JP2018076636A - 静電紡糸装置及びそれにより製造されるナノファイバー - Google Patents

Abstract

【課題】ナノファイバーの製造プロセス及び装置の提供。
【解決手段】（ａ）第１の供給端１２０及び反対側の第１のノズル端１２２を有する中央管１１２であって、液体ポリマー１２８を提供するように適合された中央室の境界を、長さ方向の軸に沿って定める中央管１１２；（ｂ）中央管１１２を取り囲むように配置され、第２の供給端１３０及び反対側の第２のノズル端１３２を有するガス供給管１１４であって、高速ガスストリームを提供するように適合された外室の境界を、長さ方向の軸に沿って定めるガス供給管１１４；（ｃ）中央管１１２に近接し、荷電液体ポリマージェット１４０を形成するために、電荷を液体ポリマー１２８に付与するように適合された電圧供給源１３８；及び（ｄ）荷電液体ジェット１４０から形成されて硬化されたナノファイバーを捕捉するように位置する収集装置を備える、ナノファイバーを形成する静電紡糸装置。
【選択図】図１

Description

［関連出願への相互参照］
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる２０１０年２月１８日出願の米国特許仮出願第６１／３０５，７３０号、及び２０１０年２月１５日出願の米国特許仮出願第６１／３０４，６６６号の利益を主張する。

［米国政府の利害の記述］
本発明は、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎにより授与されるＣＡＲＥＥＲ Ａｗａｒｄ ＣＴＳ−０４４８２７０の下で米国政府の援助により行われた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。

［発明の分野］
本発明は、ナノファイバーの製造プロセス及び装置を指向する。特に、ナノファイバーは、ガスを利用するプロセスにより製造され、装置は、繊維形成材料をガスストリームに送達するように特に適合されていて、それによりナノファイバーの形成を開始する。

静電紡糸は、ナノファイバーを含む繊維を静電力の作用により形成するプロセスである。ポリマーの界面における電気的力が表面張力にまさる場合に、荷電したジェットが噴出する。ジェットは最初直線で伸びて、次にノズルから収集装置まで飛行中に種々の鞭打ち（ｗｈｉｐｐｉｎｇ）運動を経る。ポリマーは、通常、接地された編み目又は表面積の大きい不織布マットの形態の板の上に収集される。生成した繊維は極細で、直径は、ミクロンスケールからナノスケールの範囲である。質量に対する表面積の比が大きいポリマーナノファイバーは、高性能濾過、化学的検知、及びバイオメディカル工学を含む広範囲の分野における応用に大きい可能性がある。

本明細書において提供されるのは、ナノファイバーを形成する静電紡糸装置であり、液体ポリマーを提供するのに適した第１の導管（ｃｏｎｄｕｉｔ）及びガスストリームを提供するのに適した第２の導管を備える。幾つかの実施形態において、第１の導管及び第２の導管は管（ｔｕｂｅｓ）である。ある実施形態においては、第１の導管が第２の導管を取り囲む。他の実施形態においては、第２の導管が第１の導管を取り囲む。幾つかの実施形態において、ガスストリームは高速ガスストリームである。ある実施形態において、ガスストリームは加熱される。幾つかの実施形態において、加熱されたガスストリームは、液体ポリマージェットを提供する第１の導管の末端で高温を維持する。ある実施形態において、液体ポリマーは混合物のないポリマー溶融物（ｎｅａｔ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｅｌｔ）である。他の実施形態において、液体ポリマーは、溶媒を含む（例えば、ポリマー溶液）。幾つかの実施形態において、溶媒は低揮発性である。ある実施形態において、加熱されたガスストリームは溶媒蒸発を促進する。他の実施形態において、ガスストリームは冷却される。ある実施形態において、溶媒は高揮発性である。幾つかの実施形態において、冷却されたガスストリームは溶媒蒸発及び／又は早すぎる固化を抑制する。

本明細書において提供されるのは、第１の供給端及び反対側の第１のノズル端を有する中央管であって、液体ポリマーを提供するように適合された中央室の境界を長さ方向の軸に沿って定める中央管；中央管を取り囲むように配置され、第２の供給端及び反対側の第２のノズル端を有するガス供給管であって、高速ガスストリームを提供するように適合された外室の境界を長さ方向の軸に沿って定めるガス供給管；中央管に近接し、荷電液体ポリマージェットを形成するために、電荷を液体ポリマーに付与するように適合された電圧供給源；及び荷電液体ジェットから形成されて硬化されたナノファイバーを捕捉するように位置する収集装置を備える、ナノファイバーを形成する静電紡糸装置である。
である。

幾つかの実施形態において、静電紡糸装置は、ガス供給管に接続したガイド管を紡糸区域内にさらに備え、ガイド管は、高速ガスストリームと液体ポリマーとの混合領域を提供するように配置されている。ある実施形態において、静電紡糸装置は高速ガスストリームを加熱するヒータをさらに備える。幾つかの実施形態において、静電紡糸装置は、液体ポリマーを加熱するヒータをさらに備える。他の実施形態においては、静電紡糸装置は、高速ガスストリームを冷却するクーラを備える。

ある実施形態において、第１のノズル端及び第２のノズル端は、長さ方向の軸に沿って軸の同じ位置にある。幾つかの実施形態において、ガス供給管は、複数の高速ガスストリームを提供するために複数の室を備える。ある実施形態において、中央管は、複数の液体ポリマージェットを提供するために複数の室を備える。

幾つかの実施形態において、液体ポリマーは揮発性溶媒を含む。ある実施形態において、高速ガスストリームは溶媒の蒸気を含む。幾つかの実施形態において、硬化されたナノファイバーは、直径が５０ｎｍから１０μｍの範囲内にある。ある実施形態において、ガスストリームの速度は、１ｍ／ｓから３００ｍ／ｓの範囲内にある。幾つかの実施形態において、ガスストリームの温度は、３１３Ｋから５２３Ｋの範囲内にある。

第１の供給端及び反対側の第１のノズル端を有する中央管であって、高速ガスストリームを提供するように適合された中央室の境界を長さ方向の軸に沿って定める中央管；中央管を取り囲むように配置され、第２の供給端及び反対側の第２のノズル端を有するポリマー供給管であって、ポリマー液体を提供するように適合された外室の境界を長さ方向の軸に沿って定めるポリマー供給管；ポリマー供給管に近接し、荷電液体ポリマージェットを形成するために、電荷を液体ポリマーに付与するように適合された電圧供給源；及び荷電液体ジェットから形成されて硬化されたナノファイバーを捕捉するように位置する収集装置を備える、ナノファイバーを形成する静電紡糸装置も、本明細書において提供される。

幾つかの実施形態において、静電紡糸装置は、高速ガスストリームを加熱するヒータをさらに備える。ある実施形態において、静電紡糸装置は、液体ポリマーを加熱するヒータをさらに備える。他の実施形態において、静電紡糸装置は、高速ガスストリームを冷却するクーラをさらに備える。

幾つかの実施形態において、第１のノズル端及び第２のノズル端は、長さ方向の軸に沿って軸の同じ位置にある。ある実施形態において、ガス供給管は、複数の高速ガスストリームを提供する複数の室を備える。幾つかの実施形態において、中央管は、複数の液体ポリマージェットを提供する複数の室を備える。

ある実施形態において、液体ポリマーは揮発性溶媒を含む。幾つかの実施形態において、高速ガスストリームは溶媒の蒸気を含む。ある実施形態において、硬化されたナノファイバーはナノファイバーの軸に沿った中空部分を含み、その場合硬化されたナノファイバーの直径は、５００ｎｍから１０μｍの範囲内にある。幾つかの実施形態において、ガスストリームの速度は、約１ｍ／ｓを超え、約１０ｍ／ｓを超え、又は１ｍ／ｓから３００ｍ／ｓの範囲内にある。ある実施形態において、ガスストリームの温度は、３１３Ｋを超え、又は３１３〜５２３Ｋの範囲内にある。

本明細書においてさらに提供されるのは、第１の供給端及び第１のノズル端を有する、液体ポリマーを送り出すのに適した第１の導管；第１の導管に近接して配置された、第２の供給端及び第２のノズル端を有する少なくとも１つのガス供給導管；及び第２のノズル端から高速ガスを放出するのに適した高圧ガスシステムを備える、ナノファイバーを形成する静電紡糸装置である。幾つかの実施形態において、高圧ガスシステムは、ポンプ、高圧ガス缶、及び／又は第２のノズル端が第２の供給端より狭くなっているテーパの付いたガス供給導管を備える。ある実施形態において、ガス供給導管は、複数の第２のノズル端を備える。

高速ガスを用いて液体ポリマーを静電紡糸することを含む、ナノファイバーを調製するプロセスも、本明細書において提供される。幾つかの実施形態においては、液体ポリマーが高速ガスを取り囲む。他の実施形態においては、高速ガスが液体ポリマーを取り囲む。幾つかの実施形態においては、高速ガスを加熱する。ある実施形態において、液体ポリマーは、混合物のないポリマー溶融物又はポリマー溶液である。幾つかの実施形態において、高速ガスは溶媒又は試薬の蒸気を含む。

本明細書においてさらに提供されるのは、荷電液体ポリマーを高速ガスストリーム中に注入することを含む、ナノファイバーを調製するプロセスである。幾つかの実施形態において、液体ポリマーは、混合物のないポリマー溶融物又はポリマー溶液である。ある実施形態においては、高速ガスストリームが液体ポリマーのジェットを取り囲む。幾つかの実施形態においては、高速ガスストリームを加熱する。ある実施形態において、高速ガスは溶媒又は試薬の蒸気を含む。ある実施形態において、高速ガスストリームは、ガイドチャンネル内に閉じ込められる。

連続的に細線化（ａｔｔｅｎｕａｔｅ）する液体ポリマージェットを発生させることを含む静電紡糸プロセスも、本明細書において提供される。

本明細書においてさらに提供されるのは、本明細書に記載した任意のプロセスにより又は任意の静電紡糸装置を使用して調製される繊維である。

本明細書において提供されるのは、ポリマーを含み、少なくとも１０％の繊維が中空である中空ナノファイバーである。幾つかの実施形態において、ナノファイバーは直径が１μｍ未満である。ある実施形態において、ポリマーは熱可塑性ポリマーを含む。幾つかの実施形態において、ポリマーは水溶性ポリマーを含む。ある実施形態において、ポリマーは、変性したタンパク質系成分を含む。

直径が１μｍ未満の、溶媒を含まない繊維も本明細書において提供される。幾つかの実施形態において、溶媒を含まない繊維は水溶性ポリマーを含む。ある実施形態において、水溶性ポリマーは、ダイズタンパク質などのタンパク質又は変性したタンパク質である。幾つかの実施形態において、水溶性ポリマーは、有機溶媒中に可溶でなく及び／又は有機溶媒中で分解する。ある実施形態においては、本明細書に記載した溶媒を含まない複数の繊維を含む繊維マットにおいて、溶媒を含まない複数の繊維は集塊にならない。

本明細書においてさらに提供されるのは、直径が１μｍ未満の溶融静電紡糸繊維である。

水溶液から静電紡糸された低含水率の繊維も本明細書において提供される。幾つかの実施形態においては、本明細書に記載した水溶液から静電紡糸された複数の繊維を含む繊維マットにおいて、繊維は集塊にならない。

本発明の新規な特徴は、添付の特許請求の範囲内の特殊性で説明される。本発明の特徴及び利点のよりよい理解は、本発明の原理が利用される例示的実施形態を示す以下の詳細な記載、及び添付図面を参照することにより得られるであろう。図面は、必ずしも比例した尺度によらず、概して本発明の原理の例示に強調を置いている。図面中で、種々の図を通して同様な数字は同様な部分を示すために使用される。

加熱されたガス供給のための外側チャンネルを有する、ガス補助溶融静電紡糸（ＧＡＭＥ）プロセスで使用する紡糸口金（ｓｐｉｎｎｅｒｅｔ）の略図である。

加熱されたガス供給のための内側チャンネルを有する、ＧＡＭＥプロセスで使用する紡糸口金の略図である。

指定された場所にポリマー溶融物を導くガイド管を有するＧＡＭＥシステムの略図である。

温度を調整したガス供給のための外側チャンネルを有する、ガス補助溶液静電紡糸（ＧＡＳＥ）プロセスで使用する紡糸口金の略図である。

温度を調整したガス供給のための内側チャンネルを有する、ＧＡＳＥプロセスで使用する紡糸口金の略図である。

ポリマー溶液ジェットを指定された場所に導くガイド管を有するＧＡＳＥシステムの略図である。

ＰＬＡ溶融静電紡糸における加熱空気の速度及び温度の、ジェットの細線化に対する効果を示す図である（Ｖ_ＡＩＲ及びＴ_ＡＩＲは軸方向の位置（ｚ）により変化せず、Ｂ＝０．６である）。

（Ａ）有限体積解析による加熱空気の温度及び速度プロファイル、及び（Ｂ）対応する溶融静電紡糸モデルの結果を示す図である。

溶融静電紡糸されたままのＰＬＡ繊維マットの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す図である；（Ａ）ガス補助紡糸口金なし（目盛りのバー：１０μｍ）及び（Ｂ）ガス補助系あり（目盛りのバー：１μｍ）。

静電紡糸プロセス及び装置並びに静電紡糸された繊維が、本明細書における種々の実施形態において提供される。ある実施形態において、本明細書において提供されるのは、液体ポリマーを提供するのに適した第１の導管及びガスストリームを提供するのに適した第２の導管を備える、ナノファイバーを形成する装置、並びに／又はそれを使用するプロセスである。そのような静電紡糸プロセス及び装置は、例えば、ポリマー溶融物（混合物のないポリマー溶融物、又は溶媒若しくは試薬などの追加の材料を含むポリマー溶融物など）又はポリマー溶液を含む任意の適当な液体ポリマーで使用することができる。

幾つかの例において、ポリマー溶融物から直接静電紡糸することにより、いくつかの利点が提供される。第１に、有機溶媒へのポリマーの溶解及びそれらの除去／再循環が最早必要とされない。第２に、溶媒蒸発による質量の損失がないので、より高い処理能力を達成することができる。第３に、ポリエチレン及びポリプロピレンなどの室温で適当な溶媒を有しないサブミクロンスケールのポリマー繊維を得ることができる。

ある場合には、静電紡糸（例えば、ポリマー溶融物から）は、複雑な機構を簡略化すること、静電紡糸装置のノズルにおけるポリマーの固化又は沈殿を防止又は阻止すること、ポリマーの粘度（及び／又はポリマー直径）を下げること、及び液体ポリマーの導電性を改善することなどにより改善することができる。一態様において、本明細書において提供されるのは、ポリマーを溶融状態に保つために高温ノズルが利用され、且つ、静電紡糸中にジェットが細くなることを保つためにさらなる変形が利用される装置又はプロセス（例えば、溶融静電紡糸）である。

本明細書においてさらに提供されるのは、ガス補助溶融静電紡糸（ｇａｓ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｍｅｌｔ ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ）が利用される装置及びプロセスである。そのような技法は、加熱されたガスストリーム（例えば、高速の加熱されたガスストリーム）を、２つ以上の軸方向のジェット（例えば、少なくとも１つのガスジェット及び少なくとも１つの溶融ジェット）の１つに適用することを含むことができる。加熱されたガスジェットは、内部溶融ジェット（単数又は複数）のためのノズル加熱を確保し、したがって固化を遅らせることができる。幾つかの例において、加熱されたガスは紡糸口金の外側チャンネルを通過するので、紡糸口金の内側チャンネル中の溶融ポリマーの温度は高く保たれて、さらに、噴出され加熱されたガスジェットが巨大な接線方向の牽引力（ｄｒａｇ ｆｏｒｃｅ）により溶融ジェットをさらに細くする。加熱されたガスの高い流速により、ジェット表面にさらなる牽引力を加え続けて、より高い製造速度でより細い繊維を生じさせることができる。幾つかの例においては、ガス補助溶融静電紡糸（ＧＡＭＥ）プロセスにおけるガスストリームの温度、量、及び速度の制御により、より細い繊維のより高い製造速度での製造が可能になる。幾つかの例においては、加熱されたガスストリームによって起こされたさらなる変形により、鞭打ち運動を誘起しなくても、サブミクロンスケールの繊維が溶融静電紡糸から得られる。ポリマージェットの鞭打ち運動がない場合、加熱されたガスストリームにより取り囲まれた溶融ジェットのためのガイドチャンネルを、製品の繊維の配向及び配置を制御するために場合により取り付けることができる。

内側チャンネルがガスストリームのために使用される逆の構成においては、生ずる繊維は、繊維軸に沿った中空構造を有することができる。制御されたガスが紡糸口金の内側チャンネルを通って走り、それと同時に、溶融ポリマーが外側チャンネルを通過する。幾つかの例においては、内側のガスストリームが、外側の溶融ジェットの途切れを防止して、繊維軸に沿った中空構造を有する繊維が生ずる。

さらに、ガス補助静電紡糸プロセスは、溶液静電紡糸にも、特に、低揮発性の溶媒を使用するシステムに適用される。例えば、水は非常に蒸発し難い。それでも、ある場合には、ガスストリームにより誘起された空気の対流により溶媒蒸発が増大し、それと同時にジェット表面にかかる牽引力により、ジェットがさらに細くなる。揮発性の高い溶媒を使用する溶液静電紡糸を適用するためには、冷ガスストリームによって、溶媒蒸発及び早すぎる固化が抑制されることで、より細い繊維が製造される。

ＧＡＭＥ−外側ガスストリーム
一態様において、本明細書において提供されるのは、高速ガスストリームを通すように構成された外側チャンネルと液体ポリマーを通す内側チャンネルとを備えるガス補助静電紡糸装置である。ある実施形態においては、液体ポリマーは溶融した液体ポリマーである。幾つかの実施形態においては、溶融した液体ポリマーは溶媒をさらに含む。

本明細書において提供されるのは、図１によりナノファイバーを形成する静電紡糸装置１１０である。幾つかの例において、本明細書に記載した静電紡糸装置は、第１の（例えば、液体ポリマー又は溶融）管１１２、及び中央管に近接したガス供給管１１４を備える。幾つかの実施形態において、装置は、加熱システム１１６（例えば、ヒータ）をさらに備える。ある実施形態において、装置は、高圧ガスシステム１１８（即ち、ガス供給管のノズル端で高速ガスを提供するのに適したシステム）をさらに備える。幾つかの実施形態において、第１の管１１２（例えば、中央管）は、第１の供給端１２０及び第１のノズル端１２２を（例えば、反対側の端に）有する。特定の実施形態において、第１の（例えば、中央）管１１２は、液体ポリマー１２８を提供するのに適した、そのように構成され及び／又は適合された、長さ方向の軸１２６に沿った室１２４との境界を定める。ある実施形態においては、第２の供給端１３０及び第２のノズル端１３２を有する（例えば、反対側の端に）ガス供給管１１４が、中央管１１２を取り囲むように配置される。幾つかの実施形態において、ガス供給管１１４は、高速ガスストリーム１３６を提供するのに適した、そのように構成され及び／又は適合された外室１３４の境界を（例えば、長さ方向の軸に沿って）定める。幾つかの実施形態において、静電紡糸装置１１０は、第１の管に近接した電圧供給源１３８をさらに備える。特定の実施形態において、電圧供給源１３８は、荷電液体ポリマージェット１４０を形成するために電荷を液体ポリマーに付与するのに適しており、そのように構成され及び／又は適合されている。幾つかの実施形態において、静電紡糸装置１１０は、荷電液体ポリマージェット１４０から形成され硬化されたナノファイバーを捕捉するように位置する収集装置をさらに備える（例えば、図３を参照されたい）。ある実施形態において、収集装置は接地されている。幾つかの実施形態において、管１１２は、円形、楕円形、正方形、又は他の適当な断面形状を有する。

第１の供給端及び第１のノズル端を有する、液体ポリマーを送り出すのに適した第１の導管；第２の供給端及び第２のノズル端を有する、第１の導管に近接して配置された少なくとも１つのガス供給導管；及び第２のノズル端から高速ガスを放出するのに適した高圧ガスシステムを備えるナノファイバーを形成する静電紡糸装置も、本明細書において提供される。幾つかの実施形態において、高圧ガスシステムは、ポンプ、高圧ガス缶、及び／又は第２のノズル端が第２の供給端より狭いようなテーパの付いたガス供給導管を備える。ある実施形態において、ガス供給導管は複数の第２のノズル端を備える。

幾つかの実施形態において、第１のノズル端１２２及び第２のノズル端１３２は、長さ方向の軸１２６の同じ端に位置する。ある実施形態において、第１のノズル端及び第２のノズル端１３２は、長さ方向の軸に沿って軸の同じ位置にある。幾つかの実施形態において、第１のノズル端１２２と第２のノズル端１３２とは、長さ方向の軸に沿ってずれている（ｏｆｆｓｅｔ）。ある実施形態において、第１のノズル端１２２は、第２のノズル端１３２より供給端に近い。他の実施形態において、第２のノズル端１３２は、第１のノズル端１２２より供給端に近い。ある実施形態において、第１のノズル端１２２及び第２のノズル端１３２は、互いから任意の適当な間隔で、例えば、約０．１μｍ、約０．２μｍ、約０．５μｍ、約０．８μｍ、約１．０μｍ、約１．５μｍ、約２．０μｍ、約２．５μｍ、約３．０μｍ、約３．５μｍ、約４．０μｍ、約４．５μｍ、約５．０μｍ、約５．５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約０．０１μｍから約１００μｍ、又は約０．１μｍから約２０μｍだけずれている。

ある実施形態において、高速ガスストリーム１３６は空気を含む。幾つかの実施形態において、高速ガスストリーム１３６は、本質的に空気からなる。ある実施形態において、高速ガスストリーム１３６は不活性ガスを含む。他の実施形態において、高速ガスストリーム１３６は、本質的に不活性ガスからなる。不活性ガスとして、窒素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、他の希ガス、又は二酸化炭素が挙げられるが、これらに限定されない。幾つかの実施形態において、高速ガスストリーム１３６は、溶媒の蒸気を含む。他の実施形態において、高速ガスストリーム１３６は、試薬の蒸気を含む。ある実施形態において、溶媒又は試薬の蒸気は、製品のナノファイバーの表面特性に影響する。幾つかの実施形態において、溶媒又は試薬の蒸気は、製品のナノファイバーに官能性を加える。ある実施形態において、溶媒又は試薬の蒸気は、液体ポリマージェット及び／又は硬化されたナノファイバーをその場で架橋させる。幾つかの実施形態において、溶媒又は試薬の蒸気は、液体ポリマージェット及び／又は硬化されたナノファイバーを被覆する。ある実施形態において、溶媒又は試薬の蒸気は、液体ポリマージェット及び／又は硬化されたナノファイバーのドーピングを提供する。

幾つかの実施形態において、ガスストリーム速度（又は高速ガスストリーム速度）は、０．１ｍ／ｓを超え、又は１ｍ／ｓを超え、又は１ｍ／ｓから３００ｍ／ｓの範囲内にある。ある実施形態において、ガスストリーム速度は、約０．１ｍ／ｓ、約０．２ｍ／ｓ、約０．５ｍ／ｓ、約１．０ｍ／ｓ、約２．０ｍ／ｓ、約５．０ｍ／ｓ、約１０ｍ／ｓ、約１５ｍ／ｓ、約２０ｍ／ｓ、約２５ｍ／ｓ、約３０ｍ／ｓ、約３５ｍ／ｓ、約４０ｍ／ｓ、約４５ｍ／ｓ、約５０ｍ／ｓ、約７５ｍ／ｓ、約１００ｍ／ｓ、約１５０ｍ／ｓ、約２００ｍ／ｓ、約２５０ｍ／ｓ、約３００ｍ／ｓ、又は約３５０ｍ／ｓである。幾つかの実施形態において、ガスストリーム速度は、１００ｍ／ｓと３５０ｍ／ｓとの間である。他の実施形態において、ガスストリーム速度は、２００ｍ／ｓと３００ｍ／ｓとの間である。ある実施形態において、ガスストリーム速度は２５０ｍ／ｓと３５０ｍ／ｓとの間である。幾つかの実施形態において、高速ガスストリームは、液体ポリマージェット表面に追加の牽引力を提供する。ある実施形態において、高速ガスストリームは、それに加えて液体ポリマージェットを細くする。

ある実施形態において、静電紡糸装置１１０は、高速ガスストリーム１３６のための加熱システム１１６をさらに備える。ヒータ１１６は、高速ガスストリームの温度を調節するために使用される。ある実施形態においては、高速ガスストリームの温度が調節されて、液体ポリマーためにノズルにおける高温を維持し、ポリマーを液体形態に保つ。幾つかの実施形態においては、温度及び／又はガスストリーム速度が調節されて、ノズル及びポリマージェット付近に電気流体力学的に誘起された空気流により強められた冷却を排除し、それによりポリマージェットの急速な消滅（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を防止する。

幾つかの実施形態において、高速ガスストリームの温度は、２９３Ｋを超え、３１３Ｋを超え、３３３Ｋを超え、３５３Ｋを超え、３７３Ｋを超え、又は３１３Ｋから５２３Ｋの範囲内にある。ある実施形態において、ガスストリームの温度は、約２９３Ｋ、約３０３Ｋ、約３１３Ｋ、約３２３Ｋ、約３３３Ｋ、約３４３Ｋ、約３５３Ｋ、約３６３Ｋ、約３７３Ｋ、約３８３Ｋ、約３９３Ｋ、約４０３Ｋ、約４１３Ｋ、約４２３Ｋ、約４３３Ｋ、約４４３Ｋ、約４５３Ｋ、約４６３Ｋ、約４７３Ｋ、約４８３Ｋ、約４９３Ｋ、約５０３Ｋ、約５１３Ｋ、約５２３Ｋ、約５３３Ｋ、約５４３Ｋ、約５５３Ｋ、約５６３Ｋ、約５７３Ｋ、約６２３Ｋ、約６７３Ｋ、約７２３Ｋ、又は約７７３Ｋである。幾つかの実施形態において、高速ガスストリームの温度は、４７３Ｋと６７３Ｋとの間である。ある実施形態において、高速ガスストリームの温度は、３７３Ｋと５７３Ｋとの間である。他の実施形態において、高速ガスストリームの温度は、３２３Ｋと４７３Ｋとの間である。

ある実施形態において、静電紡糸装置１１０は、液体ポリマーのための第２のヒータ１４２をさらに備える。幾つかの実施形態においては、液体ポリマーのためのヒータ１４２が調節されて、液体ポリマーの温度を維持し及び／又は粘度を制御する。

ＧＡＳＥ−外側ガスストリーム
他の態様において、ガス補助静電紡糸装置４１０は、高速ガスストリーム４３６を通すように構成された外側チャンネル４１４、及び液体ポリマー溶液４２８を通す内側チャンネル４１２を備える。例えば、液体ポリマーのためのガス補助静電紡糸装置は、図４に示すように配列される。

ある実施形態において、静電紡糸装置４１０は、高速ガスストリーム４３６のためのヒータ（図示していない）をさらに備える。該ヒータは高速ガスストリームの温度を調製するために使用する。幾つかの実施形態において、加熱された高速ガスストリームは、溶媒の蒸発を促進する。ある実施形態においては、高速ガスストリームの温度が調節されて、液体ポリマー溶液のためにノズルにおける高温を維持し、ポリマーを溶液に保つ。幾つかの実施形態においては、温度及び／又はガスストリーム速度が調節されて、ノズル及びポリマージェット付近に電気流体力学的に誘起された空気流による強められた冷却を排除し、それにより急速なポリマージェットの消滅を防止する。

他の実施形態において、静電紡糸装置４１０は、高速ガスストリーム４３６のためのクーラ４４４をさらに備える。クーラ４４４は、高速ガスストリームの温度を調製するために使用される。幾つかの実施形態においては、冷却された高速ガスストリームが調節されて、溶媒蒸発を抑制する。ある実施形態においては、溶媒蒸発を抑制することにより、液体ポリマー溶液の早すぎる固化が防止される。

他の実施形態において、本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置はガイドチャンネルをさらに備える。例えば、ガイドチャンネル３４６、６４６を有するガス補助静電紡糸装置３１０、６１０は、図３又は図６に示すように配列される。幾つかの実施形態において、本明細書に記載した任意の装置のガイドチャンネルは、液体ポリマージェットを取り囲む。ある実施形態において、ガイドチャンネルは液体ポリマージェット３４０、６４０を取り囲み、それはガスストリームにより取り囲まれる。幾つかの実施形態において、ガスストリーム３３６は加熱される。他の実施形態において、ガスストリーム６３６は冷却される。ガイドチャンネルは、ポリマージェットを、紡糸中に所望の標的に導く。幾つかの実施形態において、静電紡糸装置３１０、６１０は、荷電液体ポリマージェット３４０、６４０から形成され硬化されたナノファイバー３５０、６５０を捕捉するように位置する収集装置３４８、６４８を備える。ある実施形態において、収集装置は接地されている。

幾つかの実施形態において、ガス補助静電紡糸装置により、ポリマーのナノファイバー及びマイクロファイバーが製造される。本明細書に記載した液体ポリマーは、ポリマー又はポリマー溶融物を含むことができる。液体ポリマーは、製品の繊維の意図する目的に適した任意のポリマーを含む。液体ポリマーは、場合により生分解性又は非生分解性である。幾つかの実施形態において、ポリマーは、溶融可能な熱可塑性ポリマーである。熱可塑性ポリマーとしては、ゴム、ポリカーボネート、ポリスチレン及びポリ（メチルメタクリレート）などの非晶質ポリマー；ポリ乳酸（ＰＬＡ）などの遅結晶化ポリマー；ポリエチレンテレフタレートなどの媒体結晶化ポリマー、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン６、ポリプロピレン及びポリエチレンなどの速く結晶化するポリマー；及びナイロン６，６などの非常に速く結晶化するポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。ある実施形態において、ポリマーは可溶である。幾つかの実施形態において、ポリオレフィン又はポリエチレンテレフタレートなどのポリマーは、上昇した温度でのみ可溶である。

ある実施形態において、ガス補助静電紡糸装置で製造されたナノファイバー及びマイクロファイバーは、直径が５０ｎｍから１０μｍである。幾つかの実施形態において、ナノファイバーの直径は約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約３０ｎｍ、約４０ｎｍ、約５０ｎｍ、約６０ｎｍ、約７０ｎｍ、約８０ｎｍ、約９０ｎｍ、約１００ｎｍ、約１５０ｎｍ、約２００ｎｍ、約２５０ｎｍ、約３００ｎｍ、約３５０ｎｍ、約４００ｎｍ、約４５０ｎｍ、約５００ｎｍ、約５５０ｎｍ、約６００ｎｍ、約６５０ｎｍ、約７００ｎｍ、約７５０ｎｍ、約８００ｎｍ、約８５０ｎｍ、約９００ｎｍ、約９５０ｎｍ、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、約２０μｍ、又は約３０μｍである。ある実施形態において、ナノファイバー及びマイクロファイバーは、直径が約１００ｎｍから約１μｍである。幾つかの実施形態において、ナノファイバー及びマイクロファイバーは、直径が約２００ｎｍから約５μｍである。

ＧＡＭＥ−内側ガスストリーム
さらなる態様において、ガス補助静電紡糸装置は、高速ガスストリームを通すように構成された内側チャンネル及び液体ポリマーを通す外側チャンネルを備える。ある実施形態において、液体ポリマーは、溶融した液体ポリマーである。幾つかの実施形態において、溶融した液体ポリマーは、溶媒をさらに含む。例えば、液体ポリマーのためのガス補助静電紡糸装置は、図２に示すように配列される。

本明細書において提供されるのは、第１の供給端２２０及び反対側の第１のノズル端２２２を有する中央管２５２であって、高速ガスストリーム２３６を提供するように適合された中央室２２４の境界を長さ方向の軸２２６に沿って定める中央管２５２；中央管２５２を取り囲むように配置され、第２の供給端２３０及び反対側の第２のノズル端２３２を有するポリマー供給管２５４であって、ポリマー液体２２８を提供するように適合された外室２３４の境界を長さ方向の軸２２６に沿って定めるポリマー供給管２５４；ポリマー供給管２５４に近接し、荷電液体ポリマージェットを形成するために、電荷を液体ポリマーに付与するように適合された電圧供給源２３８を備える、図２によりナノファイバーを形成するための静電紡糸装置２１０である。幾つかの実施形態において、静電紡糸装置２１０は、荷電液体ジェット２４０から形成され硬化されたナノファイバー２５０を捕捉するように位置する収集装置（図示していない）をさらに備える。ある実施形態において、収集装置は接地されている。幾つかの実施形態において、管２５４は、円形、楕円形、正方形又は他の適当な断面形状を有する。

ＧＡＳＥ−内側ガスストリーム
さらなる他の態様において、ガス補助静電紡糸装置は、調整された温度のガスストリームを通すように構成された内側チャンネル、及び液体ポリマー溶液を通す外側チャンネルを備える。例えば、液体ポリマー溶液５２８のためのガス補助静電紡糸装置５１０は、図５に示すように配列される。幾つかの実施形態において、内側の調整された温度チャンネル５５６を備えるガス補助静電紡糸装置により、中空のナノファイバー及びマイクロファイバー５５０が製造される。他の実施形態において、ナノファイバー及びマイクロファイバー５５０は中空区域を含む。

ある実施形態において、静電紡糸装置５１０は、調整された温度のガスストリーム５３６のためのヒータ５４２をさらに備える。ヒータ５４２は、調整された温度のガスストリームの温度を調節するために使用される。幾つかの実施形態において、加熱され調整された温度のガスストリームは、溶媒の蒸発を促進する。ある実施形態において、調整された温度のガスストリームの温度は、液体ポリマー溶液５２８のためにノズルにおいて高温を維持してポリマーを溶液に保つために調節される。

他の実施形態において、静電紡糸装置５１０は、調整された温度のガスストリームのためのクーラ５４４をさらに備える。クーラ５４４は、調整された温度のガスストリームの温度を調節するために使用される。幾つかの実施形態において、冷却され調整された温度のガスストリームは、溶媒蒸発を抑制するために調節される。ある実施形態においては、溶媒蒸発を抑制することにより、液体ポリマー溶液の早すぎる固化が防止される。

さらなる態様において、静電紡糸装置は、液体ストリームを通すように構成された内側チャンネル、及び液体ポリマーを通す外側チャンネルを備える。ある実施形態において、液体ポリマーは溶融した液体ポリマーである。幾つかの実施形態において、溶融した液体ポリマーは溶媒をさらに含む。他の実施形態において、液体ポリマーは液体ポリマー溶液である。ある実施形態において、液体ストリームは溶媒を含む。幾つかの実施形態において、液体ストリームは、第２の液体ポリマー溶液又は第２の液体ポリマー溶融物を含む。ある実施形態において、製品のポリマーナノファイバーは、第２のポリマーを含む芯（ｃｏｒｅ）を備える。幾つかの実施形態において、第２のポリマーは、熱的に又は化学的に除去されて中空ナノファイバーを創る。

ある実施形態において、ガス補助静電紡糸装置で製造される中空のナノファイバー及びマイクロファイバーは中空であり、直径は５００ｎｍから１０μｍである。幾つかの実施形態において、中空のナノファイバーの直径は約５０ｎｍ、約６０ｎｍ、約７０ｎｍ、約８０ｎｍ、約９０ｎｍ、約１００ｎｍ、約１５０ｎｍ、約２００ｎｍ、約２５０ｎｍ、約３００ｎｍ、約３５０ｎｍ、約４００ｎｍ、約４５０ｎｍ、約５００ｎｍ、約５５０ｎｍ、約６００ｎｍ、約６５０ｎｍ、約７００ｎｍ、約７５０ｎｍ、約８００ｎｍ、約８５０ｎｍ、約９００ｎｍ、約９５０ｎｍ、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、約２０μｍ、又は約３０μｍである。ある実施形態において、中空のナノファイバー及びマイクロファイバーは、直径が約１μｍから約１０μｍである。幾つかの実施形態において、ナノファイバー及びマイクロファイバーは直径が約２μｍから約３０μｍである。

紡糸口金
他の態様において、ガス補助静電紡糸装置は、ガスジェットデバイスの２つ以上のチャンネルを有する紡糸口金を備える。本発明の利点の一つは、ガス補助静電紡糸では、紡糸口金の密な詰め込みが可能であり、それによりナノファイバーを、実質的により速く且つそれらの配向及び混合をよりよく制御して堆積させることが可能になることである。幾つかの実施形態において、ガス補助静電紡糸装置は、ガスストリームチャンネルより多い液体ポリマーチャンネルを備える。他の実施形態においては、ガス補助静電紡糸装置は、液体ポリマーチャンネルより多いガスストリームチャンネルを備える。

静電紡糸プロセス
さらなる態様において、本明細書において提供されるのは、高速ガスを用いて液体ポリマーを静電紡糸することを含む、ナノファイバーを調製するプロセスである。幾つかの実施形態において、液体ポリマーは高速ガスを取り囲む。他の実施形態において、高速ガスは、液体ポリマーを取り囲むか又は包む。ある実施形態において、高速ガスは加熱される。他の実施形態において、高速ガスは冷却される。さらなる実施形態において、高速ガスは室温である。幾つかの実施形態において、液体ポリマーは、混合物のないポリマー溶融物又はポリマー溶液である。ある実施形態において、高速ガスは、溶媒又は試薬の蒸気を含む。

他の態様において、ナノファイバーを調製するプロセスは、荷電液体ポリマーを高速ガスストリーム中に注入することを含む。幾つかの実施形態において、荷電液体ポリマーはジェットを形成する。ある実施形態において、液体ポリマーは、混合物のないポリマー溶融物又はポリマー溶液である。幾つかの実施形態において、高速ガスストリームは、荷電液体ポリマーを取り囲む。幾つかの実施形態において、高速ガスストリームは加熱される。ある実施形態において、高速ガスストリームは、溶媒又は試薬を含む。幾つかの実施形態において、高速ガスストリームは溶媒又は試薬の蒸気を含む。さらなる実施形態において、高速ガスストリームは、ガイドチャンネル内に閉じ込められる。幾つかの実施形態において、ガイドチャンネルは、ナノファイバージェットを収集装置板の所望の位置に導く。

さらなる態様において、静電紡糸プロセスは、連続的に細くなる（例えば、図７の３７３Ｋ及び４２３Ｋの曲線で例示されるように）液体ポリマージェットを発生させることを含む。幾つかの実施形態において、液体ポリマージェットは、静電紡糸ノズルから収集装置板へと連続的に細くなる。ある実施形態において、液体ポリマージェットの温度は、静電紡糸ノズルから収集装置板にかけて１Ｋ未満、２Ｋ未満、５Ｋ未満、１０Ｋ未満、２０Ｋ未満、３０Ｋ未満、４０Ｋ未満、５０Ｋ未満、７５Ｋ未満、又は１００Ｋ未満だけ変化する。

ガス補助静電紡糸パラメータ
本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置又はプロセスの幾つかの実施形態において、第１のノズル端及び第２のノズル端は、長さ方向の軸の同じ端に位置する。ある実施形態において、第１のノズル端及び第２のノズル端は、長さ方向の軸に沿って軸の同じ位置にある。幾つかの実施形態において、第１のノズル端と第２のノズル端とは、長さ方向の軸に沿ってずれている。ある実施形態において、第１のノズル端は、第２のノズル端より供給端に近い。他の実施形態において、第２のノズル端は、第１のノズル端より供給端に近い。ある実施形態において、第１のノズル端と第２のノズルとは、互いから約０．１μｍ、約０．２μｍ、約０．５μｍ、約０．８μｍ、約１．０μｍ、約１．５μｍ、約２．０μｍ、約２．５μｍ、約３．０μｍ、約３．５μｍ、約４．０μｍ、約４．５μｍ、約５．０μｍ、約５．５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、約１５μｍ、又は２０μｍだけずれている。幾つかの実施形態において、第１のノズルと第２のノズルとは、互いから０．１μｍ未満、０．２μｍ未満、０．５μｍ未満、０．８μｍ未満、１．０μｍ未満、１．５μｍ未満、２．０μｍ未満、２．５μｍ未満、３．０μｍ未満、３．５μｍ未満、４．０μｍ未満、４．５μｍ未満、５．０μｍ未満、５．５μｍ未満、６μｍ未満、７μｍ未満、８μｍ未満、９μｍ未満、１０μｍ未満、１５μｍ未満、又は２０μｍ未満ずれている。ある実施形態において、第１のノズルと第２のノズルとは、互いから０．１μｍを超えて、０．２μｍを超えて、０．５μｍを超えて、０．８μｍを超えて、１．０μｍを超えて、１．５μｍを超えて、２．０μｍを超えて、２．５μｍを超えて、３．０μｍを超えて、３．５μｍを超えて、４．０μｍを超えて、４．５μｍを超えて、５．０μｍを超えて、５．５μｍを超えて、６μｍを超えて、７μｍを超えて、８μｍを超えて、９μｍを超えて、１０μｍを超えて、１５μｍを超えて、又は２０μｍを超えてずれている。

本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置又はプロセスのある実施形態において、ガスストリームは空気を含む。幾つかの実施形態において、ガスストリームは、本質的に空気からなる。ある実施形態において、ガスストリームは、不活性ガスを含む。他の実施形態において、ガスストリームは、本質的に不活性ガスからなる。不活性ガスとして、窒素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、他の希ガス、又は二酸化炭素が挙げられるが、これらに限定されない。幾つかの実施形態において、ガスストリームは溶媒の蒸気を含む。他の実施形態において、ガスストリームは試薬の蒸気を含む。他の実施形態において、ガスストリームは、霧化された溶媒又は試薬を含む。ある実施形態において、溶媒又は試薬は、製品のナノファイバーの表面特性に影響する。幾つかの実施形態において、溶媒又は試薬は、製品のナノファイバーに官能性を付加する。ある実施形態において、溶媒又は試薬は、液体ポリマージェット及び／又は硬化されたナノファイバーをその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で架橋させる。幾つかの実施形態において、溶媒又は試薬は、製品の繊維の形態（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）を変化させる。ある実施形態において、溶媒又は試薬は、製品の繊維の表面形態を変化させる。他の実施形態において、ガスストリーム中の溶媒又は試薬は、製品の繊維の形態を整えるために使用される。幾つかの実施形態において、溶媒又は試薬は、液体ポリマージェット及び／又は硬化されたナノファイバーを被覆する。ある実施形態において、溶媒又は試薬は、液体ポリマージェット及び／又は硬化されたナノファイバーのドーピングを提供する。幾つかの実施形態において、繊維は、ガスストリーム中の溶媒又は試薬により架橋される。

本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置又はプロセスの幾つかの実施形態において、ガスストリーム速度は、１ｍ／ｓから３００ｍ／ｓの範囲内にある。ある実施形態において、ガスストリーム速度は、約０．０１ｍ／ｓ、約０．０２ｍ／ｓ、約０．０５ｍ／ｓ、約０．１ｍ／ｓ、約０．２ｍ／ｓ、約０．５ｍ／ｓ、約１．０ｍ／ｓ、約２．０ｍ／ｓ、約５．０ｍ／ｓ、約１０ｍ／ｓ、約１５ｍ／ｓ、約２０ｍ／ｓ、約２５ｍ／ｓ、約３０ｍ／ｓ、約３５ｍ／ｓ、約４０ｍ／ｓ、約４５ｍ／ｓ、約５０ｍ／ｓ、約７５ｍ／ｓ、約１００ｍ／ｓ、約１５０ｍ／ｓ、約２００ｍ／ｓ、約２５０ｍ／ｓ、約３００ｍ／ｓ、又は約３５０ｍ／ｓである。幾つかの実施形態において、ガスストリーム速度は、１００ｍ／ｓと３５０ｍ／ｓとの間である。幾つかの実施形態において、ガスストリーム速度は、０．０１ｍ／ｓを超え、０．０２ｍ／ｓを超え、０．０５ｍ／ｓを超え、０．１ｍ／ｓを超え、０．２ｍ／ｓを超え、０．５ｍ／ｓを超え、１．０ｍ／ｓを超え、２．０ｍ／ｓを超え、５．０ｍ／ｓを超え、１０ｍ／ｓを超え、１５ｍ／ｓを超え、２０ｍ／ｓを超え、２５ｍ／ｓを超え、３０ｍ／ｓを超え、３５ｍ／ｓを超え、４０ｍ／ｓを超え、４５ｍ／ｓを超え、５０ｍ／ｓを超え、７５ｍ／ｓを超え、１００ｍ／ｓを超え、１５０ｍ／ｓを超え、２００ｍ／ｓを超え、２５０ｍ／ｓを超え、３００ｍ／ｓを超え、又は３５０ｍ／ｓを超える。ある実施形態において、ガスストリーム速度は、０．０１ｍ／ｓ未満、０．０２ｍ／ｓ未満、０．０５ｍ／ｓ未満、０．１ｍ／ｓ未満、０．２ｍ／ｓ未満、０．５ｍ／ｓ未満、１．０ｍ／ｓ未満、２．０ｍ／ｓ未満、５．０ｍ／ｓ未満、１０ｍ／ｓ未満、１５ｍ／ｓ未満、２０ｍ／ｓ未満、２５ｍ／ｓ未満、３０ｍ／ｓ未満、３５ｍ／ｓ未満、４０ｍ／ｓ未満、４５ｍ／ｓ未満、５０ｍ／ｓ未満、７５ｍ／ｓ未満、１００ｍ／ｓ未満、１５０ｍ／ｓ未満、２００ｍ／ｓ未満、２５０ｍ／ｓ未満、３００ｍ／ｓ未満、又は３５０ｍ／ｓ未満である。幾つかの実施形態において、ガスストリーム速度は、１００ｍ／ｓと３５０ｍ／ｓとの間である。他の実施形態において、ガスストリーム速度は、２００ｍ／ｓと３００ｍ／ｓとの間である。ある実施形態において、ガスストリーム速度は、２５０ｍ／ｓと３５０ｍ／ｓとの間である。他の実施形態において、ガスストリーム速度は、１ｍ／ｓと１００ｍ／ｓとの間である。ある実施形態において、ガスストリーム速度は、５ｍ／ｓと５０ｍ／ｓとの間である。幾つかの実施形態において、高速ガスストリームは、液体ポリマージェット表面に対して追加的牽引力を提供する。ある実施形態において、高速ガスストリームは、それに加えて液体ポリマージェットを細くする。幾つかの実施形態において、高速ガスストリームの速度は、少なくとも１．０ｍ／ｓ、少なくとも２．０ｍ／ｓ、少なくとも５．０ｍ／ｓ、少なくとも１０ｍ／ｓ、少なくとも１５ｍ／ｓ、少なくとも２０ｍ／ｓ、少なくとも２５ｍ／ｓ、少なくとも３０ｍ／ｓ、少なくとも３５ｍ／ｓ、少なくとも４０ｍ／ｓ、少なくとも４５ｍ／ｓ、少なくとも５０ｍ／ｓ、少なくとも７５ｍ／ｓ、少なくとも１００ｍ／ｓ、少なくとも１５０ｍ／ｓ、少なくとも２００ｍ／ｓ、少なくとも２５０ｍ／ｓ、又は少なくとも３００ｍ／ｓである。ある実施形態において、高速ガスストリームの速度は、約１０ｍ／ｓから約５００ｍ／ｓ、約１０ｍ／ｓから約４００ｍ／ｓ、約２０ｍ／ｓから約４００ｍ／ｓ、約１０ｍ／ｓから約３００ｍ／ｓ等である。

本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置又はプロセスのある実施形態において、静電紡糸装置は、ガスストリームのためのヒータをさらに備える。ヒータは、ガスストリームの温度を調節するために使用される。ある実施形態において、高速ガスストリームの温度は、ノズルにおける高温を維持して、ポリマーを溶融物及び／又は溶液に保つことによりポリマーを液体形態に保つために調節される。他の実施形態においては、ガスストリームのためのヒータを調節して、ノズルにおける液体ポリマーの粘度を、供給室中の液体ポリマーに比較して低くする。ある実施形態においては、ガスストリームのためのヒータを調節して、ノズルにおける液体ポリマーの粘度を増大させる。幾つかの実施形態においては、温度及び／又はガスストリームの速度を調節して、電気流体力学的に誘起された空気流によるノズルとポリマージェット付近の強められた冷却を排除し、それによりポリマージェットの急速な消滅を防止する。幾つかの実施形態において、加熱された高速ガスストリームは、溶媒の蒸発を促進する。

本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置又はプロセスの他の実施形態において、静電紡糸装置は、ガスストリームのためのクーラをさらに備える。クーラは、ガスストリームの温度を調節するために使用される。幾つかの実施形態において、冷却されたガスストリームは、溶媒の蒸発を抑制するために調節される。ある実施形態においては、溶媒の蒸発を抑制することにより、液体ポリマー溶液の早すぎる固化が防止される。

本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置又はプロセスの幾つかの実施形態において、ガスストリームの温度は、３１３Ｋから５２３Ｋの範囲内にある。ある実施形態において、ガスストリーム温度は、約２４３Ｋ、約２５３Ｋ、約２６３Ｋ、約２７３Ｋ、約２８３Ｋ、約２９３Ｋ、約３０３Ｋ、約３１３Ｋ、約３２３Ｋ、約３３３Ｋ、約３４３Ｋ、約３５３Ｋ、約３６３Ｋ、約３７３Ｋ、約３８３Ｋ、約３９３Ｋ、約４０３Ｋ、約４１３Ｋ、約４２３Ｋ、約４３３Ｋ、約４４３Ｋ、約４５３Ｋ、約４６３Ｋ、約４７３Ｋ、約４８３Ｋ、約４９３Ｋ、約５０３Ｋ、約５１３Ｋ、約５２３Ｋ、約５３３Ｋ、約５４３Ｋ、約５５３Ｋ、約５６３Ｋ、約５７３Ｋ、約６２３Ｋ、約６７３Ｋ、約７２３Ｋ、又は約７７３Ｋである。幾つかの実施形態において、ガスストリーム温度は、２４３Ｋを超え、２５３Ｋを超え、２６３Ｋを超え、２７３Ｋを超え、２８３Ｋを超え、２９３Ｋを超え、３０３Ｋを超え、３１３Ｋを超え、３２３Ｋを超え、３３３Ｋを超え、３４３Ｋを超え、３５３Ｋを超え、３６３Ｋを超え、３７３Ｋを超え、３８３Ｋを超え、３９３Ｋを超え、４０３Ｋを超え、４１３Ｋを超え、４２３Ｋを超え、４３３Ｋを超え、４４３Ｋを超え、４５３Ｋを超え、４６３Ｋを超え、４７３Ｋを超え、４８３Ｋを超え、４９３Ｋを超え、５０３Ｋを超え、５１３Ｋを超え、５２３Ｋを超え、５３３Ｋを超え、５４３Ｋを超え、５５３Ｋを超え、５６３Ｋを超え、５７３Ｋを超え、６２３Ｋを超え、６７３Ｋを超え、７２３Ｋを超え、又は７７３Ｋを超える。他の実施形態において、ガスストリーム温度は、２４３Ｋ未満、２５３Ｋ未満、２６３Ｋ未満、２７３Ｋ未満、２８３Ｋ未満、２９３Ｋ未満、３０３Ｋ未満、３１３Ｋ未満、３２３Ｋ未満、３３３Ｋ未満、３４３Ｋ未満、３５３Ｋ未満、３６３Ｋ未満、３７３Ｋ未満、３８３Ｋ未満、３９３Ｋ未満、４０３Ｋ未満、４１３Ｋ未満、４２３Ｋ未満、４３３Ｋ未満、４４３Ｋ未満、４５３Ｋ未満、４６３Ｋ未満、４７３Ｋ未満、４８３Ｋ未満、４９３Ｋ未満、５０３Ｋ未満、５１３Ｋ未満、５２３Ｋ未満、５３３Ｋ未満、５４３Ｋ未満、５５３Ｋ未満、５６３Ｋ未満、５７３Ｋ未満、６２３Ｋ未満、６７３Ｋ未満、７２３Ｋ未満、又は７７３Ｋ未満である。幾つかの実施形態において、ガスストリーム温度は４７３Ｋと６７３Ｋとの間である。ある実施形態において、ガスストリーム温度は３７３Ｋと５７３Ｋとの間である。他の実施形態において、ガスストリーム温度は３２３Ｋと４７３Ｋとの間である。幾つかの実施形態において、ガスストリーム温度は２４３Ｋと２９３Ｋとの間である。ある実施形態において、ガスストリームの温度は室温である。

本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置又はプロセスのある実施形態において、静電紡糸装置は、液体ポリマー溶融物又は液体ポリマー溶液である液体ポリマーのためのヒータをさらに備える。幾つかの実施形態においては、ヒータを調節して、液体ポリマー溶液の温度を維持し、ポリマーを溶液に保つ。他の実施形態においては、ヒータにより液体ポリマーの粘度を制御する。

本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置又はプロセスの幾つかの実施形態において、ガス補助静電紡糸装置により、ポリマーのナノファイバー及びマイクロファイバーが製造される。本明細書に記載した液体ポリマーは、ポリマー又はポリマー溶融物を含むことができる。液体ポリマーは、製品の繊維の意図する目的に適した任意のポリマーを含む。液体ポリマーは、場合により生分解性又は非生分解性である。幾つかの実施形態において、ポリマーは、溶融可能な熱可塑性ポリマーである。熱可塑性ポリマーとしては、ゴム、ポリカーボネート、ポリスチレン及びポリ（メチルメタクリレート）などの非晶質ポリマー；ポリ乳酸（ＰＬＡ）などの遅結晶化ポリマー；ポリエチレンテレフタレートなどの媒体結晶化ポリマー、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン６、ポリプロピレン及びポリエチレンなどの速く結晶化するポリマー；及びナイロン６，６などの非常に速く結晶化するポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。ある実施形態において、ポリマーは可溶である。幾つかの実施形態において、ポリオレフィン又はポリエチレンテレフタレートなどのポリマーは、上昇した温度でのみ可溶である。ある実施形態において、液体ポリマーは、タンパク質系溶液を含み、それはタンパク質及び／又はペプチド成分を含む。タンパク質成分の例として、ダイズタンパク質濃縮物、ダイズ粉、及び／又はダイズタンパク質単離物などのダイズ系材料が挙げられる。他のタンパク質成分は、ホエイ、グルテン、ゼイン、アルブミン、ゼラチン、その他などのタンパク質源に由来する。幾つかの実施形態において、タンパク質は、動物性供給源又は植物性供給源に由来する。ある実施形態において、タンパク質成分はプロテオグリカンである。幾つかの実施形態において、タンパク質系溶液は、キャリヤーポリマーを含む。キャリヤーポリマーの例として、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、又はポリエチレングリコールが挙げられるが、これらに限定されない。本明細書に記載した、任意のガス補助静電紡糸装置のさらなる実施形態において、液体ポリマーは、補完成分又は溶液も含むことができる。種々の実施形態において、そのような補完成分又は溶液は、生ずる繊維の耐湿性、感湿性、剛性、引っ張り強度のような特徴を改良するために使用することができる。補完成分又は溶液として、脂肪酸、マイクロスケールの及びナノスケールの粒子、例えば、酸化チタン、ナノ粘土、ナノ結晶性セルロース、セルロースナノ結晶、ナノフィブリル化セルロースなど、バイオ炭、ｐＨ改変剤、界面活性剤、又は抗菌剤が挙げられるが、これらに限定されない。

ナノファイバー
他の態様において、本明細書において提供されるのは、本明細書に記載した任意の装置を使用して又は本明細書に記載した任意の事項に従って調製された繊維である。

一態様において、本発明において提供されるのは、ポリマーを含む中空の繊維である。幾つかの実施形態において、ポリマー繊維は、繊維の長さ方向の軸に沿って中空の空間の境界を定める。ある実施形態において、繊維全体が中空である。他の実施形態において、繊維の一部分だけが中空である。幾つかの実施形態において、中空部分は気泡である。ある実施形態において、繊維の約０．１％、約０．２％、約０．５％、約１％、約２％、約５％、約１０％、約１５％、約２０％、約２５％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、約９５％、約９８％、約９９％、又は約１００％が中空である。幾つかの実施形態において、繊維の０．１％未満、０．２％未満、０．５％未満、１％未満、２％未満、５％未満、１０％未満、１５％未満、２０％未満、２５％未満、３０％未満、４０％未満、５０％未満、６０％未満、７０％未満、８０％未満、９０％未満、９５％未満、９８％未満、９９％未満、又は１００％未満が中空である。ある実施形態において、繊維の０．１％を超えて、０．２％を超えて、０．５％を超えて、１％を超えて、２％を超えて、５％を超えて、１０％を超えて、１５％を超えて、２０％を超えて、２５％を超えて、３０％を超えて、４０％を超えて、５０％を超えて、６０％を超えて、７０％を超えて、８０％を超えて、９０％を超えて、９５％を超えて、９８％を超えて、９９％を超えて、又は１００％を超えて中空である。幾つかの実施形態においては、繊維の５％から５０％の間は中空である。ある実施形態においては、繊維の６０％から９０％が中空である。

直径が１μｍ未満の溶媒を含まない繊維も本明細書において提供される。幾つかの実施形態において、繊維は溶媒を含まない。ある実施形態において、繊維は本質的に溶媒を含まない。幾つかの実施形態において、溶媒を含まない繊維は、３０％未満の溶媒、２５％未満の溶媒、２０％未満の溶媒、１５％未満の溶媒、１０％未満の溶媒、７％未満の溶媒、５％未満の溶媒、２％未満の溶媒、１％未満の溶媒、０．５％未満の溶媒、０．２％未満の溶媒、又は０．１％未満の溶媒を含有する。

本明細書においてさらに提供されるのは、溶融静電紡糸された、直径が１μｍ未満の繊維である。溶融静電紡糸された繊維は、任意の静電紡糸装置を用いて製造された繊維である。

低溶媒又は溶媒を含まない繊維も本明細書において提供される（例えば、この場合、繊維は少量の有機溶媒及び／若しくは水を含むか又は含まない）。特定の例において、本発明において提供されるのは、水溶液から静電紡糸された含水率の低いナノファイバーである。幾つかの実施形態において、低含水率繊維の形態は、捕集時に変化しない。ある実施形態において、低含水率繊維は凝集しない（例えば、捕集されたときに他の繊維と固着、融合又は結合しないが、これは水溶性ポリマーが、ポリマージェットを乾燥するための適当な手順なしで静電紡糸された場合に起こり得る）。幾つかの実施形態において、低含水率繊維は、３０％未満の水、２５％未満の水、２０％未満の水、１５％未満の水、１０％未満の水、７％未満の水、５％未満の水、２％未満の水、１％未満の水、０．５％未満の水、０．２％未満の水、又は０．１％未満の水を有する。幾つかの実施形態において、捕集されたナノファイバー（例えば、水性液体ポリマー溶液から静電紡糸されたナノファイバー）は、低い含水率及び一様な又は実質的に一様な形態を有する。

本明細書に記載した任意の繊維又は本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置若しくは任意のプロセスで製造した任意の繊維のある実施形態において、繊維は、好ましくは、直径が１μｍ未満である。幾つかの実施形態において、繊維の直径は、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約３０ｎｍ、約４０ｎｍ、約５０ｎｍ、約６０ｎｍ、約７０ｎｍ、約８０ｎｍ、約９０ｎｍ、約１００ｎｍ、約１５０ｎｍ、約２００ｎｍ、約２５０ｎｍ、約３００ｎｍ、約３５０ｎｍ、約４００ｎｍ、約４５０ｎｍ、約５００ｎｍ、約５５０ｎｍ、約６００ｎｍ、約６５０ｎｍ、約７００ｎｍ、約７５０ｎｍ、約８００ｎｍ、約８５０ｎｍ、約９００ｎｍ、約９５０ｎｍ、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、約２０μｍ、又は約３０μｍである。ある実施形態において、繊維の直径は、約１００ｎｍから約１μｍである。幾つかの実施形態において、繊維の直径は、約２００ｎｍから約５μｍである。繊維の直径は、繊維マットにおける繊維の平均直径であってもよく、又は繊維の直径は、繊維マットにおける繊維の直径の中央（メディアン）値であってもよい。幾つかの例において、繊維の直径は、繊維の中ほどの区間で測定し、幾つかの例において、繊維の両端から若干の距離をおいて測定する。幾つかの例において、繊維の直径は繊維の数カ所の区域で測定する。

本明細書に記載した任意の繊維、又は本明細書に記載したガス補助静電紡糸装置若しくは任意のプロセスで製造した任意の繊維の幾つかの実施形態において、複数の繊維は、繊維マットの形態で捕集される（例えば、静電紡糸装置の収集装置板上で）。幾つかの実施形態において、繊維マット、例えば、図３及び６にそれぞれ例示した繊維マット３５８、６５８は、本明細書に記載した複数の任意の繊維、又は本明細書に記載した任意のプロセスの任意のガス補助静電紡糸装置で製造した複数の任意の繊維を含む。ある実施形態においては、ガイド管又はガイドチャンネルが使用されて繊維を収集装置に導き、組織化された繊維マットを形成する。他の実施形態においては、静電紡糸のランダムな鞭打ち運動により、収集装置で紡糸されたままで繊維マットが形成される。幾つかの実施形態において、繊維マットにおける繊維は、凝集もせず、集塊も作らない。集塊化又は凝集は、繊維が互いに付着することを含む（例えば、繊維又は繊維の一部の長さ方向の軸に沿って任意の角度で他の繊維に付着する）。幾つかの実施形態において、集塊化又は凝集した繊維の形態は変化する。ある実施形態においては、繊維マット中の繊維の１０％未満が集塊化又は凝集している。幾つかの実施形態において、繊維マット中の繊維の凝集又は集塊化は、５０％未満、４０％未満、３０％未満、２５％未満、２０％未満、１５％未満、１０％未満、５％未満、２％未満、又は１％未満である。

本明細書に記載した任意の繊維、又は本明細書に記載した任意のガス補助静電紡糸装置若しくは任意のプロセスで製造された任意の繊維のある実施形態において、ナノファイバー及びマイクロファイバーはポリマーを含む。ポリマーは、製品の繊維の意図する目的に適した任意のポリマーを含む。ポリマーは、場合により生分解性又は非生分解性である。幾つかの実施形態において、ポリマーは、溶融可能な熱可塑性ポリマーである。熱可塑性ポリマーとしては、ゴム、ポリカーボネート、ポリスチレン及びポリ（メチルメタクリレート）などの非晶質ポリマー；ポリ乳酸（ＰＬＡ）などの遅結晶化ポリマー；ポリエチレンテレフタレートなどの媒体結晶化ポリマー、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン６、ポリプロピレン及びポリエチレンなどの速く結晶化するポリマー；及びナイロン６，６などの非常に速く結晶化するポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。ある実施形態において、ポリマーは可溶である。幾つかの実施形態において、ポリオレフィン又はポリエチレンテレフタレートなどのポリマーは、上昇した温度でのみ可溶である。ある実施形態において、液体ポリマーの出発原料は、タンパク質及び／又はペプチド成分を含むタンパク質系溶液を含む。結果として、生ずる繊維は、タンパク質及び／又はペプチド成分を含む。タンパク質成分の例として、ダイズタンパク質濃縮物、ダイズ粉、及び／又はダイズタンパク質単離物などのダイズ系材料が挙げられる。他のタンパク質成分は、ホエイ、グルテン、ゼイン、アルブミン、ゼラチン、その他などのタンパク質源に由来する。ある実施形態において、タンパク質成分は変性している。幾つかの実施形態において、タンパク質は、動物性供給源又は植物性供給源に由来する。ある実施形態において、タンパク質成分はプロテオグリカンである。幾つかの実施形態において、タンパク質系溶液は、キャリヤーポリマーを含む。キャリヤーポリマーの例として、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、又はポリエチレングリコールが挙げられるが、これらに限定されない。本明細書に記載した、任意の繊維のさらなる実施形態において、ポリマーは、補完成分又は溶液を含む。種々の実施形態において、そのような補完成分又は溶液は、生ずる繊維の耐湿性、感湿性、剛性、引っ張り強度のような特徴を改良するために使用する。補完成分又は溶液として、脂肪酸、マイクロスケールの及びナノスケールの粒子、例えば、酸化チタン、ナノ粘土、ナノ結晶性セルロース、セルロースナノ結晶、ナノフィブリル化セルロースなど、バイオ炭、ｐＨ改変剤、界面活性剤、又は抗菌剤が挙げられるが、これらに限定されない。

本発明の好ましい実施形態を示して本明細書に記載したが、そのような実施形態は例としてのみ提供したことは当業者には明らかであろう。本発明から逸脱せずに多数の変形、変化、及び置換が、今や当業者には思い浮かぶであろう。本明細書に記載した本発明の実施形態の種々の代替法が、本発明を実行するのに使用し得ることは理解されるべきである。以下の特許請求の範囲が本発明の範囲を画定すること、及びこれらの特許請求の範囲の範囲内の方法及び構造及びそれらの等価物はそれにより包含されることが意図される。

例１
非等温ポリマー溶融静電紡糸のための包括的なモデルが開発されている。Ｐｏｌｙｍｅｒ ５１（２０１０）２７４〜２９０を参照されたい。運動量（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）、質量、及びエネルギー保存の方程式が円錐形のジェットの断面について誘導され、細いフィラメントの近似を使用して１−Ｄ式に還元された。保存の方程式を発散電場（ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）及び非等温粘弾性構造モデルと結合した。多数の速く結晶化するポリマー、即ち、ナイロン−６（Ｎ６）及びポリプロピレン（ＰＰ）に関する飛行中結晶化の方程式が含まれた。モデルによるアプローチは、非晶質ポリマー（ＰＬＡ）及び結晶化ポリマー（ＰＰ、Ｎ６）について、溶融静電紡糸の実験によるジェット半径、温度、及び結晶化度プロファイルとの比較により実証された。ＧＡＭＥプロセス及び観察された増大する細線化速度の機構をさらに明らかにして、さらにプロセスの改善及び最適化に役立てるために、以前の溶融静電紡糸モデルを改良して、加熱された空気ジェットの牽引及び熱的効果を説明することができる。空気の牽引に基づく剪断応力、τ_Ｄ、を以下の相関関係を使用して組み込んだ。

式中、ρ_ＡＩＲは空気密度、Ｃ_Ｄは外皮摩擦係数、Ｖ_ＡＩＲは軸方向の空気速度であり、Ｖは軸方向の溶融ジェットの速度である。仮定として、溶融ジェット表面に対して接線方向の応力成分だけが重要であるとした。外皮摩擦係数は、

（式中、Ｂは牽引カップリングパラメータであり、それは典型的には、０から０．６の範囲内であり、及びＲｅ_ＡＩＲは、溶融ジェットの半径Ｒに関して定義される空気のレイノルズ数である。）
を使用して計算することができる。

停滞した空気の牽引効果を検討して、それが、許容されるＢ値及び典型的な溶融物導入温度の全範囲で無視し得ることを見出した。このことは、ノズルにおける０．００１３ｍ／ｓから収集装置付近の３ｍ／ｓの範囲の比較的低いジェット速度に基づく。この研究により、１００ｍ／ｓのオーダーの有意の空気速度が、所望の追加のジェット細線化を生ずるために好ましいことが示された。

例２
種々の強制空気速度及び温度が、図７に示したように検討された。この例示について、強制空気速度及び温度は、一定で且つ軸方向のジェットの位置とは独立であるとした。初期細線化速度は空気牽引によっては、音速に近い最高の実行空気速度においてさえ比較的変化しないままであることが観察された。この観察から、適用された電場が支配的なジェットを細くする力であることが確認され、それは低い細線化速度を示した繊維吹き込み成形（ｆｉｂｅｒ ｂｌｏｗｉｎｇ）からの観察と一致する。しかしながら、紡糸口金からさらに下流に行くと、そこでは電気的推進力は発散する電場により低下して、空気牽引効果は明白になり、ジェットは、停滞した空気の場合よりはるかに細くなった。幾つかの場合に、例えばＴ_ＡＩＲ＝３７３Ｋでは（図７を参照されたい）、さらに３倍も細くなることが強制空気ジェット牽引により観察された。この増大は、極端な温度条件では、ａ）より低い周囲温度におけるジェット固化、及びｂ）より高い温度における急速な初期細線化中に発生する高い内部応力に起因して、示した通りではなかった。それに加えて、Ｂ値を変える効果は、空気速度を変える効果と同様であった。

例３
実際の空気速度及び温度プロファイルを評価した。結合したプロセスの動力学は実行困難なほど複雑なので、繊維吹き込み成形プロセスのために使用されたものと同様なアプローチを使用した。Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｔｅｘｔｉｌｅｓ ｉｎ Ｅａｓｔｅｒｎ Ｅｕｒｏｐｅ １５，７７（２００７）を参照されたい。空気速度及び温度プロファイルは、ポリマージェットの動力学と独立であると近似して、有限体積解析を使用して（ＦＬＵＥＮＴ（商標）を用いて）数量的に評価した。シミュレーションにおいて、高速（３００ｍ／ｓ）乱流空気ジェットを４８３Ｋで、最初３００Ｋで停滞空気であった紡糸領域に注入して、定常状態の解を計算した（図８（Ａ））。その結果得られた軸方向の空気速度及び温度のプロファイルを、次に、改良された溶融静電紡糸モデルで空気牽引及び熱伝達の計算に使用し、図８（Ｂ）に示した。空気牽引単独の結果では、ジェットが細くなることが僅かに加わった（最終繊維直径＝５７μｍ、それに対して基準の場合は６３μｍ）。しかしながら、空気ジェットによって提供された追加の加熱により、劇的に増大し且つ延長したジェット細線化が生じて、その結果として最終ジェット直径が大いに細くなった（２．９μｍ）。したがって、モデルによれば、加熱された空気ジェットは最終繊維直径において２０倍の減少を生ずるという結果となり、図９及び例４において示した実験結果と一致した。モデルと実験結果との間には最終繊維の細さについて絶対値で１０倍の相違があり、それは、安定なジェットモデルについては考慮されていなかった、実験におけるジェットの鞭打ち運動に基づく。強制空気ジェットの速度と温度は、図８（Ａ）に示すように非常に急速に低下して停滞した周囲空気レベルになるので、鞭打ちにより追加的にジェットが細くなることは、停滞した空気とガス補助プロセスとで同じであると予想される。

例４
ポリ乳酸（ＰＬＡ）（ＭＷ１８６ｋＤａ）は、Ｃａｒｇｉｌｌ Ｄｏｗから提供された。ＰＬＡチップをガラス注射器中に装填して、２２０〜２４０℃まで加熱してそれらを溶融した。溶融ポリマーを図１により、熱い空気のガスを外側チャンネルに通しながら紡糸口金の内側チャンネル中に送り込んだ。ガスは２１０℃に加熱されて、その速度はノズルで３００ｍ／ｓであった。ノズルと捕集板との間の距離は約９ｃｍに保たれ、約１０μｌ／ｍｉｎの溶融物の流速も維持された。＋２０ｋＶの電荷が収集装置で維持された。プロセスの設定を表１にまとめてある。図９に、典型的な溶融静電紡糸されたＰＬＡナノファイバーのＳＥＭ像を示す。ガス補助紡糸口金を用いる溶融システムにより、ガス補助紡糸口金を用いないシステムよりはるかに細い繊維マットが製造された。

本発明を多数の具体的な実施形態を参照して説明したが、本発明の真の本質及び範囲は、本明細書により裏づけることができる特許請求の範囲を参照してのみ決定されるべきであることは理解されるであろう。さらに、本明細書における多くの場合、システム及び装置及び方法がある数の構成要素を有すると記載されているが、そのようなシステム、装置及び方法は、言及された数の構成要素より少なくても実施することができることは理解されるであろう。多数の特定の実施形態を記載したが、特定の各実施形態を参照して記載した特徴及び態様は、特定して記載された残りの各実施形態で使用することができることも理解されるであろう。

本発明を多数の具体的な実施形態を参照して説明したが、本発明の真の本質及び範囲は、本明細書により裏づけることができる特許請求の範囲を参照してのみ決定されるべきであることは理解されるであろう。さらに、本明細書における多くの場合、システム及び装置及び方法がある数の構成要素を有すると記載されているが、そのようなシステム、装置及び方法は、言及された数の構成要素より少なくても実施することができることは理解されるであろう。多数の特定の実施形態を記載したが、特定の各実施形態を参照して記載した特徴及び態様は、特定して記載された残りの各実施形態で使用することができることも理解されるであろう。
本発明に関連して、以下の内容を更に開示する。
（１）
（ａ）第１の供給端及び反対側の第１のノズル端を有する中央管であって、液体ポリマーを提供するように適合された中央室の境界を、長さ方向の軸に沿って定める中央管；
（ｂ）中央管を取り囲むように配置され、第２の供給端及び反対側の第２のノズル端を有するガス供給管であって、高速ガスストリームを提供するように適合された外室の境界を、長さ方向の軸に沿って定めるガス供給管；
（ｃ）中央管に近接し、荷電液体ポリマージェットを形成するために、電荷を液体ポリマーに付与するように適合された電圧供給源；及び
（ｄ）荷電液体ジェットから形成されて硬化されたナノファイバーを捕捉するように位置する収集装置
を備える、ナノファイバーを形成する静電紡糸装置。
（２）
高速ガスストリームと液体ポリマーとの混合領域を提供するように構成されたガイド管を、ガス供給管と連結した紡糸区域にさらに備える、（１）に記載の静電紡糸装置。
（３）
第１のノズル端及び第２のノズル端が、長さ方向の軸に沿って軸の同じ位置にある、（１）に記載の静電紡糸装置。
（４）
高速ガスストリームを加熱するヒータをさらに備える、（１）に記載の静電紡糸装置。
（５）
液体ポリマーを加熱するヒータをさらに備える、（１）に記載の静電紡糸装置。
（６）
ガス供給管が複数の高速ガスストリームを提供する複数の室を備える、（１）に記載の静電紡糸装置。
（７）
中央管が、複数の液体ポリマージェットを提供する複数の室を備える、（１）に記載の静電紡糸装置。
（８）
液体ポリマーが揮発性溶媒を含む、（１）に記載の静電紡糸装置。
（９）
高速ガスストリームを冷却するクーラをさらに備える、（１）に記載の静電紡糸装置。
（１０）
高速ガスストリームが溶媒の蒸気を含む、（１）に記載の静電紡糸装置。
（１１）
硬化されたナノファイバーの直径が５０ｎｍから１０μｍの範囲内にある、（１）に記載の静電紡糸装置。
（１２）
ガスストリーム速度が１ｍ／ｓから３００ｍ／ｓの範囲内にある、（１）に記載の静電紡糸装置。
（１３）
ガスストリーム温度が３１３Ｋから５２３Ｋの範囲内にある、（１）に記載の静電紡糸装置。
（１４）
（ａ）第１の供給端及び反対側の第１のノズル端を有する中央管であって、高速ガスストリームを提供するように適合された中央室の境界を、長さ方向の軸に沿って定める中央管；
（ｂ）中央管を取り囲むように配置され、第２の供給端及び反対側の第２のノズル端を有するポリマー供給管であって、ポリマー液体を提供するように適合された外室の境界を、長さ方向の軸に沿って定めるポリマー供給管；
（ｃ）ポリマー供給管に近接し、荷電液体ポリマージェットを形成するために、電荷を液体ポリマーに付与するように適合された電圧供給源；及び
（ｄ）荷電液体ジェットから形成されて硬化されたナノファイバーを捕捉するように位置する収集装置
を備える、ナノファイバーを形成する静電紡糸装置。
（１５）
第１のノズル端及び第２のノズル端が、長さ方向の軸に沿って軸の同じ位置にある、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（１６）
高速ガスストリームを加熱するヒータをさらに備える、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（１７）
液体ポリマーを加熱するヒータをさらに備える、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（１８）
ガス供給管が複数の高速ガスストリームを提供する複数の室を備える、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（１９）
中央管が、複数の液体ポリマージェットを提供する複数の室を備える、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（２０）
液体ポリマーが揮発性溶媒を含む、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（２１）
高速ガスストリームが溶媒の蒸気を含む、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（２２）
高速ガスストリームを冷却するクーラをさらに備える、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（２３）
硬化されたナノファイバーがナノファイバーの軸に沿って中空部分を含み、且つ硬化されたナノファイバーの直径が５００ｎｍから１０μｍの範囲内にある、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（２４）
ガスストリーム速度が、約１ｍ／ｓを超え、約１０ｍ／ｓを超え、又は１ｍ／ｓから３００ｍ／ｓの範囲内にある、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（２５）
ガスストリームの温度が３１３Ｋを超え、又は３１３〜５２３Ｋの範囲内にある、（１４）に記載の静電紡糸装置。
（２６）
（ａ）第１の供給端及び第１のノズル端を有する、液体ポリマーを送り出すのに適した第１の導管；
（ｂ）第２の供給端及び第２のノズル端を有し、第１の導管に近接して配置された少なくとも１つのガス供給導管；及び
（ｃ）高速ガスを第２のノズル端から放出するのに適した高圧ガスシステム
を備えるナノファイバーを形成する静電紡糸装置。
（２７）
高圧ガスシステムが、ポンプ、高圧ガス缶、及び／又は第２のノズル端が第２の供給端より狭くなるようにテーパの付いたガス供給導管を備える、（２６）に記載の装置。
（２８）
ガス供給導管が複数の第２のノズル端を備える、（２６）に記載の装置。
（２９）
高速ガスを用いて液体ポリマーを静電紡糸することを含む、ナノファイバーを調製するプロセス。
（３０）
液体ポリマーが高速ガスを取り囲む、（２９）に記載のプロセス。
（３１）
高速ガスが液体ポリマーを取り囲む、（２９）に記載のプロセス。
（３２）
高速ガスが加熱される、（２９）から（３１）までのいずれか一項に記載のプロセス。
（３３）
液体ポリマーが、混合物のないポリマー溶融物又はポリマー溶液である、（２９）から（３１）までのいずれか一項に記載のプロセス。
（３４）
高速ガスが溶媒又は試薬の蒸気を含む、（２９）から（３１）までのいずれか一項に記載のプロセス。
（３５）
荷電液体ポリマーを高速ガスストリーム中に注入することを含む、ナノファイバーを調製するプロセス。
（３６）
液体ポリマーが混合物のないポリマー溶融物又はポリマー溶液である、（３５）に記載のプロセス。
（３７）
高速ガスストリームが液体ポリマーのジェットを取り囲む、（３５）に記載のプロセス。
（３８）
高速ガスストリームが加熱される、（３５）に記載のプロセス。
（３９）
高速ガスが溶媒又は試薬の蒸気を含む、（３５）に記載のプロセス。
（４０）
高速ガスストリームがガイドチャンネル内に閉じ込められる、（３５）に記載のプロセス。
（４１）
連続的に細線化する液体ポリマージェットを発生させることを含む静電紡糸プロセス。
（４２）
（２９）から（４１）までのいずれか一項に記載のプロセスにより製造された繊維。
（４３）
繊維の少なくとも１０％が中空である、ポリマーを含む中空ナノファイバー。
（４４）
直径が１μｍ未満である、（４３）に記載の中空ナノファイバー。
（４５）
ポリマーが熱可塑性ポリマーを含む、（４３）に記載の中空ナノファイバー。
（４６）
ポリマーが水溶性ポリマーを含む、（４３）に記載の中空ナノファイバー。
（４７）
ポリマーが変性タンパク質系成分を含む、（４３）又は（４６）に記載の中空ナノファイバー。
（４８）
繊維の直径が１μｍ未満である、溶媒を含まない繊維。
（４９）
水溶性ポリマーを含む、（４８）に記載の溶媒を含まない繊維。
（５０）
水溶性ポリマーがダイズタンパク質などのタンパク質又は変性したタンパク質である、（４９）に記載の溶媒を含まない繊維。
（５１）
水溶性ポリマーが有機溶媒に可溶でなく及び／又は有機溶媒中で分解する、（４９）に記載の溶媒を含まない繊維。
（５２）
集塊化していない、（４８）から（５１）までのいずれか一項に記載の溶媒を含まない複数の繊維を含む繊維マット。
（５３）
直径が１μｍ未満である、溶融静電紡糸された繊維。
（５４）
繊維の含水率が低い、水溶液から静電紡糸された繊維。
（５５）
繊維が集塊化していない、（５４）に記載の複数の繊維を含む繊維マット。

Claims (55)

1. （ａ）第１の供給端及び反対側の第１のノズル端を有する中央管であって、液体ポリマーを提供するように適合された中央室の境界を、長さ方向の軸に沿って定める中央管；
   （ｂ）中央管を取り囲むように配置され、第２の供給端及び反対側の第２のノズル端を有するガス供給管であって、高速ガスストリームを提供するように適合された外室の境界を、長さ方向の軸に沿って定めるガス供給管；
   （ｃ）中央管に近接し、荷電液体ポリマージェットを形成するために、電荷を液体ポリマーに付与するように適合された電圧供給源；及び
   （ｄ）荷電液体ジェットから形成されて硬化されたナノファイバーを捕捉するように位置する収集装置
   を備える、ナノファイバーを形成する静電紡糸装置。
2. 高速ガスストリームと液体ポリマーとの混合領域を提供するように構成されたガイド管を、ガス供給管と連結した紡糸区域にさらに備える、請求項１に記載の静電紡糸装置。
3. 第１のノズル端及び第２のノズル端が、長さ方向の軸に沿って軸の同じ位置にある、請求項１に記載の静電紡糸装置。
4. 高速ガスストリームを加熱するヒータをさらに備える、請求項１に記載の静電紡糸装置。
5. 液体ポリマーを加熱するヒータをさらに備える、請求項１に記載の静電紡糸装置。
6. ガス供給管が複数の高速ガスストリームを提供する複数の室を備える、請求項１に記載の静電紡糸装置。
7. 中央管が、複数の液体ポリマージェットを提供する複数の室を備える、請求項１に記載の静電紡糸装置。
8. 液体ポリマーが揮発性溶媒を含む、請求項１に記載の静電紡糸装置。
9. 高速ガスストリームを冷却するクーラをさらに備える、請求項１に記載の静電紡糸装置。
10. 高速ガスストリームが溶媒の蒸気を含む、請求項１に記載の静電紡糸装置。
11. 硬化されたナノファイバーの直径が５０ｎｍから１０μｍの範囲内にある、請求項１に記載の静電紡糸装置。
12. ガスストリーム速度が１ｍ／ｓから３００ｍ／ｓの範囲内にある、請求項１に記載の静電紡糸装置。
13. ガスストリーム温度が３１３Ｋから５２３Ｋの範囲内にある、請求項１に記載の静電紡糸装置。
14. （ａ）第１の供給端及び反対側の第１のノズル端を有する中央管であって、高速ガスストリームを提供するように適合された中央室の境界を、長さ方向の軸に沿って定める中央管；
    （ｂ）中央管を取り囲むように配置され、第２の供給端及び反対側の第２のノズル端を有するポリマー供給管であって、ポリマー液体を提供するように適合された外室の境界を、長さ方向の軸に沿って定めるポリマー供給管；
    （ｃ）ポリマー供給管に近接し、荷電液体ポリマージェットを形成するために、電荷を液体ポリマーに付与するように適合された電圧供給源；及び
    （ｄ）荷電液体ジェットから形成されて硬化されたナノファイバーを捕捉するように位置する収集装置
    を備える、ナノファイバーを形成する静電紡糸装置。
15. 第１のノズル端及び第２のノズル端が、長さ方向の軸に沿って軸の同じ位置にある、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
16. 高速ガスストリームを加熱するヒータをさらに備える、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
17. 液体ポリマーを加熱するヒータをさらに備える、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
18. ガス供給管が複数の高速ガスストリームを提供する複数の室を備える、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
19. 中央管が、複数の液体ポリマージェットを提供する複数の室を備える、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
20. 液体ポリマーが揮発性溶媒を含む、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
21. 高速ガスストリームが溶媒の蒸気を含む、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
22. 高速ガスストリームを冷却するクーラをさらに備える、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
23. 硬化されたナノファイバーがナノファイバーの軸に沿って中空部分を含み、且つ硬化されたナノファイバーの直径が５００ｎｍから１０μｍの範囲内にある、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
24. ガスストリーム速度が、約１ｍ／ｓを超え、約１０ｍ／ｓを超え、又は１ｍ／ｓから３００ｍ／ｓの範囲内にある、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
25. ガスストリームの温度が３１３Ｋを超え、又は３１３〜５２３Ｋの範囲内にある、請求項１４に記載の静電紡糸装置。
26. （ａ）第１の供給端及び第１のノズル端を有する、液体ポリマーを送り出すのに適した第１の導管；
    （ｂ）第２の供給端及び第２のノズル端を有し、第１の導管に近接して配置された少なくとも１つのガス供給導管；及び
    （ｃ）高速ガスを第２のノズル端から放出するのに適した高圧ガスシステム
    を備えるナノファイバーを形成する静電紡糸装置。
27. 高圧ガスシステムが、ポンプ、高圧ガス缶、及び／又は第２のノズル端が第２の供給端より狭くなるようにテーパの付いたガス供給導管を備える、請求項２６に記載の装置。
28. ガス供給導管が複数の第２のノズル端を備える、請求項２６に記載の装置。
29. 高速ガスを用いて液体ポリマーを静電紡糸することを含む、ナノファイバーを調製するプロセス。
30. 液体ポリマーが高速ガスを取り囲む、請求項２９に記載のプロセス。
31. 高速ガスが液体ポリマーを取り囲む、請求項２９に記載のプロセス。
32. 高速ガスが加熱される、請求項２９から３１までのいずれか一項に記載のプロセス。
33. 液体ポリマーが、混合物のないポリマー溶融物又はポリマー溶液である、請求項２９から３１までのいずれか一項に記載のプロセス。
34. 高速ガスが溶媒又は試薬の蒸気を含む、請求項２９から３１までのいずれか一項に記載のプロセス。
35. 荷電液体ポリマーを高速ガスストリーム中に注入することを含む、ナノファイバーを調製するプロセス。
36. 液体ポリマーが混合物のないポリマー溶融物又はポリマー溶液である、請求項３５に記載のプロセス。
37. 高速ガスストリームが液体ポリマーのジェットを取り囲む、請求項３５に記載のプロセス。
38. 高速ガスストリームが加熱される、請求項３５に記載のプロセス。
39. 高速ガスが溶媒又は試薬の蒸気を含む、請求項３５に記載のプロセス。
40. 高速ガスストリームがガイドチャンネル内に閉じ込められる、請求項３５に記載のプロセス。
41. 連続的に細線化する液体ポリマージェットを発生させることを含む静電紡糸プロセス。
42. 請求項２９から４１までのいずれか一項に記載のプロセスにより製造された繊維。
43. 繊維の少なくとも１０％が中空である、ポリマーを含む中空ナノファイバー。
44. 直径が１μｍ未満である、請求項４３に記載の中空ナノファイバー。
45. ポリマーが熱可塑性ポリマーを含む、請求項４３に記載の中空ナノファイバー。
46. ポリマーが水溶性ポリマーを含む、請求項４３に記載の中空ナノファイバー。
47. ポリマーが変性タンパク質系成分を含む、請求項４３又は請求項４６に記載の中空ナノファイバー。
48. 繊維の直径が１μｍ未満である、溶媒を含まない繊維。
49. 水溶性ポリマーを含む、請求項４８に記載の溶媒を含まない繊維。
50. 水溶性ポリマーがダイズタンパク質などのタンパク質又は変性したタンパク質である、請求項４９に記載の溶媒を含まない繊維。
51. 水溶性ポリマーが有機溶媒に可溶でなく及び／又は有機溶媒中で分解する、請求項４９に記載の溶媒を含まない繊維。
52. 集塊化していない、請求項４８から５１までのいずれか一項に記載の溶媒を含まない複数の繊維を含む繊維マット。
53. 直径が１μｍ未満である、溶融静電紡糸された繊維。
54. 繊維の含水率が低い、水溶液から静電紡糸された繊維。
55. 繊維が集塊化していない、請求項５４に記載の複数の繊維を含む繊維マット。