CN1400934A - 制造纤维的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造纤维的方法和设备，该方法包括提供来自流体源(37)的流体流，以及对液流注射来自电荷注入装置(21)的净电荷，以使液流分裂并且使液流凝固以形成纤维。

Description

制造纤维的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于从流体形成纤维的静电方法和设备。
背景技术
在低直径纤维的传统工业生产中，迫使诸如液态聚合物的液态材料通过被称为喷丝头的设备的小孔。许多纤维使用的液态聚合物的粘性很强，并且很难通过小孔。这些方法会遇到实际困难。
已知某些从液态聚合物中静电形成纤维的方法。这些方法使用形成一孔的一电极。流体从电极的第一侧到达第二侧通过该孔。将带有相反电荷的表面相对于电极远距离地设置在电极的第二侧上，以吸引并收集流体从孔中流出之后形成的纤维。这些方法需要在孔与收集纤维的带电表面之间的较大空气间隙的上方产生较大的电势差。依靠空气间隙上方产生的电场来产生流体中的必要电荷并且稀释流体。然后使稀释的流体凝固成纤维。对于低电导率的流体来说，使用诸如液态聚合物形成用于商业应用的纤维(例如织物)，以这些方法获得的流动速率是不能被接受的。已知的方法包括将毛细针管用作上面讨论的电极和孔。已经使用这些方法生产出具有直径为50纳米及以上的纤维。
纤维的静电成形具有较大的潜力，已经知道纤维的静电成形将带来更方便和更有效的生产纤维的方法。然而，尽管对研制这些方法作了相当大的努力，但这些方法不能处理工业上可接受的流动速率。
发明内容
本发明满足了这些需要。
根据本发明的一个方面，生产纤维的方法包括：提供一可凝固的流体流；藉助使液流通过形成一孔的本体，以便在液流离开该孔之前使其通过一电场，提供带有净电荷的液流以使液流分裂；以及使分裂的液流凝固以形成诸纤维。这里使用的“凝固”是指粘度的显著变化或材料会保持一定形状的状态变化。这里使用的“凝固”包括流体变为弹性体纤维、刚性或半刚性纤维以及固态或半固态纤维。
提供带有净电荷的步骤最好包括将净电荷注入液流。注入净电荷的步骤最好包括注入净电荷以便形成一用于至少0.5兆伏/米的液流的自电场。可凝固流体的电荷注入获得流体中的高电荷密度。电荷注入在流体流中或附近产生强大的“自场”，流体流在自场的影响下形成纤维。
在某些较佳实施例中，将一对电极设置在孔的附近，同时在电极之间保持一电位差。成对电极之一可包括本体。在电极与本体之间形成一电场，以便提供带有净电荷的液流。电荷注入发生在流体流中，即在电极与形成孔的本体之间的空间中。
流体流中以及紧靠该流体流周围的自场将流体流分裂成高度细长的诸细丝，所述细丝凝固以形成固态纤维。另一远离该孔的表面(例如容器或收集筒)可用于收集纤维。该表面可以处于与形成孔的本体相同的电位，或处于不同的电位。然而，不需要在该表面与本体之间提供较大的电位差。通常，形成孔的本体和收集表面是接地的。
孔的尺寸限制了可凝固流体的流动速率，以便实现大于已知的静电方法的生产率数量级。提高的生产率是令人惊奇的。本发明的实施例已经实现足够用于纤维的工业生产的生产率。
在某些较佳实施例中，该方法包括当分裂的液流离开该孔时对其进行加热。提供带有净电荷的液流的步骤最好提供具有至少为0.5库仑/立方米的电荷密度的液流。
在某些较佳实施例中，注入净电荷的步骤包括使液流通过一位于孔附近的电子枪。
提供一可凝固流体流的步骤包括使可凝固流体在某些较佳实施例中以至少0.1克/秒的速率通过一孔，或者在其它实施例中以至少0.5克/秒的速率通过一孔。可凝固流体可以按至少1克/秒的速率通过一孔。
提供可凝固流体流的步骤包括加热聚合材料，使液流凝固的步骤包括使分裂的液流冷却。提供可凝固流体流的步骤可以包括提供溶液中的聚合材料，使液流凝固的步骤包括使溶液蒸发。
例如，可凝固流体包括一液态聚合物。在某些较佳实施例中，液态聚合物包括一熔化聚合物。
可凝固流体可以包括一液态玻璃、一液态聚酯，例如聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(“PET”)、聚对苯二甲酸丁二酯或液态热塑性聚氨酯。
可凝固流体可以包括一液态溶液，该溶液包括一聚合材料，例如LEXAN和二氯甲烷或四氢呋喃或尿烷。
本发明的又一方面是通过提供一可凝固流体流；藉助使该液流通过形成一孔的本体，以便在液流离开该孔之前使其通过一电场，提供带有净电荷的液流；以及使分裂的液流凝固以形成纤维，从而生产静电形成的纤维。纤维可由聚酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、热塑性聚氨酯、碳或玻璃形成。纤维较佳地具有小于100微米的直径，更佳地具有小于10微米的直径。在某些较佳实施例中，纤维具有小于500纳米的直径，较佳地具有小于100纳米的直径，更佳地具有小于20纳米的直径。
在本发明的又一方面中，生产纤维的方法包括提供多条可凝固流体流。藉助使每条液流通过形成一孔的结构，以致在液流离开该孔之前使其通过一电场，使每条液流带有净电荷以使液流分裂，使每条分裂的液流凝固以形成纤维。用于多条液流的诸孔可用在用于大量生成纤维的组件中。
在本发明的又一方面中，形成带电固体的方法包括：提供一可凝固流体流；藉助使液流通过形成一孔的本体，以致在液流离开该孔之前使其通过一电场，提供带有净电荷的液流；以及在仍然带电的同时使可凝固流体流凝固。在某些较佳实施例中，液流在净电荷的影响下分裂。可凝固流体流最好具有10-6m2/V·sec的最大电荷迁移率。可凝固流体流最好具有0.1库仑/立方米的最小净电荷。
在本发明的又一方面中，用于生产纤维的设备包括：一供给系统，该供给系统适于输送一熔化的聚合材料流；以及一电荷注入装置，该电荷注入装置适于提供带有净电荷的液流，以使液流分裂，所述装置包括一本体，该本体形成一孔并且被设置成使液流在离开该孔之前通过一电场。
供给系统最好包括至少一个用于熔化聚合材料的加热器。在某些较佳实施例中，电荷注入装置包括一对电极，其中一对电极中的一个电极包括形成该孔的本体。在其它实施例中，电荷注入装置包括一电子枪。
在本发明的又一方面中，形成纤维的方法包括：以至少约0.02克/秒的速率提供一可凝固流体流；将电荷注入可凝固流体流，藉此使液流分裂并形成细丝；以及使细丝凝固。方法最好包括注入电荷以致注入至少约1库仑/立方米。方法较佳地包括以至少0.1克/秒的速率提供流体流，最佳地包括以至少1克/秒的速率提供流体流。
在本发明的又一方面中，形成纤维的方法包括：提供一可凝固流体流；将每立方米流体至少约1库仑的电荷注入可凝固流体流，藉此使液流分裂并形成细丝；以及使细丝凝固。最好以至少约0.02克/秒的速率提供液流。
在本发明的又一方面中，形成纤维的方法包括：以至少约0.03毫升/秒的速率提供一可凝固流体流；将电荷注入可凝固流体流，藉此使液流分裂并形成细丝；以及使细丝凝固。方法最好包括注入电荷以致注入至少约1库仑/立方米进入可凝固流体。方法较佳地包括以至少0.1克/秒的速率提供流体流，更佳地以至少1克/秒的速率提供流体流。
附图说明
根据以下的说明、所附的权利要求以及附图，可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：
图1是用于执行本发明的一个实施例的方法的设备的示意剖视图；
图2是用于图1的实施例的流体供给系统的示意图；
图3是在净电荷的影响下分裂的流体流的视图；
图4是用于实施本发明的又一实施例的方法的设备的剖视图；
图5是用于图4的设备的控制器的电路简图；
图6是图4和5的设备的前右侧局部立体简图；
图7是用于实施本发明的另一实施例的方法的设备的局部剖视简图；
图8是图7的设备的前左侧局部立体图；
图9是图7和8的设备的局部正视图；
图10是本发明的又一实施例的设备的带局部剖切的侧视图；
图11是沿图10的线11-11截取的剖视图；
图12是本发明的另一实施例的设备的带局部剖切的侧视图；
图13是沿图12的线13-13截取的剖视图；
图14是电极本体的电流相对于图1设备的工作电压的曲线图。
具体实施方式
如图1所示，用于执行本发明的一个实施例的方法的设备包括一分散装置10。一带有中心轴线14的导电金属体11具有一形成在其中的液体供应管线19，并且通入一中心腔12。图1所示的本体11具有一大致呈圆柱形的形状。最好是包括尽可能少的转角的形状。然而，本体11的形状并不是必要的。本体11形成用于装置10的一第一端13和一与第一端13相对的第二端15。本体11在装置的第一端13处形成一前壁16。前壁16在中心轴线14上具有一贯穿其中的孔开口22。一电绝缘支承件38设置在本体11的中心腔12内。绝缘体38大致呈圆柱形，并且与本体11共轴线。绝缘体形成多条大致径向延伸的液体分配通道44，以及一组靠近绝缘体外缘的轴向伸展槽49。径向通道44相互合并在中心轴线14附近，并且与槽49合并。此外，径向通道44和轴向槽49与本体11的供给管线19连通，以使供给管线借助径向通道44与绝缘体38的周边周围的所有轴向槽49连通。一流体源37将流体输送到供给管线19，以使流体通过通道44和槽49流到腔12。绝缘体38可由任何相当硬的电介质材料构成，例如玻璃、非玻璃陶瓷、热塑性聚合物或热固性聚合物。
电荷注入装置21包括一中心电极25。将中心电极25安装在绝缘体38内，并且通过绝缘体38与本体11电气绝缘。中心电极25具有一尖的前端42，该前端具有一设置成对准孔22并且与其十分接近的尖端40。中心电极25的前尖端40最好由具有无数小点43的一有刚毛的元件构成。例如，有刚毛的元件可由氧化钇稳定的氧化锆—钨共晶体构成。或者，电极可以包括一金属杆。将接地电极52安装成远离本体11和远离孔22。尽管在图1中将电极52图示成一平板，但其几何形状并不是关键性的。例如，接地电极52可包括一鼓。在将雾化液体引入容器、管道或其它封闭物的地方，接地电极52可以是封闭物的一壁。
接地电极52处于参考或接地电位。本体11借助一电阻器连接于接地电位47。中心电极25的尖端40连接于一电势源50。分散装置的上述构件通常与称为SPRAYTRIODE雾化器的装置的相应构件类似，在美国专利No.4,255,777的某些实施例中揭示了该雾化器，本文将援引其揭示作为参考。
可凝固流体可以包括任何液态的可凝固聚合物，例如液态聚合物或包括聚合材料的液态溶液。在某些较佳实施例中，流体包括一熔化聚合物，例如聚对苯二甲酸乙二酯(“PET”)。从流体源37供应熔化的PET，该流体源包括一供给系统，例如图2所示的供给系统37。图2的供给系统是一实验室装置。对于工业应用来说，使用一可购得的挤压机，该挤压机用于熔化PET并提供加压的PET。例如，可使用一螺旋型挤压机，该挤压机在挤压机内的摩擦影响下至少部分地熔化聚合材料。这些挤压机在本技术领域中是众所周知的。
供给系统37包括一贮存器41，可将粒状的PET放置在该贮存器中。贮存器具有一第一端45以及一与第一端45相对的第二端46。分散装置10通过一联轴器48附连在贮存器41的第一端45处。多个加热器51最好用于熔化粒状PET。如图2所示，一带式加热器51a位于贮存器41与分散装置10之间的联轴器48处。最好还将诸加热器定位在分散装置10上。将一带式加热器51b定位在装置10上，即装置10的第一端13处。还可将一带式加热器51c定位在分散装置10上，即装置10的第二端15处。
最好在内部和外部加热贮存器41。贮存器41包括一绳式加热器51d，与位置更靠近贮存器41的第一端45的带式加热器51e相比，绳式加热器的位置更靠近第二端46。最好还将一加热器设置在贮存器中，例如杆式加热器51f，通过一热电偶54将该加热器安装在第二端46上。
加热器将容纳在贮存器41中的粒状PET加热到用于熔化PET的运行温度。用于熔化PET的温度约在290℃与295℃之间。
例如，图2所示的特定供给系统37具有一310℃的最大运行温度。图2所示的贮存器41是一1升贮存器。作为示例，加热器可以是：一用于带式加热器51a的150瓦特带式加热器；一用于带式加热器51b的100瓦特带式加热器；一用于带式加热器51c的100瓦特带式加热器；一用于绳式加热器51d的500瓦特绳式加热器；若干用于诸带式加热器51e的650瓦特带式加热器；以及一用于杆式加热器51f的600瓦特杆式加热器。必须产生足够数量的热量以熔化用于运行的足够PET。例如，加热器51a-f产生足够的热量来熔化几百克PET。贮存器必须具有足够的容积来储存熔化的PET。较佳地是，在几个点处手工监测温度，最好是自动监测温度。例如，在图2所示的点Ta、Tb、Td、Ti、To、Tm、Tr、Tt和Tu处可以监测温度，以确保这些点处的温度不会超过用于系统构件的最大温度。
供给系统37包括一用来将压力供应给贮存器41的组件60。组件60附连在热电偶54上，并且将加压气体(例如空气)供应给贮存器41。供应给贮存器的压力提供一通过装置10的熔化的PET流。组件60具有一与加压气体的供应连接的第一端58以及一导向真空或排放的第二端56。供应熔化的PET流所需的实际压力取决于所使用的特定PET材料的粘性。
在使用熔化聚合物的实施例中，最好将装置10设计成适合熔化聚合物的热量。作为示例，可将美国专利No.4,255,777的某些实施例揭示的雾化器安装在不锈钢1/2″三角管(tee)中(将其改进以适合雾化器)，本文援引所述专利作为参考。该装置承受超过40巴的压力，同时暴露在325℃及以上的温度中。
在运行中，通过装置10的供给管线19供应熔化的PET，流过本体11中的径向通道44和轴向槽49。PET通过电极25的任何一侧的槽49流到腔12。随着PET向孔22连续流动，PET流过电极25的尖端40。运行电压源50，以便在电极25的尖端40上产生电荷。在电极25与本体11之间产生一电场。在通过孔22离开之前，PET流过电极25与本体11之间的电场。随着PET流过电场，电荷被注入PET流，提供带有净电荷的液流。
在净电荷的影响下，带电的液流的多个部分互相排斥。如图3所示，液流在净电荷的影响下分裂并开始分散。同时，熔化的PET冷却并开始凝固。尽管本发明并不限于任何运行理论，但相信沿纵向64从孔22中流出的液流62开始分散成从液流62向外延伸的诸细长丝66。沿液流62间隔地形成诸细丝66。相信随着熔化的PET冷却，这些PET的细长丝66将凝固成纤维。将纤维收集在孔22外面的空间中，并且在纤维保持电荷的情况下可以向电极52引导。
对于液态聚合物，可获得比上面讨论的已知的静电方法更大的生产率数量级。通过使用具有不同尺寸的诸孔以及改变可凝固流体的压力，可以增加产量的流动速率。在无法成功地大量生产纤维的产生纤维的现有技术静电方法中，提高的产量是令人惊奇的。使用上面揭示的方法，通过单个孔以约每秒1克的流动速率生产纤维或PET。
本发明的实施例已经获得足够用于纤维的工业生产的产量，所述纤维可使用于非织造材料、织物、过滤材料、农业应用以及医学领域中使用的材料。
可凝固流体实际上可以包括任何具有低得足以使电荷注入过程不会中止的电导率和/或电荷流动性的可凝固流体。换句话说，如果电荷在离开装置的孔之前通过流体到达装置本体，流体流将无法容纳净电荷，并且不会在净电荷的影响下分裂成细丝66(图3)。如果流体的电导率超过约104cu的电导率和/或电荷迁移率超过10-6m2/V·sec，流体不适合与装置10一起使用。当图1和2所示的装置中使用纺织等级标准IV为0.640的熔化的PET时，图14示出了相对于输入电压绘制的从电极到达装置本体的电流。
纤维可由任何可凝固材料构成。例如，在本发明的实施例的方法中，一陶瓷和粘合剂材料可用于形成纤维。例如，在本发明的实施例的其它方法中，金属也可用于形成纤维。又一示例是用液态流动的玻璃制成纤维。在本发明的方法中，用于形成纤维的可凝固流体包括熔化聚合物和处于液态溶液中的聚合材料。例如，可以使用以下溶液：四氢呋喃和尿烷和LEXAN和二氯甲烷。本发明的实施例的方法可用于形成刚性或半刚性的纤维。通过使可凝固的液体流凝固成固态或半固态材料制成的纤维可以形成纤维。
纤维可由任何聚合材料构成。仅作为示例，纤维可由聚酯构成，包括：被称为TEFLON的聚四氟乙烯材料；聚对苯二甲酸乙二酯(PET)；聚对苯二甲酸丁二酯；诸如LEXAN的聚碳酸酯；热塑性聚氨酯，例如被称为PELLETHANE或ESTANE、尼龙和其它多种材料。通过控制液态聚合物的特性或选择液态聚合物的类型，可以生产实际上具有任何强度并可用来加强材料的纤维。
使用美国专利No.4,255,777、4,991,774、5,093,602、5,378,957、5,391,958和5,478,266的某些实施例中叙述的电荷注入装置可实现用于生产纤维的直接电荷注入，本文将援引所述专利的揭示作为参考。本发明的某些较佳实施例包括电荷注入装置，该电荷注入装置具有美国专利No.6,161,785、提交于1999年10月29日的美国专利申请No.09/430,633、提交于1999年10月29日的No.09/430,632和提交于1999年12月30日的No.09/476,246的某些实施例中揭示的特征，本文将援引所有这些专利的揭示作为参考。
在静电雾化器中，经历了在离开的带电流附近引起故障的电晕。当电荷到达关键程度时，发生电晕引起的故障并且使雾化流体的羽状物破裂。如果必须或最好减少该种现象发生在分散装置中，分散装置110设有一图4-6所示的控制反馈系统，并且如同提交于1999年10月29日的美国专利申请No.09/430,633的某些实施例揭示的那样，本文将援引其揭示作为参考。或者，提交于1999年10月29日的美国专利申请No.09/430,632的某些实施例的脉冲雾化器可用于解决电晕引起的故障，本文将援引该专利的揭示作为参考。
图4-6所示的本发明的实施例有一分散装置110，该装置具有一形成孔122的本体111。一电势源150连接于一中心电极125，一流体源137向本体111中的通道供应流体。这些元件基本上如同上面结合图1和2所讨论的那样，图1和4中的相似元件具有相似的标号。
分散装置110包括一传感器，该传感器包括一环形天线170。例如，天线可包括一直径为0.5毫米的绝缘导线，该导线的形状为环绕在装置110的孔122周围的开环。电源150包括一高电压电源，如图5所示，该高电压电源包括一控制器180和DC-DC转换器162。控制器180包括一具有中央处理器(“CPU”)163的电路，该中央处理器连接于双数字电阻器164。电阻器164连接在一模拟开关181上，该模拟开关依次连接在一放大器182上。放大器182连接在DC-DC转换器上。晶体管185连接在开关181和CPU 163上。电路包括又一放大器183，该放大器连接在天线170上。在又一实施例中，放大器182和183被包括在一个构件中。图5所示的电路中可以使用许多本技术领域中的熟练人士已知的构件。运行控制器180，改变用于分散装置110的工作电压，所述工作电压由电源150提供。天线170检测信号，控制器180的构件控制电压源150的工作电压，以避免如同美国专利申请No.09/430,633中揭示的由电晕引起的故障。
在某些较佳实施例中，孔可设有一用于改变孔的尺寸的固定件200。如图7所示，通常与图1和2所示的装置10相似的装置210包括安装在第一端213上的固定件200。固定件200包括一大致呈圆柱形的套筒220，该套筒220具有一壁221，该壁部分覆盖装置210的前壁216。壁221具有曲线边缘223，该边缘与套筒220连接在一起。壁221终止于被圆形切口225断开的大致呈直线的边缘224。沿壁224定位切口225，以使装置210的孔222暴露并且不会被壁221阻塞。固定件200具有一初始位置，如图8所示，其中孔222暴露在切口225中。如图9所示，固定件200可旋转地安装在装置210上，并且可以沿方向226旋转，以使壁221移动到孔222之上。以这种方式，壁221部分地阻挡孔222，藉此减少孔222的有效尺寸。如果必须改变孔222的尺寸来改变在操作期间流体的流动速率，可旋转固定件200以改变孔222的尺寸。另外，最好在装置210的操作之间改变孔的尺寸。例如，可用具有一第一粘度的可凝固流体来运行装置210。可改变孔的尺寸，以便用具有一第二粘度的可凝固流体来运行同一装置210，以获得与具有第一粘度的流体所获产量相同的产量。在又一示例中，使用被固定件200的壁221部分阻挡的孔222来运行装置210。为了冲洗孔222的任何碎片或阻塞，沿着与方向226相反的方向旋转固定件200，以使孔222完全暴露，并且关闭中心电极的电源，以使不带电的流体从孔222中流出。以该种方式，可以冲洗孔222的碎片。美国专利No.6,161,785的某些实施例中揭示的可变化的孔也可与以上实施例中讨论的分散装置一起使用，本文将援引该专利的揭示作为参考。
美国专利申请No.09/476,246中揭示的某些实施例在被称为SPRITZ CHIP装置的单个喷嘴中设置多个孔，本文将援引所述专利的揭示作为参考。相似的结构可用来为纤维成形提供多个流体流。例如，在图10和11中示出了该个实施例。一分散装置包括一具有一第一壁324和一第二壁325的本体320，第二壁通常与第一壁平行，但与其隔开。第一壁324形成多个排放孔326。第一壁324由导电材料或由诸如二氧化硅的电介质材料构成。在第一壁324包括一电介质材料的地方，通过将诸如金属的导电材料制成的涂层设置在该表面上，以便在第一壁324的外表面328上形成与所有孔326共有的外部电极350。一绝缘内部结构321使第一壁324和第二壁325保持相互间隔，该内部结构包括多个将诸壁之间的空间细分为大量六边形腔室或内部空间322的壁。将六边形空间322设置在具有孔326的中心上，以使每个孔对准一个六边形空间的中心。将发射体电极344安装在第二壁325上，并且对准孔326。第二壁325可包括一绝缘材料，或结合一电介质层327以及一与所有发射体电极344电气连接的导电层323。第二壁325具有大量贯穿其中的流体通道330。这些孔形成一用于过滤将用来形成纤维的可凝固流体的过滤器。通道330的相对尺寸取决于所采用的特定可凝固流体和流体粘度。出于图示的质量，在图10和11中放大了通道330的尺寸。
与用于形成半导体芯片和相关装置的技术类似，可以使用微型加工制造技术来制造本发明的该实施例的分配装置。可使用光刻技术、电镀、真空沉积或使用在半导体制造中的其它传统技术。通过在用于形成第二壁325的相同质量的材料上蚀刻和/或沉积，可以形成发射体电极。例如，通过溅射、通过蒸汽沉积或通过化学蒸汽沉积可以形成钨发射体。在该技术的变化型式中，可以与第二壁325一起制造内部结构321，以使内部结构与第二壁构成一体。同样，尽管内部结构被完全图示成将壁324和壁325之间的空间分成完全单独的空间322，但这些空间是相互连通的。
在本发明的又一实施例中，空间422对用于输送可凝固流体的通道是开放的(见图12和13)。因而，第二壁425并未包括用于过滤可凝固流体的孔。该实施例的其余特征基本上与图10和11相似，图12和13的相似特征具有与图10和11相似的标号。
以与上面结合图1和2所讨论的装置类似的方法使用图10至13所示的装置。例如，使电极344与电源的高压终端相连，而最好通过将第二电极连接于地面以使第二电极350与低电位相连。在装置的远处设置一第三接地电极(图中未示出)。通过流体入口孔330将可凝固流体输送到六边形空间322，并且通过排放孔326排出。再者，电极344与外部电极350之间的电场将电荷注入向下游通入排放孔326的流体之中。注入的电荷导致流体的分散和纤维的形成。
可将图10至13所示的装置制造成任何尺寸，根据使用的可凝固流体来确定孔、六边形空间的尺寸和第一壁与第二壁之间的距离。
在装置中使用多个孔可提供一些重要的优点。首先，影响一个孔的堵塞或其它问题将不会引起装置的完全失效。同样，任何数量的孔可用于提供具有更大或更小的流动能力的装置，而且不会改变装置的其它运行特征。一多孔装置可用于在工业或商业上大规模地生产纤维。
还可以在孔的附近使用一电子束来实现本发明的电荷注入以形成纤维，以便在流体从孔中流出时或恰好在液流通过孔之前使电子束中的电子撞击流体。美国专利No.5,378,957、5,093,602、5,391,958中揭示了以前用于雾化液体的电子束装置，本文将援引所述专利的揭示作为参考，并将其复印件附在这里。
尽管已经结合特定实施例叙述了本发明，但应予理解的是，这些实施例只是说明本发明的原理和应用的。因此应予理解的是，在不背离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可对说明性的实施例进行多种修改，并且设计其它设置。
示例
在以下示例中，图1和2的设备中使用两种PET。孔的直径是406微米，并且通过设备供给标准IV 0.640 PET。孔的尺寸影响给定的流体产量所需的工作压力，以及可获得的电荷密度。较大的孔直径使工作压力降低，并且获得较低的电荷密度。在406微米直径设备中，PET流中获得的最大电荷密度是250微米直径孔设备中获得的最大电荷密度的约62％。设备的贮存器被加压到19巴(275磅/平方英寸)。熔化的PET通过直径为406微米的孔的流动速率为0.8克/秒。PET的容积流动速率约为0.57毫升/秒。
从分散装置的孔中流出的流体的电荷密度随着横越孔的直径而变化。与液流的中心部分相比，流体流的外部具有较高的电荷。406微米设备的平均电荷密度是0.88库仑/m3。
只需要2.7千伏的工作电压来对熔化的PET充电就足以形成纤维。这是纤维形成过程中一个令人惊奇的特征。在与mil-C-7024型II标定流体一起使用该设备时，需要5-6千伏来分裂标定流体流。
406微米直径设备中产生的纤维通常是光滑和锥形的。纤维的一小部分具有分支，并且包括纤维间的接合点。许多纤维是中空的。相信中空的纤维是由纤维生成过程中陷在熔化的PET中的气泡延伸而成的。许多纺织等级PET纤维具有100微米或更大的直径。
406微米直径设备与标准IV 0.589 PET一起使用。该PET的粘性小于先前讨论的纺织等级PET。纺织等级PET在295℃中具有1845泊的粘度，粘度较小的PET在295℃中具有1180泊的粘度。
在相同的压力下运行供给系统。生产出的纤维具有低于100微米的直径，并且许多纤维具有10微米或更小的直径。直径约为700微米的相对较大的微滴附连在纤维上。由于纺织等级PET在形成微滴之前冷却，因此相信纺织等级PET不会产生这样的微滴。如图3所示，例如，从孔中流出的流体流分裂成最终形成微滴的细长丝。另一方面，纺织等级PET中产生的分支表示PET流在形成单独的纤维之前冷却。因而，控制形成纤维的孔的外部区域的加热可用来增加纤维的产量。PET纤维在形成后保持电荷。较细的纤维保持较高的电荷，并且受到与孔隔开的接地电极的吸引。
根据本发明的实施例的方法，将净电荷注入可凝固流体，并且在流体凝固后将电荷保持在纤维中。例如，随后可将带电纤维用作静电过滤的材料。
PET纤维具有10微米或更小的直径。使用本发明的实施例的方法和设备可以生产更小的纤维。在又一示例中，图1和2所示的设备用于从提供在带四氢呋喃的一溶液中的称为PELLETHANE的热塑性聚氨酯形成纤维。生产的纤维直径的范围从约20纳米到约500纳米。
工业适用性
本发明的工业适用性是制造人造纤维。

Claims (42)

1.一种生产纤维的方法，该方法包括：
提供一可凝固流体流；
藉助使液流通过形成一孔的本体，以致在液流离开所述孔之前使其通过一电场，提供带有净电荷的液流以使液流分裂；以及
使分裂的液流凝固以形成纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供带有净电荷的液流的步骤包括将净电荷注入液流。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，注入净电荷的步骤包括注入净电荷以便形成—用于至少0.5兆伏/米的液流的自电场。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，可凝固流体包括一液态聚合物。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，液态聚合物包括一熔化聚合物。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从以下组群中选择可凝固流体，该组群包括：一液态玻璃；一液态聚酯；液态聚四氟乙烯；液态聚对苯二甲酸乙二酯；液态聚对苯二甲酸丁二酯；以及液态热塑性聚氨酯。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，可凝固流体包括一液态溶液，该溶液包括一聚合材料。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，提供液流的步骤包括加热聚合材料，使液流凝固的步骤包括使分裂的液流冷却。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，提供液流的步骤包括提供一溶液中的聚合材料，使液流凝固的步骤包括使溶液蒸发。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供可凝固流体流的步骤包括使可凝固流体以至少0.1克/秒的速率通过一孔。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，提供可凝固流体流的步骤包括使可凝固流体以至少0.5克/秒的速率通过一孔。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，提供可凝固流体流的步骤包括使可凝固流体以至少1克/秒的速率通过一孔。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供带有净电荷的液流的步骤包括使液流通过所述孔附近的一对电极之间，同时保持电极之间的电位差。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，一对电极中的一个电极包括形成所述孔的本体。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，注入净电荷的步骤包括使液流通过位于所述孔附近的电子枪。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当分裂的液流离开所述孔时对其进行加热。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供带有净电荷的液流的步骤包括提供具有至少0.5库仑/立方米的电荷密度的液流。
18.一种生产纤维的方法，该方法包括：
通过多条可凝固流体流；
藉助使每条液流通过形成一孔的结构，以致在液流离开所述孔之前使其通过一电场，提供多条带有净电荷的液流以使液流分裂；以及
使每条分裂的液流凝固以形成纤维。
19.一种形成带电固体的方法，该方法包括：
提供一可凝固流体流；
藉助使液流通过形成一孔的本体，以致在液流离开所述孔之前使其通过一电场，提供带有净电荷的液流；
使可凝固流体流凝固，同时仍然带电。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，液流在净电荷的影响下分裂。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，可凝固流体流具有10-6m2/V·sec的最大电荷迁移率。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，可凝固流体流具有0.1库仑/立方米的最小净电荷。
23.一种用于生产纤维的设备，该设备包括：
一供给系统，所述供给系统适于输送一熔化的聚合材料流；
一电荷注入装置，所述电荷注入装置适于提供带有净电荷的液流，以使所述液流分裂，所述装置包括一本体，所述本体形成一孔并且被设置成使所述液流在离开所述孔之前通过一电场。
24.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述电荷注入装置包括一对电极，所述一对电极中的一个电极包括形成所述孔的本体。
25.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述供给系统包括至少一个用于熔化聚合材料的加热器。
26.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述电荷注入装置包括一电子枪。
27.一种形成纤维的方法，该方法包括以下步骤：
以至少约0.01克/秒的速率提供一可凝固流体流；
将电荷注入可凝固流体流，藉此使液流分裂并形成细丝；以及
使细丝凝固。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，实现注入电荷的步骤，以便注入至少约0.6库仑/立方米的所述可凝固流体。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，提供一液流的步骤包括以至少0.1克/秒的速率提供一液流。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，提供一液流的步骤包括以至少1克/秒的速率提供一液流。
31.一种形成纤维的方法，该方法包括以下步骤：
以至少约0.01克/秒的速率提供一可凝固流体流；
将每立方米流体至少约0.6库仑的电荷注入所述可凝固流体流，藉此使所述液流分裂并形成细丝；以及
使所述细丝凝固。
32.一种形成纤维的方法，该方法包括以下步骤：
以至少约0.03毫升/秒的速率提供一可凝固流体流；
将电荷注入所述可凝固流体流，藉此使所述液流分裂并形成细丝；以及
使所述细丝凝固。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，实现注入电荷的步骤，以便对每立方米的所述可凝固流体注入至少约1库仑。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，提供一液流的步骤包括以至少0.1毫升/秒的速率提供一液流。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，提供一液流的步骤包括以至少0.5毫升/秒的速率提供一液流。
36.通过权利要求1所述的过程生产静电形成的纤维。
37.如权利要求36所述的纤维，其特征在于，纤维由以下组群中选择的材料制成，该组群包括：陶瓷、聚酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、热塑性聚氨酯、碳和玻璃。
38.如权利要求36所述的纤维，其特征在于，所述纤维具有小于100微米的直径。
39.如权利要求38所述的纤维，其特征在于，所述纤维具有小于10微米的直径。
40.如权利要求39所述的纤维，其特征在于，所述纤维具有小于500纳米的直径。
41.如权利要求40所述的纤维，其特征在于，所述纤维具有小于100纳米的直径。
42.如权利要求41所述的纤维，其特征在于，所述纤维具有小于20纳米的直径。
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