CN114008253A

CN114008253A - 聚焦的电荷电纺丝喷丝头

Info

Publication number: CN114008253A
Application number: CN202080033533.3A
Authority: CN
Inventors: 马克·西蒙内特; 保罗·约翰尼斯·弗朗西斯·玛丽亚·詹森; 拉蒙·胡伯尔特斯·马蒂斯·索尔伯格
Original assignee: Vivota
Current assignee: Vivota
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2022-02-01
Also published as: US20220235491A1; NL2023086B1; WO2020226489A1; EP3966370A1

Abstract

一种用于电纺丝喷丝头的喷嘴(1)，其中喷嘴(1)包括具有壁(3)的材料运输通道(2)，其中壁(3)具有用于形成液滴的端表面(4)，其中喷嘴(1)还包括电极(5)，电极(5)穿过材料运输通道(2)延伸至少直到壁(3)的端表面(4)。

Description

聚焦的电荷电纺丝喷丝头

技术领域

本发明涉及用于在电纺丝喷丝头中使用的喷嘴。在另一方面，本发明涉及包括一个或多个喷嘴的电纺丝喷丝头。

背景技术

国际专利公开WO 2016/126201 A1公开了用于在长丝的电纺丝生产中使用的喷丝头。喷丝头的腔室的内表面设有电极挡板结构，以向腔室中的流体提供电荷。

发明内容

本发明寻求提供用于在电纺丝喷丝头中使用的改善的喷嘴，其中喷嘴提供改善的高电压效率、减少的电晕形成和电弧以及减少的臭氧产生。喷嘴进一步增加了操作者的安全性。

根据本发明，提供了在前序部分中提到的类型的喷嘴，其中喷嘴包括具有壁的材料运输通道，其中壁具有液滴形成端表面，并且其中喷嘴还包括电极，电极穿过材料运输通道延伸至少直到壁的端表面。材料运输通道的端表面是垂直于喷嘴(的材料运输通道)的纵向方向的表面，并且布置用于电纺丝，即形成和/或支撑液化材料(溶解的或熔融的)的液滴，在操作期间从该液滴电纺纤维。应注意，本发明的实施方案也可以有利地用于电喷雾，形成颗粒而不是纤维。

本发明的喷嘴，特别是其电极，提供了电荷到所形成的液滴的高效运输，并且同时允许将喷嘴(更具体地在材料运输通道中)的充电保持在最小。朝向喷嘴/液滴的端部聚焦的电荷导致液滴内部的高电荷密度。这反过来又显著提高了喷嘴的高电压效率并且降低了电力消耗。当应用于包括一个或多个本发明喷嘴的电纺丝喷丝头时，可以获得高效、可靠且更可重复的电纺丝工艺。

附图说明

下面将参照附图更详细地讨论本发明，在附图中，

图1示出了根据本发明的第一实施方式的用于电纺丝喷丝头的喷嘴；

图2示出了根据本发明的第二实施方式的用于电纺丝喷丝头的喷嘴；以及

图3示出了根据本发明的实施方式的包括一个或多个喷嘴的电纺丝喷丝头。

具体实施方式

电纺丝是生产直径范围从几十纳米到几十微米的连续纤维的方法。为了生产这种纤维，合适的液化材料可以通过作为电纺丝“喷丝头”装置的一部分的小喷嘴的通道供给。通过在布置在喷嘴上的电极和远离喷嘴间隔开的相对的收集器电极(例如，在目标表面上)之间施加高电压(HV)，液化材料可以充电。产生的电场导致在喷嘴的尖端部分(也称为泰勒锥(Taylor cone))处形成的液化材料的液滴的锥形变形。当液滴的表面张力被电力克服时，液化材料的射流从液滴移出，产生朝向相对的电极移动的纤维。在朝向相对的电极飞行期间，纤维通过作用在其上的不同的力被连续地拉伸和拉长，从而减小其直径并且允许其固化。固化可以通过例如溶剂的蒸发或材料的冷却来引起，使得固体纤维沉积在目标收集器上。这个目标收集器可以正好放置在相对的电极的前面，或者相对的电极本身可以用作目标收集器。

图1示出了用于在根据本发明的实施方式的电纺丝喷丝头中使用的喷嘴1。在所示的实施方式中，喷嘴1包括材料运输通道2，材料运输通道2具有壁3，例如管状材料运输通道2的内壁，壁3限定了通道或内腔2a，材料可以通过该通道或内腔2a运输。如图所示，喷嘴1包括入口端1a，在使用期间，液化材料“M”可以在入口端1a处供给到喷嘴1中。在实施方案中，液化材料(溶解的或熔融的)可以是聚合物材料。

材料运输通道2包括用于形成和/或支撑液化材料的液滴“D”的端表面4。这个端表面4位于喷嘴1的出口端1b处。材料运输通道2的端表面4是垂直于喷嘴1的纵向方向(更具体地是材料运输通道2的纵向方向)的表面，并且布置用于电纺丝，即形成和/或支撑液体材料的液滴，在操作期间从该液滴电纺纤维。

喷嘴1还包括电极5，电极5穿过材料运输通道2(即穿过通道2a)延伸至少直到壁3的端表面4。

注意，当喷嘴1用于操作中的电纺丝喷丝头时，电极5可以连接到高电压(HV)电源6，并且作为电纺丝喷丝头的一部分，收集器7可以布置成与电极5相对并且与电极5间隔开。当喷嘴1在使用中时，在电极5和收集器7之间存在电压差。

根据发明，通过允许电极5一直延伸到至少壁3的端表面4，可以在液滴D中产生急剧聚焦的电荷，同时不需要进一步增加施加到电极5的高电压。由于电荷趋向于聚集在尖锐的边缘表面，诸如电极5的端部，因此实现了液滴中的聚焦的电荷。根据本发明，由于在电纺丝喷丝头中使用喷嘴时，在端表面4处或从端表面4延伸的电极5的尖端被认为最靠近这种相对的收集器7，所以在电纺丝工艺中，电荷急剧地聚焦在电极5的尖端上。

如图1所示，壁3的端表面4将被看作是垂直于喷嘴1的(主)纵轴延伸的表面，壁3在端表面4处终止。本发明实施方式的电极5然后延伸至少直到这个端表面4，并且因此电极5可以包括电极尖端5a，电极尖端5a延伸至少直到这个端表面4，或者从这个端表面4延伸。这也可以以替代的方式设想，例如，在实施方式中，壁3可以具有不同的或者甚至不规则的内部形状(内腔2a)，其在喷嘴1的尖端处终止，其中喷嘴1的尖端基本上面向相对的电极7。注意，喷嘴1的尖端不需要如图所示是直的，而是可以在某种程度上是拱形的或圆形的。喷嘴1的尖端然后可以限定电极5(特别是电极尖端5a)应该至少延伸到的端表面4(包括最外面的喷嘴点并且基本上垂直于喷嘴1的纵向方向的表面)。

当喷嘴1在使用中时，端表面4提供了液体材料的液滴可以在其处形成泰勒锥的基础。此外，当喷嘴1用于电纺丝喷丝头时，最外面的喷嘴点必须被理解为是喷嘴1相对收集器7的点。

为了进一步聚焦微滴D中的电荷密度，在有利的实施方式中，电极5(例如电极尖端5a)延伸超过壁3的端表面4。因此，在这些实施方式中，电极5(特别是电极尖端5a)延伸超过端表面4非零延伸长度L。

在示例性实施方式中，电极5从壁3的端表面4延伸超过材料运输通道2的直径的至少一半的距离。在这个实施方式中，延伸长度L是材料运输通道2靠近端表面4的直径的至少一半，以允许电极5(例如电极尖端5a)当喷嘴1在使用中时充分地延伸到液滴D中，并且在液滴D中急剧地聚焦电荷密度。在示例性实施方式中，延伸长度L在0和5mm之间，从而允许范围广泛的液滴D的尺寸。在具体实施方式中，延伸长度L可以是约1微米，其可能已经在液滴D中提供良好聚焦的电荷密度。

如图1进一步描绘的，在实施方式中，电极5可以布置在材料运输通道2内的中央，从而增强液滴D中电荷密度的聚焦。在另一个实施方式中，电极5可以是布线电极，例如直径为0.01mm至2mm的布线，从而允许范围广泛的喷嘴尺寸。在示例性实施方式中，电极5是直径约为0.1mm、0.2mm或0.4mm的布线电极。

图2示出了根据本发明的另一实施方式的用于在电纺丝喷丝头中使用的喷嘴1，其中电极5定位在壁3的内表面上。在这个实施方式中，电极5至少部分地沿着材料运输通道2的壁3朝向端表面4延伸，用于在液滴D中提供聚焦的电荷，从而以有效的方式将电荷一直转移到喷嘴的尖端，而不依赖于液化材料的导电性。

在另一个实施方式中，电极5沿着壁3朝向端表面4(或壁终止点8或最外面的喷嘴点10)周向延伸。以这种方式，可以获得管状电极5，以允许在端表面4上产生周向的或环状的聚焦的电荷。

在有利的实施方式中，电极5是(例如沉积在壁3上的)导电沉积层，用于降低喷嘴1的设计复杂性，并且通过例如使用电镀、PVD、化学涂层等便于其制造。在有利的实施方式中，导电沉积层包括金(Au)、银(Ag)和/或铜(Cu)，以提供用于在端表面4处产生强聚焦的电场的优异的导电性。在图2中进一步示出，在实施方式中，导电沉积层可以电连接到布置在喷嘴1的入口侧1a处的上电极连接器11。

在实施方式中，材料运输通道2可以包括非导电材料，使得仅电极5并且特别是电极尖端5a对液滴D中的电场有贡献。在实施方式中，非导电材料可以是聚合物或合成材料。在可选的实施方式中，非导电材料可以是陶瓷材料，陶瓷材料提供机械耐用的材料运输通道2。在更进一步的实施方式中，非导电材料可以是玻璃材料。

在可选的实施方式中，材料运输通道2可以(部分地)包括导电材料或由导电材料制成。尽管这可能在端表面4处提供(较弱的)聚焦的电荷的次级区域，但是由电极5提供了强得多的初级聚焦的电荷。

如上所述，根据发明，当喷嘴1用于电纺丝喷丝头时，电极5穿过材料运输通道2延伸至少直到壁3的端表面4，壁3的端表面4将位于最靠近相对的收集器7。电极5允许在液滴D中强烈地聚焦的电荷用于改善稳定的纤维形成，并且还尽可能地降低施加到电极5的电压，从而改善高电压效率。

现有技术的电纺丝喷丝头设计通常在喷嘴中使用所有的金属部件，以便从喷嘴朝向液滴提供高电压。然而，当电纺丝喷丝头中的喷嘴的数量增加时，喷嘴的(暴露的)金属的量增加，在电纺丝喷丝头的每个喷嘴处产生较低的电荷密度，并且可能导致不同喷嘴中的电场的相互影响。为了补偿这种较低的电荷密度，在这种现有技术设计中必须增加电极电压。

其它现有技术的电纺丝喷丝头设计使用液体溶液的导电性以便传递电能。然而，这种液化材料溶液的(可变)导电性对电纺丝工艺的性能和电力需求有直接影响。

现有技术的多喷嘴电纺丝喷丝头的另一个问题是，由于带电纤维的较高排斥力，增加电极电压经常产生不稳定的电纺丝工艺。

如果在喷丝头中使用多个喷嘴1，则本发明的喷嘴1减少了上述相互作用，因为在电极5而不是喷嘴1本身，即材料运输通道2处存在急剧聚焦的电荷密度。这反过来降低了在液滴D处电荷密度的损失并且提高了高电压效率并降低了电力消耗。

图3示出了根据本发明实施方式的包括一个或多个喷嘴1、1’(例如两个间隔开的喷嘴1、1’)的电纺丝喷丝头。

如图所示，电极5、5’中的每个延伸至少直到壁3、3’的它们各自的端表面4、4’。这允许在液滴D、D’处急剧聚焦的电荷密度，并且这样每个单独的喷嘴1、1’展示出改善的高电压效率和较低的电力消耗。

根据本发明，因此提供了包括如以上所描述的一个或多个喷嘴1、1’的电纺丝喷丝头，从而降低了操作电纺丝喷丝头的电力以及降低了一个或多个喷嘴1、1’之间的相互作用/干扰，从而简化了电纺丝工艺的控制。

在实施方式中，可以选择两个或更多个电极5、5’之间的电极距离X，以便进一步控制每个喷嘴1、1’的电荷之间的影响/相互作用。

在实施方式中，电纺丝喷丝头还可以包括用于一个或多个喷嘴1、1’中的每个的流体供应部(未示出)以及控制单元(未示出)，控制单元用于单独地控制每个流体供应部的流速以在每个喷嘴1、1’处实现最佳纤维形成。在实施方式中，流体供应部可以向一个或多个喷嘴1、1’中的每一个提供液化材料M、M’，例如聚合材料M、M’。

在另一个实施方式中，电纺丝喷丝头还包括用于一个或多个喷嘴1、1’中的每个的高电压电源6、6’，以及用于单独地控制每个高电压电源6、6’的输出的控制单元，参见例如图3所示的实施方式。

利用多个喷嘴1、1’的特定排列允许电纺丝喷丝头展示出高电压效率、提供减小的喷嘴干扰并且消耗较少的电力。例如，在电纺丝喷丝头的实施方式中，一个或多个喷嘴1、1’布置成圆形排列。由于在电极5、5’中的每个处的聚焦的电荷密度增加，因此多个喷嘴1、1’展示出较小的相互干扰，因此这种圆形排列可以被小型化(即，制造得更小)。在特定的实施方案的组中，电纺丝喷丝头可以包括以72°度的角度间隔的五个喷嘴的圆形排列，或例如以60°度的角度间隔的六个喷嘴的圆形排列。

本发明的电纺丝喷丝头还可以包括以替代方式布置的多个喷嘴1、1’。例如，在实施方式中，多个喷嘴1、1’可以布置成m×n阵列，m和n是整数。与圆形排列一样，本发明的喷嘴1允许m×n个喷嘴1、1’的阵列，其可以更密集地(例如以等距间隔)布置，而不会在多个喷嘴1、1’之间引入不希望的干扰。

在上文中，已经参考附图描述了本发明的示例性实施方式，附图也可以通过以下编号的和相互关联的实施方式来描述。

实施方式1。用于电纺丝喷丝头的喷嘴(1)，其中喷嘴(1)包括具有壁(3)的材料运输通道(2)，其中壁(3)具有用于形成液滴的端表面(4)，其中喷嘴(1)还包括电极(5)，电极(5)穿过材料运输通道(2)延伸至少直到壁(3)的端表面(4)。

实施方式2。根据实施方式1的喷嘴，其中电极(5)延伸超过壁(3)的端表面(4)。

实施方式3。根据实施方式1的喷嘴，其中电极(5)从壁的端表面(4)延伸超过通道(2)的直径的至少一半的距离(L)。

实施方式4。根据实施方式1-3中任一项的喷嘴，其中电极(5)定位在壁(3)的内表面上。

实施方式5。根据实施方式4的喷嘴，其中电极(5)是导电沉积层。

实施方式6。根据实施方式4的喷嘴，其中电极(5)布置在材料运输通道(2)内的中央。

实施方式7。根据实施方式6的喷嘴，其中电极(5)是布线。

实施方式8。根据实施方式1-7中任一项的喷嘴，其中材料运输通道(2)是非导电材料。

实施方式9。根据实施方式8的喷嘴，其中非导电材料是聚合物或合成材料。

实施方式10。根据实施方式8的喷嘴，其中非导电材料是陶瓷材料。

实施方式11。根据实施方式1-7中任一项的喷嘴，其中材料运输通道(2)包括导电材料。

实施方式12。电纺丝喷丝头，其包括一个或多个根据实施方式1-11中任一项的喷嘴(1，1’)。

实施方式13。根据实施方式12的电纺丝喷丝头，还包括：用于一个或多个喷嘴(1，1’)中的每个的流体供应部，以及用于单独地控制每个流体供应部的流速的控制单元。

实施方式14。根据实施方式12或13的电纺丝喷丝头，还包括：用于一个或多个喷嘴(1，1’)中的每个的高电压电源(6，6’)，以及用于单独地控制每个高电压电源(6，6)的输出的控制单元。

实施方式15。根据实施方式12、13或14的电纺丝喷丝头，其中一个或多个喷嘴(1，1’)布置成圆形排列。

实施方式16。根据实施方式12、13或14的电纺丝喷丝头，其中一个或多个喷嘴(1，1’)布置成m×n阵列，m和n是整数。

上面已经参照附图中所示的多个示例性实施方式描述了本发明。一些部件或元件的修改和替换实现是可能的，并且包括在所附权利要求所限定的保护范围内。

Claims

1.一种用于电纺丝喷丝头的喷嘴(1)，其中所述喷嘴(1)包括具有壁(3)的材料运输通道(2)，其中所述壁(3)具有用于形成液滴的端表面(4)，其中所述喷嘴(1)还包括电极(5)，所述电极(5)穿过所述材料运输通道(2)延伸至少直到所述壁(3)的所述端表面(4)，其中所述电极(5)延伸超过所述壁(3)的所述端表面(4)。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述电极(5)从所述壁的所述端表面(4)延伸超过所述通道(2)的直径的至少一半的距离(L)。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的喷嘴，其中所述电极(5)定位在所述壁(3)的内表面上。

4.根据权利要求3所述的喷嘴，其中所述电极(5)是导电沉积层。

5.根据权利要求3所述的喷嘴，其中所述电极(5)布置在所述材料运输通道(2)内的中央。

6.根据权利要求5所述的喷嘴，其中所述电极(5)是布线。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的喷嘴，其中所述材料运输通道(2)是非导电材料。

8.根据权利要求7所述的喷嘴，其中所述非导电材料是聚合物或合成材料。

9.根据权利要求7所述的喷嘴，其中所述非导电材料是陶瓷材料。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的喷嘴，其中所述材料运输通道(2)包括导电材料。

11.一种电纺丝喷丝头，其包括一个或多个根据权利要求1至10中任一项所述的喷嘴(1，1’)。

12.根据权利要求11所述的电纺丝喷丝头，还包括：用于所述一个或多个喷嘴(1，1’)中的每个的流体供应部，以及用于单独地控制每个流体供应部的流速的控制单元。

13.根据权利要求11或12所述的电纺丝喷丝头，还包括：用于所述一个或多个喷嘴(1，1’)中的每个的高电压电源(6，6’)，以及用于单独地控制每个高电压电源(6，6)的输出的控制单元。

14.根据权利要求11、12或13所述的电纺丝喷丝头，其中所述一个或多个喷嘴(1，1’)布置成圆形布置。

15.根据权利要求11、12或13所述的电纺丝喷丝头，其中所述一个或多个喷嘴(1，1’)布置成m×n阵列，m和n是整数。