线1000的正电压横穿电气静电纺丝外壳300的静电纺丝区Z中的导电接地板800，产生的电场促使连续电极线1000上的液体聚合物带电，导致带电液体泰勒锥喷射物840从连续电极线1000的表面喷向导电接地板800的负电压源。液体泰勒锥喷射物840在飞行中拉伸并部分干燥，形成具有纳米级或亚微米级直径的聚合物纤维。纤维与基底120接触并在其上收集，基底120也大致平行于多个连续电极线1000并在与多个连续电极线1000相同或相反的方向上移动通过静电纺丝外壳300。随着该过程重复通过可以称为静电纺丝区Z的导电接地板800的长度，聚合物纤维网110就形成于基底120上。虽然聚合物纤维在本文中描述为具有纳米级直径或亚微米级直径，并且这些纤维通常称为纳米纤维或亚微米纤维，但应认识到，通过本文的装置和方法生产的纤维没有必要是纳米纤维尺寸或亚微米尺寸，并且可以改变工艺条件而使之形成具有其它尺寸的纤维。

尽管图1中显示了至少一个高压电源单元820处于静电纺丝外壳300的外部，但这并非需要如此。如果需要，它可以位于静电纺丝外壳300之内。

具体参考图3，在某些方面中，一个或多个线入口孔430和线出口孔440包括设置于线入口孔430/线出口孔440和与其相应的连续电极线1000之间的毛细管460。如图所示，毛细管460可以从液体聚合物涂覆歧管410向外延伸一段长度L，并可以设定其尺寸成使其具有内径略大于从其中通过的连续电极线1000的直径，从而产生小的间隙470。毛细管460的内径尺寸设定要使其足够大，才能使连续电极线1000能够以最小的摩擦力通过液体聚合物涂覆歧管410，但又要足够小以防止液体聚合物从液体聚合物涂覆歧管410中过量损失。此外，毛细管的长度L在液体聚合物涂覆歧管中提供液体反压(背压，backpressure)，从而使之进一步最小化来自毛细管460的液体聚合物的损失。离开毛细管460(及其相应的线入口孔/线出口孔)的液体聚合物如本文所述排出到液体聚合物溢流储槽420中。

在一些方面中，液体聚合物涂覆器件400可以进一步包括液体聚合物溢流口480。液体聚合物溢流口480可以提供溢流到如本文的液体聚合物溢流储槽420中的液体聚合物的另一来源。在一些方面中，液体聚合物溢流口480可以构造成提供恒定的溢流量，以确保液体聚合物涂覆器件400中的液体聚合物连续移动并具有相对恒定的温度。

在某些方面中，液体聚合物涂覆器件400可以包括至少一组线定位滑轮490。至少一组线定位滑轮490可以位于多个线入口孔430附近，如图2所示，并可以起到将多个连续电极线1000引导到液体聚合物涂覆歧管410的多个线入口孔430中的作用。

在某些方面中，装置100可以包括线清洁组件500。线清洁组件500可以包括在内从而从多个连续电极线1000的表面上除去残留的液体聚合物或其它静电纺丝残余物。线清洁组件500可以包括，但并不必须包括，与本文的液体聚合物涂覆器件400类似的结构(特征，features)。图4B中图示说明了示例性线清洁组件500，并且其包括溶剂涂覆歧管510，溶剂涂覆歧管510包括多个溶剂歧管线入口孔530和与连续电极导线1000的数量相对应的溶剂歧管线出口孔540。溶剂涂覆歧管510还可以包括接收来自溶剂歧管线入口孔530和溶剂歧管线出口孔540的溢流溶剂的溶剂溢流储槽520。新鲜溶剂可以提供于线清洁组件500，并且如果包括溶剂涂覆歧管510，则通过溶剂涂覆口550与溶剂供给料流1420相关。溶剂溢流储槽520中收集的过量溶剂可以通过与溶剂再循环料流1430关联的溶剂再循环口555返回至溶剂储存和供给系统1400中。因此，溶剂涂覆歧管510可以按照与液体聚合物涂覆歧管410相同的方式运行，但会向多个连续电极线1000提供溶剂溶液从而从连续电极线1000上除去残留的液体聚合物或其它静电纺丝残余物。溶剂可以是用于制备液体聚合物的相同种类(例如，聚合物溶液)或任何其它合适的溶剂。在一些方面中，溶剂再循环口555通过重力流动将溶剂再循环至溶剂存储和供给系统1400中。

线清洁组件500可以如图5所示位于静电纺丝外壳300内，或位于电纺丝外壳300外部(未示出)，但是应认识到的是，在任何一种情况下，线清洁组件500通常都位于静电纺丝区Z之后或下游。正如本文所用，“上游”及其对应术语“下游”涉及相对于装置操作期间多个连续电极线1000的行进方向而言的一个组件相对于另一个组件的位置。在一些方面中，当连续电极线1000离开线清洁组件500并在它们离开静电纺丝外壳300之前，线的表面上的任何保留溶剂可以在溶剂干燥步骤中蒸发，这防止连续电极线1000将潜在有害的溶剂带到环境中。

在一些方面中，装置100进一步包括导电电阻测量系统560。电阻测量系统包括诸如欧姆计570的器件，该器件被构造成测量多个连续电极线1000中的一个或多个在上游接触点580(即，液体聚合物涂覆之前)和下游接触点590(即，静电纺丝区Z和/或线清洁组件500之后)二者处的电阻。测量的电阻可以指示离开静电纺丝外壳300的多个连续电极线1000中的一个或多个在其相应的表面上可能包含固体聚合物，并可能需要通过更严格的清洁方法如使用线洗涤器1900或其它清洁系统进行进一步清洁。在具体方面中，电阻测量系统构造成在特定时间间隔内(例如，每5毫秒(ms))在上游接触点580和下游接触点590处测量多个连续电极线1000中的每一个。

参考图8并如上所述，装置可以包括液体聚合物再循环和进料系统1200。液体聚合物再循环和进料系统1200通过提供于每个液体聚合物涂覆器件400中的液体聚合物涂覆歧管410的液体聚合物供给口450来向至少一个液体聚合物涂覆器件400中的每一个提供液体聚合物。另外，液体聚合物再循环和进料系统1200通过提供于其中的液体聚合物再循环口455接收来自每个至少一个液体聚合物涂覆器件400的液体聚合物溢流。液体聚合物再循环和进料系统1200包括用于从至少一个液体聚合物涂覆器件400中的每一个接收再循环的液体聚合物并向其递送液体聚合物进料的再循环和进料罐1210，向至少一个液体聚合物涂覆器件400中的每一个(例如，通过液体聚合物分配歧管(未示出))泵送液体聚合物的液体聚合物循环和供给泵1220，和运行以维持所需的液体聚合物温度的液体聚合物热交换器1230。应注意的是，图8中的示意图图示说明了各种泵(“M”)、流量计(“F”)、阀(“V”)、组成分析仪/发射器(“CA”)和热交换器/冷却器(“HC”)，这些设备的正确选择和操作是本领域技术人员已知的，而本文中并未专门描述。

液体聚合物再循环和进料系统1200通过液体聚合物加料流1305从液体聚合物制备系统1300接收液体聚合物。液体聚合物再循环和进料系统1200运行以在必要的浓度和温度下提供用于静电纺丝过程的液体聚合物。液体聚合物制备系统1300包括液体聚合物制备罐1310，其在一些方面中包括搅拌器和聚合物储存和加料单元1320。在一些方面中，液体聚合物制备系统1300按照间歇式工艺方法运行并且包括以下步骤：(a)通过溶剂加料流1350从溶剂储存和供给系统1400将预定量的溶剂接收于液体聚合物制备罐1310中；(b)从聚合物储存和加料单元1320将预定量的聚合物接收于液体聚合物制备罐1310中；(c)在液体聚合物制备罐中混合和加热溶剂和聚合物至预定温度，直至固体聚合物完全溶解于溶剂中；和(d)将制备的聚合物溶液批料转移到再循环和进料罐1210中。在一些方面中，液体聚合物制备罐可以包括搅拌和加热结构，以便于制备液体聚合物。如图8所示，液体聚合物制备系统还可以在某些方面包括将液体聚合物制备罐1310中的液体聚合物循环通过聚合物制备热交换器1340、并且在批次完成时将液体聚合物通过液体聚合物加料流1305从聚合物制备罐1310转移至再循环和进料罐1210的液体聚合物制备转移泵1330。

在某些方面中，装置100还可以包括溶剂存储和供给系统1400。溶剂存储和供给系统1400运行以存储溶剂并将溶剂供给于液体聚合物制备系统1300和线清洁组件500。在某些方面中，溶剂储存和供给系统的主要溶剂来源是在蒸气收集和溶剂回收系统1600中回收的溶剂，正如下面进一步的详细解释。在这些方面中，可以从另一个来源(未示出)添加新鲜的补充溶剂，以平衡线清洁组件500运行和其它溶剂处理期间损失的任何溶剂。溶剂储存和供给系统1400包括溶剂储存罐1410。来自溶剂储存罐1410的溶剂通过溶剂供给料流1420提供于线清洁组件500，并通过溶剂再循环料流1430从线清洁组件接收溢流溶剂。此外，如果需要稀释液体聚合物再循环和进料系统中液体聚合物的浓度，则可以通过液体聚合物稀释料流1440向液体聚合物再循环和进料系统1200提供溶剂。溶剂供给泵1450将溶剂泵送到线清洁组件500、液体聚合物再循环和进料系统1200和液体聚合物制备系统1300。

在进一步的方面中，装置100包括蒸气收集和溶剂回收系统1600，其在一些方面中包括若干子系统，其操作和功能将会在下面进一步详细描述。

在一些方面中，蒸气收集和溶剂回收系统1600向静电纺丝外壳300提供必要水平的真空，从而使靠近静电纺丝外壳300的大气/空气被吸入静电纺丝外壳300中，这防止静电纺丝外壳300中的潜在有害蒸气逸出到环境中。在某些方面中，并且如图8所示，蒸气收集和溶剂回收系统包括五个鼓风机(鼓风机#1 1505、鼓风机#2 1510、鼓风机#3 1515、鼓风机#41520和鼓风机#5 1525)，用于将来自静电纺丝外壳300的蒸气和气体吸入至蒸气收集和溶剂回收系统1600中。鼓风机#1 1505在各个入口点(环境空气入口点#1 1610A、#2 1610B和#3 1610C)将环境空气吸入静电纺丝外壳300中，各个入口点包括多个连续电极线1000进入和离开静电纺丝外壳300(排放控制箱1800A)的开口、基底120进入静电纺丝外壳300(排放控制箱1800B)的开口和基底120离开静电纺丝外壳300(排放控制箱1800C)的开口。环境空气和一些聚合物和溶剂(通过排放控制箱排气料流1605A、1605B和1605C)通过鼓风机#11505抽出，收集并最终处置于焚烧炉1620中以除去有害的残余蒸气。在一些方面中，排放控制箱排气料流可以通过已知的机械附接方法附接或偶联至排放控制箱。在一些方面中，鼓风机#1 1505在约-2”水柱表压(WCG)至约-10”WCG的真空下操作排放控制箱1800A、1800B和1800C。

焚烧炉1620的输出物可以排放到大气中。在某些方面中，鼓风机#3 1515通过具有相对低的温度并富含溶剂蒸气的溶剂蒸气料流1630收集产生的溶剂蒸气和通风气体(draft gas)(如果使用)。另一方面，鼓风机#2 1510通过具有相对高温和低蒸气浓度的热气体排气料流1605D收集来自纤维干燥和用于纤维干燥的热干燥气体产生的蒸气。来自#21510鼓风机的蒸气/气体通过热交换器#1 1540与来自溶剂冷凝器1640以通过鼓风机#51525的排出气体料流交换热量。在热交换器#1之后，来自鼓风机出口的料流#2 1510(具有降低的温度)与来自鼓风机#3 1515的出口的溶剂蒸气料流1630合并。该组合的蒸气/气体料流进入文丘里混合器1565和溶剂冷凝器1640。文丘里混合器1565混合蒸气/气体料流和来自泵#11535的冷液循环料流而使蒸气/气体温度进一步冷却至大约溶剂冷凝器1640内的溶剂液体的操作温度。因此，蒸气/气体料流中的大部分溶剂蒸气冷凝成液体。由蒸气冷凝释放的热量被进入文丘里混合器的冷溶剂液体循环料流吸收，并随后通过热交换器#21545使用冷却介质(例如，但不限于，冷却水和冷冻水)除去这种热量。当从溶剂冷凝器1640排出的排出气体通过热交换器#5 1560时，未通过文丘里混合器1565的操作冷凝的任何溶剂蒸气将被进一步冷凝。溶剂冷凝器1640内的回收液体溶剂通过溶剂冷凝料流1650返回到溶剂储存和供给系统1400。在一些方面中，返回速率可以通过溶剂冷凝器1640内的液位进行控制。

在热交换器#5 1560之后，排出气体(vent gas)在气体中具有较低的蒸气含量。排出气料流可以分成两个单独的料流，一个吹到鼓风机#5 1525，而另一个吹到鼓风机#41520。鼓风机#5 1525的排出气体进一步分成两股料流，一股流到焚烧炉1620，而另一股流到热交换器#1 1540。通向焚烧炉1620的排气流的流速可以基于所需的气体吹扫量进行控制，所需气体吹扫量可以基于溶剂蒸气料流1630中的所测量氧浓度与来自预设值的热气体供给料流1670的偏差进行计算。在一些方面中，预设值标称为溶剂蒸气可能被点燃的氧浓度的20％-30％。随着偏差增加，更多排气流气体被吹扫到焚烧炉1620中，反之亦然。来自鼓风机#5 1525的另一个排气料流的温度在通过热交换器#2 1545之后会升高。该加热的排出气体返回到静电纺丝外壳300并重新用作用于静电纺丝过程的通风气体。鼓风机#4 1520的排气料流进一步分成两个单独的料流，一个流到热交换器#3 1550，而另一个流到吸附床1660。从热交换器#3 1550流出的排出料流的温度升高到在某些方面中是用于干燥静电纺丝外壳300内的纤维网的初级干燥气体的温度的预设值。

本文的装置100的各方面通过允许静电纺丝有毒或可燃聚合物而提供优于当前静电纺丝工艺方法的至少一个另外的优点，因为在低于大气压下操作的静电纺丝外壳防止有毒和/或易燃蒸气逸出进入大气/工作环境。正如本文所讨论，这些蒸气被收集并安全地处理。更具体而言，在一些方面中，静电纺丝外壳300包括一个或多个氧传感器，以测量和/或监测外壳中的氧含量。如果所检测的氧含量高于预设的低值，则来自鼓风机#5 1525的更多排出气体就被送到焚烧炉1620，并可以将新鲜的惰性气体(例如，但不限于，氮气)充入静电纺丝外壳300中，直到静电纺丝外壳300内的氧含量下降到低于预设的低值。在进一步的方面中，如果所检测的氧含量变得高于预设的高值，则高压电源单元820可以作为安全结构自动关闭。安全结构可以包括，例如，将高压电源单元820的触点切换到接地系统和/或将大量新鲜氮充入静电纺丝外壳300内。按照这种方式，这些结构就可以将静电纺丝外壳内部的氧浓度调节至从预设的低值到预设的高值范围内，这在某些方面中是约30％的氧气浓度，在该氧浓度下气体/蒸气混合物可以用点火源点燃。

如图8所示，吸附床1660在一些方面中是碳吸附床，其将来自鼓风机#4 1520的残余溶剂蒸气除去至适合于用于干燥静电纺丝外壳300内的纤维网的二次干燥气体的预定低水平。二次干燥气体的所需温度可以通过使来自吸附床1660的气流通过热交换器#4 1555而获得。这种具有非常低的溶剂蒸气含量的加热气体被送入静电纺丝外壳300并用作干燥气体来源。静电纺丝外壳300可以包括一个或多个压力传感器，用于监测其中的压力。正如所讨论，静电纺丝外壳中的操作压力保持于低于大气压的压力，压力通过在热交换器1555之前将所需量的新鲜补充气体输送到气体料流中而控制。例如，如果静电纺丝外壳300内的所测量的压力小于预设值，则要将更多新鲜的补充气体充入系统中，而反之亦然。另一方面，如果静电纺丝外壳300内的测量的压力高于预设值(即使新鲜的补充气流为零)，则从鼓风机#5 1525到焚烧炉1620的排出气体量可以相应地增加。按照这种方式，静电纺丝外壳内的操作压力可以控制在从预设低值到预设高值的范围内。

图9-12提供了更一般地图示说明于图1中的装置100的详细示意图。整个装置如图9所示，并分为如所示的三个区段。区段A图示说明于图10中，区段B图示说明于图11中，而区段C图示说明于图12中。在某些方面中，除了上述一个或多个组件之外，装置100还可以包括其它结构。

通过包括通风气体源1710(图11中所示)的通风气体供给系统，可以将通风气体吹到静电纺丝外壳300中的多个连续电极线1000上，通风气体源1710包括如图8中所示的热气供给料流1670和通风气体分配歧管1720。通风气体分配歧管1720可以通过一系列通气口、喷嘴或其它合适的开口将通风气体分配到多个连续电极线1000上。通风气体供给系统在从多个连续电极线1000表面喷射的液体泰勒锥喷射物840上提供向上的力，以帮助确保由液体泰勒锥喷射物840形成的聚合物纤维到达基底120的表面上。在一些方面中，通风气体的一个或两个温度(通过热交换器#1 1540)和流速(通过热交换器#1 1540上方的控制阀)进行调节而获得所需性能。通风气体通过排气歧管1680通过本文的鼓风机#3 1515(图8中所示)移除。

形成于基底120上的聚合物纤维网110在形成时可能并未完全干燥，并且可以包括残留溶剂。在本公开的一些方面中，可以使用两个干燥步骤，初级干燥步骤和次级干燥步骤来干燥聚合物纤维网110。在每个干燥步骤中，热气体用作干燥介质。离开热交换器#3 1550的热气体用作初级干燥步骤(初级干燥气体)中的干燥介质，而离开热交换器#4 1555的热气体用作次级干燥步骤(次级干燥气体)中的干燥介质。次级干燥气体具有相对较低的溶剂蒸气含量和比初级干燥气体更高的温度。

初级干燥气体通过初级分配歧管1690A进入初级干燥区(参见图11)，而次级干燥气体通过次级分配歧管1690B进入次级干燥区(图10)。初级干燥气体和次级干燥气体都凭借鼓风机#2 1510通过热气体排气料流1605D离开静电纺丝外壳300，如图8所示。初级和次级分配歧管1690A和1690B可以通过一系列通气口、喷嘴或其它合适的开口将热气体分配于基底120/聚合物纤维网110上。在一些方面中，初级干燥气体的温度和流速可以通过热交换器#3 1550及其相关的控制阀进行调节和控制。按照相同的方式，次级干燥气体的温度和流速可以通过热交换器#4 1555及其相关的控制阀进行调节和控制。

正如本文所述，装置100包括基底传送器系统150，用于使基底移动通过静电纺丝外壳300。在一些方面中，基底120和在其上形成的聚合物纤维网110可以离开静电纺丝外壳300并通过将其卷绕于组合辊210上收集(如图1所示)。然而，在图10中所示的其它方面中，聚合物纤维网110可以从基底120上剥离并卷绕到纤维网辊220上，而基底则卷绕到单独的基底精轧辊230上。在进一步的方面(未示出)，基底可以是连续的基底，并且随着聚合物纤维网从基底上移除并卷绕到纤维网辊上，基底能够连续地循环回到装置100中(与多个连续电极线1000连续操作的方式大致相同)。

基底120优选是多孔/可渗透材料，其既轻质又允许来自初级分配歧管1690A和次级分配歧管1690B的热气体从其中通过并干燥聚合物纤维网110。然而，它应具有足够的强度才能被传送通过装置100/静电纺丝外壳300输送而不会撕裂。此外，基底120可以是任何能够卷绕于本文的辊上并将接收静电纺丝过程中形成的聚合物纤维的合适材料。基底120可以包括基底张紧器130，当基底120离开静电纺丝外壳300时，基底张紧器130就向基底120提供张力。基底重定向辊135可以提供用于在基底120从基底供给辊200展开时改变基底120的行进方向。

在一些方面中，装置100可以包括排放控制箱1800A，多个连续电极线1000在进入和离开静电纺丝外壳300之前会从其中通过。排放控制箱1800A包括用于多个连续电极线1000的优化间隙空间从而使装置100操作期间进入静电纺丝外壳300中的静电纺丝外壳300附近的大气/空气最小化。

在进一步的方面中，装置100可以包括线洗涤器1900。线洗涤器1900可以在某个合适的位置—如靠近多个连续电极线1000进入静电纺丝外壳的位置附近的位置(参见图12)—与多个连续电极线1000接触并可以提供额外的机构清洁多个连续电极线1000的表面。在某些方面中，线洗涤器位于静电纺丝外壳的外部。在一个方面中，线洗涤器是磨料如砂纸。线洗涤器1900物理地接触多个连续电极线1000并磨蚀性地除去保留于线表面上的任何沉积和/或涂覆的聚合物，从而提高电极线的效率。其它线洗涤材料和其它磨料是已知的，并能够用于线洗涤器1900中。

正如图中所示，装置100可以包括多个滑轮P，用于保持和/或改变多个连续电极线1000、基底120和聚合物纤维网110中的一个或多个的移动方向。

本文所述的装置100的各方面还提供了优于常规静电纺丝工艺方法的显著优点：允许使用数十甚至数百个连续电极线进行数百kg/h或更多的大规模工业生产。在一些方面中，装置可以包括超过25个连续电极线，或超过50个连续电极线，或超过100个连续电极线，或超过150个连续电极线，或超过200个连续电极线，或超过300个连续电极线，或超过400个连续电极线，甚至多达或超过500个连续电极线。而且，多个连续电极线可以具有非常长的长度。在本公开的某些方面中能够使用5米(m)至甚至50m或更长的连续电极线长度，而连续聚合物纤维生产速率在使用间歇式系统运行的常规系统中是不可实现的。

用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法

本公开进一步涉及用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法。该方法引入本文所述的装置100的组件，其描述和操作在此不再重复，并且当提及将这些组件引入方法中时，将使用这些组件的参考标号。参考图13，在一个方面中，方法2000包括，在2100，采用位于静电纺丝外壳外部的线驱动系统驱动多个连续电极线通过包括至少一个液体聚合物涂覆器件和静电纺丝区的静电纺丝外壳。步骤2200包括利用位于静电纺丝外壳外部的基底传送器系统驱动基底与多个连续电极线基本上平行地通过静电纺丝外壳和静电纺丝区。在步骤2300，将液体聚合物层涂覆于至少一个液体聚合物涂覆器件中的多个连续电极线的表面上。在步骤2400，在静电纺丝区中由涂覆于多个连续电极线的表面上的液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维。步骤2500包括将纳米级或亚微米级聚合物纤维作为聚合物纤维网收集于基底上。在步骤2600，使用位于静电纺丝外壳内的线清洁组件从多个连续电极线的表面除去残留聚合物。

其它方面可以但不必须包括于本文所述的方法2000中，包括但不限于：使用电阻测量系统560测量多个连续电极线的电阻中的一个或多个；使用液体聚合物再循环和进料系统1200循环液体聚合物并提供液体聚合物进料；使用液体聚合物制备系统1300制备液体聚合物；使用溶剂储存和供给系统1400储存和供给溶剂；使用蒸气收集和溶剂回收系统1600收集、洗涤和/或清洁蒸气；如上所述，将通风气体吹到多个连续电极线上和/或将干燥气体/热气体吹到基底/聚合物纤维网上；使用基底传送器系统150移动基底通过静电纺丝外壳并将基底和聚合物纤维网(单独地或组合地)卷绕到辊上；使用排放控制箱1800A、B、C最小化空气进入静电纺丝外壳的入口；用线洗涤器1900洗涤多个连续电极线。

驱动多个连续电极线通过静电纺丝装置的方法

本公开进一步涉及用于驱动多个连续电极线通过静电纺丝装置的方法。该方法引入了本文所述的装置100的组件，其描述和操作在此不再重复，并且当提及这些组件引入方法中时将使用这些组件的参考标号。静电纺丝装置100包括静电纺丝外壳300，在静电纺丝外壳300内纳米级或亚微米级聚合物纤维网110由涂覆于多个连续电极线1000上的液体聚合物层而形成于基底120上。参照图14，在一些方面中，方法3000包括，在3100，将多个连续电极线排布于主动线驱动滚筒和从动线驱动滚筒上。主线驱动鼓和从线驱动鼓每个都包括多个线引导件，并且每个线引导件都包括用于接收多个连续电极线之一的通道或凹槽。在步骤3200，主动线驱动滚筒旋转而驱动多个连续电极线通过静电纺丝外壳。主动线驱动滚筒和从动线驱动滚筒处于静电纺丝设备的外部。

其它方面可以但不必须包括于方法3000中，包括但不限于，操作本文描述的那些系统和组件的方法。

从静电纺丝外壳收集纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法

本公开还涉及从静电纺丝外壳收集纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法。该方法引入了本文的装置100的组件，其描述和操作在此不再重复，并且当提及这些组件引入方法时将使用这些组件的参考标号。静电纺丝设备100包括静电纺丝外壳300和静电纺丝区Z，在其中纳米级或亚微米级聚合物纤维网110由涂覆于多个连续电极线1000上的液体聚合物层形成于基底120上。参照图15，在一些方面中，方法4000包括，在4100，从基底供给辊展开基底。在步骤4200，用基底张紧器张紧基底。在4300，驱动基底与在其上涂覆有液体聚合物层的多个连续电极线基本上平行地通过静电纺丝外壳和静电纺丝区。在步骤4400，从涂覆于静电纺丝区中的多个连续电极线上的液体聚合物层静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维。在步骤4500，将纳米级或亚微米级聚合物纤维作为聚合物纤维网收集于基底上。在步骤4600，聚合物纤维网和基底从静电纺丝外壳中受驱而出。

其它方面可以但不必须包括于方法4000中，包括但不限于操作本文描述的那些系统和组件的方法。

用于操作连续无针式静电纺丝纳米级或亚微米级聚合物纤维网于基底上的静电纺丝装置的方法

本公开进一步涉及操作连续无针式静电纺丝纳米级或亚微米级聚合物纤维网于基底上的静电纺丝装置的方法。该方法引入了本文所述的装置100的组件，其描述和操作在此不再重复，并且当提及这些组件引入方法时将使用这些组件的参考标号。静电纺丝装置100包括包含至少一个液体聚合物涂覆器件400和静电纺丝区Z的静电纺丝外壳300和位于静电纺丝外壳300外部的线驱动系统600。线驱动系统600驱动多个连续电极线1000通过静电纺丝外壳300和至少一个液体聚合物涂覆器件400和位于其中的静电纺丝区Z。参考图16，在一些方面中，方法5000包括，在5100，采用位于静电纺丝外壳外部的液体聚合物再循环和进料系统向至少一个液体聚合物涂覆器件提供液体聚合物进料。在步骤5200，将静电纺丝外壳中产生的蒸气收集并处理于位于静电纺丝外壳外部的蒸气收集和溶剂回收系统中。蒸气收集和溶剂回收系统在静电纺丝外壳中保持低于大气压的压力。

其它方面可以但非必须包括于方法5000中，包括但不限于操作本文描述的那些系统和组件的方法。

本公开内容涵盖本公开的各要素的各种组合，例如，来自取决于相同独立权利要求的从属权利要求的要素的组合。

本公开的实施例

在各个方面中，本公开内容涉及并包括至少以下实施例。

实施例1：一种用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的装置，该装置包括：

a.静电纺丝外壳，包括：

一个或多个液体聚合物涂覆器件；

静电纺丝区，包括导电接地板；和

线清洁组件；

b.线驱动系统，位于静电纺丝外壳外部；

c.多个连续电极线，所述多个连续电极线彼此平行，与所述线驱动系统啮合，并延伸通过所述静电纺丝外壳和位于其中的一个或多个液体聚合物涂覆器件；

d.基底传送器系统，位于所述静电纺丝外壳的外部；和

e.一个或多个高压电源单元，

其中，

所述一个或多个液体聚合物涂覆器件将液体聚合物层涂覆于所述多个连续电极线的表面上，

所述一个或多个高压电源单元向所述多个连续电极线施加高电压，并在所述多个连续电极线和所述静电纺丝区中的导电接地板之间产生电场，从而由涂覆于所述多个连续电极线的表面上的液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维，

所述线清洁组件包括用于从所述多个连续电极线清除残留液体聚合物的溶剂，和

所述基底传送器系统驱动所述基底通过所述静电纺丝外壳，并将所述纳米级或亚微米级聚合物纤维作为聚合物纤维网收集于所述基底上。

实施例2：根据实施例1的装置，进一步包括至少一个液体聚合物涂覆歧管，其中所述至少一个液体聚合物涂覆歧管将液体聚合物进料到所述一个或多个液体聚合物涂覆器件。

实施例3：根据实施例1或2的装置，进一步包括液体聚合物再循环和进料系统，其中所述液体聚合物再循环和进料系统从所述一个或多个液体聚合物涂覆器件接收溢流液体聚合物并将新鲜液体聚合物提供于所述一个或多个液体聚合物涂覆器件。

实施例4：根据实施例3的装置，进一步包括至少一个液体聚合物溢流储槽，其中所述至少一个液体聚合物溢流储槽从所述一个或多个液体聚合物涂覆器件接收溢流液体聚合物并将所述溢流液体聚合物返回于所述液体聚合物循环和进料系统。

实施例5：根据实施例1-4中任一个的装置，进一步包括包含通风气体源和通风气体分配歧管的通风气体供给系统，其中所述通风气体分配歧管接收来自所述通风气体源的通风气体，并将所述通风气体吹到所述静电纺丝区中的所述多个连续电极线上，以辅助所述纳米级或亚微米级聚合物纤维在所述基底上的收集。

实施例6：根据实施例1-5中任一个的装置，进一步包括包含初级分配歧管的初级干燥区，其中所述初级分配歧管将初级干燥气体分配于所述基底和在其上形成的聚合物纤维网以促进其干燥。

实施例7：根据实施例6的装置，进一步包括次级干燥区，其包括次级分配歧管，其中次级分配歧管将次级干燥气体分配于所述基底和其上形成的聚合物纤维网以促进其干燥。

实施例8：根据实施例7的装置，其中所述次级干燥气体具有比初级干燥气体相对较低的溶剂蒸气含量和相对更高的温度。

实施例9：根据实施例1-8中任一个的装置，进一步包括位于所述静电纺丝外壳附近的至少一个排放控制箱，所述至少一个排放控制箱包括用于基底和所述多个连续电极线中的一个或多个进入或离开所述静电纺丝外壳的开口。

实施例10：根据实施例1-9中任一个的装置，其中所述一个或多个液体聚合物涂覆器件包括：

液体聚合物涂覆歧管，用于在所述多个连续电极线的表面上涂覆液体聚合物层，所述液体聚合物涂覆歧管包含多个线入口孔和多个线出口孔；

液体聚合物溢流槽，用于接收液体聚合物涂覆歧管溢出的液体聚合物；和

至少一组线定位滑轮，引导所述多个连续电极线通过所述多个线入口孔和线出口孔。

实施例11：根据实施例10的装置，其中所述多个线入口孔中的每一个都与所述多个线出口孔中的一个对准，以允许一个所述多个连续电极线从其中通过。

实施例12：根据实施例10或11的装置，其中所述多个线入口孔中的每一个和所述多个线出口孔都包括毛细管，其中所述毛细管引导所述连续电极线通过所述液体聚合物涂覆歧管而使所述液体聚合物在所述液体聚合物涂覆歧管内涂覆所述连续电极线，并使所述液体聚合物从所述液体聚合物涂覆歧管中的渗漏最小化。

实施例13：根据实施例10-12中任一个的装置，其中所述液体聚合物涂覆歧管包括液体聚合物供给口和液体聚合物溢流口。

实施例14：根据实施例13的装置，其中所述液体聚合物涂覆器件包括液体聚合物再循环口和用于从液体聚合物溢流口接收液体聚合物的液体聚合物溢流储槽。

实施例15：根据实施例1-14中任一个的装置，其中所述一个或多个高压电源单元包括：

负电压源，连接至所述导电接地板；和

正电压源，连接至至少一个导电自由旋转轴，其中所述至少一个导电自由旋转轴与所述多个连续电极线旋转接触。

实施例16：根据实施例15的装置，其中所述至少一个导电自由旋转轴包括与所述多个连续电极线对应的多个凹槽，并且每个凹槽接收一个所述连续电极线并保持与其接触，从而使来自所述一个或多个高压电源单元的高压传递至所述连续电极线。

实施例17：根据实施例1-16中任一个的装置，其中所述一个或多个高压电源单元位于所述静电纺丝外壳内或外。

实施例18：根据实施例1-17中任一个的装置，其中所述线清洁组件包括溶剂涂覆歧管，用于从所述多个连续电极线的表面洗涤和除去残留的聚合物溶液，所述溶剂涂覆歧管包括：

多个溶剂歧管线入口孔和多个溶剂歧管线出口孔；和

溶剂溢流储槽，用于接收溶剂涂覆歧管中的溢流溶剂。

实施例19：根据实施例18的装置，其中所述多个溶剂歧管线入口孔中的每一个都与所述多个溶剂歧管线出口孔中的一个对准，以允许所述多个连续电极线中的一个从其中通过。

实施例20：根据实施例1-19中任一个的装置，其中所述基底传送器系统包括：

组合辊，用于将所述基底和静电纺丝聚合物纤维网卷绕在其上；或

纤维网辊，用于将所述静电纺丝聚合物纤维网卷绕在其上，和基底精轧辊，用于将所述基底卷绕在其上。

实施例21：根据实施例1-20任一个的装置，其中所述装置进一步包括电阻测量系统，所述电阻测量系统包括上游接触点和位于所述多个连续电极线下游一定距离处的下游接触点，其中

所述电阻测量系统测量上游接触点和下游接触点之间的所述多个连续电极线中的一个或多个的电阻，并且

所述测量的电阻提供固体聚合物残留于所述连续电极线表面上的指示。

实施例22：根据实施例1-21中任一个的装置，其中所述装置进一步包括电极线洗涤器，其中所述线洗涤器位于所述静电纺丝外壳的外部并且包括与所述多个连续电极线物理接触而从其上除去有害固体聚合物的磨料。

实施例23：根据实施例1-22中任一个的装置，其中所述液体聚合物是天然聚合物或合成聚合物，并是熔融液体或聚合物溶液的形式。

实施例24：根据实施例23的装置，其中所述天然聚合物是蛋白质、纤维素、木质素、胶原、DNA、橡胶或其组合。

实施例25：根据实施例23的装置，其中所述合成聚合物是聚酰胺、聚氨酯、聚苯并咪唑、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸酯、聚环氧乙烷、聚苯胺、聚苯乙烯、聚乙烯基苯酚、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺、聚芳酰胺、合成橡胶或其组合。

实施例26：根据实施例1-25中任一个的装置，其中所述液体聚合物或溶剂是可燃的或有毒的。

实施例27：根据实施例1-26中任一个的装置，包括多个液体聚合物涂覆器件和多种不同类型的液体聚合物。

实施例28：根据实施例1-27中任一个的装置，进一步包括用于向装置提供补充液体聚合物的液体聚合物制备系统。

实施例29：根据实施例1-28中任一个的装置，进一步包括用于储存溶剂并将溶剂供给于所述装置的溶剂储存和供给系统。

实施例30：根据实施例1-29中任一个的装置，进一步包括蒸气收集和溶剂回收系统，其中所述蒸气收集和溶剂回收系统将所述静电纺丝外壳保持于低于大气压的压力并防止潜在有害的静电纺丝外壳内蒸气逸出到环境中。

实施例31：一种用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法，包括：

采用位于所述静电纺丝外壳外部的线驱动系统驱动多个连续电极线通过包括至少一个液体聚合物涂覆器件和静电纺丝区的静电纺丝外壳；

采用位于静电纺丝外壳外部的基底传送器系统驱动基底基本上平行于多个连续电极线地通过静电纺丝外壳和静电纺丝区；

在所述至少一个液体聚合物涂覆器件中，将液体聚合物层涂覆于所述多个连续电极线的表面上；

在静电纺丝区中，由涂覆于多个连续电极线表面上的液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维；

将所述纳米级或亚微米级聚合物纤维作为聚合物纤维网收集于基底上；和

使用位于静电纺丝外壳内的线清洁组件从所述多个连续电极线的表面除去残留聚合物。

实施例32：根据实施例31的方法，进一步包括在初级干燥区中用初级干燥气体干燥所述基底和其上形成的聚合物纤维网。

实施例33：根据实施例32的方法，进一步包括在次级干燥区中用次级干燥气体干燥所述基底和其上形成的聚合物纤维网。

实施例34：根据实施例31-33中任一个的方法，进一步包括使用电阻测量系统测量所述多个连续电极线中的至少一个的离散长度上的电阻，从而提供固体聚合物残留于所述连续电极线的表面上的指示。

实施例35：根据实施例34的方法，进一步包括用线洗涤器洗涤所述连续电极线以除去残留于所述连续电极线表面上的固体聚合物。

实施例36：根据实施例31-35中任一个的方法，进一步包括将所述聚合物纤维网和所述基底卷绕于组合辊上。

实施例37：根据实施例31-35中任一个的方法，进一步包括将所述聚合物纤维网与所述基底分离，将所述聚合物纤维网卷绕于纤维网辊上，并将所述基底卷绕于基底精轧辊上。

这些非限制性实施例中的每一个可以独立存在，或可以与一个或多个其它实施例以各种排列或组合进行组合。

以上详细描述包括附图的参考，所述附图构成了详细描述的一部分。所述附图通过图示说明的方式显示了本公开可以实践的具体方面。这些方面在本文中也称为“实施例”。这些实施例能够包括除了示出或描述的那些之外的要素。然而，本发明人还设想了仅提供所示或所述的那些要素的实施例。此外，本发明人还设想了使用关于具体实施例(或其一个或多个方面)或关于本文中所示或描述的其它实施例(或其一个或多个方面)示出或描述的那些要素(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的实施例。

如果本文档与通过引用而引入的任何文档之间的使用不一致，则本文档中的使用占主要。

在本文件中，正如在专利文献中常见的那样，使用术语“一”或“一种”包括一个或多于一个，而与“至少一个”或“一个或多个”的任何其它实例或用法无关。在本文件中，术语“或”用于表示非排他性的或，如此而使“A或B”包括“A但无B”，“B但无A”和“A和B”，除非另有说明。在本文中，术语“包括”和“在其中”用作相应术语“包含”和“其中”的普通英语等同物。此外，在所附权利要求中，术语“包括”和“包含”都是开放式的，即包括除了在权利要求中的这一术语之后列出的要素之外的要素的系统、器件、制品、组合物、配方或工艺方法仍被认为属于该权利要求的范围。此外，在以下权利要求中，术语“第一”，“第二”和“第三”等仅用作标记，并非旨在对其对象施加数字要求。

本文描述的方法实施例能够至少部分地是机器或计算机实现的。一些实施例能够包括用可操作而配置电子器件以执行如以上实施例中描述的方法的指令编码的计算机可读介质或机器可读介质。这种方法的实现能够包括代码，如微代码、汇编语言代码、更高级语言代码等。此类代码能够包括用于执行各种方法的计算机可读指令。所述代码可以形成计算机程序产品的一部分。此外，在实施例中，所述代码能够例如在执行期间或在其它时间内有形地存储于一个或多个易失性的非暂时性或非易失性的有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的实例能够包括，但不限于，硬盘，可移动磁盘，可移动光盘(例如，光盘和数字视频盘)，磁带，存储卡或棒，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)等。

以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述实施例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。在阅读以上描述后，诸如本领域普通技术人员，就能够使用其它方面。提供摘要以符合37C.F.R.§1.72(b)，允许读者快速明辨本技术公开的性质。提交时要理解的是，它不会用于解释或限制所述权利要求书的范围或含义。而且，在以上详细描述中，可以将各种特征组合至一起以简化本公开。这不应解释为旨在强调未主张权利的所公开特征对于任何权利要求是至关重要的。相反，本发明主题可以在于少于具体公开方面的所有特征。因此，以下权利要求作为实施例或各方面引入到具体实施方式中，而每个权利要求自身作为单独的方面独立成立，并可以预期这些方面能够以各种组合或置换彼此组合。本公开的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围进行确定。

Claims (20)

1.一种用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的装置，所述装置包括：

a.静电纺丝外壳，包括：

一个或多个液体聚合物涂覆器件；

包括导电接地板的静电纺丝区；和

线清洁组件；

b.线驱动系统，位于所述静电纺丝外壳的外部；

c.多个连续电极线，所述多个连续电极线彼此平行，与所述线驱动系统啮合，并且延伸通过所述静电纺丝外壳和位于其中的一个或多个液体聚合物涂覆器件；

d.基底传送器系统，位于所述静电纺丝外壳的外部；以及

e.一个或多个高压电源单元，

其中，

所述一个或多个液体聚合物涂覆器件将液体聚合物层涂覆于所述多个连续电极线的表面上，

所述一个或多个高压电源单元向所述多个连续电极线施加高电压，并在所述多个连续电极线和所述静电纺丝区中的所述导电接地板之间产生电场，从而由涂覆于所述多个连续电极线的表面上的所述液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维，

所述线清洁组件包括用于从所述多个连续电极线清除残留液体聚合物的溶剂，以及

所述基底传送器系统驱动基底通过所述静电纺丝外壳，并且将所述基底上的所述纳米级或亚微米级聚合物纤维收集为聚合物纤维网。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括至少一个液体聚合物涂覆歧管，其中所述至少一个液体聚合物涂覆歧管将所述液体聚合物进料至所述一个或多个液体聚合物涂覆器件。

3.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括液体聚合物再循环和进料系统，其中所述液体聚合物再循环和进料系统从所述一个或多个液体聚合物涂覆器件接收溢流液体聚合物并向所述一个或多个液体聚合物涂覆器件提供新鲜液体聚合物。

4.根据权利要求3所述的装置，进一步包括至少一个液体聚合物溢流储槽，其中所述至少一个液体聚合物溢流储槽从所述一个或多个液体聚合物涂覆器件接收溢流液体聚合物，并且使所述溢流液体聚合物返回到所述液体聚合物再循环和进料系统。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，进一步包括通风气体供给系统，所述通风气体供给系统包括通风气体源和通风气体分配歧管，其中所述通风气体分配歧管从所述通风气体源接收通风气体并且将所述通风气体吹送到所述静电纺丝区中的所述多个连续电极线上，以促进纳米级或亚微米级聚合物纤维在所述基底上的收集。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，进一步包括初级干燥区，所述初级干燥区包括初级分配歧管，其中所述初级分配歧管将初级干燥气体分配到所述基底和形成于其上的聚合物纤维网以促进其干燥。

7.根据权利要求6所述的装置，进一步包括次级干燥区，所述次级干燥区包括次级分配歧管，其中所述次级分配歧管将次级干燥气体分配到所述基底和形成于其上的聚合物纤维网以促进其干燥。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，进一步包括位于所述静电纺丝外壳附近的至少一个排放控制箱，所述至少一个排放控制箱包括用于使基底和所述多个连续电极线中的一个或多个进入或离开所述静电纺丝外壳的开口。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其中所述一个或多个液体聚合物涂覆器件包括：

液体聚合物涂覆歧管，用于在多个连续电极线的表面上涂覆液体聚合物层，所述液体聚合物涂覆歧管包括多个线入口孔和多个线出口孔；

液体聚合物溢流储槽，用于接收从所述液体聚合物涂覆歧管溢出的液体聚合物；以及

至少一组线定位滑轮，引导所述多个连续电极线通过所述多个线入口孔和所述多个线出口孔。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述多个线入口孔中的每一个都与所述多个线出口孔中的一个对准，从而允许所述多个连续电极线中的一个通过其中。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中所述多个线入口孔和所述多个线出口孔中的每一个都包含毛细管，其中所述毛细管引导所述连续电极线通过所述液体聚合物涂覆歧管，从而允许所述液体聚合物涂覆所述液体聚合物涂覆歧管内的所述连续电极线，并且使液体聚合物从所述液体聚合物涂覆歧管中的渗漏最小化。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的装置，其中所述液体聚合物涂覆歧管包括液体聚合物供给口和液体聚合物溢流口。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述液体聚合物涂覆器件包括液体聚合物再循环口和用于从所述液体聚合物溢流口接收液体聚合物的液体聚合物溢流储槽。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的装置，其中所述一个或多个高压电源单元包括：

负电压源，连接至导电接地板；和

正电压源，连接至至少一个导电自由旋转轴，其中所述至少一个导电自由旋转轴与所述多个连续电极线旋转接触。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述至少一个导电自由旋转轴包括对应于所述连续电极线数目的多个凹槽，并且所述凹槽中的每一个接收所述连续电极线中的一个并且保持与其接触，从而使来自所述一个或多个高压电源单元的高电压传递到所述连续电极线。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的装置，其中所述基底传送器系统包括：

组合辊，用于将所述基底和静电纺丝聚合物纤维网卷绕于其上；或者

纤维网辊和基底精轧辊，所述纤维网辊用于将静电纺丝聚合物纤维网卷绕于其上，所述基底精轧辊用于将所述基底卷绕于其上。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的装置，其中所述装置进一步包括电阻测量系统，所述电阻测量系统包括上游接触点和位于所述多个连续电极线下游一定距离处的下游接触点，其中，

所述电阻测量系统测量所述上游接触点和所述下游接触点之间的所述多个连续电极线中的一个或多个的电阻，并且

所测量的电阻提供固体聚合物残留于所述连续电极线的表面上的指示。

18.根据权利要求1-17中任一项所述的装置，其中所述装置进一步包括电极线洗涤器，其中所述线洗涤器位于所述静电纺丝外壳的外部并且包括与所述多个连续电极线物理接触以除去有害固体聚合物的磨料。

19.根据权利要求1-18中任一项所述的装置，其中所述液体聚合物或溶剂是可燃的或有毒的。

20.一种用于将液体聚合物源连续无针式静电纺丝成纳米级或亚微米级聚合物纤维网的方法，包括：

采用位于静电纺丝外壳的外部的线驱动系统驱动多个连续电极线通过所述静电纺丝外壳，所述静电纺丝外壳包括至少一个液体聚合物涂覆器件和静电纺丝区；

采用位于所述静电纺丝外壳的外部的基底传送器系统驱动基底与所述多个连续电极线基本上平行地通过所述静电纺丝外壳和所述静电纺丝区；

在所述至少一个液体聚合物涂覆器件中将液体聚合物层涂覆于所述多个连续电极线的表面上；

在所述静电纺丝区中，由涂覆于所述多个连续电极线的表面上的所述液体聚合物形成纳米级或亚微米级聚合物纤维；

将所述纳米级或亚微米级聚合物纤维作为聚合物纤维网收集于所述基底上；以及

使用位于所述静电纺丝外壳内的线清洁组件从所述多个连续电极线的表面除去残留聚合物。