CN1328420C - 纳米纤维的制造方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种通过利用加压气体流制造纳米纤维的非-编织垫的设备包括平行、间隔开的第一(12)、第二(22)、与第三(32)部件，各部件具有一个供给端(14，24，34)以及一个相对的出口端(16，26，36)。第二部件(22)与第一部件(12)相邻。第二部件(22)的出口端(26)延伸超过第一部件(12)的出口端(16)。第一(12)与第二(22)部件界定第一供给狭缝(18)。第三部件(32)与第一部件(12)相邻，位于第一部件(12)与第二部件(22)相对的一侧。第一(12)与第三(32)部件界定第一气体狭缝(38)，而第一(12)、第二(22)与第三(32)部件的出口端(16，26，36)界定气体喷射空间(20)。还包括一种利用加压气体流制造纳米纤维的非-编织垫的方法。

Description

纳米纤维的制造方法和设备
技术领域
本发明依美国陆军(U.S.Army)、美国空军(U.S.Air Force)以及国家科学基金会(National Science Foundation)授于的合作协议获得政府资助。政府可拥有本发明的某些权利。
背景技术
纳米纤维技术尚未发展为商业化，因而工程师及企业家尚未拥有纳米纤维的来源加入其相关设计。纳米纤维的使用量将随着预期制造成本效率已改进而逐渐成长，而纳米纤维该重要市场的发展在未来几年内几乎是确认无疑的。将纳米纤维引进为有用产品的领导者已经在高性能过滤器工业进行中。在生物材料领域里，对于发展支持活细胞的构造有着工业上的高度兴趣。纳米纤维在防护衣及纺织品上的应用性也引起运动服装设计者、以及军方的兴趣；这是因为纳米纤维每单位质量具有的表面面积大，能提供一种相当舒适而又具备对化学与生物剂有效防护等级的服装。
碳纳米纤维可能在强化复合材料应用方面有用，如当作高温反应、热处理、弹性体强化作用的催化剂的支撑物、液体与气体的过滤材料，及作为防护衣服的一种成分。碳或聚合物的纳米纤维可能找到的应用例包括用于强化复合材料、酵素与催化剂的基质、用于植物的杀虫剂、具有改善的舒适感与防护性的纺织品、用于纳米级尺寸的浮质与颗粒的高级过滤材料、太空热处理应用，以及对温度与化学环境改变具有快速反应时间的传感器等。由聚合体的中间物做成的陶瓷纳米纤维可能有助于作为催化剂的支撑物、强化高温用纤维、以及热的、易反应的气体与液体所用过滤材料的构成。
所知道的是利用电旋纺技术制造纳米纤维。然而，这些技术却有问题，因为某些可旋纺液体非常黏稠，而需要比电场在发生火花前所供给的力量还要更高的力，也就是，在空气中已经有介电质崩溃分解。同样地，这些技术的问题还在于需要较高温度方面，因为高温增加了结构零件的导电率，并且使得高电场的控制复杂化。
所知道的是利用熔化-吹气技术使用加压气体产生聚合物纤维。依据此等技术，一股已熔化的聚合物被挤压而进入一个气体喷射。然而，这些聚合物纤维相当大，其中该纤维的直径通常大于1,000纳米，而更典型的是其直径大于10,000纳米。布廷等人的美国专利3,849,241公开揭示一种熔化-吹气设备，其制造的纤维直径约在0.5微米至5微米之间。
一种使用加压气体以形成纳米纤维的喷嘴可从美国专利申请序号09/410,808中得知，其公开揭示的内容在此作为参考引入。
同时也知道的是把电旋纺技术与熔化-吹气技术相结合。但是，一种电场结合体尚未被证明能成功制造纳米纤维，这是由于电场未产生大到足够抽拉纤维的伸展力，因为这些电场受空气的介电质崩溃分解强度所限制。
用来与加压气体连接的许多喷嘴与类似设备也在此技术领域内为人所知。譬如说，用来产生小型液体小滴的技术包括许多喷洒设备，其包含那些用于气刷或杀虫剂喷雾器者。但是，有一项需求就是能够制造纳米纤维的非织造垫的设备或喷嘴。
发明内容
因此本发明一方面是提供一种用于制造纳米纤维的非织造垫的方法。
本发明另一方面是提供一种用于制造纳米纤维的非织造垫的方法，该纳米纤维具有小于大约3,000纳米的直径。
本发明另外一方面是提供一种用于制造纳米纤维的非织造垫的经济和商业上可行的方法。
本发明还有另一方面是提供一种设备，其与加压气体结合制造一种纳米纤维的非织造垫。
本发明再另一方面是提供一种由纤维-成形聚合物形成纳米纤维的非织造垫的方法。
本发明还有再另一方面是提供一种由纤维-成形陶瓷前体形成纳米纤维的非织造垫的方法。
本发明还有再另一方面是提供一种由纤维-成形碳前体形成纳米纤维的非织造垫的方法。
本发明另一方面是提供一种利用加压气体形成纳米纤维的非织造垫的方法。
本发明再另一方面是提供一种设备，其与加压气体结合制造一种纳米纤维的非织造垫，该纳米纤维具有小于大约3,000纳米的直径。
至少一个或更多前面所述那些方面，连同其涵盖有关于制造纳米纤维的非织造垫所知技术的有利条件，将由随后的详述说明中逐渐显现，并且由如以下所描述及要求的本发明来实现。
一般说来，本发明提供一种用于制造纳米纤维的非织造垫的方法，其包含步骤：将纤维-成形材料进给到第一与第二部件之间的第一狭缝；其中所述第一与第二部件各自拥有一出口端，而其中上述第二部件出口端从上述第一部件出口端伸出，使得上述第一狭缝出来的纤维-成形材料在第二部件从上述第一部件出口端伸出的部分上形成薄膜，并且经过第一与第三部件之间的第二狭缝进给加压气体；所述第二狭缝位于上述第一狭缝相邻处，以致使来自所述第二狭缝的加压气体与所述薄膜接触，并将纤维-成形材料由所述第二部件出口端以多股纤维-成形材料的形式喷出，其固化并形成纳米纤维垫，所述纳米纤维具有直至大约3,000纳米的直径。
本发明也包括一种通过利用加压气体流形成纳米纤维的非织造垫的设备，包括：第一部件，具有由跨越该第一部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越该第一部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；第二部件，具有由跨越该第二部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越该第二部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；该第二部件与第一部件间隔开并紧邻第一部件设置，第二部件的长度沿着第一部件的长度延伸，所述第二部件的出口端延伸超过所述第一部件的出口端，其中第一及第二部件界定第一供给狭缝；以及第三部件，具有由跨越该第三部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越该第三部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；所述第三部件与第一部件间隔开并紧邻第一部件设置，位于第一部件与第二部件相对的一侧，所述第三部件的长度沿着第一部件的长度延伸，其中第一及第三部件界定第一气体狭缝，以及所述第一、第二与第三部件的出口端界定一气体喷射空间。
附图说明
图1是依据本发明一种制造纳米纤维的非织造垫的设备的概要示意图。
图2是本发明设备的另一实施例的示意图，其中该设备包括一种唇缘清洁板。
图3是本发明设备的另一实施例的示意图，其中该设备包括一种气体屏蔽组件。
图4是本发明设备的另一实施例的示意图，其中该设备包含多个纤维-成形材料供给狭缝。
具体实施方式
现在已经发现的一种纳米纤维的非织造垫可以由利用加压气体制造。这一般是由一种方法来实现，其中由一扩张的气体喷射所供给的机械力从流过一设备的流体产生纳米纤维。该方法可以视为由气体喷射(NGJ)而来的纳米纤维。NGJ是一种广泛应用于由任何可旋纺流体或纤维-成形材料产生纳米纤维的方法。
一般而言，可旋纺流体或纤维-成形材料是任何流体或材料，该流体或材料可通过将该流体或材料拉长然后固化，以机械方式形成为圆柱体或其它长的形状。固化作用可例如以冷却、化学反应、聚集或溶剂的去除等方式进行。旋纺流体的例子包括熔化的沥青、聚合物溶液、聚合体熔化物、作为陶瓷前体的聚合物，以及熔化的似玻璃状物质。某些优选的聚合物包括耐龙(nylon)、氟化聚合物、聚烯烃、聚酰亚胺、聚酯，以及其它工程聚合物或是纺织成形聚合物。术语“可旋纺流体及纤维-成形材料”可在整个详述说明中互换使用，而不会对所使用的流体或材料有任何限制。本技术领域熟练人员将认识到，各式各样流体或材料可被用来制作纤维包括纯流体、纤维溶液，具有小颗粒的混合物以及生物聚合体。
本发明提供一种用于制造一种纳米纤维的非织造垫的设备，包括使纤维-成形材料在设备中与气体接触的装置，以使多股纤维-成形材料从该设备喷出，其中多股纤维-成形材料固化并形成具有直径直到大约3,000纳米的纳米纤维。
一种用于实施本发明方法的优选设备10将参考图1最佳地进行描述。应该要了解的是，重力将不会影响本发明设备的操作，但是为了解释本发明，将参照附图中所示垂直设置的设备。设备10包括第一板或部件12，其具有由跨越该板宽度的一侧所界定的供给端14；以及由跨越该板宽度的一侧所界定的相对的出口端16。第一板12在出口端16可为锥形，如图1所示，或依据某一特定实施例的设计限制可在出口端16处尽可能地薄。
邻接第一板12设置本与其间隔开的是第二板或部件22。第二板22的长度沿着第一板12的长度延伸。第二板22具有由跨越该板宽度的一侧所界定的供给端24，以及由跨越该板宽度的一侧所界定的相对的出口端26。第一板12及第二板22界定第一供给空腔或狭缝18。在一优选实施例中，在第一板12的出口端16处的第一供给空腔或狭缝18的宽度是在大约0.02毫米至大约1毫米之间，而更优选的是在大约0.05毫米至大约0.5毫米。虽然第一板12与第二板22如所示为互相平行，这并不是必需的，只要板12与22的间在出口端16处的距离处于上述范围的内。
第二板22的出口端26延伸超过第一板12的出口端16。出口端26与出口端16的间的距离为一壁流长度28。第一供给狭缝18可特别适合于携带纤维成形材料。
该设备另外包括第三板或部件32，其具有由跨越第三板32宽度的一侧所界定的供给端34，以及由跨越第三板32宽度的一侧所界定的相对的出口端36。第三板32的长度沿着第二板22的长度延伸。第一板12及第三板32界定第一气体柱或狭缝38。第三板32可在与出口端26(如图1所示)或出口端16(如图2所示)的相同平面上终止于出口端36，或者它可终止于与出口端16及26都不同的平面上(如图3所示)。在一优选实施例中，第一板12与第三板32在该出口端16处的距离是在大约0.5毫米至大约5毫米之间，而更优选的是在大约1毫米至大约2毫米。第三板32的形状可能作成，使第一气体柱或狭缝38朝向第一供给狭缝18倾斜。
出口端16、出口端26、与出口端36界定气体喷射空间20。板12、22、与32可相对于出口端16、26、与36作调整，以致包括壁流长度28的气体喷射空间20的尺寸可根据所用的纤维成形材料、纤维成形时的温度、气体流率以及形成的纳米纤维所需的直径、以及其它因素被调整。在一特定实施例中，壁流长度28可以在大约0.1毫米至大约10毫米之间调整。同样地，板12、22、与32的整体长度可以根据建造方便性、热流考虑、以及流体内的剪切流而变化，只要板22的出口端26从板12的出口端16的平面伸出。而且，板12、22、与32可以根据某一种特殊应用的需要、形成的纳米纤维垫所需的宽度、制造方便性，或其它因素具有任何宽度。
根据本发明，纳米纤维的非织造垫是利用图1的设备由以下方法所制造。纤维-成形材料由一源头21提供，并经过第一供给空腔或狭缝18进给。纤维-成形材料被导入气体喷射空间20。同时，加压气体被迫由一气体源30经过第一气体空腔或狭缝38而进入气体喷射空间20。
在气体喷射空间20内，认为纤维-成形材料以薄膜形式存在。换句话说，从狭缝18进入气体喷射空间20的纤维-成形材料在气体喷射空间20内第二板22侧部上形成纤维-成形材料的薄层。该纤维-成形材料层会受到从狭缝38直到抵达出口端26的气体的剪切变形作用。该层薄膜可能有厚度变化，而通常预期是朝向出口端26厚度减少。在那些第一气体柱或狭缝38朝向第一供给狭缝18倾斜的实施例中，气体是以相对高速度流过气体喷射空间20内的纤维-成形材料。在唇缘处附近，认为该层纤维-成形材料由气体的剪切力驱动和携带，并且被扩张气体吹开成为许多小束40，而与在该纤维成形材料层表面上破裂波顶点发出的任何纤维-成形材料喷出物一起从出口端26喷出，如图1所示。一旦从设备10喷出后，这些束状物随即固化并形成纳米纤维。固化作用可以冷却、化学反应、聚集、离子化辐射或溶剂去除等方式进行。同时可想象的是，固化的薄膜成形材料可能出现在气体喷射空间20内。
如上所述，依照该方法所制造的纤维为纳米纤维，而具有的平均直径小于大约3,000纳米，更优选的是由大约3至大约1,000纳米，甚至更优选的是由大约10至大约500纳米。这些纤维的直径可以通过制各种条件进行调节，包括但不限于温度及气体压力。这些纤维的长度变化范围可能很大，从短如大约0.01毫米长至长许多千米的纤维。在此范围内，这些纤维可以具有从大约1毫米至大约1km的长度，而更小地可以在大约1毫米至大约1cm之间。这些纤维的长度可以通过控制固化作用速率而调节。
如上所述，加压气体是被强制通过狭缝38而进入喷射空间20。此气体应该被迫以足够高的压力经过狭缝38，以便能沿着壁流长度28携带该纤维成形材料并且形成纳米纤维。因此，在一特定实施例中，该气体是以从每平方英时大约10磅(10psi)至每平方英时大约5,000psi的压力被迫经过狭缝38。在另一实施例中，该气体是以从大约50psi至大约500psi的压力被迫经过狭缝38。
使用在整个详述说明中的术语”气体”包括任何气体。非-反应性气体被优选采用，并参考那些不会对纤维-成形材料有不利影响的气体，或其组合。这些气体例子包括但不限于，氮气、氦气、氩气、空气、二氧化碳、碳氟化合物蒸气、氟氯碳化合物，以及它们的混合物。应该要了解为了本详述说明，气体也指将在压力释放时在该设备处蒸发的过热液体，例如蒸气。另外应该认识的是，这些气体可能包括溶剂蒸汽，其用来控制由聚合物溶液所制成的纳米纤维的干燥速率。而且，有用的气体包括以所需方式进行反应的气体，包含气体与蒸汽的混合物或以所需方式进行反应的其它物质。譬如说，利用氧气来稳定从沥青树脂制造纳米纤维可能是有用的。同样，利用包含用作交联聚合物的分子的气体流可能是有用的。此外，利用包含用作改进陶瓷制造的金属或金属复合物的气体流可能是有用的。
在另一实施例中，设备10另外包括第四板或部件42，如图2及3中所示。板42邻接第二板22设置并与其间隔开，在第二板22与第一板12相对一侧。板42的长度沿着第二板22的长度延伸。第四板42具有由跨越第四板42宽度的一侧所界定的供给端44，以及由跨越第四板42宽度的一侧所界定的相对的出口端46。第二板22及第四板42界定第二气体柱或狭缝48。第四板42可在与出口端26(如图2所示)相同的平面上终止于出口端46，或者它可终止于与出口端26不同的平面上(如图3所示)。
纤维的形成是利用如以上所述图2中所示的设备，并且另外包括注入加压气体经过第二气体狭缝48，于出口端46排出，从而防止可聚集在第二板22的出口端26的纤维-成形材料残余量的堆积。被迫经过气体狭缝48的气体应有足够高的压力以便防止多余纤维-成形材料于出口端26堆积，但也不应该太高而干扰了纤维的形成。因此，在一优选实施例中，该气体是以大约0至大约1,000psi的压力、更优选的是以从大约10psi至大约100psi的压力被迫经过第二气体狭缝48。来自气体狭缝48的气体流也会影响从出口端26排出的纤维-成形材料束的排出角度，也因此从该环境的第二气体狭缝48流出的气体可以用于清洁出口端26以及控制出口纤维束的流动。
在显示于图3的另一实施例中，一第五板或部件52邻接第三板32设置并与其间隔开，在第三板32与板12相对侧。第五板52的长度沿着第三板32的长度延伸。第五板52具有由跨越第五板52宽度的一侧所界定的供给端54，以及由跨越第五板52宽度的一侧所界定的相对的出口端56。第五板52及第三板32界定第一屏蔽气体柱或狭缝58。第五板52可在与出口端36(如图3所示)相同的平面上终止于出口端56，或者它可终止于与出口端36不同的平面上(未显示)。一第六板或部件62可邻接第四板42设置并与起间隔开，在第四板42与板22相对侧。第六板62的长度沿着第四板42的长度延伸。第六板62具有由跨越第六板62宽度的一侧所界定的供给端64，以及由跨越第六板62宽度的一侧所界定的相对的出口端66。第六板62及第四板42界定第二屏蔽气体柱或狭缝68。第六板62可在与出口端26(未显示)相同的平面上终止于出口端66，或者它可能终止于与出口端26不同的平面上(如图3所示)。在受控制温度下的加压气体被迫通过第一与第二屏蔽气体狭缝58与68，以致其由狭缝58与68排出，因此而产生环绕于纳米纤维的活动气体屏蔽。该气体屏蔽可能有助于控制冷却速率、流体的溶剂蒸发率，或是发生于该流体内化学反应速率。应该要了解，该气体屏蔽的大致形状是由狭缝58与68的宽度以及出口端56与66相对于出口端36与46的垂直位置所控制。该形状还由流经狭缝58与68的气体压力与体积所控制。因此，屏蔽气体狭缝的尺寸大小是可调整的。应该要进一步了解的是，流经狭缝58与68的气体与流经狭缝38的气体相比最好是具有相对低的压力以及相对高的体积流率。
同时可想象的是，本发明的设备可能包括另外的板，其将界定另供选择的供给空腔或狭缝以及气体空腔或狭缝。这种装置如图4所示。如这种设备可能被用来制造包含不止一种类型的纤维的非-编织网或垫。譬如说，一种纳米纤维的非织造垫可以由二或更多种纤维-成形材料所制造。另可选择的，单一一种纳米纤维材料可以被用来同时形成不同物理特征例如长度或直径的纤维。这种设备也可能只是用来增加单一类型纤维的产量。在图4所示的实施例中，设备70包括第一板或部件12、第二板或部件22、第三板或部件32，以及第四板或部件42，它们的布置如以上所述。设备70还包括第七板或部件72，其邻接第四板42并有选择地与其间隔开，在第四板42与板22的相对侧。第七板72的长度沿着第四板42的长度延伸。第七板72具有由跨越第七板72宽度的一侧所界定的供给端74，以及由跨越第七板72宽度的一侧所界定的相对的出口端76。第七板72及第四板42可有选择地界定热流降低空间78。当两或更多类型的纤维将在两或更多不同温度下成形时，空间78可能是需要的。另一选择，第七板72及第四板42可能互相碰触，或者某单一板或部件可能取代第七板72及第四板42，特别是在热传导并不成为关切问题的应用中。第七板72可在与出口端46相同的平面上终止于出口端76，如图4所示，或者它可终止于与端部46不同的平面上(未显示)。
第八板或部件82邻接第七板72设置并与其间隔开，在第七板72与第四板42的相对侧。板82的长度沿着第七板72的长度延伸。第八板82具有由跨越第八板82宽度的一侧所界定的供给端84，以及由跨越第八板82宽度的一侧所界定的相对的出口端86。第八板82及第七板72界定第三气体柱或狭缝88。第八板82可能终止于与端部76不同的平面上，如图4所示。第八板82可在出口端86处成为锥形。第七板72的形状也可能作成使第三气体柱或狭缝88倾斜以配合第八板82在出口端86的锥形，或者影响气体排出狭缝88的方向。
第九板或部件92邻接第八板82设置并与其间隔开，在第八板82离开第七板72的对面侧边上。板92的长度沿着第八板82的长度延伸。第九板92具有由跨越第九板92宽度的一侧所界定的供给端94，以及由跨越第九板92宽度的一侧所界定的相对的出口端96。第九板92及第八板82界定第二气体柱或狭缝98。
在该实施例中，出口端16、26、与36，以及出口端76、86、与96界定气体喷射空间20。板12、22、与32，以及板72、82、与92可相对于出口端16、26、与36以及出口端76、86、与96作调整，以致气体喷射空间20的尺寸可根据所用的纤维成形材料、纤维成形时的温度、气体流率以及形成的纳米纤维所需的直径、以及其它因素调整。同样地，板12、22、与32以及板72、82、与92的整体长度可以根据建造方便性、热流考虑、以及流体内的剪切流而变化，只要板22的出口端26从板12的出口端16的平面伸出而且板92的端部96从板82的端部86的平面伸出。而且，板12、22、32、72、82、与92可根据某一特殊应用的需要、形成的纳米纤维垫所需的宽度、制造方便性、或其它因素具有任何宽度。
第十板或部件102有选择地邻接第九板92设置并且与其间隔开，在第九板92与第八板82的相对侧。板102的长度沿着第九板92的长度延伸。第十板102具有由跨越第十板102宽度的一侧所界定的供给端104，以及由跨越第十板102宽度的一侧所界定的相对的出口端106。第十板102及第九板92界定第四气体柱或狭缝108。第十板102可在与出口端96相同的平面上终止于出口端106，如图4所示，或者它可终止于与端部96不同的平面上(未显示)。
一种非-编织的纳米纤维垫可利用图4的设备由以下方法所制造。一种或更多种纤维-成形材料经过第一供给空腔或狭缝18与第二供给空腔或狭缝98进给。纤维-成形材料被导入气体喷射空间20。同时，加压气体被迫经过第一气体空腔或狭缝38与第三气体空腔或狭缝88而进入气体喷射空间20。
在气体喷射空间20内，认为该纤维-成形材料以薄膜形式存在。换句话说，从狭缝18与98进入气体喷射空间20的纤维-成形材料在第二板22侧部上与板92侧部上以及气体喷射空间20内形成纤维-成形材料的薄层。这些层的纤维-成形材料会受到从狭缝38直到抵达出口端26与96的气体的剪切变形作用。这些薄膜可能有厚度变化，而通常预期是朝向出口端26厚度减少。在第一气体柱或狭缝38朝向第一供给狭缝18倾斜、或是第三气体柱或狭缝88朝向第二供给狭缝98倾斜的实施例中，气体是以相对高速度流过气体喷射空间20内的纤维-成形材料。在出口端26与96附近，认为该层纤维-成形材料由气体的剪切力驱动而被携带着，并且被扩张气体吹开成为许多小束，而与在该纤维成形材料层表面上破裂波顶点发出的任何纤维-成形材料喷出物一起，从出口端26与96喷出。一旦从设备70喷出后，这些束状物随即固化并形成纳米纤维。固化作用可以冷却、化学反应、聚集、离子化辐射或溶剂去除等方式出现。同时可想象的是，固化的薄膜成形材料可能出现在气体喷射空间20内。
实施本发明时，可旋纺流体或纤维-成形材料可以本技术领域内为人所知的任何适用技术而被运送至狭缝18处。譬如说，纤维-成形材料可以分批操作方式供应给该设备，或者该纤维-成形材料可以连续方式为基础而运送。适当的运送方式在美国专利申请09/410808以及国际申请WO 00/22207中有所描述，其相关内容在此作为参考引入。
应该要了解，有许多条件与参数将影响依据本发明的纤维的形成。譬如说，流经本发明的设备的任何气体柱的气体的压力可能需要根据所用的纤维-成形材料进行操纵。同样地，所使用的纤维-成形材料或是所形成的纳米纤维的所需特征可能需要该纤维-成形材料本身或是各不同的气体流被加热。譬如说，纳米纤维的长度可以通过改变该屏蔽空气的温度而调整。在屏蔽空气比较冷处，因而造成该纤维-成形材料束快速冷冻或固化，可形成比较长的纳米纤维。另一方面，在其屏蔽空气较热处，因而抑制了该纤维-成形材料束的固化作用，所产生的纳米纤维长度比较短。同样应该体认到，流经狭缝38与48的加压气体的温度同样可以被操纵以便达成或是帮助达成这些结果。例如，中间相沥青的针状纳米纤维可在屏蔽空气维持在350℃处产生。该温度应仔细地控制，以致让它足够热到使得中间相沥青股束足够软，因而伸长并且变细成为短的片段，但是不能太热使得该等股束崩解成为小液滴。优选的针状纳米纤维具有的长度范围在大约1,000至大约2,000纳米之间。
本技术领域的技术熟练者将能够利用该技术领域常见的技术对各种不同的气体流加热。同样地，纤维-成形材料可以利用本技术领域中众所周知的技术予以加热。譬如说，热量可通过某一热源(未显示)施加到正进入第一供给狭缝18的纤维-成形材料、施加到正进入狭缝38或48的加压气体，或施加到供料管子本身。在一特定实施例中，该热源可以包括由某一源头所加热的线圈。
在本发明一特定实施例中，制造一种碳纳米纤维前体的非织造垫。特别具体者，聚合物例如聚丙烯睛的纳米纤维是利用本发明的方法与设备加以旋纺并收集。这些聚丙烯睛纤维有选择地在张力作用下在空气中被加热到大约200℃至大约400℃的温度，使其稳定化以便于在更高温度的处理。这些经稳定化的纤维接着通过在惰性气体内加热到大约800℃至1700℃之间而转换成碳纤维。在该碳化过程中，所有化学族，例如碳氢氮(HCN)、氨(NH3)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)以及碳氢化合物，都被除去。碳化之后，纤维被加热到大约2,000℃至大约3,000℃范围的温度。称为石墨化的该过程使得碳纤维具有排列好的石墨微晶。
在另一特定实施例中，碳纳米纤维前体是利用中间相沥青所制造。这些沥青纤维接着通过在空气中加热而稳定化，以防止在高温处理时熔化或融合，高温处理是获得高强度与高模数的碳纤维所必要的。经稳定化的纤维的碳化作用是在大约1000℃至大约1700℃之间的温度依照碳纤维所需的性质而进行。
在另一实施例中，NGJ(气体喷射)是与电旋纺技术相结合，NGJ改善制造速率而电场则保持喷口内的最佳张力以产生正确指向并且避免小液珠出现在纤维上。该电场也同时提供沿着所需的轨迹通过处理机器、加热炉将纳米纤维导向收集器上某一特别位置的方式。纤维上的电荷也可以产生环圈及盘绕的纳米纤维，其可增加由这些纳米纤维所制的非-编织构造物的体积。
同样地，包含金属的聚合物可以被旋纺到纳米纤维的非织造垫中并转换成陶瓷纳米纤维。这是一种制造高品质陶瓷的已知途径。溶胶-凝胶方法利用类似的化学处理，但此处线性聚合物将会被合成，也因此胶体将被避免。在某些应用中，大范围的直径尺寸将会是有用的。例如，在具有混合直径的纤维样品中，容积-填充系数可以更高，因为比较小的纤维可以装入较大纤维的间的空隙当中。
纳米纤维与纺织尺寸纤维的混合物可具备这样的性质，例如，容许一种耐用的非-编织构造物被直接纺编于人身上，例如士兵或是环保工作者，以形成能吸收、装饰、或产生障碍物以阻碍化学与生物剂的防护衣。
同样应该认识到，其平均直径与直径的范围通过调整气体温度、气体流的流量率、流体的温度、以及流体的流量率而被影响。流体的流量依照所用的特别设备可由阀装置、由挤压器、或由分别控制容器内与中央管内的压力而得到控制。
显然，在此公开揭示的气体喷射(NGJ)方法与设备能够通过在板的侧部上产生纤维-成形材料的薄层而提供纳米纤维，而此薄层承受剪切变形作用直到它抵达板的出口端为止。在此，纤维-成形材料层被扩张气体吹分开成为许多小的喷射流。没有设备曾经被用来利用加压气体制作纳米纤维的非织造垫。而且，该NGJ方法从可旋纺流体例如中间相沥青制造纤维，其可转换成为高强度、高模数、高热传导率的石墨纤维。也可以由一种溶液或熔化物制造纳米纤维。也有可能导致一种制造液体小滴的改进设备。也明显的是，NGJ以高产率制造纳米纤维。NGJ可以被单独使用或者与熔化物吹送法及电旋纺法各自或一起结合使用，以产生纤维几何形状、直径及长度的有用混合物。同样地，NGJ可以结合电场使用，但是应认识到，电场不是必需的。

Claims (19)

1、一种通过利用加压气体流形成纳米纤维的非织造垫的设备，包括：
第一部件，具有由跨越该第一部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越该第一部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；
第二部件，具有由跨越该第二部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越该第二部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；该第二部件与第一部件间隔开并紧邻第一部件设置，第二部件的长度沿着第一部件的长度延伸，所述第二部件的出口端延伸超过所述第一部件的出口端，其中第一及第二部件界定第一供给狭缝；以及
第三部件，具有由跨越该第三部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越该第三部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；所述第三部件与第一部件间隔开并紧邻第一部件设置，位于第一部件与第二部件相对的一侧，所述第三部件的长度沿着第一部件的长度延伸，其中第一及第三部件界定第一气体狭缝，以及所述第一、第二与第三部件的出口端界定一气体喷射空间。
2、根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，所述气体喷射空间的尺寸大小是可调整的。
3、根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，气体喷射空间具有在大约0.1至大约10毫米之间可调整的长度。
4、根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，所述第一气体狭缝适合于携带压力在每平方英时大约10磅至大约5,000磅的加压气体。
5、根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，所述第一供给狭缝适合于携带纤维-成形材料。
6、根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，所述加压气体是从由氮、氦、氩、空气、二氧化碳、碳氟化合物蒸气、氟氯碳化合物、及它们的混合物所构成的组中选择。
7、根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，所述第一气体狭缝朝向所述第一供给狭缝倾斜。
8、根据权利要求1所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，还包括第四部件，第四部件具有由跨越该第四部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越该第四部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；其中第四部件与所述第二部件间隔开并紧邻第二部件设置，位于第二部件与第一部件相对的一侧；第四部件的长度沿着第二部件的长度延伸，以及第二部件及第四部件界定第二气体狭缝。
9、根据权利要求8所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，所述第四部件在与所述第二部件的所述出口端相同的平面上终止于所述出口端。
10、根据权利要求8所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，所述第四部件在与所述第二部件的所述出口端不同的平面上终止于所述出口端。
11、根据权利要求8所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，还包括：
第五部件，该第五部件具有由跨越该第五部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越第五部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；第五部件与所述第三部件间隔开并紧邻第三部件设置，位于第三部件与第一部件相对的一侧；第五部件的长度沿着第三部件的长度延伸，以致于第五部件及第三部件界定第一屏蔽气体狭缝；以及
第六部件，第六部件具有由跨越第六部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越第六部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；第六部件与所述第四部件间隔开并紧邻第四部件设置，位于第四部件与第二部件相对的一侧；第六部件的长度沿着第四部件的长度延伸，以致于第六部件及第四部件界定第二屏蔽气体狭缝。
12、根据权利要求8所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的设备，其特征在于，还包括：
第七部件，第七部件具有由跨越该第七部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越该第七部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；第七部件与所述第四部件间隔开并紧邻第四部件设置，位于第四部件与第二部件相对的一侧；第七部件的长度沿着第四部件的长度延伸；以及
第八部件，第八部件具有由跨越第八部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越第八部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；第八部件与所述第七部件间隔开并紧邻第七部件设置，位于第七部件与第四部件相对的一侧；第八部件的长度沿着第七部件的长度延伸，以致于第七部件及第八部件界定第三气体狭缝；以及
第九部件，第九部件具有由跨越该第九部件宽度的一侧所界定的供给端，以及由跨越该第九部件宽度的一侧所界定的相对的出口端；第九部件与所述第八部件间隔开并紧邻第八部件设置，位于第八部件与第七部件相对的一侧；所述第九部件的出口端延伸超过所述第八部件的出口端；第九部件的长度沿着第八部件的长度延伸，以致于第九部件及第八部件界定第二供给狭缝。
13、一种用于制造纳米纤维的非织造垫的方法，包括以下步骤：
将纤维-成形材料进给到第一部件与第二部件之间的第一供给狭缝，其中所述第一与第二部件各自具有一个出口端，所述第二部件出口端从所述第一部件出口端伸出，使得从上述第一供给狭缝出来的纤维-成形材料在第二部件的从所述第一部件出口端伸出的一部分上形成薄膜；
通过第一部件与第三部件之间的第一气体狭缝进给进给加压气体，所述第一气体狭缝紧邻所述第一供给狭缝，以致于来自上述第二狭缝的加压气体在由所述第一、第二、及第三部件出口端所界定的气体喷射空间内与所述薄膜接触，并将纤维-成形材料从所述第二部件出口端以多股纤维-成形材料的形成喷出，多股纤维-成形材料固化并形成纳米纤维垫，所述纳米纤维具有直至大约3,000纳米的直径。
14、根据权利要求13所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的方法，其特征在于，还包括经过上述第二部件与第四部件之间的第二气体狭缝进给加压气体的步骤，其中第二气体狭缝紧邻上述第一供给狭缝位于与上述第一气体狭缝相对的一侧，使得来自第二气体狭缝的上述加压气体防止纤维-成形材料在所述第二部件的出口端堆积。
15、根据权利要求14所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的方法，其特征在于，还包括经过第一气体屏蔽狭缝进给屏蔽气体的步骤，第一气体屏蔽狭缝紧邻上述第一气体狭缝位于与上述第一供给狭缝相对的一侧，以及经过第二气体屏蔽狭缝进给屏蔽气体的步骤，第二气体屏蔽狭缝紧邻上述第二气体狭缝位于与上述第一供给狭缝相对的一侧。
16、根据权利要求13所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的方法，其特征在于，所述加压气体是从由氮、氦、氩、空气、二氧化碳、碳氟化合物蒸气、氟氯碳化合物、及它们的混合物所构成的组中选择。
17、根据权利要求13所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的方法，其特征在于，纤维成形材料是从由聚丙烯睛及中间相沥青所构成的组中选择。
18、根据权利要求13所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的方法，其特征在于，还包括通过加热至大约1000℃与大约1700℃之间的温度以碳化纳米纤维垫的步骤。
19、根据权利要求13所述的用于制造纳米纤维的非织造垫的方法，其特征在于，纤维成形材料是包含金属的聚合物。
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