CN113423878A - 用于生成纤维的交变场电极系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种在AC‑静电纺丝工艺中使用的电极系统，包括AC场衰减部件和前驱体液体衰减部件中的至少一个以及充电部件电极。充电部件电极电耦接到AC源，该AC源将预定AC电压施加在充电部件电极上。在电极系统包括AC场衰减部件的情况下，AC场衰减部件衰减由充电部件电极生成的AC场，以更好地成形和控制纤维状流的方向。在电极系统包括前驱体液体衰减部件的情况下，即使液体前驱体的顶表面没有理想地成形或者低于容纳充电部件电极上的液体的容器的边缘或唇缘，前驱体液体衰减部件也能用来增加纤维生成。

Description

用于生成纤维的交变场电极系统和方法

技术领域

本发明涉及纤维生成，并且更具体地涉及一种在经由静电纺丝生成纤维中使用的交变场电极系统和方法。

背景技术

静电纺丝是一种用于制造微纤维和纳米纤维的工艺。在静电纺丝中，通常通过迫使聚合物基熔体或溶液通过毛细管针或从电极表面上的液体前驱体层的表面，同时施加(DC或AC)电场以形成传播的聚合物射流来制造纤维。高电压使溶液形成锥形，并且从该锥形的尖端喷射流体射流并使该流体射流加速流向收集器。随着溶剂蒸发，拉长的射流变薄，从而产生连续的固体纤维。然后在收集器上收集纤维。

由于同时生成多个射流，所以利用非毛细管(无针、自由表面、狭缝、线、圆柱体)纤维生成电极提高了工艺生产率，但代价是工艺需要更高的电压。由于有效带走所产生的纤维的“电晕”或“离子”风现象的增强效应，周期性的、交变电场(AC-静电纺丝)而不是普通静电场(DC-静电纺丝)的应用改善了纤维生成的条件。与DC静电纺丝相比，AC静电纺丝表现出每电极面积高的纤维生成速率、高的工艺生产率和更容易的纤维处理。然而，由于更强的场对纤维生成电极的限制和前驱体的性质的变化，AC静电纺丝的周期性性质可强烈地限制许多前驱体溶液的可纺性。

发明内容

本公开涉及一种在AC-静电纺丝系统中使用的电极系统和AC-静电纺丝方法。电极系统包括AC场衰减部件与前驱体液体衰减部件中的至少一个以及充电部件电极。充电部件电极电耦接到AC源，该AC源将AC信号递送到充电部件电极，以将预定AC电压施加在充电部件电极上。

根据实施例，电极系统包括AC场衰减部件，但不包括前驱体液体衰减部件，并且预定AC电压也被施加在AC场衰减部件上。AC场衰减部件衰减由在充电部件电极上施加预定AC电压所产生的AC场。

根据实施例，充电部件电极是环形的。根据另一个实施例，充电部件电极是盘形的。

根据实施例，充电部件电极具有顶表面和边缘或唇缘，顶表面和边缘或唇缘一起限定用于保持前驱体液体的容器，使得充电部件电极的顶表面用作容器的底部。

根据实施例，AC场衰减部件是环。根据实施例，环是圆形的。根据实施例，环是矩形形状。

根据实施例，AC场衰减部件在相对于充电部件电极的位置、取向和倾斜中的至少一个方面是可调节的。

根据实施例，电极系统包括前驱体液体衰减部件，但不包括AC场衰减部件，并且充电部件电极具有顶表面和边缘或唇缘，顶表面和边缘或唇缘一起限定用于保持前驱体液体的容器，使得充电部件电极的顶表面用作容器的底部。即使在充电部件电极上的前驱体液体的液位低于充电部件电极的唇缘或边缘的情况下，前驱体液体衰减部件也有利于纤维生成。

根据实施例，前驱体液体衰减部件为圆柱形的形状。根据实施例，前驱体液体衰减部件为盘形。根据另一个实施例，前驱体液体衰减部件是球形的。

根据实施例，前驱体液体衰减部件由具有相对低的介电常数的非导电材料制成。

根据实施例，前驱体液体衰减部件与前驱体液体接触并且与充电部件电极的顶表面接触。根据另一个实施例，前驱体液体衰减部件与前驱体液体接触，并且与充电部件电极的顶表面接触或间隔开。在前驱体液体衰减部件接触前驱体液体时，前驱体液体衰减部件旋转。

根据实施例，前驱体液体衰减部件相对于充电部件电极的位置是可调节的。

根据实施例，电极系统包括前驱体液体衰减部件和AC场衰减部件，并且预定AC电压也被施加在AC场衰减部件上。充电部件电极具有顶表面和边缘或唇缘，顶表面和边缘或唇缘一起限定用于保持前驱体液体的容器，使得充电部件电极的顶表面用作容器的底部。即使在充电部件电极上的前驱体液体的液位低于充电部件电极的唇缘或边缘的情况下，前驱体液体衰减部件也有利于纤维生成。

该方法包括：

将前驱体液体设置在电极系统的容器中，电极系统包括AC场衰减部件和前驱体液体衰减部件中的至少一个以及充电部件电极；以及

从电耦接到充电部件电极的AC源向充电部件电极递送AC信号，以将预定AC电压施加在充电部件电极上。

这些和其它特征和优点将从以下描述、附图和权利要求中变得显而易见。

附图说明

图1A和1B分别说明了在工艺开始后一分钟和十分钟内，拍摄的通过具有基本“普通”电极设计的已知AC-静电纺丝工艺生成的纤维的高速相机快照。

图2A示出了根据使用前驱体X的代表性实施例在AC静电纺丝工艺期间纤维生成的高速相机快照，该前驱体X在用于图1A和图1B中描绘的类型的已知AC静电纺丝工艺中时可纺性差。

图2B示出了根据使用前驱体Y的代表性实施例在AC静电纺丝工艺期间纤维生成的高速相机快照，该前驱体Y在用于图1A和图1B中描绘的类型的已知AC静电纺丝工艺中时可纺性差。

图3-图6描绘了使用各种布置部件A、B和C的一些可能的电极系统配置的示例。

图7A和图7B示出了在使用图3-图6所示的电极系统配置中的一个的AC-静电纺丝工艺期间纤维生成的高速相机快照。

图8A和图8B是根据代表性实施例的包括部件A和B的两个不同的电极系统配置的侧透视图。

图9A和图9B说明了根据代表性实施例的可被配置有部件A和B的两个不同的电极系统配置的俯视图。

图10是根据代表性实施例的包括部件A和B的电极系统配置的侧透视图，其中部件B相对于电极系统配置的轴线倾斜。

图11A是根据代表性实施例的包括部件A和B的电极系统配置的侧透视图。

图11B和图11C是图11A所示的电极系统的照片，该照片演示了当AC场衰减部件与液体前驱体流体层成直线移动或稍微低于液体前驱体流体层时，AC场衰减部件对纤维生成的影响。

图12A是根据代表性实施例的包括部件A电极和部件C(前驱体液体衰减部件)的电极系统配置的侧透视图。

图12B和图12C是具有图12A所示配置的电极系统的照片，但在纤维生成过程中具有三个旋转的同轴部件C盘。

图13-图15示意性地说明了根据代表性实施例，在AC-静电纺丝过程中，针对电极系统的不同配置和前驱体流体相对于部件A电极的不同条件的纤维生成。

具体实施方式

本文公开了在AC静电纺丝中使用的电极系统的说明性实施例，该电极系统减少或去除了上述限制和约束，显著提高了AC静电纺丝工艺的生产率并拓宽了AC静电纺丝工艺的适用性。该电极系统包括AC场衰减部件与前驱体液体衰减部件中的至少一个以及充电部件电极。充电部件电极电耦接到AC源，该AC源将AC信号递送到充电部件电极，以将预定AC电压施加在充电部件电极上。在电极系统包括AC场衰减部件的情况下，AC场衰减部件衰减由充电部件电极生成的AC场，以更好地成形和控制纤维状流的方向。在电极系统包括前驱体液体衰减部件的情况下，即使液体前驱体的顶表面没有理想地成形或者低于容纳充电部件电极上的液体的容器的边缘或唇缘，前驱体液体衰减部件也能用来增加纤维生成。

在以下详细描述中，描述了几个说明性或代表性实施例以演示本发明的原理和概念。为了解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的代表性实施例，以便提供对根据本教导的实施例的透彻理解。然而，对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，显而易见的是根据本教导的脱离本文公开的具体细节的其它实施例仍然在所附权利要求的范围内。此外，可以省略对公知装置和方法的描述，以免混淆对代表性实施例的描述。这些方法和装置显然在本教导的范围内。

本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在进行限制。如在说明书和所附权利要求中所使用的，术语“一”、“一个”和“该”包括单数和复数指代物，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，“一个设备”包括一个设备和更多个设备。相对术语可用于描述如附图中所示的各种元件彼此的关系。这些相对术语旨在包含除了附图中所描绘的取向之外的设备和/或元件的不同取向。应当理解，当元件被称为“连接到”或“耦接到”或“电耦接到”另一元件时，它可以直接连接或耦接，或者可以存在中间元件。

现在将参考附图描述示例性或代表性实施例，其中相同的参考标记表示相同的部件、元件或特征。应当注意，附图中的特征、元件或部件不是按比例绘制的，而是将重点放在演示发明原理和概念上。

图1A和图1B说明了通过已知的AC-静电纺丝工艺生成的纤维的高速相机快照，该AC-静电纺丝工艺使用具有基本“普通”电极设计的电极。图1A中所示的快照是在AC-静电纺丝工艺开始后的一分钟内拍摄的。图1B中所示的快照是在已知的AC-静电纺丝工艺开始后10分钟拍摄的。虽然AC-静电纺丝是一种用于高产率地生产微纤维和纳米纤维的相对新的工艺，但是已经发现了已知的AC-静电纺丝工艺的两个重要的问题，即：(1)许多前驱体在AC-静电纺丝工艺中的可纺性差，而在DC-静电纺丝工艺中通常具有良好的可纺性；以及(2)由于纤维生成的高速率以及由于电场分布将纤维限制到电极，纺丝材料在通常用于AC-静电纺丝的电极的外缘处积聚。

问题(1)限制了可用于AC-静电纺丝的前驱体，而问题(2)迅速降低纤维产率并最终导致纤维生成的终止。问题(2)的结果在图1B中可见，其示出了已经在电极的外缘周围形成的纺丝材料的白色“冠”。从图1A和1B的比较中可以明显看出，由于纺丝材料在电极的外缘处的积聚而导致的纤维向上流动的减少。

根据本公开的AC-静电纺丝系统和方法克服了这些限制和约束。本公开提供了在AC-静电纺丝系统和工艺中使用的电极系统，该电极系统不仅减少或去除在电极的外缘上的材料积聚，而且允许由不可纺丝的前驱体或利用当前在AC-静电纺丝工艺中使用的典型电极设计的可纺性差的前驱体生成纤维。通过实现这些目标，AC-静电纺丝方法的生产率被极大地提高，同时还实现了对纤维生成和传播的更好的控制。

图2A示出了根据代表性实施例在AC-静电纺丝工艺期间纤维生成的高速相机快照。图2A中所示的纤维是使用前驱体X生成的，当在图1A和图1B中描绘的已知类型的AC-静电纺丝工艺中使用时，该前驱体X可纺性差。图2B示出了根据代表性实施例在AC-静电纺丝工艺期间纤维生成的高速相机快照。图2B中所示的纤维是使用前驱体Y生成的，当在图1A和图1B中描绘的已知类型的AC-静电纺丝工艺中使用时，前驱体Y可纺性差。

在图2A和图2B所示的代表性实施例中，在AC-静电纺丝系统中使用包括标记为A和B的部件的新电极。如以下将参考图3-图6更详细地描述的，该新电极系统可以具有多种配置。通过使用该新电极系统，AC-静电纺丝工艺使用先前可纺性差的前驱体X和前驱体Y实现了高可纺性。在图2A中，由于均匀的柱状纤维流而达到前驱体X纤维的高可纺性。在图2B中，获得了前驱体Y纤维的锥形流。为了提供纤维生成的规模的一些概念，图2A和图2B中所示的照片的宽度为约250毫米(mm)。应当注意，本发明的原理和概念不限于在AC-静电纺丝工艺中使用的前驱体或所生成的纤维的厚度。

如上所述，本公开的电极系统不仅减少或去除了在电极外缘处的材料积聚，而且允许从不可纺的前驱体或在AC-静电纺丝工艺中使用的典型电极设计时可纺性差的前驱体生成纤维。另外，本公开的电极系统进一步提高AC-静电纺丝生产率，并且允许对纤维生成和传播进行更好的控制。

根据代表性实施例，电极系统配置至少包括部件A，并且通常包括部件B与C中的至少一个以及部件A。部件A是充电部件电极。部件B是AC场衰减部件。部件C是前驱体液体衰减部件，该前驱体液体衰减部件为旋转的非导电部件。根据优选实施例，当电极系统配置包括部件B与C中的至少一个以及部件A时，这些部件中的至少两个被布置成使得它们具有至少一个公共对称轴线。

根据本发明原理和概念的用于AC-静电纺丝的电极系统可以具有各种配置，其中一些在图3-图6中示出，并具有以下属性：

1)该电极系统配置具有AC场衰减部件(在本文中可互换地称为“部件B”)与前驱体液体衰减部件(在本文中可互换地称为“部件C”)中的至少一个以及充电部件电极(在本文中可互换地称为“部件A”)，其中，具有至少一个公共对称轴线。

2)包括电极系统配置的部件，无论是A-B部件配置、A-C部件配置还是A-B-C部件配置，都相对于彼此最佳地定位。

3)具有上述1)中的属性的电极系统配置的至少一个部件是非导电的。

4)具有上述1)中的属性的电极系统配置的所有部件可以以至少一个自由度相对于彼此移动(平移或旋转)。

5)具有上述1)中的属性的电极系统配置的至少一个部件包括磁性元件。然而，该磁性元件可以存在于部件A、B和C中的任何一个或全部中，用于机械地耦接零件以使它们能够被快速地更换，从而使得系统更适合于不同的工艺。

6)如果具有上述1)中的属性的电极系统配置包括部件C，则部件C相对于部件A定位在纤维生成(向上)和流动传播的主要方向上。

7)如果具有上述1)中的属性的电极系统配置包括部件C，则部件C与部件A或部件B没有直接电接触。

8)具有上述1)中属性(A-B、A-C或A-B-C)的任何电极系统配置可以被分组成多电极布置。

具有以上在1)-8)中给出的至少一些属性的一些可能的电极系统配置的示例在图3-图6中示出。图3中示出的电极配置具有部件A、B和C。部件B沿着电极系统的中心轴线1定位，并且具有在X方向上被部件A围绕的侧壁，X方向在本文也被称为横向方向。例如部件B可以是圆环。部件B可以是具有圆形、圆柱形或矩形横截面的立体元件。部件C堆叠在部件A的顶部上。部件C可以具有允许其旋转的任何形状，例如，圆柱体形、环形、球体形、盘形等。部件B可相对于部件C凹进，即B的Y坐标小于C的Y坐标。部件A和C可相对于中心轴线1旋转，该中心轴线1平行于图3-图6下方所示的X、Y、Z笛卡尔坐标系的Y轴，部件B可沿着中心轴线1移动。

图3所示的电极系统配置可以以多种方式修改。例如，图3所示的部件C可以被去除，留下具有A-B配置的电极系统。作为另一个示例，图3中所示的部件B可以被去除，留下具有A-C配置的电极系统。在所有情况下，在图3所示的配置中，中心轴线1是所有部件的公共轴线，而不管电极系统配置是否具有A-B、A-C或A-B-C配置。因此，图3中所示的系统配置具有属性1)。无论使用哪个部件来形成图3中所示的电极系统配置，部件可以相对于彼此最佳地定位，这满足属性2)。部件中的至少一个可以是非导电的以满足属性3)。构成图3的配置的所有部件可以以至少一个自由度相对于彼此移动以满足属性4)。例如，部件A和部件C可相对于中心轴线1旋转，而部件B可沿中心轴线1移动。部件A、B或C中的至少一个可以是磁性元件以满足属性5)。在图3中，部件C被定位在纤维生成和流动传播的主方向上，以满足属性6)。部件C与部件A和部件B间隔开，使得在部件C与部件A和部件B之间没有直接电连接，这满足属性7。该属性也可以通过根据需要在部件之间放置介电材料或间隔件来实现。具有图3中所示的配置的多个电极可以被分组在一起以实现满足属性8)的多电极布置。

图4中所示的电极配置具有部件A、B和C。部件A沿电极系统的中心轴线11定位，并具有在横向方向上被部件B围绕的侧壁。例如部件B可以是圆环。部件A可以是具有圆形、圆柱形或矩形横截面的立体元件。部件C还可以是具有圆形、圆柱形或矩形横截面的立体元件，并且可以堆叠在部件A的顶部上。部件B可以相对于中心轴线11旋转，该中心轴线11平行于图3-图6下方所示的X、Y、Z笛卡尔坐标系的Y轴。部件A和部件B可以沿着中心轴线11移动。

图4中所示的电极系统配置可以以多种方式修改。例如，图4中所示的部件C可以被去除，留下具有A-B配置的电极系统，其基本上是图2A和图2B中所示的电极系统，除了在图2A和图2B中部件A相对于部件B沿着中心轴线11凸出。作为另一个示例，图4中所示的部件B可以被去除，留下具有A-C配置的电极系统。在所有情况下，在图4中所示的配置中，中心轴线11是所有部件的公共轴线，而不管电极系统配置是否具有A-B、A-C或A-B-C配置。因此，图4中所示的系统配置具有属性1)。无论使用哪个部件来形成图4中所示的电极系统配置，部件都可以相对于彼此被最佳地定位，这满足属性2)。部件C可以是非导电的，以满足属性3)。通常，部件A和部件B是导电的，部件C是非导电的。构成图4所示的配置的所有部件可以以至少一个自由度相对于彼此移动以满足属性4)。例如，部件B可相对于中心轴线11旋转，而部件A和部件C可沿中心轴线11移动。部件A、B或C中的至少一个可包含磁性元件以满足属性5)。在图4中，部件C被定位在纤维生成和流动传播的主方向上，以满足属性6)。部件C与部件A和B间隔开，使得在部件C与部件A和B之间没有直接电连接，这满足属性7。该属性也可以通过根据需要在部件之间放置介电材料或间隔件来实现。具有图4所示配置的多个电极可以被分组在一起以实现满足属性8)的多电极布置。

图5所示的电极配置具有部件A、B和C。部件A和C沿电极系统的中心轴线21被定位，并具有一个与部件B相邻的侧面。如果部件C是环形的，它必须绕其垂直于环平面的中心轴线旋转。部件A可以是具有圆形、圆柱形或环形横截面的立体元件。例如，部件C可以堆叠在部件A的顶部上。例如，部件B可以在X-Z平面中移动。部件A和C可沿中心轴线21移动。部件B可沿平行于中心轴线21的Y方向移动。部件A和/或C可以在垂直于中心轴线21的X-Z平面中移动。

图5所示的电极系统配置可以以多种方式修改。例如，图5中所示的部件C可以被去除，留下具有A-B配置的电极系统。作为另一个示例，图5中所示的部件B可以被去除，留下具有A-C配置的电极系统。在所有情况下，在图5所示的配置中，中心轴线21至少对于部件A和C是公共轴线。因此，图5所示的系统配置具有属性1)。无论使用哪个部件来形成图5所示的电极系统配置，部件都可以相对于彼此被最佳地定位以满足属性2)。图5中所示的部件中的至少一个可以是非导电的以满足属性3)。如上所述，构成图5所示的配置的所有部件可以以至少一个自由度相对于彼此移动以满足属性4)。图5中所示的部件A、B或C中的至少一个可以是磁性元件以满足属性5)。在图5中，部件C被定位在纤维生成和流动传播的主方向上，以满足属性6)。部件C与部件A和B间隔开，使得在部件C与部件A和B之间没有直接电连接，这满足属性7。该属性也可以通过根据需要在部件之间放置介电材料或间隔件来实现。具有图5所示配置的多个电极可以被分组在一起以实现满足属性8)的多电极布置。

图6所示的电极配置具有部件A、B和C。部件A沿电极系统的中心轴线31定位，并具有在横向方向上被部件B围绕的侧壁。例如，部件A可以是圆环。被定位在中心轴线31上的部件B可以是具有圆形、圆柱形或矩形横截面的立体元件。例如，作为最外层部件的部件B可以是环。部件C可以堆叠在部件A的顶部上，并且绕其轴线旋转和/或沿部件A的表面移动。在这样的情况下，部件C可以是圆柱形的或球形的形状。环形的部件A和B可相对于中心轴线31旋转，该中心轴线31平行于X、Y、Z笛卡尔坐标系的Y轴。非环形的部件A、B和C可沿着平行于X、Y和/或Z方向的轴线移动。

图6所示的电极系统配置可以以多种方式修改。例如，图6中所示的部件C可以被去除，留下具有A-B配置的电极系统。作为另一个示例，图6中所示的部件B可以被去除，留下具有A-C配置的电极系统。在所有情况下，在图6所示的配置中，中心轴线31是所有部件的公共轴线，而不管电极系统配置是否具有A-B、A-C或A-B-C配置。因此，图6所示的系统配置具有属性1)。无论使用哪些部件来形成图6所示的电极系统配置，部件都可以相对于彼此被最佳地定位以满足属性2)。图6中所示的至少一个部件可以是非导电的以满足属性3)。如上所述，构成图6所示的配置的所有部件可以以至少一个自由度相对于彼此移动以满足属性4)。部件A、B或C中的至少一个可以是磁性元件以满足属性5)。在图6中，部件C被定位在纤维生成和流动传播的主方向上以满足属性6)。部件C与部件A和B间隔开，使得在部件C与部件A和B之间没有直接电连接，这满足属性7。该属性也可以通过根据需要在部件之间放置介电材料或间隔件来实现。具有图6所示配置的多个电极可以被分组在一起以实现满足属性8)的多电极布置。还应当注意，具有图3-图6所示的配置的电极系统或其修改可以组合在一起以形成多电极布置。

用于部件A的合适材料包括但不限于对普通溶剂、酸和碱具有良好耐受性的金属和合金。不锈钢是部件A的合适材料的一个示例。用于部件B的，通常不与流体接触的合适材料包括但不限于铜、铝和不锈钢金属以及对普通溶剂、酸和碱具有耐受性的合金。用于部件C的，与流体接触的合适材料包括但不限于特氟隆、聚丙烯和其它具有低介电常数的化学稳定的聚合物。

图7A和7B示出了在使用上述参考图3-图6的新电极系统配置中的一个的AC-静电纺丝工艺中纤维生成的高速相机快照。图8A和图8B是包括部件A和B的不同电极系统配置的示例的侧透视图。图9A和图9B示出了可以被配置有部件A和B的不同电极系统配置的示例的俯视图。在图9A所示的配置中，部件A是环形电极，部件B包括内电极和外电极。对于图9B所示的配置，部件A是盘形电极，部件B包括外电极。应当注意，如本领域技术人员鉴于本文提供的描述将理解的，提供图8A-图9B中所示的示例性配置是为了演示本发明原理和概念的一些示例，而不是为了限制。

对于这些电极系统配置中的任何一种，前驱体流体3被加载到部件A电极的顶表面上。前驱体流体3通常经由泵(未示出)被泵送通过电极系统配置的管5到达部件A电极的顶表面。相同的AC电压被施加到部件A和B电极上。当AC电场被施加到部件A和B上时，生成液体射流。如图8A和图8B所描绘的，当前驱体流体3中的溶剂蒸发并且纤维状流被“离子风”现象从部件A电极抽走时，形成纤维4。

在许多情况下，在没有部件B、AC场衰减部件时，纤维状射流扩散太多或者纤维状射流难以引发。另外，在没有部件B的情况下，上述纤维状残余物可以在部件A电极的边缘周围形成。部件B是在来自与部件A电极相同的源的相同AC电压下操作的场衰减电极。部件B的场衰减效应改善了纤维生成，改善了纤维状流的形状(图8B)，并允许控制流动方向(图7B和图8B)。部件B通常位于部件A电极周围(图9A)，但是在中空或环形的部件A电极的情况下(图9A)，部件B也可以具有内部零件(图9A)。在图7A至图9B中，部件B示出为环形和圆形。然而，部件B可具有其它形状。例如，部件B可以具有矩形(例如，正方形)的形状。

如图10所示，部件B可以相对于与管5同轴的部件A电极的中心轴线倾斜，以控制流动方向。在一些实施例中，机械地耦接到部件B的平移机构(未示出)允许使用者控制部件B的位置、取向和/或倾斜度，以允许调节部件B的场衰减效应，从而更好地控制纤维生成、纤维状流的形状和/或纤维状流的方向。

图11A是根据代表性实施例的包括部件A电极和部件B的电极系统配置的侧透视图。如果前驱体流体3在部件A电极的顶表面上不具有最佳表面轮廓(凸面)，则射流难以引发，或者在某些情况下甚至不可能引发。如果在部件A电极的顶表面上有太多的前驱体流体3，则流体3可能淹没部件A电极并溢出，从而需要使AC-静电纺丝工艺停止。另一方面，如将在下面参考图14更详细地描述的，如果液位处于或低于部件A电极的唇缘或边缘的缘，则通常终止射流生成。而且，如图11A所示，如果部件B被(在+z方向上)升高到前驱体流体3的上表面之上，则通常终止射流生成。

图11B和图11C是图11A所示的电极系统的照片，演示了当AC场衰减部件B与液体前驱体流体层3成直线移动或稍微低于液体前驱体流体层3时，AC场衰减部件(部件B)，对纤维生成的影响。如图11B和图11C可以看到的，生成射流，并且通过调节部件B相对于部件A电极的高度(z-方向)，同时保持部件B处于或略低于前驱体流体层3的z-位置，可以调整纤维状流的宽度、形状和每分钟产生的纤维质量。纤维状流的宽度、形状和速率由电场电压和频率以及液体前驱体的成分、粘度、电导率和表面张力决定。

图12A是根据代表性实施例的包括部件A电极和部件C(前驱体液体衰减部件)的电极系统配置的侧透视图。图12B和图12C是具有图12A所示配置的电极系统的照片，但在纤维生成过程中具有三个旋转的同轴部件C盘。附加前驱体液态衰减部件C允许去除参照图11A所述的问题，该前驱体液态衰减部件C理想地由低介电常数的非导电材料(例如特氟隆或聚丙烯或其它塑料)制成。根据代表性实施例，部件C旋转，并且带电的前驱体流体3在部件C的表面上形成层。前驱体流体3的层具有有利的凸形，这增加了每单位面积产生的射流的数量，并且因此增加了纤维生产率。因此，不再需要在部件A电极上保持前驱体流体3的最佳液位，因此防止了部件A电极周围的溢出和残余物积聚。

前驱体液体衰减部件C可具有各种形状或配置。例如，前驱体液体衰减部件C可以是圆柱体、盘、球体或其组合，并且可以具有各种表面轮廓，例如，调节流体运动并且进一步增加射流产生的波纹表面。前驱体液体衰减部件C可以是一个或更多个不同直径和厚度(长度)的圆柱体、盘或环。前驱体液体衰减部件C可以部分地浸入液体前驱体3中，并且可以以各种速度(ω)与部件A电极的表面上的线性x-y运动相结合地旋转。部件C的工作侧可以是光滑的或结构化的(例如，具有凹口、孔、突起等)，以使液体前驱体3滞留。在图12B和图12C所示的实施例中，旋转的同轴部件C盘是直径为30mm的塑料(例如，特氟隆)盘，沿着该塑料盘的边缘具有通道，该通道放置在部分地填充有液体前驱体3的矩形特氟隆部件A电极中。当盘组件旋转时，纤维从沿每个盘的边缘的每一侧产生。在图12B和图12C所示的示例性配置中，包括部件A和C的组件的长度为100mm，但是本发明的原理和概念并不限于组件或其部件的尺寸。

AC场衰减部件B可以与部件C一起使用。部件B电极的x、y、z位置通常应该低于部件C的最顶端表面的x、y、z位置，以更好地成形和引导纤维状流。根据部件A电极和部件C的形状和面积，部件C可以在旋转的同时在x-y方向上移动。当部件C旋转时，部件C的底侧可以在部件A电极的顶表面上滑动，或者部件C的底侧可以稍微位于部件A电极的顶表面上方，使得当部件C旋转时，部件C与前驱体流体3接触，但是不与部件A电极的顶表面直接接触。

图13-图15示意性地说明了根据代表性实施例，在AC-静电纺丝工艺过程中，针对电极系统的不同配置和前驱体流体3相对于部件A电极的不同条件的纤维生成。不包括场衰减部件B电极，尽管场衰减部件B电极可以被包括。通常，如图13-图15所示，部件A电极具有碟状或杯状形状。预测影响纤维生成所需的前驱体流体3的液位和其适当的凸面轮廓(图13)。然而，目前没有描述在AC场下粘性流体层中法拉第不稳定性的可能发展的数值模型，并且与该数值模型相关的是，可以促进射流形成的表面波图案的出现。在任何情况下，当流体3的液位下降到部件A电极的边缘7以下时，不产生射流(图14)。包括部件C的旋转塑料盘或圆柱体将流体从部件A电极中抽出(图15)，并且由于部件C的弯曲表面，该带电流体3可以容易地形成多个射流，因此产生纤维状流。此外，如上所述，使用部件C通常增加了不包括部件C的电极系统配置上的纤维生成(图13)。将部件B电极添加到图13和图15所示的配置中将提供对纤维状流的形状和方向的更好控制。

应当注意，为了演示本发明的原理和概念，本文描述了说明性实施例。如本领域的技术人员鉴于本文所提供的描述将了解，可在不脱离本发明的范围的情况下对本文所描述的实施例作出许多修改。例如，虽然主要参考特定电极系统配置描述了发明原理和概念，但是发明原理和概念同样适用于其它电极系统配置。此外，在不偏离本发明的原理和概念的情况下，可以对本文描述的实施例做出许多修改，并且如本领域技术人员将理解的，所有这些修改都在本发明的范围内。

Claims (29)

1.一种在交流(AC)-静电纺丝系统中使用的电极系统，所述电极系统包括：

充电部件电极，所述充电部件电极电耦接到AC源，所述AC源将AC信号递送到所述充电部件电极以将预定AC电压施加在所述充电部件电极上；以及

AC场衰减部件和前驱体液体衰减部件中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的电极系统，其中，所述电极系统包括所述AC场衰减部件，但不包括所述前驱体液体衰减部件，其中所述预定AC电压也被施加在所述AC场衰减部件上，其中，所述AC场衰减部件衰减由在所述充电部件电极上施加所述预定AC电压所产生的AC场。

3.根据权利要求2所述的电极系统，其中，所述充电部件电极是环形的。

4.根据权利要求2所述的电极系统，其中，所述充电部件电极是盘形的。

5.根据权利要求2所述的电极系统，其中，所述充电部件电极具有顶表面和边缘或唇缘，所述顶表面和边缘或唇缘一起限定用于保持前驱体液体的容器，使得所述充电部件电极的顶表面用作所述容器的底部。

6.根据权利要求2所述的电极系统，其中，所述AC场衰减部件是环。

7.根据权利要求6所述的电极系统，其中，所述环是圆形的。

8.根据权利要求6所述的电极系统，其中，所述环是矩形形状。

9.根据权利要求6所述的电极系统，其中，所述AC场衰减部件在相对于所述充电部件电极的位置、取向和倾斜度中的至少一个方面是能够调节的。

10.根据权利要求1所述的电极系统，其中，所述电极系统包括所述前驱体液体衰减部件，但不包括所述AC场衰减部件，其中，所述充电部件电极具有顶表面和边缘或唇缘，所述顶表面和边缘或唇缘一起限定用于保持前驱体液体的容器，使得所述充电部件电极的顶表面用作所述容器的底部，其中即使在所述充电部件电极上的所述前驱体液体的液位低于所述充电部件电极的唇缘或边缘的情况下，所述前驱体液体衰减部件也有利于纤维生成。

11.根据权利要求10所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件为圆柱形的形状。

12.根据权利要求10所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件为盘形。

13.根据权利要求10所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件是球形的。

14.根据权利要求10所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件由具有相对低的介电常数的非导电材料制成。

15.根据权利要求10所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件与所述前驱体液体接触并且与所述充电部件电极的所述顶表面接触。

16.根据权利要求10所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件与所述前驱体液体接触，并且与所述充电部件电极的所述顶表面接触或间隔开。

17.根据权利要求16所述的电极系统，其中，在所述前驱体液体衰减部件接触所述前驱体液体时，所述前驱体液体衰减部件旋转。

18.根据权利要求16所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件相对于所述充电部件电极的位置是能够调节的。

19.根据权利要求1所述的电极系统，其中，所述电极系统包括所述前驱体液体衰减部件和所述AC场衰减部件，所述预定AC电压也被施加在所述AC场衰减部件上，其中，所述充电部件电极具有顶表面和边缘或唇缘，所述顶表面和边缘或唇缘一起限定用于保持前驱体液体的容器，使得所述充电部件电极的顶表面用作所述容器的底部，其中，即使在所述充电部件电极上的前驱体液体的液位低于所述充电部件电极的唇缘或边缘的情况下，所述前驱体液体衰减部件也有利于纤维生成。

20.根据权利要求19所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件是圆柱形的形状。

21.根据权利要求19所述的电极系统，其中所述前驱体液体衰减部件是盘形的。

22.根据权利要求19所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件是球形的形状。

23.根据权利要求19所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件由具有相对低的介电常数的非导电材料制成。

24.根据权利要求19所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件与所述前驱体液体接触并且与所述充电部件电极的所述顶表面接触。

25.根据权利要求19所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件与所述前驱体液体接触，并且与所述充电部件电极的所述顶表面接触或间隔开。

26.根据权利要求25所述的电极系统，其中，在所述前驱体液体衰减部件接触所述前驱体液体时，所述前驱体液体衰减部件旋转。

27.根据权利要求25所述的电极系统，其中，所述前驱体液体衰减部件相对于所述充电部件电极的位置是能够调节的。

28.根据权利要求19所述的电极系统，其中，所述充电部件电极、所述前驱体液体衰减部件和所述AC场衰减部件中的两个或更多个包括磁体，以便于快速且容易地组装和重新配置所述电极系统。

29.一种用于执行交流(AC)–静电纺丝的方法，所述方法包括：

将前驱体液体设置在电极系统的容器中，所述电极系统包括AC场衰减部件和前驱体液体衰减部件中的至少一个以及充电部件电极；以及

从电耦接到所述充电部件电极的AC源向所述充电部件电极递送AC信号，以将预定AC电压施加在所述充电部件电极上。

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