JP6190274B2 - Apparatus and method for depositing microfibers and nanofibers on a substrate - Google Patents

Apparatus and method for depositing microfibers and nanofibers on a substrate Download PDF

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    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/18Formation of filaments, threads, or the like by means of rotating spinnerets

Description

本発明は、一般に繊維製造の分野に関する。より具体的には、本発明は直径がミクロン及びサブミクロンサイズの繊維に関する。   The present invention relates generally to the field of fiber manufacturing. More specifically, the present invention relates to micron and submicron sized fibers.

小さい直径が例えば、マイクロメートル(「ミクロン」)からナノメートル(「ナノ」)までの繊維は、衣料産業から軍事用途に至る様々な分野で有用である。例えば、生物医学分野においては、生細胞を効果的に支持する組織増殖のための足場材料を与えるナノ繊維をベースとする構造体の開発に強い関心がもたれている。繊維の分野では、ナノ繊維が単位質量当たりの表面積が大きく、軽いが耐摩耗性の高い衣料品をもたらすという理由で、ナノ繊維に強い関心がもたれている。その1つの部類として、炭素ナノ繊維は、例えば、強化複合材料において、熱管理において、及びエラストマの補強において用いられている。小直径繊維を製造し、それらの化学的及び物理的性質を制御する技術が向上するにつれて、小直径繊維の多くの可能性のある用途が開発されている。   Fibers with small diameters, for example, from micrometer ("micron") to nanometer ("nano") are useful in a variety of fields ranging from the garment industry to military applications. For example, in the biomedical field, there is a strong interest in developing nanofiber-based structures that provide a scaffold material for tissue growth that effectively supports living cells. In the field of fibers, there is a strong interest in nanofibers because nanofibers have a large surface area per unit mass, resulting in a light but wear-resistant garment. As one of its classes, carbon nanofibers are used, for example, in reinforced composite materials, in thermal management, and in reinforcing elastomers. As the technology for producing small diameter fibers and controlling their chemical and physical properties has improved, many potential uses for small diameter fibers have been developed.

繊維製造において、有機繊維の非常に微細な繊維状物質を生成することは周知であり、例えば、特許文献1及び特許文献2には、有機材料を静電的に紡糸し、次いで紡糸された繊維を適切な表面上に集めることによって微小繊維マット製品が製作されることが記載されており、特許文献3には、溶融ポリマーに制御された圧力が加えられ、これが帯電板の開口を通して放出されることが記載されている。特許文献4には、水溶性ポリマーが、PTFE(テフロン(登録商標))離型剤で被覆することができるアルミニウム箔のラッパーが周囲に巻き付けられた帯電金属マンドレルを含む電界中に、一連の間隔を空けたシリンジによって送り込まれることが記載されている。さらに、特許文献2、特許文献5、特許文献6、特許文献7、特許文献8、特許文献9及び特許文献10が注目され、これら全てはポリマーナノ繊維製造機構を特徴とするものである。   In fiber production, it is well known to produce very fine fibrous materials of organic fibers. For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, an organic material is electrostatically spun and then spun fibers Describes the production of a microfiber mat product by collecting it on a suitable surface, and US Pat. No. 6,057,049 applies a controlled pressure to the molten polymer, which is released through the opening of the charging plate. It is described. In US Pat. No. 6,057,049, a series of intervals are formed in an electric field that includes a charged metal mandrel around which a water-soluble polymer is wrapped with an aluminum foil wrapper that can be coated with a PTFE (Teflon®) release agent. It is described that it is fed by a syringe having a gap. Further, Patent Literature 2, Patent Literature 5, Patent Literature 6, Patent Literature 7, Patent Literature 8, Patent Literature 9, and Patent Literature 10 are all noted, all of which feature a polymer nanofiber production mechanism.

電界紡糸は、ナノ繊維を作成するための主要な製造方法である。電界紡糸に用いられる方法及び機械の例は、例えば、特許文献11、特許文献12、特許文献13、及び特許文献14に見出すことができる。   Electrospinning is the main manufacturing method for making nanofibers. Examples of methods and machines used for electrospinning can be found in, for example, Patent Document 11, Patent Document 12, Patent Document 13, and Patent Document 14.

米国特許第4,043,331号明細書US Pat. No. 4,043,331 米国特許第4,044,404号明細書US Pat. No. 4,044,404 米国特許第4,266,918号明細書US Pat. No. 4,266,918 米国特許第4,323,525号明細書US Pat. No. 4,323,525 米国特許第4,639,390号明細書US Pat. No. 4,639,390 米国特許第4,657,743号明細書US Pat. No. 4,657,743 米国特許第4,842,505号明細書US Pat. No. 4,842,505 米国特許第5,522,879号明細書US Pat. No. 5,522,879 米国特許第6,106,913号明細書US Pat. No. 6,106,913 米国特許第6,111,590号明細書US Pat. No. 6,111,590 米国特許第6,616,435号明細書US Pat. No. 6,616,435 米国特許第6,713,011号明細書US Pat. No. 6,713,011 米国特許第7,083,854号明細書US Patent No. 7,083,854 米国特許第7,134,857号明細書US Pat. No. 7,134,857 米国特許第6,221,487号明細書US Pat. No. 6,221,487 米国特許第6,235,392号明細書US Pat. No. 6,235,392 米国特許第6,511,930号明細書US Pat. No. 6,511,930 米国特許第6,596,033号明細書US Pat. No. 6,596,033 米国特許第7,067,444号明細書US Pat. No. 7,067,444

本明細書で説明するのは、マイクロ繊維及びナノ繊維のような繊維を作成するための装置及び方法である。本明細書で論じる方法は、遠心力を利用して材料を繊維に変える方法である。1つの実施の形態において、繊維製造システムは、繊維製造装置と、この繊維製造装置を回転させることができる駆動部とを含む。繊維製造装置は、1つの実施の形態においては、1つ又はそれ以上の開口を有するボディと結合部材とを含み、前記ボディは、繊維として生成される材料を収容するように構成され、繊維製造装置はさらに、1つ又はそれ以上の開口に結合された1つ又はそれ以上のノズルを含み、ここで1つ又はそれ以上のノズルはノズルオリフィスを含む。繊維製造装置のボディは、結合部材を介して駆動部に結合している。使用中、駆動部に結合された繊維製造装置の回転により、ボディ内の材料が1つ又はそれ以上の開口を通して1つ又はそれ以上のノズルへ送られ、1つ又はそれ以上のノズルオリフィスを通して噴出されてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成される。幾つかの実施の形態において、繊維製造システムは、マイクロ繊維及びナノ繊維を実質的に同時に生成するように構成することができる。   Described herein are devices and methods for making fibers such as microfibers and nanofibers. The method discussed herein is a method that utilizes centrifugal force to convert material into fibers. In one embodiment, the fiber manufacturing system includes a fiber manufacturing apparatus and a drive unit that can rotate the fiber manufacturing apparatus. The fiber manufacturing apparatus, in one embodiment, includes a body having one or more openings and a coupling member, the body configured to receive a material produced as a fiber, The apparatus further includes one or more nozzles coupled to the one or more openings, wherein the one or more nozzles include a nozzle orifice. The body of the fiber manufacturing apparatus is coupled to the drive unit via a coupling member. In use, rotation of the fiber manufacturing equipment coupled to the drive causes material in the body to be sent through one or more openings to one or more nozzles and ejected through one or more nozzle orifices. To produce microfibers and / or nanofibers. In some embodiments, the fiber manufacturing system can be configured to produce microfibers and nanofibers substantially simultaneously.

繊維製造装置のノズルは、1つの実施の形態において、ボディに取外し可能に結合することができる。代替的に、繊維製造装置のノズルは、ボディの一体部分とすることができる。封止リングを1つ又はそれ以上のノズルとボディとの間に配置して、ノズルとボディとの間の確実な嵌合を維持する助けとする。1つの実施の形態において、ボディは、1つ又はそれ以上のノズルを開口に結合するのに使用されるロックシステムを含み、このロックシステムは、結合されたノズルをボディに対して所定の方向に固定する。   The nozzle of the fiber manufacturing device can be removably coupled to the body in one embodiment. Alternatively, the nozzle of the fiber production device can be an integral part of the body. A sealing ring is placed between one or more nozzles and the body to help maintain a secure fit between the nozzles and the body. In one embodiment, the body includes a locking system that is used to couple one or more nozzles to the opening, and the locking system places the coupled nozzles in a predetermined direction relative to the body. Fix it.

ノズルは、繊維製造装置に取外し可能に結合することができる。代替的に、ノズルは、繊維製造装置のボディの側壁上に、ボディとノズルが単一の一体材料から形成することができる。代替的に、側壁を通して延びる開口を、位置合せリング又はピンを有する一対の接合円板の接合部に形成する。ノズルは、ノズルボディを含むことができ、ノズルボディは、内部空洞を定め、近位端及び遠位端を有し、この近位端は、ノズルを繊維製造装置に結合させる結合部分を備えている。ノズルの結合部分は、1つの実施の形態において、繊維製造装置の対応するねじ切り部分と噛み合うねじ切り端部とすることができる。ノズル先端部をノズルボディの遠位端に結合することができ、このノズル先端部は、ノズルボディの内径より小さい内径を有する。ノズルボディは、ノズルボディの壁を通して延びる開口を含み、ノズル先端部は、ノズルボディ内に配置された材料が、使用中に開口を通過してノズル先端部に至るように、ノズル開口と位置合せされる。ノズル先端部の内径は、ノズルが繊維製造装置に結合されているときに材料がノズル先端部を通して噴出されるとき、マイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成されるように設定する。   The nozzle can be removably coupled to the fiber manufacturing apparatus. Alternatively, the nozzle can be formed from a single integral material on the side wall of the body of the fiber manufacturing apparatus. Alternatively, an opening extending through the side wall is formed at the junction of a pair of joining discs having alignment rings or pins. The nozzle may include a nozzle body, the nozzle body defining an internal cavity and having a proximal end and a distal end, the proximal end comprising a coupling portion that couples the nozzle to the fiber manufacturing apparatus. Yes. The coupling portion of the nozzle may be a threaded end that meshes with a corresponding threaded portion of the fiber manufacturing device in one embodiment. A nozzle tip can be coupled to the distal end of the nozzle body, the nozzle tip having an inner diameter that is smaller than the inner diameter of the nozzle body. The nozzle body includes an opening that extends through the wall of the nozzle body, and the nozzle tip is aligned with the nozzle opening so that material disposed within the nozzle body passes through the opening and reaches the nozzle tip during use. Is done. The inner diameter of the nozzle tip is set so that microfibers and / or nanofibers are produced when material is ejected through the nozzle tip when the nozzle is coupled to the fiber manufacturing apparatus.

一実施の形態において、ノズル先端部及びノズルボディは、単一の一体の材料から形成されている。代替的に、ノズル先端は、ノズルボディに取外し可能に結合することができる。ノズルは、少なくとも約2mmの長さとすることができる。ノズル先端の内径は、約1mmより小さくすることができる。ノズルボディの内側壁の一部分は実質的に平坦であり、ノズルボディの内側壁の別の部分は、平坦部分からノズルボディ内に形成された開口に向かって角度を付けられ及び/又は丸みを付けられる。1つの実施の形態において、ノズル先端部は、角度を付けられ及び/又は丸みを付けられたノズル出口端を有する。ノズルは、非円筒型の外面を有することができる。1つの実施の形態において、ノズルは先細の端部を有する外面を有する。ボディの回転中、気体がノズルの先細端部に接触し、先細端部と反対側に負圧領域を形成する。   In one embodiment, the nozzle tip and nozzle body are formed from a single unitary material. Alternatively, the nozzle tip can be removably coupled to the nozzle body. The nozzle can be at least about 2 mm long. The inner diameter of the nozzle tip can be smaller than about 1 mm. A portion of the inner wall of the nozzle body is substantially flat and another portion of the inner wall of the nozzle body is angled and / or rounded from the flat portion toward an opening formed in the nozzle body. It is done. In one embodiment, the nozzle tip has a nozzle outlet end that is angled and / or rounded. The nozzle can have a non-cylindrical outer surface. In one embodiment, the nozzle has an outer surface with a tapered end. During the rotation of the body, the gas contacts the tapered end of the nozzle, forming a negative pressure region on the opposite side of the tapered end.

1つ又はそれ以上の出口導管が、1つ又はそれ以上のノズルを1つ又はそれ以上の開口に結合される。出口導管は、少なくとも約10mmの長さとすることができる。ノズルは、ノズルオリフィスを含む。   One or more outlet conduits are coupled to the one or more nozzles to the one or more openings. The outlet conduit can be at least about 10 mm long. The nozzle includes a nozzle orifice.

繊維製造装置のボディは、一緒に内部空洞を定める1つ又はそれ以上の側壁及び上部を含み、1つ又はそれ以上の開口がボディの側壁を通して延びて内部の空洞と連通している。一実施の形態において、側壁の内表面は、底壁から1つ又はそれ以上の開口に向かって角度が付けられる。代替的実施の形態において、側壁の内表面は、底壁から1つ又はそれ以上の開口に向かって丸みを付けられる。側壁の内表面は、卵形を有し、その結果、卵形内側側壁の長軸が1つ又はそれ以上の開口と一直線になるようにすることができる。   The body of the textile manufacturing apparatus includes one or more side walls and an upper portion that together define an internal cavity, and one or more openings extend through the side walls of the body and communicate with the internal cavity. In one embodiment, the inner surface of the sidewall is angled from the bottom wall toward one or more openings. In an alternative embodiment, the inner surface of the sidewall is rounded from the bottom wall toward one or more openings. The inner surface of the side wall may have an oval shape so that the major axis of the oval inner side wall is aligned with one or more openings.

駆動部は、繊維製造装置を駆動部と結合させるとき、繊維製造装置の下方又は繊維製造装置の上方に配置することができる。駆動部は、約1000RPMを超える速度で繊維製造装置を回転させることができる。   The drive unit can be disposed below the fiber production device or above the fiber production device when the fiber production device is coupled to the drive unit. The drive can rotate the fiber manufacturing device at a speed in excess of about 1000 RPM.

1つの実施の形態において、加熱装置を繊維製造装置に熱的に結合する。一実施の形態において、液面センサが繊維製造装置に結合され、前記液面センサは、繊維製造装置内の液面を検出するように配置される。   In one embodiment, the heating device is thermally coupled to the fiber manufacturing device. In one embodiment, a liquid level sensor is coupled to the fiber manufacturing apparatus, and the liquid level sensor is arranged to detect the liquid level in the fiber manufacturing apparatus.

繊維製造装置は、チャンバ内に密閉することができ、チャンバ内部の環境は制御可能である。繊維製造システムは、繊維製造装置の少なくとも一部分を囲む収集システムを含み、使用中に生成された繊維は、少なくとも部分的に収集システム上に収集される。収集システムは、1つの実施の形態において、収集基材に結合された1つ又はそれ以上の収集要素を含み、この1つ又はそれ以上の収集要素は、少なくとも部分的に繊維製造装置を囲んでいる。1つの実施の形態において、収集要素は、収集基材表面から延びる弓形又は直線形の突起を含む。   The fiber manufacturing apparatus can be sealed in the chamber, and the environment inside the chamber can be controlled. The fiber manufacturing system includes a collection system that surrounds at least a portion of the fiber manufacturing apparatus, and the fibers produced during use are collected at least partially on the collection system. The collection system, in one embodiment, includes one or more collection elements coupled to the collection substrate, the one or more collection elements at least partially surrounding the fiber manufacturing apparatus. Yes. In one embodiment, the collection element includes an arcuate or straight protrusion extending from the collection substrate surface.

他の実施の形態において、繊維製造システムは、繊維製造装置と、この繊維製造装置を回転させる駆動部とを含む。繊維製造装置は、1つの実施の形態において、1つ又はそれ以上の開口を有するボディと結合部材とを含み、前記ボディは繊維として生成される材料を収容するように構成され、繊維製造装置は、さらに1つ又はそれ以上の開口に結合された1つ又はそれ以上のニードルポートを含み、使用中、1つ又はそれ以上のニードルをニードルポートに取外し可能に結合することができる。繊維製造装置のボディは、結合部材を介して駆動部に結合されている。使用中、駆動部に結合された繊維製造装置の回転により、ボディ内の材料が1つ又はそれ以上のニードルポートに結合された1つ又はそれ以上のニードルを通して噴出されて、マイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成される。1つの実施の形態において、1つ又はそれ以上のニードルポートに結合されたニードルは、角度を付けられた及び/又は丸みを付けられた出口を有する。   In another embodiment, the fiber manufacturing system includes a fiber manufacturing apparatus and a drive unit that rotates the fiber manufacturing apparatus. In one embodiment, a fiber manufacturing apparatus includes a body having one or more openings and a coupling member, the body configured to receive material produced as a fiber, the fiber manufacturing apparatus comprising: And further including one or more needle ports coupled to the one or more openings, wherein the one or more needles can be removably coupled to the needle ports during use. The body of the fiber manufacturing apparatus is coupled to the drive unit via a coupling member. In use, rotation of the fiber manufacturing device coupled to the drive causes material in the body to be ejected through one or more needles coupled to one or more needle ports, resulting in microfibers and / or Nanofibers are produced. In one embodiment, a needle coupled to one or more needle ports has an angled and / or rounded outlet.

他の実施の形態において、繊維製造システムは、繊維製造装置と、この繊維製造装置を回転させる駆動部とを含む。繊維製造装置は、1つの実施の形態において、2つ又はそれ以上のチャンバを備えたボディと結合部材とを含み、ここで第1のチャンバは、1つ又はそれ以上の開口を有し、繊維として生成される材料を収容するように構成され、第2のチャンバは、1つ又はそれ以上の開口を備え、繊維として生成される材料を収容するように構成されている。繊維製造装置のボディは、結合部材を介して駆動部に結合されている。使用中、駆動部に結合された繊維製造装置の回転により、少なくとも第1のチャンバ及び第2のチャンバ内の材料が1つ又はそれ以上の開口を通して噴出され、マイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成される。   In another embodiment, the fiber manufacturing system includes a fiber manufacturing apparatus and a drive unit that rotates the fiber manufacturing apparatus. The fiber manufacturing apparatus, in one embodiment, includes a body with two or more chambers and a coupling member, wherein the first chamber has one or more openings and the fibers The second chamber is configured with one or more openings and configured to receive the material produced as fibers. The body of the fiber manufacturing apparatus is coupled to the drive unit via a coupling member. During use, rotation of the fiber manufacturing device coupled to the drive causes at least the material in the first chamber and the second chamber to be ejected through one or more openings, producing microfibers and / or nanofibers. Is done.

他の実施の形態において、繊維製造システムは、繊維製造装置と、この繊維製造装置を回転させる駆動部とを含む。繊維製造装置は、1つの実施の形態において、1つ又はそれ以上の開口を有するボディと結合部材とを含み、前記ボディは、繊維として生成される材料を収容するように構成されている。繊維製造装置のボディは、結合部材を介して駆動部に結合されている。繊維製造システムは、使用中に繊維製造装置によって生成された繊維を収集する収集システムをさらに含み、この収集システムは、収集要素基材に結合された1つ又はそれ以上の収集要素を含み、この1つ又はそれ以上の収集要素は、収集要素基材から延びる弓形突起を含む。使用中、駆動部に結合されたボディの回転により、ボディ内の材料が1つ又はそれ以上の開口を通して噴出されてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成され、これらが少なくとも部分的に収集要素上に収集される。   In another embodiment, the fiber manufacturing system includes a fiber manufacturing apparatus and a drive unit that rotates the fiber manufacturing apparatus. The fiber manufacturing apparatus, in one embodiment, includes a body having one or more openings and a coupling member, the body being configured to receive material produced as fibers. The body of the fiber manufacturing apparatus is coupled to the drive unit via a coupling member. The fiber manufacturing system further includes a collection system that collects fibers produced by the fiber manufacturing apparatus during use, the collection system including one or more collection elements coupled to the collection element substrate, One or more collection elements include arcuate protrusions extending from the collection element substrate. In use, rotation of the body coupled to the drive causes material in the body to be ejected through one or more openings to produce microfibers and / or nanofibers, which are at least partially on the collection element. To be collected.

一実施の形態において、繊維製造システムの収集システムは、収集要素基材に結合された1つ又はそれ以上の収集要素を含み、この収集要素は、繊維製造装置の少なくとも一部分を囲むように配置され、繊維製造装置に対する収集要素の位置は、収集要素を収集要素基材の一部分に沿って動かすことにより調整することができる。   In one embodiment, the collection system of the fiber production system includes one or more collection elements coupled to the collection element substrate, the collection elements arranged to surround at least a portion of the fiber production apparatus. The position of the collecting element relative to the fiber manufacturing apparatus can be adjusted by moving the collecting element along a portion of the collecting element substrate.

他の実施の形態において、繊維製造システムの収集システムは、収集要素基材及び収集容器に結合された1つ又はそれ以上の収集要素を含み、前記収集容器は、繊維製造装置を少なくとも部分的に囲み、収集要素は、収集容器内に取外し可能に配置されている。   In other embodiments, a collection system of a fiber manufacturing system includes one or more collection elements coupled to a collection element substrate and a collection container, the collection container at least partially comprising a fiber manufacturing apparatus. The enclosure and collection element is removably disposed within the collection container.

他の実施の形態において、繊維製造システムの収集システムは、繊維製造装置によって生成される繊維を収集するように構成されている。使用中、繊維製造装置の回転により、ボディ内の材料が1つ又はそれ以上の開口を通して噴出され、マイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成される。収集システムは、真空を生じさせるか又は気体流装置を作動させ、これにより、収集システムに向かう生成された繊維の流れが生じる。   In other embodiments, the collection system of the fiber manufacturing system is configured to collect fibers produced by the fiber manufacturing apparatus. In use, rotation of the fiber manufacturing device causes material in the body to be ejected through one or more openings, producing microfibers and / or nanofibers. The collection system creates a vacuum or activates a gas flow device, which creates a flow of generated fibers toward the collection system.

他の実施の形態において、繊維製造システムは、繊維製造装置と、この繊維製造装置を回転させる駆動部とを含む。繊維製造装置は、1つの実施の形態において、1つ又はそれ以上の開口を有するボディと結合部材とを含み、前記ボディは、繊維として生成される材料を収容するように構成されている。繊維製造装置のボディは、結合部材を介して駆動部に結合されている。繊維製造システムは、堆積システムをさらに含み、この堆積システムは、使用中に繊維製造装置によって生成された繊維を収集し、使用中に、収集された繊維を堆積システム内に配置された基材に向かうように誘導する。使用中、駆動部に結合されたボディの回転により、ボディ内の材料が1つ又はそれ以上の開口を通して噴出されてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成され、これらが少なくとも部分的に堆積システムに移送される。   In another embodiment, the fiber manufacturing system includes a fiber manufacturing apparatus and a drive unit that rotates the fiber manufacturing apparatus. The fiber manufacturing apparatus, in one embodiment, includes a body having one or more openings and a coupling member, the body being configured to receive material produced as fibers. The body of the fiber manufacturing apparatus is coupled to the drive unit via a coupling member. The fiber manufacturing system further includes a deposition system that collects the fibers produced by the fiber manufacturing device during use and, during use, collects the collected fibers into a substrate disposed within the deposition system. Guide you to head. In use, rotation of the body coupled to the drive causes material in the body to be ejected through one or more openings to produce microfibers and / or nanofibers that are at least partially in the deposition system. Be transported.

本発明の利点は、実施の形態である以下の詳細な説明により、及び添付した図面を参照することにより、当業者には明らかになるであろう。   Advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description of the embodiments and with reference to the accompanying drawings.

図1は駆動部が繊維製造装置の上方に取付けられた繊維製造システムを示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fiber manufacturing system in which a drive unit is mounted above a fiber manufacturing apparatus. 図2は多重レベルの繊維製造装置の一例を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a multi-level fiber manufacturing apparatus. 図3は基材上に繊維を堆積させるように構成された繊維製造システムの一部分の実施の形態を示す概略断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating an embodiment of a portion of a fiber manufacturing system configured to deposit fibers on a substrate. 図4は基材上に繊維を連続的に堆積させるように構成された繊維製造システムの実施の形態を示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a fiber manufacturing system configured to continuously deposit fibers on a substrate. 図5は同軸出口要素を示す斜視図。FIG. 5 is a perspective view showing a coaxial outlet element. 図6は連続液体混合物供給部を有する本発明の繊維製造システムを示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a fiber manufacturing system of the present invention having a continuous liquid mixture supply unit. 図7は連続溶融物供給部を有する本発明の繊維製造システムを示す断面図。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a fiber manufacturing system of the present invention having a continuous melt supply section. 図8は基材堆積システムを示す斜視図。FIG. 8 is a perspective view showing a substrate deposition system. 図9は繊維堆積システムを示す概略図。FIG. 9 is a schematic view showing a fiber deposition system. 図10は複数の繊維製造装置を含む堆積システムを示す斜視図。FIG. 10 is a perspective view showing a deposition system including a plurality of fiber manufacturing apparatuses.

本発明には種々の改変及び代替的形態の余地があるが、その特定の実施の形態が実施例として図面に示され、本明細書で詳しく説明することになる。図面は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。しかし、図面及びその詳細な説明は、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図したものではなく、むしろ反対に、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨及び範囲に入るあらゆる改変、均等物、及び代替を網羅することが意図されていることを理解されたい。   While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will be described in detail herein. The drawings are not necessarily drawn to scale. However, the drawings and detailed description thereof are not intended to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather to the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It should be understood that it is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives that come in.

繊維製造システムを図1に示す。繊維製造システム1900は、繊維製造装置1910を含む。繊維製造装置は、ボディ1912及び結合部材1914を含む。ボディ1912は、1つ又はそれ以上の開口1916を含み、使用中、その中をボディ内に配置された材料が通過する。1つ又はそれ以上の出口要素1918(例えば、ノズル、ニードル、ニードルポート又は出口導管)を1つ又はそれ以上の開口1916に結合されている。前述のように、ボディの内部空洞は、ボディ1912内に配置された材料を開口1916に向かうように誘導するのを助けるための角度又は丸みを付けられた壁を含む。結合部材1914は、ボディから延びる細長い部材(図1に示すように)であり、これを駆動部1920の一部分(例えば、駆動部のチャック又は自在ねじ切り継ぎ手)に結合している。代替的に、結合部材は、駆動部からの細長い部材を受入れることになる受け具とすることができる(例えば、結合部材は、チャック又は自在ねじ切り継ぎ手とすることができる)。   A fiber manufacturing system is shown in FIG. The fiber manufacturing system 1900 includes a fiber manufacturing apparatus 1910. The fiber manufacturing apparatus includes a body 1912 and a coupling member 1914. The body 1912 includes one or more openings 1916 through which material disposed within the body passes. One or more outlet elements 1918 (eg, nozzles, needles, needle ports or outlet conduits) are coupled to one or more openings 1916. As described above, the interior cavity of the body includes an angled or rounded wall to help guide the material disposed within the body 1912 toward the opening 1916. The coupling member 1914 is an elongate member (as shown in FIG. 1) extending from the body and couples it to a portion of the drive unit 1920 (eg, a chuck of the drive unit or a universal threaded joint). Alternatively, the coupling member can be a receptacle that will receive an elongate member from the drive (eg, the coupling member may be a chuck or a universal thread joint).

繊維製造システムは、結合部材1914に結合される駆動部1920を含む。駆動部1920は、繊維製造装置1910が駆動部に結合された状態で、繊維製造装置の上方に配置されている。使用中、駆動部1920は、繊維製造装置1910を回転させる。適切な駆動部としては、ブラシレスDCモータなどの市販の可変電気モータが挙げられる。   The fiber manufacturing system includes a drive unit 1920 that is coupled to the coupling member 1914. The drive unit 1920 is disposed above the fiber manufacturing apparatus with the fiber manufacturing apparatus 1910 coupled to the drive unit. During use, the drive unit 1920 rotates the fiber manufacturing apparatus 1910. Suitable drive units include commercially available variable electric motors such as brushless DC motors.

繊維製造システム1900は、さらに収集システム1930を含む。収集システムは、繊維製造装置1910を少なくとも部分的に囲む収集壁1932を含む。収集システム1930は、収集壁1932に結合された収集導管1934をさらに含む。収集導管1934は、1つの実施の形態において、収集壁1932の一体部分としている。使用中、繊維製造装置1910によって生成された繊維は、収集壁1932の上に集め、これを収集導管1934に移送する。1つの実施の形態において、収集導管1934は、生成された繊維が収集壁1932の上に集められて収集導管内に落下するように、繊維製造装置1910の下方に配置している。幾つかの実施の形態において、気体流装置(図示せず)又は真空システム(図示せず)を用いて、繊維を収集壁1932から収集導管1934に導く気体流を作り出す。収集導管1934は、繊維を収集するのに使用される収集チャンバに結合されている。   The fiber manufacturing system 1900 further includes a collection system 1930. The collection system includes a collection wall 1932 that at least partially surrounds the fiber manufacturing apparatus 1910. Collection system 1930 further includes a collection conduit 1934 coupled to collection wall 1932. Collection conduit 1934 is an integral part of collection wall 1932 in one embodiment. In use, the fibers produced by the fiber manufacturing device 1910 collect on the collection wall 1932 and transfer it to the collection conduit 1934. In one embodiment, the collection conduit 1934 is positioned below the fiber production device 1910 so that the produced fibers are collected on the collection wall 1932 and fall into the collection conduit. In some embodiments, a gas flow device (not shown) or a vacuum system (not shown) is used to create a gas flow that directs fibers from collection wall 1932 to collection conduit 1934. Collection conduit 1934 is coupled to a collection chamber used to collect the fibers.

繊維製造装置の他の例を図2に示す。繊維製造装置1000は、2つ又はそれ以上のレベルを有するボディ1010を含む。例えば、図2に示す実施の形態において、繊維製造装置1000は、1つ又はそれ以上の開口1011、1013、1015を有する3つのレベルを含み、それら開口を通して、チャンバ内に配置された材料を噴出する。ボディ1010の内部空洞1012は、空洞の底から第1のレベルの開口1011に向かって湾曲した湾曲内表面を有する。こうすることで、空洞1012内に配置された材料が開口に向かって誘導される。一般に、開口1011、1013、1015の直径は、空洞1012の内表面を上昇する材料が全ての開口に速やかに到達するように設定される。開口は、水平方向で及び/又は垂直方向で互いにずれるように所定のパターンに配設している。例えば、図2に示すように、開口は、1つ又はそれ以上のレベルの開口を形成するように規則正しく配設することもできる。   Another example of the fiber manufacturing apparatus is shown in FIG. The fiber manufacturing apparatus 1000 includes a body 1010 having two or more levels. For example, in the embodiment shown in FIG. 2, the fiber manufacturing apparatus 1000 includes three levels having one or more openings 1011, 1013, 1015 through which the material disposed in the chamber is ejected. To do. The internal cavity 1012 of the body 1010 has a curved inner surface that curves from the bottom of the cavity toward the first level opening 1011. In this way, the material placed in the cavity 1012 is guided towards the opening. In general, the diameters of the openings 1011, 1013, 1015 are set so that the material rising on the inner surface of the cavity 1012 quickly reaches all the openings. The openings are arranged in a predetermined pattern so as to be displaced from each other in the horizontal direction and / or in the vertical direction. For example, as shown in FIG. 2, the openings can be regularly arranged to form one or more levels of openings.

使用中、繊維製造装置の回転により、各レベルの開口1011、1013、1015の1つ又はそれ以上を通して材料が噴出され繊維が生成される。幾つかの実施の形態において、開口1011、1013、1015は、材料が開口を通して噴出する際にマイクロ繊維及び/又はナノ繊維の作成をもたらすサイズ及び/又は形状を有する。他の実施の形態において、出口要素を1つ又はそれ以上の開口1011、1013、1015に結合することができる。異なる材料が異なるチャンバ内に配置されると、2つ又はそれ以上の異なる繊維を同時に生成することができる。   In use, rotation of the fiber production equipment causes material to be ejected through one or more of each level of openings 1011, 1013, 1015 to produce fibers. In some embodiments, the apertures 1011, 1013, 1015 have a size and / or shape that results in the creation of microfibers and / or nanofibers when material is ejected through the apertures. In other embodiments, the outlet element can be coupled to one or more openings 1011, 1013, 1015. When different materials are placed in different chambers, two or more different fibers can be produced simultaneously.

1つの実施の形態において、レベルは互いに取り外し可能に結合することができる。例えば、図2に示すように、第2のレベルを結合機構により第1のレベルに結合することができる。一実施の形態において、結合区域の内側部分にねじ切り部分を有する結合区域1032が第1のレベルを第2のレベルに接合されている。第2のレベルは、結合区域1034の外側表面上に相補的なねじ切り部分を有する。多重チャンバ装置を組み立てるために、第2のレベルを第1のレベルにねじ込まれている。同様に第3のレベルは第2のレベルに結合されている。さらに、第1のレベルを同様の結合機構を用いてボディ1010に結合している。3つのレベルを図示したが、3つより多くの又は少ないレベルを互いに結合することができることを理解されたい。シール1040(例えば、oリング)をチャンバの結合部分に配置することによって封止している。   In one embodiment, the levels can be removably coupled to each other. For example, as shown in FIG. 2, the second level can be coupled to the first level by a coupling mechanism. In one embodiment, a coupling area 1032 having a threaded portion on the inner portion of the coupling area is joined from the first level to the second level. The second level has a complementary threaded portion on the outer surface of the coupling area 1034. To assemble the multi-chamber device, the second level is screwed into the first level. Similarly, the third level is coupled to the second level. Furthermore, the first level is coupled to the body 1010 using a similar coupling mechanism. Although three levels are illustrated, it should be understood that more or less than three levels can be combined with each other. A seal 1040 (eg, an o-ring) is sealed by placing it at the coupling portion of the chamber.

幾つかの実施の形態において、チャンバ間の間隔を制御することが望ましいことがある。例えば、図2に示すように、レベル同士は、結合部分のサイズに基づいて互いに離間されている。しかし、結合部分は、所望のレベル間の分離を与えるのに十分な間隔をもたせることができないことがある。幾つかの実施の形態において、スペーサ1060を用いて、付加的なレベル間の分離を形成することができる。スペーサの使用は、繊維製造装置をカスタマイズするのに必要なチャンバの数を減らす助けとなる。   In some embodiments, it may be desirable to control the spacing between chambers. For example, as shown in FIG. 2, the levels are separated from each other based on the size of the coupling portion. However, the coupling portions may not be sufficiently spaced to provide the desired level of separation. In some embodiments, the spacer 1060 can be used to form an additional level of separation. The use of spacers helps to reduce the number of chambers required to customize the fiber manufacturing equipment.

繊維製造装置1000は、結合部材1030を用いて上部支持部1060に結合されている。結合部材1030を用いて、繊維製造装置1000を駆動部1040の結合要素1042(例えば、駆動部のチャック連結器又は自在ねじ切り継ぎ手)に結合されている。代替的に、結合部材は、駆動部からの細長い部材を受けることになる受け具であってもよい(例えば、結合部材は、チャック又は自在ねじ切り継ぎ手とする)。駆動部の結合要素1042は、繊維製造装置の結合部材1030と相互に作用させて、繊維製造装置と駆動部との間の距離が変更可能となるように、結合部材を結合要素内で調整可能に配置できるように形成している。このことは、生成された繊維が繊維製造装置の下方に配置された基材に送達される用途にとって有用である。基材と駆動部が互いに一定の距離にあると仮定すると、繊維製造装置と駆動部との間の垂直方向における距離を変更することは、下にある基材と繊維製造装置との間の垂直方向における距離も変更することになる。下にある基材と繊維製造装置との間の距離を変更することができると、繊維の堆積パターンを変更して、異なる基材に対してカスタマイズすることが可能になる。   The fiber manufacturing apparatus 1000 is coupled to the upper support portion 1060 using a coupling member 1030. Using the coupling member 1030, the fiber manufacturing apparatus 1000 is coupled to the coupling element 1042 of the driving unit 1040 (for example, a chuck coupler or a universal threaded joint of the driving unit). Alternatively, the coupling member may be a receptacle that will receive an elongate member from the drive (eg, the coupling member may be a chuck or a universal threaded joint). The coupling element 1042 of the drive part interacts with the coupling member 1030 of the fiber production device so that the coupling member can be adjusted within the coupling element so that the distance between the fiber production device and the drive part can be changed. It is formed so that it can be arranged. This is useful for applications in which the produced fiber is delivered to a substrate placed below the fiber production equipment. Assuming that the substrate and the drive are at a fixed distance from each other, changing the vertical distance between the fiber manufacturing device and the drive is the vertical between the underlying substrate and the fiber manufacturing device. The distance in the direction will also change. If the distance between the underlying substrate and the fiber manufacturing equipment can be changed, the fiber deposition pattern can be changed and customized for different substrates.

一実施の形態において、繊維製造システムを用いてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維を基材上に堆積させる。基材上に繊維を堆積させるように構成された堆積システム2000の一実施の形態を図3に示す。前述のようないずれの繊維製造装置も、堆積システム2000に結合されている。堆積システム2000は、入口導管2010及び基材支持部2020を含む。入口導管2010は、繊維製造装置、又は繊維製造装置からの繊維を収集する収集チャンバに結合されている。使用中、繊維は入口導管2010を通して堆積システム2000に送られ、そこで、繊維製造装置によって生成されたマイクロ繊維及び/又はナノ繊維が基材2030上に堆積される。基材2030は、基材支持部2020によって固定位置に保持される。基材支持部2020は、堆積システム2000内で作り出されたマイクロ繊維及び/又はナノ繊維の流れの中に基材2030を配置している。   In one embodiment, microfibers and / or nanofibers are deposited on a substrate using a fiber manufacturing system. One embodiment of a deposition system 2000 configured to deposit fibers on a substrate is shown in FIG. Any fiber manufacturing equipment as described above is coupled to the deposition system 2000. The deposition system 2000 includes an inlet conduit 2010 and a substrate support 2020. The inlet conduit 2010 is coupled to a fiber manufacturing device or a collection chamber that collects fibers from the fiber manufacturing device. In use, the fibers are routed through the inlet conduit 2010 to the deposition system 2000 where the microfibers and / or nanofibers produced by the fiber manufacturing apparatus are deposited on the substrate 2030. The base material 2030 is held at a fixed position by the base material support unit 2020. The substrate support 2020 places the substrate 2030 in a microfiber and / or nanofiber flow created in the deposition system 2000.

上記実施の形態において、繊維の流れは、気体流システム、真空システム、又は気体流システムと真空システムとの組合せによって作り出している。例えば、1つの実施の形態において、気体流発生器2040を堆積システム2000の底に配置している。したがって、使用中に堆積システム2000の底部から基材2030に向かって流れる気体流が作り出される。生成されて堆積システム2000に送られた繊維は、気体流によって基材に誘導される。代替的に、入口導管2010に結合された繊維収集システムが上述のように気体流を生成し、これが、入口導管を通って堆積システム2000内に流れ込む繊維の流れを引き起こす。繊維デフレクタ2012を入口導管2010に結合して、入ってくる繊維を基材2030に向けることができる。   In the above embodiment, the fiber flow is created by a gas flow system, a vacuum system, or a combination of a gas flow system and a vacuum system. For example, in one embodiment, the gas flow generator 2040 is located at the bottom of the deposition system 2000. Thus, a gas flow is created that flows from the bottom of the deposition system 2000 toward the substrate 2030 during use. The fibers that are generated and sent to the deposition system 2000 are guided to the substrate by a gas stream. Alternatively, a fiber collection system coupled to the inlet conduit 2010 generates a gas flow as described above, which causes a flow of fibers that flows into the deposition system 2000 through the inlet conduit. A fiber deflector 2012 can be coupled to the inlet conduit 2010 to direct incoming fibers to the substrate 2030.

代替の実施の形態において、真空装置2022が堆積システム2000に結合されている。この実施の形態において、真空システム2022は、基材支持部2020に取付けられている。したがって、使用中は基材支持部2020と堆積システム2000の頂部との間に形成される上部チャンバ2025が真空引きされる。下部チャンバ2045は、基材支持部2020と堆積システムの底部との間に設けられている。下部チャンバ2045は、前記入口導管2010を含む。基材支持部2020は、基材支持部を貫通して上部チャンバ2025を下部チャンバ2045に結合する1つ又はそれ以上の開口2024を有する。上部チャンバ2025を真空引きすることにより、下部チャンバ2045から基材支持部2020を通して上部チャンバ2025に至る気体の流れが作り出される。下部チャンバ2045内に導入された繊維は、基材支持部2020に配設された基材2030に向かい、その内部に引き込まれる。上部チャンバ内に作り出された真空は、また基材2030を基材支持部2020に対して保持する保持力ももたらす。   In an alternative embodiment, the vacuum device 2022 is coupled to the deposition system 2000. In this embodiment, the vacuum system 2022 is attached to the substrate support 2020. Thus, during use, the upper chamber 2025 formed between the substrate support 2020 and the top of the deposition system 2000 is evacuated. The lower chamber 2045 is provided between the substrate support 2020 and the bottom of the deposition system. The lower chamber 2045 includes the inlet conduit 2010. The substrate support 2020 has one or more openings 2024 that penetrate the substrate support and couple the upper chamber 2025 to the lower chamber 2045. By evacuating the upper chamber 2025, a gas flow from the lower chamber 2045 through the substrate support 2020 to the upper chamber 2025 is created. The fiber introduced into the lower chamber 2045 is directed toward the base material 2030 disposed in the base material support portion 2020 and drawn therein. The vacuum created in the upper chamber also provides a holding force that holds the substrate 2030 against the substrate support 2020.

前記実施の形態において、気体流装置と真空システムとの両方を一緒に用いて、堆積システム2000内に繊維の流れを作り出すことができる。例えば、気体流装置2040を、堆積システム2000の底に配置し、又は堆積システムに結合される繊維製造システムの一部分とすることができる。気体流装置2040は、入口導管2010を通して堆積システム2000内に至り、さらに基材2030に向かう繊維の流れを作り出す。また、堆積システム2000は、上部チャンバ2025に取付けられた真空装置2022を設けることによって、使用中に、上部チャンバ2025が真空引きされ、下部チャンバ2045から上部チャンバに向かう気体の流れを作り出す。気体流装置2040から又は入口導管から入ってくる気体は、下部チャンバ2045から基材2030に向かう気体流をもたらす助けとなる。基材2030に誘導された繊維は、幾つかの実施の形態において、少なくとも部分的に基材内に埋め込まれることになる。   In the above embodiment, both a gas flow device and a vacuum system can be used together to create a flow of fibers in the deposition system 2000. For example, the gas flow device 2040 can be located at the bottom of the deposition system 2000 or can be part of a fiber manufacturing system that is coupled to the deposition system. The gas flow device 2040 enters the deposition system 2000 through the inlet conduit 2010 and further creates a flow of fibers toward the substrate 2030. The deposition system 2000 also provides a vacuum apparatus 2022 attached to the upper chamber 2025 to evacuate the upper chamber 2025 during use, creating a gas flow from the lower chamber 2045 toward the upper chamber. The gas coming from the gas flow device 2040 or from the inlet conduit helps to provide a gas flow from the lower chamber 2045 toward the substrate 2030. The fibers directed to the substrate 2030 will be at least partially embedded within the substrate in some embodiments.

前記実施の形態において、堆積システム2000を用いてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維を移動する基材上に堆積させることができる。この実施の形態において、基材支持部2020は、基材2030を堆積システム2000の中で移動させ、堆積システム内に配置された基材の部分をマイクロ繊維及び/又はナノ繊維の流れの中に配置することができる。この実施の形態において、基材2030は、堆積システム2000の長さより長い長さを有する材料のシートとすることができる。この材料のシートは、基材が堆積システムを出る前に所定量の繊維が基材上に堆積することが可能な速度で堆積システム2000を通過させる。この基材を堆積システム中で移動させる基材搬送システムに結合することができる。   In the above embodiment, the deposition system 2000 can be used to deposit microfibers and / or nanofibers on a moving substrate. In this embodiment, the substrate support 2020 moves the substrate 2030 through the deposition system 2000 and places the portion of the substrate disposed within the deposition system into the microfiber and / or nanofiber flow. Can be arranged. In this embodiment, the substrate 2030 can be a sheet of material having a length that is longer than the length of the deposition system 2000. This sheet of material is passed through the deposition system 2000 at a rate that allows a predetermined amount of fibers to be deposited on the substrate before the substrate exits the deposition system. The substrate can be coupled to a substrate transport system that moves the substrate through the deposition system.

連続供給基材堆積システムの代替的な実施の形態を図4に示す。図4において、マイクロ繊維及び/又はナノ繊維の堆積は、別個の堆積システム内ではなく、繊維製造システム内で実施される。例えば、繊維製造システムに関して前述した収集要素の代りに、繊維製造システム2100は、繊維製造装置2010の少なくとも一部分の回りに配置された基材支持部2120を含む。図4に示すように、基材支持部2120は、基材2130が繊維製造装置2010を通って連続して供給されるように構成されている。代替的に、基材支持部2020は、基材全体を繊維製造装置の近傍に保持することができる。図4に示した実施の形態において、基材支持部2020は、繊維製造装置2010の少なくとも一部分の回りを囲んで湾曲している。幾つかの実施の形態において、基材支持部2020は、繊維製造装置2010を実質的に完全に囲むように配置している。基材支持部2020は、実質的に丸みを付けた端部を有し、これが一定の角度での基材の連続供給を可能にする。使用中、基材を、基材支持部2020の上を通して繊維堆積システムを通過させて供給する。基材が繊維製造システム中に供給されているときに、繊維製造装置2010を作動させて、基材上に堆積されるマイクロ繊維及び/又はナノ繊維を生成する。   An alternative embodiment of a continuous feed substrate deposition system is shown in FIG. In FIG. 4, the deposition of microfibers and / or nanofibers is performed in a fiber manufacturing system rather than in a separate deposition system. For example, instead of the collection elements described above with respect to the fiber manufacturing system, the fiber manufacturing system 2100 includes a substrate support 2120 disposed about at least a portion of the fiber manufacturing apparatus 2010. As shown in FIG. 4, the base material support 2120 is configured such that the base material 2130 is continuously supplied through the fiber manufacturing apparatus 2010. Alternatively, the base material support 2020 can hold the entire base material in the vicinity of the fiber manufacturing apparatus. In the embodiment shown in FIG. 4, the substrate support 2020 is curved around at least a part of the fiber manufacturing apparatus 2010. In some embodiments, the substrate support 2020 is disposed so as to substantially completely surround the fiber manufacturing apparatus 2010. The substrate support 2020 has a substantially rounded end that allows continuous supply of the substrate at a constant angle. In use, the substrate is fed through the fiber deposition system over the substrate support 2020. When the substrate is being fed into the fiber manufacturing system, the fiber manufacturing apparatus 2010 is activated to produce microfibers and / or nanofibers that are deposited on the substrate.

一実施の形態において、繊維の長さを制御するために、1つ又はそれ以上の切断要素2050を繊維製造装置2010と基材支持部2020との間に配置している。切断要素2050は、繊維製造装置によって生成された繊維を、この繊維が基材に達する前に切断及び/又は分断するように配置されている。   In one embodiment, one or more cutting elements 2050 are disposed between the fiber manufacturing apparatus 2010 and the substrate support 2020 to control the length of the fibers. The cutting element 2050 is arranged to cut and / or sever the fiber produced by the fiber manufacturing device before the fiber reaches the substrate.

繊維とは、糸の長さに似た、連続的なフィラメントの部類の材料又は不連続な細長い断片の部類の材料を表す。繊維は、植物及び動物の両方の生物学において、例えば組織を保持するために非常に重要である。人間による繊維の使用法は、多様である。例えば、繊維を紡糸して、フィラメント、スレッド、ストリング、又はロープにすることができる。繊維は、複合材料の成分として用いることもできる。繊維をマット状にしてシートにして、紙又はフェルトなどの製品を作ることもできる。繊維は、しばしば他の材料の製造に用いられる。   Fiber refers to a continuous filament class material or a discontinuous elongated segment class material, similar to yarn length. Fiber is very important in both plant and animal biology, for example to hold tissue. The use of fiber by humans is diverse. For example, the fibers can be spun into filaments, threads, strings, or ropes. Fibers can also be used as components of composite materials. Fibers can be matted into sheets to make products such as paper or felt. Fiber is often used in the manufacture of other materials.

本明細書で論じる繊維は、例えば、溶液紡糸法又は溶融紡糸法を用いて作成することができる。溶融紡糸法及び溶液紡糸法のどちらにおいても、材料を、適切な寸法の繊維が作成されるまで種々の速度で回転される繊維製造装置内に入れる。材料は、例えば、溶質を溶融することによって形成することができ、又は、溶質と溶媒との混合物を溶解させることによって形成される溶液とすることができる。当業者によく知られたいずれかの溶液または溶融物を用いることができる。溶液紡糸に関しては、材料は、所望の粘度を達成するように設計することができ、又は界面活性剤を添加して流動性を改善することができ、又は可塑剤を添加して堅い繊維を柔らかくすることができる。溶融紡糸においては、固体粒子は、例えば金属又はポリマーを含ませることができ、ここでポリマーにはポリマー添加物を加えることができる。合金化のため(例えば、金属)又は所望の繊維に価値(抗酸化剤又は着色剤の性質など)を付加するために、特定の材料を添加することができる。   The fibers discussed herein can be made using, for example, solution spinning or melt spinning. In both melt spinning and solution spinning, the material is placed in a fiber manufacturing apparatus that is rotated at various speeds until the appropriate size of fiber is made. The material can be formed, for example, by melting a solute, or can be a solution formed by dissolving a mixture of a solute and a solvent. Any solution or melt well known to those skilled in the art can be used. For solution spinning, the material can be designed to achieve the desired viscosity, or a surfactant can be added to improve flowability, or a plasticizer can be added to soften the stiff fibers. can do. In melt spinning, the solid particles can include, for example, a metal or polymer, where a polymer additive can be added to the polymer. Certain materials can be added for alloying (eg, metal) or to add value (such as antioxidant or colorant properties) to the desired fiber.

溶融又は溶液紡糸法の材料を形成するために溶融させるか又は溶媒に溶解させる若しくは溶媒と混合することができる試薬の非限定的な例としては、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエステル、セルロースエーテル及びエステル、ポリアルキレンスルフィド、ポリアリーレンオキシド、ポリスルホン、修飾ポリスルホンポリマー、並びにこれらの混合物が挙げられる。使用できる溶媒の非限定的な例としては、油、脂質、並びに、DMSO、トルエン及びアルコールなどの有機溶媒が挙げられる。脱イオン水などの水も溶媒として用いることができる。安全のために、非引火性溶媒が好ましい。   Non-limiting examples of reagents that can be melted or dissolved in a solvent or mixed with a solvent to form a melt or solution spinning material include polyolefins, polyacetals, polyamides, polyesters, cellulose ethers and esters , Polyalkylene sulfides, polyarylene oxides, polysulfones, modified polysulfone polymers, and mixtures thereof. Non-limiting examples of solvents that can be used include oils, lipids, and organic solvents such as DMSO, toluene and alcohols. Water such as deionized water can also be used as a solvent. For safety, non-flammable solvents are preferred.

溶液紡糸法又は溶融紡糸法のいずれにおいても、材料は回転する繊維製造装置から噴出され、細い材料の噴出物が、同時に延伸されて乾燥されるか、又は延伸されて周囲環境内で冷却される。高い歪み速度(延伸による)における材料と環境との間の相互作用が、材料が固化して繊維になることをもたらし、これには溶媒の蒸発が付随することがある。温度及び歪み速度を操作することにより、材料の粘度を制御して、作成される繊維のサイズ及び形態を操作することができる。本発明の方法を用いて、ポリプロピレン(PP)ナノ繊維などの新規な繊維を含む多様な繊維を作成することができる。溶融紡糸法を用いて作成される繊維の非限定的な例としては、ポリプロピレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)及びナイロンが挙げられる。溶液紡糸法を用いて作成される繊維の非限定的な例としては、ポリエチレンオキシド(PEO)及びベータラクタムが挙げられる。   In either the solution spinning method or the melt spinning method, the material is ejected from a rotating fiber manufacturing device, and the fine material ejection is simultaneously stretched and dried, or stretched and cooled in the surrounding environment. . The interaction between the material and the environment at high strain rates (due to stretching) results in the material solidifying into fibers, which may be accompanied by evaporation of the solvent. By manipulating the temperature and strain rate, the viscosity of the material can be controlled to manipulate the size and morphology of the fibers produced. A variety of fibers can be made using the method of the present invention, including novel fibers such as polypropylene (PP) nanofibers. Non-limiting examples of fibers made using a melt spinning process include polypropylene, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), and nylon. Non-limiting examples of fibers made using the solution spinning method include polyethylene oxide (PEO) and beta lactam.

繊維の作成は、バッチモード又は連続モードで行うことができる。後者の場合には、材料を繊維製造装置に連続的に供給することができ、プロセスは数日(例えば、1〜7日)又は数週(例えば、1〜4週)にもわたって続ける。   Fabrication of the fibers can be done in batch mode or continuous mode. In the latter case, the material can be continuously fed to the fiber production equipment and the process continues for several days (eg, 1-7 days) or weeks (eg, 1-4 weeks).

本明細書で論じる方法は、例えば薬物送達及び限外ろ過(エレクトロレットなど)のような多様な分野で用いることができ、例えばナノコンポジット又は傾斜機能材料を作成するために用いられる。例えば、金属及びセラミックのナノ繊維は、材料選択及び温度のような種々のパラメータを制御することによって製造することができる。少なくとも、本明細書で論じる方法及び装置は、マイクロサイズからナノサイズまでの繊維及び/又はマイクロサイズからナノサイズまでの複合材料を利用するいずれかの産業において用途を見出すことができる。そのような産業としては、材料工学、機械工学、軍事/防衛産業、バイオテクノロジー、医療機器、組織工学産業、食品工学、薬物送達、電気産業、又は限外ろ過及び/又はマイクロ電気機械システム(MEMS)が挙げられるが、これらに限定されない。   The methods discussed herein can be used in a variety of fields, such as drug delivery and ultrafiltration (such as electrolets), for example, to make nanocomposites or functionally graded materials. For example, metal and ceramic nanofibers can be produced by controlling various parameters such as material selection and temperature. At least, the methods and apparatus discussed herein may find application in any industry that utilizes micro-sized to nano-sized fibers and / or micro-sized to nano-sized composite materials. Such industries include material engineering, mechanical engineering, military / defense industry, biotechnology, medical equipment, tissue engineering industry, food engineering, drug delivery, electrical industry, or ultrafiltration and / or microelectromechanical systems (MEMS). ), But is not limited thereto.

繊維製造装置の幾つかの実施の形態は、溶融及び/又は溶液プロセスに用いることができる。繊維製造装置の幾つかの実施の形態は、有機及び/又は無機繊維を作成するために用いることができる。環境及びプロセスの適切な操作により、様々な構造、例えば、連続的、不連続的、マット、ランダム繊維、一方向繊維、織布又は不織布など、並びに、様々な繊維形状、例えば、円形、楕円形及び矩形(例えば、リボン)などの繊維を形成することが可能である。他の形状も可能である。生成される繊維は、単一内腔(シングルルーメン)又は多重内腔(マルチルーメン)とすることができる。   Some embodiments of the fiber production equipment can be used for melting and / or solution processes. Some embodiments of the fiber manufacturing apparatus can be used to make organic and / or inorganic fibers. By appropriate manipulation of the environment and process, various structures such as continuous, discontinuous, matte, random fiber, unidirectional fiber, woven or non-woven, and various fiber shapes such as round, oval And fibers such as rectangles (eg, ribbons) can be formed. Other shapes are possible. The fibers produced can be single lumen (single lumen) or multiple lumen (multilumen).

プロセスパラメータを制御することにより、繊維は、ミクロン、サブミクロン及びナノサイズで、並びにこれらの組合せで作成することができる。一般に、作成される繊維は、比較的狭い繊維直径分布を有することになる。個々の繊維の長さに沿って、及び繊維間で、直径及び断面構成に多少のばらつきが生じることがある。   By controlling process parameters, fibers can be made in micron, submicron and nanosize, and combinations thereof. In general, the fibers produced will have a relatively narrow fiber diameter distribution. There may be some variation in diameter and cross-sectional configuration along the length of individual fibers and between fibers.

一般的に言えば、繊維製造装置は、繊維の様々な性質、例えば、繊維の断面形状及び直径などを制御するのに役立つ。より具体的には、繊維製造装置の速度及び温度、並びに、繊維製造装置内の出口の断面形状、直径及び角度は全て、繊維の断面形状及び直径を制御するのに役立つものである。生成される繊維の長さもまた、使用する繊維製造装置の選択によって影響される。   Generally speaking, fiber production equipment helps to control various properties of the fiber, such as the cross-sectional shape and diameter of the fiber. More specifically, the speed and temperature of the fiber production equipment, and the cross-sectional shape, diameter and angle of the outlet in the fiber production equipment are all useful in controlling the fiber cross-sectional shape and diameter. The length of fiber produced is also affected by the choice of fiber production equipment used.

繊維製造装置の温度は、特定の実施の形態において、繊維の性質に影響する。繊維製造装置を加熱するための熱源として、抵抗加熱ヒータ及び誘導加熱ヒータの両方を用いるとができる。特定の実施の形態において、繊維製造装置は、紡糸前、紡糸中、又は紡糸前及び紡糸中の両方で繊維製造装置の温度を調整するのに用いる熱源に、熱的に結合される。幾つかの実施の形態において繊維製造装置は冷却される。例えば、繊維製造装置は、紡糸前、紡糸中、又は紡糸前及び紡糸中に繊維製造装置の温度を調整するために用いる冷却源に熱的に結合することができる。繊維製造装置の温度は、広範囲に及ぶことがある。例えば、繊維製造装置は−20℃もの低温に冷却することができ、又は2500℃もの高温に加熱することができる。これらの例示的な値より低い温度又は高い温度も可能である。特定の実施の形態において、繊維製造装置の紡糸前及び/又は紡糸中の温度は、約4℃と約400℃との間である。繊維製造装置の温度は、例えば、赤外線温度計又は熱電対を用いて測定する。   The temperature of the fiber production equipment affects the properties of the fibers in certain embodiments. As a heat source for heating the fiber manufacturing apparatus, both a resistance heater and an induction heater can be used. In certain embodiments, the fiber manufacturing device is thermally coupled to a heat source that is used to regulate the temperature of the fiber manufacturing device before spinning, during spinning, or both before and during spinning. In some embodiments, the fiber manufacturing apparatus is cooled. For example, the fiber manufacturing device can be thermally coupled to a cooling source used to adjust the temperature of the fiber manufacturing device before spinning, spinning, or before and during spinning. The temperature of the fiber manufacturing equipment can range widely. For example, the fiber production equipment can be cooled to as low as -20 ° C or heated to as high as 2500 ° C. Temperatures below or above these exemplary values are also possible. In certain embodiments, the temperature of the fiber production apparatus before and / or during spinning is between about 4 ° C. and about 400 ° C. The temperature of the fiber manufacturing apparatus is measured using, for example, an infrared thermometer or a thermocouple.

繊維製造装置を回転させる速度もまた繊維の性質に影響する。繊維製造装置の速度は、繊維製造装置が回転している間一定とすることもでき、又は繊維製造装置が回転している間に調整することもできる。その速度を調整することができる繊維製造装置は、特定の実施の形態において、可変速度繊維製造装置として特徴付けられる。本明細書で説明する方法において、繊維製造装置は、約500RPMから約25,000RPMまで、又はその中で導き出せる任意の範囲で回転させる。特定の実施の形態において、繊維製造装置を、約50,000RPM、約45,000RPM、約40,000RPM、約35,000RPM、約30,000RPM、約25,000RPM、約20,000RPM、約15,000RPM、約10,000RPM、約5,000RPM、又は約1,000RPMを超えない速度で回転させる。特定の実施の形態において、繊維製造装置を約5,000RPMから約25,000RPMまでの速度で回転させる。   The speed at which the fiber production equipment is rotated also affects the fiber properties. The speed of the fiber manufacturing device can be constant while the fiber manufacturing device is rotating, or can be adjusted while the fiber manufacturing device is rotating. A fiber manufacturing device whose speed can be adjusted is characterized as a variable speed fiber manufacturing device in certain embodiments. In the methods described herein, the fiber manufacturing equipment is rotated from about 500 RPM to about 25,000 RPM, or any range that can be derived therein. In certain embodiments, the fiber manufacturing apparatus is configured to have a fiber manufacturing device of about 50,000 RPM, about 45,000 RPM, about 40,000 RPM, about 35,000 RPM, about 30,000 RPM, about 25,000 RPM, about 20,000 RPM, about 15, Rotate at a speed not exceeding 000 RPM, about 10,000 RPM, about 5,000 RPM, or about 1,000 RPM. In certain embodiments, the fiber production equipment is rotated at a speed from about 5,000 RPM to about 25,000 RPM.

一実施の形態において、マイクロ繊維及び/又はナノ繊維のような繊維を作成する方法は、材料を加熱することと、材料を加熱された繊維製造装置内に配置することと、加熱された材料を加熱された繊維製造装置内に配置した後で、繊維製造装置を回転させて材料を噴出させ、材料からナノ繊維を作成することとを含む。幾つかの実施の形態において、繊維はマイクロ繊維及び/又はナノ繊維とすることができる。加熱された繊維製造装置は、周囲温度より高い温度を有する構造体である。「材料を加熱すること」は、その材料の温度を周囲温度より高い温度まで上昇させることとして定義される。「材料を溶融すること」は、本明細書では、材料の温度を該材料の融点より高い温度まで上昇させること、又は、ポリマー材料に関しては、温度をポリマー材料のガラス転移温度より高い温度まで上昇させることとして定義される。代替的な実施の形態において、繊維製造装置は加熱されない。実際、加熱することができる繊維製造装置を用いるいずれの実施の形態についても、繊維製造装置は加熱せずに用いることができる。幾つかの実施の形態において、繊維製造装置は加熱されるが材料は加熱されない。材料は、ひとたび加熱された繊維製造装置に接触すると加熱されることになる。幾つかの実施の形態においては、材料が加熱され、繊維製造装置は加熱されない。繊維製造装置は、ひとたび加熱された材料に接触すると加熱されることになる。   In one embodiment, a method of making fibers such as microfibers and / or nanofibers includes heating a material, placing the material in a heated fiber manufacturing device, and heating the material. After placement in the heated fiber production device, the fiber production device is rotated to eject the material and create nanofibers from the material. In some embodiments, the fibers can be microfibers and / or nanofibers. A heated fiber manufacturing device is a structure having a temperature above ambient temperature. “Heating a material” is defined as raising the temperature of the material to a temperature above ambient temperature. “Melting a material” as used herein refers to raising the temperature of the material to a temperature above the melting point of the material, or for a polymer material, raising the temperature to a temperature above the glass transition temperature of the polymer material. Defined as letting In an alternative embodiment, the fiber manufacturing apparatus is not heated. In fact, for any embodiment using a fiber manufacturing apparatus that can be heated, the fiber manufacturing apparatus can be used without heating. In some embodiments, the fiber manufacturing apparatus is heated but the material is not heated. The material will be heated once in contact with the heated fiber production equipment. In some embodiments, the material is heated and the fiber manufacturing equipment is not heated. The fiber manufacturing equipment will be heated once in contact with the heated material.

広範囲の体積/量の材料を用いて繊維を生成することができる。さらに、広範囲の回転時間を用いることもできる。例えば、特定の実施の形態において、少なくとも5ミリリットル(mL)の材料を繊維製造装置の中に配置し、繊維製造装置を少なくとも約10秒間回転させる。前述のように、回転は、例えば、約500RPMから約25,000RPMまでの速度の回転とすることができる。材料の量はmLからリットル(L)までの範囲、又はその中で導き出すことができる任意の範囲とすることができる。例えば、特定の実施の形態において、少なくとも約50mLから約100mLまでの材料を繊維製造装置内に配置し、繊維製造装置を約500RPMから約25,000RPMまでの速度で、約300秒から約2,000秒までの間回転させる。特定の実施の形態において、少なくとも約5mLから約100mLまでの材料を繊維製造装置内に配置し、繊維製造装置を500RPMから約25,000RPMまでの速度で、10〜500秒間回転させる。特定の実施の形態において、少なくとも約100mLから約1,000mLまでの材料を繊維製造装置内に配置し、繊維製造装置を500RPMから約25,000RPMまでの速度で、約100秒から約5,000秒までの間回転させる。材料の量、RPM及び秒数のその他の組み合わせが同様に企図される。   A wide range of volume / quantity materials can be used to produce the fibers. Furthermore, a wide range of rotation times can be used. For example, in certain embodiments, at least 5 milliliters (mL) of material is placed in the fiber manufacturing apparatus and the fiber manufacturing apparatus is rotated for at least about 10 seconds. As described above, the rotation can be, for example, a rotation at a speed from about 500 RPM to about 25,000 RPM. The amount of material can range from mL to liters (L), or any range that can be derived therein. For example, in certain embodiments, at least about 50 mL to about 100 mL of material is placed in a fiber manufacturing device, and the fiber manufacturing device is about 300 seconds to about 2, at a rate of about 500 RPM to about 25,000 RPM. Rotate for up to 000 seconds. In certain embodiments, at least about 5 mL to about 100 mL of material is placed in the fiber manufacturing apparatus and the fiber manufacturing apparatus is rotated for 10 to 500 seconds at a speed of 500 RPM to about 25,000 RPM. In certain embodiments, at least about 100 mL to about 1,000 mL of material is placed in the fiber maker, and the fiber maker is at a rate of 500 RPM to about 25,000 RPM for about 100 seconds to about 5,000. Rotate for up to seconds. Other combinations of material quantity, RPM and seconds are contemplated as well.

繊維製造装置の典型的な寸法は、直径及び高さが数インチの範囲である。幾つかの実施の形態において、繊維製造装置は、約1インチから約60インチまで、約2インチから約30インチまで、又は約5インチから約25インチまでの直径を有する。繊維製造装置の高さは、約1インチから約10インチまで、約2インチから約8インチまで、又は約3インチから約5インチまでの範囲とすることができる。   Typical dimensions for fiber production equipment range from a few inches in diameter and height. In some embodiments, the fiber manufacturing apparatus has a diameter from about 1 inch to about 60 inches, from about 2 inches to about 30 inches, or from about 5 inches to about 25 inches. The height of the fiber manufacturing equipment can range from about 1 inch to about 10 inches, from about 2 inches to about 8 inches, or from about 3 inches to about 5 inches.

特定の実施の形態において、繊維製造装置は少なくとも1つの開口を有し、材料はこの開口を通して押し出されてナノ繊維を作り出す。特定の実施の形態において、繊維製造装置は複数の開口を有し、材料はこれら複数の開口を通して押し出されてナノ繊維を作り出す。これらの開口は様々な形状(例えば、円形、楕円形、矩形、正方形)及び様々な直径(例えば、0.01〜0.80mm)のものとすることができる。複数の開口が用いられる場合、全ての開口が別の開口と同一である必要はないが、しかし特定の実施の形態においては全ての開口が同じ構成のものである。幾つかの開口は、材料が開口を通過するときに材料を分割する仕切りを含ませる。分割された材料は、多重内腔繊維を形成することができる。   In certain embodiments, the fiber manufacturing device has at least one opening through which material is extruded to create nanofibers. In certain embodiments, the fiber manufacturing device has a plurality of openings, and the material is extruded through the plurality of openings to create nanofibers. These openings can be of various shapes (eg, circular, oval, rectangular, square) and of various diameters (eg, 0.01-0.80 mm). If multiple openings are used, not all openings need be identical to another opening, but in certain embodiments all openings are of the same configuration. Some openings include a divider that divides the material as it passes through the opening. The divided material can form multiple lumen fibers.

1つの実施の形態において、2つ又はそれ以上の同軸導管を有する出口要素を用いて同軸繊維を形成することができる。図5は外側導管3210及び内側導管3220を有する出口要素3200を示す。内側導管3220は、使用中、材料が内側導管及び外側導管を通して流れるようにサイズが決められ、外側導管3210の内部に配置される。図5に示した出口要素3200は、ニードル又はノズルの一部分(例えば、ノズル先端部)とする。同軸導管を有する出口要素3200の使用により、同軸繊維の形成が可能になる。異なる材料を導管3210/3220のそれぞれに通して、内側繊維(内側導管から生成される)が少なくとも部分的に外側繊維(外側導管から生成される)で囲まれた混合材料の繊維を形成する。同軸繊維の形成により、繊維を形成するのに使用する材料に基づいて選択可能な異なる性質を有する繊維の形成が可能になる。代替的に、同じ材料を導管3210/3220のそれぞれに通して、同じ材料から形成された同軸繊維を形成することができる。   In one embodiment, an exit element having two or more coaxial conduits can be used to form a coaxial fiber. FIG. 5 shows an outlet element 3200 having an outer conduit 3210 and an inner conduit 3220. Inner conduit 3220 is sized and positioned within outer conduit 3210 such that, during use, material flows through the inner and outer conduits. The outlet element 3200 shown in FIG. 5 is a portion of a needle or nozzle (eg, a nozzle tip). The use of an outlet element 3200 having a coaxial conduit allows the formation of coaxial fibers. Different materials are passed through each of the conduits 3210/3220 to form mixed-material fibers in which the inner fibers (generated from the inner conduit) are at least partially surrounded by outer fibers (generated from the outer conduit). Coaxial fiber formation allows the formation of fibers having different properties that can be selected based on the materials used to form the fibers. Alternatively, the same material can be passed through each of the conduits 3210/3220 to form coaxial fibers formed from the same material.

一実施の形態において、材料は、繊維製造装置のリザーバ内に配置する。リザーバは、例えば、加熱される構造体の凹型空洞によって定めることができる。特定の実施の形態において、加熱される構造体は凹型空洞と連通する1つ又はそれ以上の開口を含む。繊維は、繊維製造装置がスピン軸の回りで回転する間に、開口から押し出される。1つ又はそれ以上の開口は、スピン軸と非平行な開口軸を有する。繊維製造装置は、凹型空洞を含むボディと、ボディの上に配置される蓋とを含む。   In one embodiment, the material is placed in a reservoir of a fiber manufacturing device. The reservoir can be defined, for example, by a concave cavity in the structure to be heated. In certain embodiments, the heated structure includes one or more openings in communication with the concave cavity. The fiber is pushed out of the opening while the fiber manufacturing device rotates around the spin axis. One or more apertures have an aperture axis that is non-parallel to the spin axis. The fiber manufacturing apparatus includes a body including a concave cavity and a lid disposed on the body.

繊維製造装置の別の可変要素には、繊維製造装置を作成するのに使用される材料が含まれる。繊維製造装置は、金属(例えば、真鍮、アルミニウム、ステンレス鋼)及び/又はポリマーを含む様々な材料で作成することができる。材料の選択は、例えば、材料が加熱される温度、又は無菌状態が所望されるかどうかに依存する。   Another variable of the fiber production equipment includes the materials used to make the fiber production equipment. The fiber manufacturing equipment can be made of various materials including metals (eg, brass, aluminum, stainless steel) and / or polymers. The choice of material depends, for example, on the temperature at which the material is heated, or whether sterility is desired.

本明細書で説明するいずれの方法も、作成されたマイクロ繊維及び/又はナノ繊維の少なくとも一部分を収集することをさらに含ませることができる。本明細書で用いる場合、繊維の「収集」は、繊維が繊維収集装置で支えられて静止することを指す。繊維が収集された後、繊維は、人間又はロボットによって繊維収集装置から取り外される。様々な方法及び繊維(例えば、ナノ繊維)収集装置を用いて繊維を収集することができる。   Any of the methods described herein can further include collecting at least a portion of the created microfibers and / or nanofibers. As used herein, “collecting” a fiber refers to the fiber being supported and stationary by a fiber collection device. After the fibers are collected, the fibers are removed from the fiber collection device by a human or robot. Fibers can be collected using various methods and fiber (eg, nanofiber) collection devices.

収集される繊維に関して、特定の実施の形態において、収集される繊維の少なくとも一部分は、連続、不連続、マット、織布、不織布、又はこれらの構成の混合物である。幾つかの実施の形態において、繊維は生成後、円錐形に束ねられない。幾つかの実施の形態において、繊維は生成中、円錐形に束ねられない。特定の実施の形態において、繊維は、繊維が作成されるとき及び/又は作成された後に、繊維に吹き付けられる周囲空気などの気体を用いて、円錐形のような特定の形状に形成されない。   With respect to the collected fibers, in certain embodiments, at least a portion of the collected fibers are continuous, discontinuous, matte, woven, non-woven, or a mixture of these configurations. In some embodiments, the fibers are not bundled into a cone after production. In some embodiments, the fibers are not bundled into a cone during production. In certain embodiments, the fibers are not formed into a particular shape, such as a cone, using a gas such as ambient air that is blown onto the fibers when and / or after the fibers are created.

本方法は、例えば、入口を通して、少なくとも加熱構造体を囲む筐体内に気体を導入することをさらに含ませることができる。気体は、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン、又は酸素とすることができる。特定の実施の形態においては、気体の混合物を用いることができる。   The method can further include introducing gas, for example, through the inlet and into at least the enclosure surrounding the heating structure. The gas can be, for example, nitrogen, helium, argon, or oxygen. In certain embodiments, a mixture of gases can be used.

繊維が作成される環境は、様々な条件を含む。例えば、本明細書で論じるいずれの繊維も無菌環境内で作成する。本明細書で用いる場合、「無菌環境」という用語は、生きた細菌及び/又は微生物の99%より多くが除去された環境を指す。特定の実施の形態において、「無菌環境」は、生きた細菌及び/又は微生物が実質的に無い環境を指す。繊維は、例えば、真空中で作成する。例えば、繊維製造システム内の圧力は、周囲圧力より低くすることができる。幾つかの実施の形態において、繊維製造システム内の圧力は、約1ミリメートル(mm)水銀(Hg)から約700mmHgまでの範囲とする。他の実施の形態において、繊維製造システム内の圧力は、周囲圧力又はその付近とする。他の実施の形態において、繊維製造システム内の圧力は、周囲圧力より高くすることができる。例えば、繊維製造システム内の圧力は、約800mmHgから約4気圧(atm)までの範囲、又はその中で導き出せる任意の範囲とすることができる。   The environment in which the fibers are made includes various conditions. For example, any of the fibers discussed herein are made in a sterile environment. As used herein, the term “sterile environment” refers to an environment in which more than 99% of live bacteria and / or microorganisms have been removed. In certain embodiments, a “sterile environment” refers to an environment that is substantially free of live bacteria and / or microorganisms. The fiber is prepared in a vacuum, for example. For example, the pressure in the fiber manufacturing system can be lower than the ambient pressure. In some embodiments, the pressure in the fiber manufacturing system ranges from about 1 millimeter (mm) mercury (Hg) to about 700 mmHg. In other embodiments, the pressure in the fiber manufacturing system is at or near ambient pressure. In other embodiments, the pressure in the fiber manufacturing system can be higher than the ambient pressure. For example, the pressure in the fiber manufacturing system can range from about 800 mmHg to about 4 atmospheres (atm), or any range that can be derived therein.

特定の実施の形態において、繊維は、湿度0〜100%、又はその中で導き出せる任意の範囲の環境で作成される。繊維を作成する環境の温度は広範囲に変えることができる。特定の実施の形態において、繊維を作成する環境の温度は、熱源及び/又は冷却源を用いて動作の前(例えば、回転の前)に調整する。さらに、繊維を作成する環境の温度は、熱源及び/又は冷却源を用いて動作中に調整する。環境の温度は、氷点下の温度、例えば、−20℃又はそれ以下に設定することができる。環境の温度は、例えば、2500℃までも高くすることができる。   In certain embodiments, the fibers are made in an environment of 0-100% humidity, or any range that can be derived therein. The temperature of the environment in which the fibers are created can vary widely. In certain embodiments, the temperature of the environment in which the fibers are made is adjusted prior to operation (eg, before rotation) using a heat source and / or a cooling source. Furthermore, the temperature of the environment in which the fibers are made is adjusted during operation using a heat source and / or a cooling source. The temperature of the environment can be set to a temperature below freezing, for example, −20 ° C. or lower. The temperature of the environment can be as high as 2500 ° C., for example.

使用する材料は1つ又はそれ以上の成分を含ませることができる。材料は単相(例えば、固体又は液体)又は相の混合物(例えば、液体中の固体粒子)とすることができる。幾つかの実施の形態において、材料は固体を含み、この材料は加熱される。材料は、加熱によって液体になり得る。他の実施の形態において、材料を溶媒と混合することができる。本明細書で用いる場合、「溶媒」は、材料を少なくとも部分的に溶解する液体である。溶媒の例としては、水及び有機溶媒が挙げられるが、これらに限定されない。有機溶媒の例としては、ヘキサン、エーテル、酢酸エチル、アセトン、ジクロロメタン、クロロホルム、トルエン、キシレン、石油エーテル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、又はこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。添加剤もまた存在してもよい。添加剤の例としては、シンナー、界面活性剤、可塑剤、又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。   The material used can include one or more components. The material can be a single phase (eg, solid or liquid) or a mixture of phases (eg, solid particles in a liquid). In some embodiments, the material comprises a solid and the material is heated. The material can become liquid upon heating. In other embodiments, the material can be mixed with a solvent. As used herein, a “solvent” is a liquid that at least partially dissolves a material. Examples of solvents include, but are not limited to water and organic solvents. Examples of organic solvents include, but are not limited to, hexane, ether, ethyl acetate, acetone, dichloromethane, chloroform, toluene, xylene, petroleum ether, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or mixtures thereof. Additives may also be present. Examples of additives include, but are not limited to, thinners, surfactants, plasticizers, or combinations thereof.

繊維を形成するのに用いる材料は、少なくとも1つのポリマーを含ませることができる。使用できるポリマーには、共役ポリマー、バイオポリマー、水溶性ポリマー、及び粒子が導入されたポリマーが含まれる。使用できるポリマーの例としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリエステル、フッ素化ポリマー(フルオロポリマー)、ポリアミド、ポリアラミド、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ナイロン、ポリカーボネート、ベータラクタム、ブロックコポリマー又はこれらの任意の組合せが挙げられるが、これらに限定されない。ポリマーは、合成(人工)ポリマー又は天然ポリマーとすることができる。繊維を形成するのに用いる材料は、異なるポリマーの複合体、又はポリマー担体と結合させた薬剤の複合体とすることができる。使用できる具体的なポリマーとしては、キトサン、ナイロン、ナイロン−6、ポリブチレンテレフタラート(PBT)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ(乳酸)(PLA)、ポリ(乳酸−コ−グリコール酸)(PLGA)、ポリグリコール酸(PGA)、ポリグラクチン、ポリカプロラクトン(PCL)、絹、コラーゲン、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリジオキサノン、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンオキシド(PEO)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、及びポリビニルピロリドン(PVP)が挙げられるが、これらに限定されない   The material used to form the fibers can include at least one polymer. Polymers that can be used include conjugated polymers, biopolymers, water-soluble polymers, and polymers with incorporated particles. Examples of polymers that can be used include polypropylene, polyethylene, polyolefin, polystyrene, polyester, fluorinated polymer (fluoropolymer), polyamide, polyaramid, acrylonitrile butadiene styrene, nylon, polycarbonate, beta-lactam, block copolymer, or any combination thereof. For example, but not limited to. The polymer can be a synthetic (artificial) polymer or a natural polymer. The material used to form the fibers can be a complex of different polymers or a complex of drugs bound to a polymer carrier. Specific polymers that can be used include chitosan, nylon, nylon-6, polybutylene terephthalate (PBT), polyacrylonitrile (PAN), poly (lactic acid) (PLA), poly (lactic acid-co-glycolic acid) (PLGA). ), Polyglycolic acid (PGA), polyglactin, polycaprolactone (PCL), silk, collagen, poly (methyl methacrylate) (PMMA), polydioxanone, polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene ( PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polypropylene (PP), polyethylene oxide (PEO), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), and polyvinyl pyrrolidone (PVP). Not a constant

他の実施の形態において、繊維を形成するのに用いる材料は、金属、セラミック、又は炭素ベースの材料とすることができる。繊維の作成に使用する金属としては、ビスマス、スズ、亜鉛、銀、金、ニッケル、アルミニウム、又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。繊維を形成するのに用いる材料は、例えば、アルミナ、チタニア、シリカ、ジルコニア、又はこれらの組合せなどのセラミックスとすることができる。繊維を形成するのに用いる材料は、異なる金属の複合体(例えば、ニチノール(nitonol)のような合金)、金属/セラミック複合体、又はセラミック酸化物(例えば、PVPとゲルマニウム/パラジウム/白金)とすることができる。   In other embodiments, the material used to form the fibers can be a metal, ceramic, or carbon-based material. Metals used to make the fibers include, but are not limited to, bismuth, tin, zinc, silver, gold, nickel, aluminum, or combinations thereof. The material used to form the fibers can be, for example, ceramics such as alumina, titania, silica, zirconia, or combinations thereof. The materials used to form the fibers can be composites of different metals (eg, alloys such as nitonol), metal / ceramic composites, or ceramic oxides (eg, PVP and germanium / palladium / platinum). can do.

作成される繊維は、例えば、1ミクロン又はそれ以上の長さにすることができる。例えば、作成される繊維は、約1μmから約50cmまで、約100μmから約10cmまで、又は約1mmから約1cmまでの範囲の長さにすることができる。幾つかの実施の形態において、繊維は狭い長さ分布を有することができる。例えば、繊維の長さは、約1μmから約9μmまでの間、約1mmから約9mmまでの間、又は約1cmから約9cmまでの間にすることができる。幾つかの実施の形態において、連続法が実施される場合、長さが約10メートルまで、約5メートルまで、又は約1メートルまでの繊維を形成することができる。   The fibers produced can be, for example, 1 micron or longer in length. For example, the fibers made can be of a length ranging from about 1 μm to about 50 cm, from about 100 μm to about 10 cm, or from about 1 mm to about 1 cm. In some embodiments, the fibers can have a narrow length distribution. For example, the length of the fiber can be between about 1 μm and about 9 μm, between about 1 mm and about 9 mm, or between about 1 cm and about 9 cm. In some embodiments, when a continuous process is performed, fibers up to about 10 meters, up to about 5 meters, or up to about 1 meter in length can be formed.

特定の実施の形態において、繊維の断面は、円形、楕円形、又は矩形にすることができる。他の形状も可能である。繊維は、単一内腔繊維又は多重内腔繊維とすることができる。   In certain embodiments, the fiber cross-section can be circular, elliptical, or rectangular. Other shapes are possible. The fibers can be single lumen fibers or multiple lumen fibers.

繊維を作成する方法の他の実施の形態において、方法は、材料を紡糸して繊維を作成することを含み、ここで、繊維が作成されるときに、繊維は外部から印加された電界又は外部から加えられた気体に曝されず、繊維は、作成された後で液体の中に落下しない。   In another embodiment of the method of making the fiber, the method includes spinning the material to make the fiber, where the fiber is made from an externally applied electric field or external when the fiber is made. The fiber does not fall into the liquid after it has been created.

本明細書で論じる繊維は、少なくとも100又はそれ以上のアスペクト比を示す部類の材料である。「マイクロ繊維」という用語は、10ミクロンから700ナノメートルまで、又は5ミクロンから800ナノメートルまで、又は1ミクロンから700ナノメートルまでの範囲の最小直径を有する繊維を指す。「ナノ繊維」という用語は、500ナノメートルから1ナノメートルまで、又は250ナノメートルから10ナノメートルまで、又は100ナノメートルから20ナノメートルまでの範囲の最小直径を有する繊維を指す。   The fibers discussed herein are a class of materials that exhibit an aspect ratio of at least 100 or greater. The term “microfiber” refers to a fiber having a minimum diameter ranging from 10 microns to 700 nanometers, or from 5 microns to 800 nanometers, or from 1 micron to 700 nanometers. The term “nanofiber” refers to a fiber having a minimum diameter ranging from 500 nanometers to 1 nanometer, or from 250 nanometers to 10 nanometers, or from 100 nanometers to 20 nanometers.

繊維の典型的な断面は、本来は円形又は楕円形であるが、繊維製造装置内の開口の形状及びサイズを制御することにより、他の形状に形成することができる(以下で説明する)。繊維は、複数材料の混紡を含むことができる。繊維はまた、穴(例えば、内腔又は多重内腔)又は細孔を含むことができる。多重内腔繊維は、例えば、1つ又はそれ以上の出口開口を、同軸開口を有するように設計することによって実現することができる。特定の実施の形態において、そのような開口は、分割された開口(即ち、2つ又はそれ以上の開口が互いに隣接する、又は換言すれば、開口が1つ又はそれ以上の仕切りを有しており、2つ又はそれ以上の小さい開口ができるようになっている)を含ませることができる。この特徴を利用して、特定の物理的性質、例えば、断熱性又は衝撃吸収性(弾力性)を得ることができる。ナノチューブもまた、本明細書で論じる方法及び装置を用いて作成することができる。   The typical cross section of the fiber is essentially circular or elliptical, but can be formed in other shapes by controlling the shape and size of the openings in the fiber manufacturing equipment (described below). The fiber can include a blend of multiple materials. The fibers can also include holes (eg, lumens or multiple lumens) or pores. Multiple lumen fibers can be realized, for example, by designing one or more outlet openings to have coaxial openings. In certain embodiments, such openings are divided openings (ie, two or more openings are adjacent to each other, or in other words, the openings have one or more dividers). 2 or more small openings). This feature can be used to obtain certain physical properties, such as thermal insulation or shock absorption (elasticity). Nanotubes can also be made using the methods and apparatus discussed herein.

繊維は、当業者に既知のいずれかの手段により分析することができる。例えば、走査電子顕微鏡法(SEM)を用いて、所与の繊維の寸法を測定することができる。物理的特性及び材料特性決定のために、示差走査熱量測定(DSC)、熱分析(TA)及びクロマトグラフィなどの技術を用いることができる。   The fibers can be analyzed by any means known to those skilled in the art. For example, scanning electron microscopy (SEM) can be used to measure the dimensions of a given fiber. Techniques such as differential scanning calorimetry (DSC), thermal analysis (TA) and chromatography can be used for physical and material characterization.

特定の実施の形態において、本発明の繊維の一繊維は、リヨセル繊維ではない。リヨセル繊維は、例えば、各々が引用により本明細書に組み入れられる特許文献15、特許文献16、特許文献17、特許文献18、特許文献19などの文献に記載されている   In certain embodiments, one fiber of the fiber of the present invention is not a lyocell fiber. Lyocell fibers are described, for example, in documents such as Patent Document 15, Patent Document 16, Patent Document 17, Patent Document 18, and Patent Document 19, each of which is incorporated herein by reference.

1つの実施の形態において、マイクロ繊維及びナノ繊維を実質的に同時に生成することができる。本明細書で説明するいずれの繊維製造装置も、1つ又はそれ以上の開口が使用中にナノ繊維を生成する直径及び/又は形状を有し、1つ又はそれ以上の開口が使用中にマイクロ繊維を生成する直径及び/又は形状を有するように改造することができる。従って、繊維製造装置は、回転しているときに、材料を噴出してマイクロ繊維及びナノ繊維の両方を生成することになる。幾つかの実施の形態において、ノズルを1つ又はそれ以上の開口に結合することができる。マイクロ繊維を作成するように設計されたノズルと、ナノ繊維を作成するように設計されたノズルとを開口に結合するよう、異なるノズルを異なる開口に結合することができる。代替的実施の形態において、ニードルを結合することができる(開口に直接に、又はニードルポートを介して)。マイクロ繊維を作成するように設計されたニードルと、ナノ繊維を作成するように設計されたニードルとを開口に結合するよう、異なるニードルを異なる開口に結合することができる。マイクロ繊維及びナノ繊維を実質的に同時に生成することにより、繊維サイズの制御された分布を実現することができ、マイクロ繊維/ナノ繊維混合物から最終的に製造される製品の性質の実質的な制御が可能になる。   In one embodiment, microfibers and nanofibers can be generated substantially simultaneously. Any of the fiber manufacturing devices described herein have a diameter and / or shape in which one or more openings produce nanofibers in use, and one or more openings are micro in use. It can be modified to have a diameter and / or shape that produces a fiber. Therefore, when the fiber manufacturing apparatus is rotating, the material is ejected to generate both microfibers and nanofibers. In some embodiments, the nozzle can be coupled to one or more openings. Different nozzles can be coupled to different apertures such that nozzles designed to create microfibers and nozzles designed to create nanofibers are coupled to the apertures. In alternative embodiments, the needle can be coupled (directly to the opening or via the needle port). Different needles can be coupled to different apertures such that needles designed to create microfibers and needles designed to create nanofibers are coupled to the apertures. By producing microfibers and nanofibers substantially simultaneously, a controlled distribution of fiber sizes can be achieved and substantial control of the properties of the final product produced from the microfiber / nanofiber mixture. Is possible.

繊維製造システムの他の実施の形態を図6に示す。繊維製造システム3300は、繊維製造装置3310を含む。繊維製造装置は、ボディ3312及び結合部材3314を含む。この実施の形態において、ボディ3312は、互いに結合された第1の部材3314と第2の部材3316とを含む。代替的に、ボディ3312は、単一の一体の部材とすることができる。第1の部材3314及び第2の部材3316は、一緒に内部空洞3318を定める。1つ又はそれ以上の開口3320がボディを貫通して延び、使用中に、その中をボディ内に配置された材料が通過する。1つ又はそれ以上出口要素(例えば、ノズル、ニードル、ニードルポート又は出口導管)を1つ又はそれ以上の開口3320に結合することができる。前述したように、ボディの内部空洞は、ボディ3312の内部空洞3318内に配置された材料を開口3320に向かって誘導するのを助けるための角度又は丸みが付けられた壁を含む。   Another embodiment of the fiber manufacturing system is shown in FIG. The fiber manufacturing system 3300 includes a fiber manufacturing apparatus 3310. The fiber manufacturing apparatus includes a body 3312 and a coupling member 3314. In this embodiment, body 3312 includes a first member 3314 and a second member 3316 that are coupled together. Alternatively, the body 3312 can be a single integral member. First member 3314 and second member 3316 together define an internal cavity 3318. One or more openings 3320 extend through the body through which material disposed within the body passes during use. One or more outlet elements (eg, nozzles, needles, needle ports or outlet conduits) can be coupled to one or more openings 3320. As previously described, the body's internal cavity includes an angled or rounded wall to help guide material disposed within the internal cavity 3318 of the body 3312 toward the opening 3320.

結合部材3330は、ボディから延びる細長い部材である。1つの実施の形態において、結合部材3330は、ボディ3312の第2の部材3316に結合され、第2の部材から遠ざかる方向に内部空洞3318を通って延びている。結合部材3330は、繊維製造装置3310を駆動部3340の結合要素3342(例えば、駆動部のチャック連結器又は自在ねじ切り継ぎ手)に結合させるために用いている。代替的に、結合部材は、駆動部からの細長い部材を受入れることになる受け具とすることができる(例えば、結合部材はチャック又は自在ねじ切り継ぎ手とする)。駆動部の結合要素3342は、繊維製造装置の結合部材3330と相互に作用して、繊維製造装置と駆動部との間の距離が変更可能となるように、結合部材を結合要素内で調整可能に配置できるように構成されている。このことは、生成された繊維が繊維製造装置の下方に配置された基材に送達される用途に対して有用である。基材と駆動部が互いに一定の距離にあると仮定すると、繊維製造装置と駆動部との間の垂直方向距離を変更することは、下にある基材と繊維製造装置との間の垂直方向距離も変更することになる。下にある基材と繊維製造装置との間の距離を変更することができると、繊維の堆積パターンを変更して、異なる基材に対してカスタマイズすることが可能になる。   The coupling member 3330 is an elongated member extending from the body. In one embodiment, the coupling member 3330 is coupled to the second member 3316 of the body 3312 and extends through the internal cavity 3318 in a direction away from the second member. The coupling member 3330 is used to couple the fiber manufacturing apparatus 3310 to a coupling element 3342 of the drive unit 3340 (eg, a chuck coupler or a universal threaded joint of the drive unit). Alternatively, the coupling member can be a receptacle that will receive an elongate member from the drive (eg, the coupling member may be a chuck or a universal thread joint). The coupling element 3342 of the drive unit interacts with the coupling member 3330 of the fiber production device, and the coupling member can be adjusted within the coupling element so that the distance between the fiber production device and the drive unit can be changed. It can be arranged in the. This is useful for applications in which the produced fiber is delivered to a substrate positioned below the fiber production equipment. Assuming that the substrate and the drive are at a certain distance from each other, changing the vertical distance between the fiber production device and the drive is the vertical direction between the underlying substrate and the fiber production device. The distance will also change. If the distance between the underlying substrate and the fiber manufacturing equipment can be changed, the fiber deposition pattern can be changed and customized for different substrates.

繊維製造システム3300は、結合部材3330に結合される駆動部3340を含む。駆動部3340は、繊維製造装置を駆動部に結合したとき、繊維製造装置3330の上方に配置される。使用中、駆動部3330は、繊維製造装置3310を回転させる。適切な駆動部としては、ブラシレスDCモータなどの市販の可変電気モータが挙げられる。   The fiber manufacturing system 3300 includes a drive unit 3340 coupled to the coupling member 3330. The drive unit 3340 is disposed above the fiber manufacturing device 3330 when the fiber manufacturing device is coupled to the drive unit. During use, the drive unit 3330 rotates the fiber manufacturing apparatus 3310. Suitable drive units include commercially available variable electric motors such as brushless DC motors.

繊維製造システム3330は、さらに材料送出システム3350を含む。材料送出システム3350は、材料貯蔵容器3352、ポンプ3354、及び液体混合物を繊維製造装置3310に導くための導管3356を含む。液体の材料混合物が貯蔵容器3352内に貯蔵される。液体の材料混合物は、材料を適切な溶媒中に溶解して材料の溶液を形成することによって形成する。液体の材料混合物は、貯蔵容器3352に結合されたポンプ3354を用いて繊維製造装置3352に移送される。ポンプ3352は、液体混合物を収集し、導管3356を通る液体材料の流れを生成する。液体混合物は、導管3356から、繊維製造機器3310内に形成された開口3313を通って繊維製造機器に入る。液面センサ3358が、繊維製造装置内に配置された液体混合物と光学的に結合される。液面センサ3358は、繊維製造装置内に配置された流体の量の測定値をもたらす。使用中におけるポンプの流量は、繊維製造装置内の流体の量に基づいて調整することができる。1つの実施の形態において、材料送出システム3350は、繊維製造装置3310が回転している間、材料を実質的に連続的に繊維製造装置に送出する。導管3356を繊維製造装置の外部に配置すると、繊維製造装置が回転している間の材料の連続的な送出が可能になる。   The fiber manufacturing system 3330 further includes a material delivery system 3350. The material delivery system 3350 includes a material storage container 3352, a pump 3354, and a conduit 3356 for directing the liquid mixture to the fiber production device 3310. A liquid material mixture is stored in storage container 3352. A liquid material mixture is formed by dissolving the material in a suitable solvent to form a solution of the material. The liquid material mixture is transferred to the fiber production device 3352 using a pump 3354 coupled to the storage container 3352. Pump 3352 collects the liquid mixture and generates a flow of liquid material through conduit 3356. The liquid mixture enters the fiber manufacturing equipment from conduit 3356 through openings 3313 formed in the fiber manufacturing equipment 3310. A liquid level sensor 3358 is optically coupled to a liquid mixture disposed in the fiber manufacturing apparatus. The liquid level sensor 3358 provides a measurement of the amount of fluid placed in the fiber manufacturing apparatus. The flow rate of the pump during use can be adjusted based on the amount of fluid in the fiber production apparatus. In one embodiment, the material delivery system 3350 delivers material to the fiber production device substantially continuously while the fiber production device 3310 is rotating. Placing conduit 3356 outside of the fiber manufacturing device allows continuous delivery of material while the fiber manufacturing device is rotating.

駆動部3340は、アーム3360に取付けられている。1つの実施の形態において、アーム3360は支持部(図示せず)に結合されている。アーム3360は、アームが支持部に対して移動可能となるように支持部に結合することができる。例えば、アーム3360は、駆動部3340及び結合された繊維製造装置3310(「駆動部/繊維製造装置組立体」と呼ぶ)を基材から離れるように移動させる(例えば、揺動させる)ことができ、繊維製造装置の保守整備(例えば、繊維製造装置の交換、繊維製造装置のパージなど)を実施することを可能にする。アーム3360はまた、駆動部/繊維製造装置組立体の水平方向の位置を変更できるようにすることができる。一実施の形態において、アーム3360は、駆動部/繊維製造装置組立体を水平な固定経路に沿って移動させることを可能にする。これは、駆動部/繊維製造装置組立体の配置を、下にある基材に対して変更することを可能にする。幾つかの実施の形態において、モータを駆動部/繊維製造装置組立体に結合して、基材に対する駆動部/繊維製造装置組立体の自動化された移動を可能にすることができる。   Drive unit 3340 is attached to arm 3360. In one embodiment, arm 3360 is coupled to a support (not shown). The arm 3360 can be coupled to the support so that the arm is movable relative to the support. For example, the arm 3360 can move (eg, swing) the drive 3340 and the combined fiber manufacturing device 3310 (referred to as a “drive / fiber manufacturing assembly”) away from the substrate. The maintenance of the fiber manufacturing apparatus (for example, replacement of the fiber manufacturing apparatus, purging of the fiber manufacturing apparatus, etc.) can be performed. The arm 3360 can also allow the horizontal position of the drive / textile production assembly to be changed. In one embodiment, the arm 3360 allows the drive / fiber maker assembly to be moved along a horizontal fixed path. This makes it possible to change the arrangement of the drive / fabric production assembly relative to the underlying substrate. In some embodiments, a motor can be coupled to the drive / fiber maker assembly to allow automated movement of the drive / fiber maker assembly relative to the substrate.

1つの実施の形態において、図6に関連して説明した、反転した構成における繊維製造装置3310により堆積された繊維のパターンは、下にある基材の均一な被覆をもたらすのに十分ではないことがある。被覆を改善するために、駆動部/繊維製造装置組立体を基材に対して水平方向に移動させて、下にある基材のより均一な被覆をもたらすようにすることができる。例えば、アームは、駆動部/繊維製造装置組立体が一定の水平経路に沿って移動できるようにすることができる。基材が繊維製造装置の下方に位置するときに、繊維生成を開始することができ、駆動部/繊維製造装置組立体を水平方向に移動させて、基材上に繊維のより均一な堆積をもたらす。駆動部/繊維製造装置組立体の水平方向の移動は、下にある基材の繊維堆積システム内での移動と協調させることができる。代替的実施の形態において、アームは、駆動部/繊維製造装置組立体を基材に対して回転させるように構成することができる。駆動部/繊維製造装置組立体の回転は、基材における繊維のより均一な分布を可能にする。   In one embodiment, the pattern of fibers deposited by the fiber manufacturing apparatus 3310 in the inverted configuration described in connection with FIG. 6 is not sufficient to provide a uniform coating of the underlying substrate. There is. To improve the coating, the drive / fiber maker assembly can be moved horizontally relative to the substrate to provide a more uniform coating of the underlying substrate. For example, the arm can allow the drive / fabric assembly assembly to move along a certain horizontal path. When the substrate is located below the fiber production equipment, fiber production can begin and the drive / fiber production equipment assembly is moved horizontally to provide a more uniform deposition of fibers on the substrate. Bring. The horizontal movement of the drive / fiber maker assembly can be coordinated with the movement of the underlying substrate within the fiber deposition system. In an alternative embodiment, the arm can be configured to rotate the drive / fiber maker assembly relative to the substrate. Rotation of the drive / fiber maker assembly allows for a more uniform distribution of the fibers in the substrate.

幾つかの実施の形態において、繊維製造装置を加熱することができる。1つ又はそれ以上の加熱装置3370及び3372を繊維製造装置3310に熱的に結合する。幾つかの実施の形態において、加熱装置3370は、結合部材が加熱装置を通って延びることを可能にするように、輪状加熱装置とすることができる。加熱装置3372は、繊維製造装置の下に配置される平面基板とすることもでき又は輪状とすることもできる。幾つかの実施の形態において、加熱装置3370及び3372は、繊維製造装置3310の直径より小さい直径を有する。繊維の生成中、生成された繊維は、加熱装置に接近すると加熱装置からの熱に引き寄せられることが一般的に見出されている。加熱装置の直径を繊維製造装置の直径より小さくすることにより、加熱装置との接触による繊維の損失が最小になる。   In some embodiments, the fiber manufacturing apparatus can be heated. One or more heating devices 3370 and 3372 are thermally coupled to the fiber production device 3310. In some embodiments, the heating device 3370 can be an annular heating device to allow the coupling member to extend through the heating device. The heating device 3372 may be a flat substrate disposed under the fiber manufacturing device or may be ring-shaped. In some embodiments, heating devices 3370 and 3372 have a diameter that is smaller than the diameter of fiber manufacturing device 3310. During fiber production, it has been generally found that the produced fiber is attracted to the heat from the heating device as it approaches the heating device. By making the diameter of the heating device smaller than the diameter of the fiber production device, fiber loss due to contact with the heating device is minimized.

繊維製造システムの別の実施の形態を図7に示す。図7に示す繊維製造システムは、図6に示すシステムと類似している。しかし、図7のシステムは、溶融紡糸法に使用するように構成され、他方図6に示すシステムは溶液紡糸法に使用するように構成されている。溶融紡糸プロセスに対応するために、材料送出システム3350は、材料貯蔵容器3380及び押出機3382を含む。固体材料が材料貯蔵容器3380内に貯蔵され、押出機3382に移送される。押出機3382は、材料貯蔵容器3380から材料を受取り、材料を溶融して溶融物を生成する。溶融物は計量溶融物ポンプ3385に移送され、このポンプが溶融材料を計量し、導管3386を通して繊維製造装置に給送する。導管3386は、加熱された材料を押出機から繊維製造装置まで移送する材料で形成されている。幾つかの実施の形態において、導管3386は、繊維製造装置へ移送されるときの加熱材料の冷却を防ぐために少なくとも部分的に断熱材3384で囲まれている。加熱装置3370及び3372は、材料を溶融状態に維持するに十分な温度に繊維製造装置を保つために使用される。   Another embodiment of the fiber manufacturing system is shown in FIG. The fiber manufacturing system shown in FIG. 7 is similar to the system shown in FIG. However, the system of FIG. 7 is configured for use in melt spinning, while the system shown in FIG. 6 is configured for use in solution spinning. In order to accommodate the melt spinning process, the material delivery system 3350 includes a material storage vessel 3380 and an extruder 3382. Solid material is stored in a material storage container 3380 and transferred to an extruder 3382. The extruder 3382 receives the material from the material storage container 3380 and melts the material to generate a melt. The melt is transferred to a metered melt pump 3385, which meteres the molten material and feeds it through a conduit 3386 to the fiber production equipment. Conduit 3386 is formed of a material that transfers the heated material from the extruder to the fiber production equipment. In some embodiments, the conduit 3386 is at least partially surrounded by thermal insulation 3384 to prevent cooling of the heated material as it is transferred to the fiber manufacturing apparatus. Heating devices 3370 and 3372 are used to keep the fiber production equipment at a temperature sufficient to maintain the material in a molten state.

代替的な実施の形態において、押出機3382は、材料供給ホッパで置換えることができる。材料供給ホッパは、材料貯蔵容器3380内に配置された固体材料を繊維製造装置内に直接送るために使用される。繊維製造装置を、材料貯蔵容器から繊維製造装置に移送された固体材料の少なくとも一部分を溶融するように加熱することができる。加熱装置は、前述のように、固体材料が繊維製造装置内に配置される前又は後に繊維製造装置を加熱するために使用される。そうすることで、押出機及び断熱導管の使用を避けて、システムのエネルギー必要量を減らすことができる。   In an alternative embodiment, the extruder 3382 can be replaced with a material feed hopper. The material supply hopper is used to send the solid material placed in the material storage container 3380 directly into the fiber production equipment. The fiber manufacturing device can be heated to melt at least a portion of the solid material transferred from the material storage container to the fiber manufacturing device. The heating device is used to heat the fiber manufacturing device before or after the solid material is placed in the fiber manufacturing device, as described above. By doing so, the use of extruders and insulated conduits can be avoided and the energy requirements of the system can be reduced.

上部駆動型繊維製造システムは、繊維を基材上に堆積させるために特に有用である。繊維を基材上に堆積させるためのシステムの一実施の形態を図8に示す。基材堆積システム3500は、堆積システム3600及び基材移送システム3550を含む。堆積システム3600は、本明細書で説明したような繊維製造システム3610を含む。堆積システムは、繊維製造装置によって生成された繊維を、使用中に、繊維製造装置の下方に配置された基材3520の方向に誘導する。基材移送システム3350は、基材材料の連続シートを、堆積システムを通して移動させる。   Top driven fiber manufacturing systems are particularly useful for depositing fibers on a substrate. One embodiment of a system for depositing fibers on a substrate is shown in FIG. The substrate deposition system 3500 includes a deposition system 3600 and a substrate transfer system 3550. The deposition system 3600 includes a fiber manufacturing system 3610 as described herein. The deposition system guides the fibers produced by the fiber manufacturing device in use in the direction of the substrate 3520 disposed below the fiber manufacturing device. The substrate transfer system 3350 moves a continuous sheet of substrate material through the deposition system.

堆積システム3600は、一実施の形態において、上部に取付けられた繊維製造装置3610を含む。使用中、繊維製造装置3610によって生成された繊維は、基材3520の上に堆積される。堆積システム3600の概略図を図9に示す。繊維堆積システムは、真空システム3620、静電板3630、及び気体流システム3640のうちの1つ又はそれ以上を含む。真空システム3620は、基材3520の下方に減圧領域を生じさせ、繊維製造装置3610によって生成された繊維が減圧により基材に向かって引き付けられるように構成されている。代替的に、1つ又はそれ以上のファンを基材の下方に配置して、基材を通過する空気流を作り出すことができる。気体流システム3640は、繊維製造装置によって形成された繊維を基材の方向に誘導する気体流3642を生成する。気体流システムは、圧縮空気源、又は空気(又は他の気体)の流れを生成する1つ若しくはそれ以上のファンとすることができる。真空と空気流システムの組合せを使用して、強制空気(ファン、圧縮空気)及び排気(ファン、外への流れを作り出すため)を用いて空気流を平衡させ誘導して下の基材へ向かう繊維堆積区域を生成することによって、堆積チャンバの上部から基材を通過して排気システムに至る「平衡空気流」が生成される。堆積システム3600は、基材入口3614及び基材出口3612を含む   The deposition system 3600, in one embodiment, includes a fiber manufacturing device 3610 attached to the top. In use, the fibers produced by the fiber production device 3610 are deposited on the substrate 3520. A schematic diagram of the deposition system 3600 is shown in FIG. The fiber deposition system includes one or more of a vacuum system 3620, an electrostatic plate 3630, and a gas flow system 3640. The vacuum system 3620 is configured such that a reduced pressure region is created below the substrate 3520, and the fibers generated by the fiber manufacturing device 3610 are attracted toward the substrate by the reduced pressure. Alternatively, one or more fans can be placed below the substrate to create an air flow through the substrate. The gas flow system 3640 generates a gas flow 3642 that guides the fibers formed by the fiber manufacturing apparatus toward the substrate. The gas flow system can be a source of compressed air or one or more fans that generate a flow of air (or other gas). Using a combination of vacuum and airflow system, forced air (fan, compressed air) and exhaust (fan, to create outward flow) are used to balance and guide the airflow toward the underlying substrate By creating a fiber deposition zone, a “balanced air flow” is created from the top of the deposition chamber through the substrate to the exhaust system. The deposition system 3600 includes a substrate inlet 3614 and a substrate outlet 3612.

静電板3630もまた、基材3520の下に配置されている。静電板は所定の極性まで帯電させることができる板である。通常、繊維製造装置によって生成された繊維は、正味の電荷を有する。繊維の正味の電荷は、用いる材料の種類に依存して、正又は負となり得る。帯電した繊維の堆積を向上させるために、静電板を基材3520の下に配置し、生成される繊維と逆の極性に帯電させる。そうすることで、繊維は、逆の電荷同士の間の静電引力のために静電板に引き付けられる。繊維が静電板に向かって動くので繊維は基材内に埋め込まれる。   An electrostatic plate 3630 is also disposed below the substrate 3520. The electrostatic plate is a plate that can be charged to a predetermined polarity. Usually, the fibers produced by the fiber production equipment have a net charge. The net charge of the fiber can be positive or negative depending on the type of material used. In order to improve the deposition of charged fibers, an electrostatic plate is placed under the substrate 3520 and charged to the opposite polarity as the fibers produced. In doing so, the fibers are attracted to the electrostatic plate due to electrostatic attraction between the opposite charges. As the fibers move toward the electrostatic plate, the fibers are embedded in the substrate.

圧縮気体の生成及び分配システムを用いて、繊維製造装置の下方に配置された基材に向かう繊維の流れを制御することができる。使用中、繊維製造装置によって生成された繊維は堆積システム内に分散される。繊維は主としてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維からなるので、繊維は堆積システム内に分散し易い。圧縮気体生成及び分配システムの使用は、繊維を基材に向かって誘導する助けとなる。1つの実施の形態において、圧縮気体生成及び分配システムは、下向きの気体流装置3640及び横向きの気体流装置3645を含む。下向きの気体流装置3640は、繊維製造装置の上方又は同じ高さに配置され、基材に向かう均一な繊維移動を促進する。1つ又はそれ以上の横向きの気体流装置3645は、繊維製造装置に対して垂直に又は下方に向けられている。幾つかの実施の形態において、横向きの気体流装置3645は、基材の幅と同じ出口幅を有し、基材上への均一な繊維堆積を促進する。幾つかの実施の形態において、1つ又はそれ以上の横向きの気体流装置3645の出口の角度を変更して、基材上への繊維堆積をより良好に制御できるようにすることができる。各々の横向きの気体流装置3645は、独立して操作することができる。   A compressed gas generation and distribution system can be used to control the flow of fibers toward a substrate located below the fiber production equipment. In use, the fibers produced by the fiber production equipment are dispersed within the deposition system. Since the fibers are mainly composed of microfibers and / or nanofibers, the fibers are easy to disperse in the deposition system. The use of a compressed gas generation and distribution system helps guide the fibers toward the substrate. In one embodiment, the compressed gas generation and distribution system includes a downward gas flow device 3640 and a lateral gas flow device 3645. Downward gas flow device 3640 is positioned above or at the same height as the fiber production device to facilitate uniform fiber movement toward the substrate. One or more lateral gas flow devices 3645 are oriented perpendicularly or downwardly with respect to the fiber production device. In some embodiments, the lateral gas flow device 3645 has an exit width that is the same as the width of the substrate to facilitate uniform fiber deposition on the substrate. In some embodiments, the angle of the exit of one or more lateral gas flow devices 3645 can be varied to allow better control of fiber deposition on the substrate. Each lateral gas flow device 3645 can be operated independently.

堆積システムの使用中、繊維製造装置3610は、溶媒の蒸発(溶液紡糸中)及び材料の気化(溶融紡糸中)により、種々の気体を生成することがある。そのような気体は、堆積システム内に蓄積されると、生成される繊維の品質に影響を及ぼし始める可能性がある。幾つかの実施の形態において、堆積システムは、繊維製造中に生成される気体を堆積システムから除去するための排気ファン3650を含む。   During use of the deposition system, the fiber production device 3610 may generate various gases due to solvent evaporation (during solution spinning) and material vaporization (during melt spinning). As such gases accumulate in the deposition system, they can begin to affect the quality of the fibers produced. In some embodiments, the deposition system includes an exhaust fan 3650 for removing gas generated during fiber manufacture from the deposition system.

基材移送システム3550は、1つの実施の形態において、基材材料の連続シートを、堆積システムを通して移動させる。他つの実施の形態において、基材移送システム3550は、基材リール3552及び基材巻取りリールシステム3554を含む。使用中、基材材料のロールが基材リール3552上に配置され、堆積システム3600中を基材巻取りリールシステム3554まで通される。使用中、基材巻取りリールシステム3554が回転し、基材を所定の速度で堆積システムを通して引き寄せる。このようにして、連続巻きの基材材料を、繊維堆積システムを通して引き寄せる。   The substrate transfer system 3550, in one embodiment, moves a continuous sheet of substrate material through the deposition system. In other embodiments, the substrate transfer system 3550 includes a substrate reel 3552 and a substrate take-up reel system 3554. In use, a roll of substrate material is placed on substrate reel 3552 and passed through deposition system 3600 to substrate take-up reel system 3554. In use, the substrate take-up reel system 3554 rotates to draw the substrate through the deposition system at a predetermined speed. In this way, the continuously wound substrate material is drawn through the fiber deposition system.

幾つかの実施の形態において、単一の繊維製造装置では、基材全体に所望のレベルの繊維を供給するのに十分な量の繊維を製造することが難しいことがある。基材上の繊維の適切で均一な被覆を確保するために、基材堆積システムは、図10に示すように2つ又はそれ以上の繊維製造装置を設けることができる。繊維堆積システム3700は、駆動ユニット3720に結合された2つ又はそれ以上の繊維製造装置3710を含ませることができる。駆動ユニットは、繊維製造装置3710に結合されている。1つの実施の形態において、駆動ユニット3720は、複数の駆動部を含み、各々の駆動部が繊維製造装置3710に結合されている。駆動ユニットは、各々の駆動ユニットを独立して動作させて2つ又はそれ以上の繊維製造装置が実質的に同時に繊維を生成するようにすることができるコントローラを含む。代替の実施の形態において、駆動ユニットは、駆動ユニットに結合された全ての繊維製造装置を同時に動作させる単一の駆動部を含む。そのような実施の形態において、全ての繊維製造装置が実質的に同時に繊維を生成し、下にある基材3730の完全な被覆を確実にする。   In some embodiments, it may be difficult to produce a sufficient amount of fibers to supply the desired level of fibers throughout the substrate with a single fiber production device. In order to ensure proper and uniform coating of the fibers on the substrate, the substrate deposition system can be provided with two or more fiber manufacturing equipment as shown in FIG. The fiber deposition system 3700 can include two or more fiber production devices 3710 coupled to the drive unit 3720. The drive unit is coupled to the fiber manufacturing device 3710. In one embodiment, the drive unit 3720 includes a plurality of drive units, each of which is coupled to the fiber manufacturing device 3710. The drive unit includes a controller that allows each drive unit to operate independently so that two or more fiber production devices produce fibers substantially simultaneously. In an alternative embodiment, the drive unit includes a single drive that operates all of the fiber manufacturing devices coupled to the drive unit simultaneously. In such an embodiment, all fiber production devices produce fibers substantially simultaneously, ensuring complete coverage of the underlying substrate 3730.

本明細書で説明したいずれかの機器及び方法を用いて製造されたマイクロ繊維及びナノ繊維は、様々な用途に用いることができる。幾つかの一般的な利用分野としては、食品、材料、電気、防衛、組織工学、バイオテクノロジー、医療機器、エネルギー、代替エネルギー(例えば、太陽、風力、原子核、及び水力エネルギー)、治療薬、薬物送達(例えば、薬物溶解性の改善、薬物カプセル化など)、繊維製品/織物、不織布材料、ろ過(例えば、空気、水、燃料、半導体、生物医学など)、自動車、スポーツ、航空学、宇宙、エネルギー移動、紙、基材、衛生、化粧品、建築、衣料、包装、ジオテキスタイル、断熱及び防音が挙げられるが、これらに限定されない。   Microfibers and nanofibers produced using any of the devices and methods described herein can be used in a variety of applications. Some common areas of use include food, materials, electricity, defense, tissue engineering, biotechnology, medical devices, energy, alternative energy (eg solar, wind, nuclear and hydro energy), therapeutics, drugs Delivery (eg, improved drug solubility, drug encapsulation, etc.), textiles / textiles, nonwoven materials, filtration (eg, air, water, fuel, semiconductor, biomedical, etc.), automotive, sports, aeronautics, space, Examples include, but are not limited to, energy transfer, paper, substrate, hygiene, cosmetics, architecture, clothing, packaging, geotextile, thermal insulation and sound insulation.

マイクロ繊維及び/又はナノ繊維を用いて形成することができる幾つかの製品としては、帯電ナノ繊維及び/又はマイクロ繊維を用いた流体を浄化するためのフィルタ;セラミックナノ繊維(「NF」)を用いた触媒フィルタ;エネルギーを貯蔵するための炭素ナノチューブ(「CNT」)が導入されたナノ繊維;CNT導入/被覆された電磁遮蔽のためのNF;フィルタ及び他の用途のためのマイクロ繊維とNFとの混合物;デニム及び他の繊維製品のための綿に導入されるポリエステル;フィルタ用のNFに導入/被覆される金属ナノ粒子又は他の抗菌性材料;創傷被覆材、細胞増殖基質又は足場;電池セパレータ;太陽エネルギー用の帯電ポリマー又は他の材料;環境浄化に使用するためのNF;圧電繊維;縫合糸;化学センサ、耐水性及び耐汚染性、耐臭性、絶縁性、自浄性、耐浸透性、抗菌性、多孔性/通気性の、引裂抵抗性、及び耐摩耗性の繊維製品/織布;個人用身体防護具のための力エネルギー吸収材、建築用強化材料(例えば、コンクリート及びプラスチック);炭素繊維;航空宇宙用途の外板を強化するために用いられる繊維;整列又は不規則繊維を利用した組織工学用基材;整列又は不規則ナノ繊維を有する組織工学用ペトリ皿;薬物製造に用いられるフィルタ;深いフィルタ機能のためのマイクロ繊維とナノ繊維を組み合せたフィルタ;繊維製品などの疎水性材料;オイルフェンスなどの選択的吸収材料;連続長ナノ繊維(1,000対1より大きいアスペクト比);塗料/着色剤;耐久性、耐火性、保色性、多孔性、柔軟性、抗菌性、害虫耐性、気密性を高める建築製品;接着剤;テープ;エポキシ;糊;吸着材;おむつ媒質;マットレスカバー;音響材料;及び、液体、気体、化学物質又は空気用フィルタが挙げられるが、これらに限定されない。   Some products that can be formed using microfibers and / or nanofibers include filters for purifying fluids using charged nanofibers and / or microfibers; ceramic nanofibers ("NF") Catalyst filters used; nanofibers with carbon nanotubes (“CNT”) for storing energy; NF for CNT-introduced / coated electromagnetic shielding; microfibers and NF for filters and other applications Polyesters introduced into cotton for denim and other textiles; metal nanoparticles or other antibacterial materials introduced / coated on NF for filters; wound dressings, cell growth substrates or scaffolds; Battery separator; charged polymer or other material for solar energy; NF for use in environmental cleanup; piezoelectric fiber; suture thread; chemical sensor; And textile / woven fabrics with stain resistance, odor resistance, insulation, self-cleaning, penetration resistance, antibacterial, porous / breathable, tear resistant, and abrasion resistant; Force energy absorbers, building reinforcement materials (eg concrete and plastic); carbon fibers; fibers used to reinforce skins for aerospace applications; tissue engineering substrates utilizing aligned or irregular fibers Petri dishes for tissue engineering with aligned or irregular nanofibers; Filters used in drug production; Filters combining microfibers and nanofibers for deep filter functions; Hydrophobic materials such as textiles; Oil fences, etc. Selective absorbent material; continuous nanofibers (aspect ratio greater than 1,000 to 1); paint / colorant; durability, fire resistance, color retention, porosity, flexibility, antibacterial, pest resistance, airtightness Enhance building products; adhesive; tape; epoxy; paste; adsorbent; diaper medium; mattress cover; acoustic material; and a liquid, a gas, although chemical or air filter include, but are not limited to.

繊維は、形成後に被覆することができる。1つの実施の形態において、マイクロ繊維及び/又はナノ繊維をポリマー又は金属被膜で被覆することができる。ポリマー被膜は、製造された繊維に吹き付け塗りすることにより、又はポリマー被膜を形成するためのいずれかの他の既知の方法によって、形成することができる。金属被膜は、金属堆積プロセス(例えば、CVD)を用いて形成することができる。   The fibers can be coated after formation. In one embodiment, the microfibers and / or nanofibers can be coated with a polymer or metal coating. The polymer coating can be formed by spraying the manufactured fibers or by any other known method for forming a polymer coating. The metal coating can be formed using a metal deposition process (eg, CVD).

本特許には、特定の米国特許、米国特許出願、及び他の資料(例えば、論文)が引用により組み入れられている。しかし、それらの米国特許、米国特許出願、及び他の資料のテキストは、それらテキストと本明細書で記述した他の言明及び図面との間に矛盾が存在しない限りにおいて、引用により組み入れられる。そのような矛盾がある場合には、引用により組み入れられる米国特許、米国特許出願、及び他の資料の矛盾するテキストはいずれも、明確に、引用により本特許に組み入れられることはない。   This patent incorporates by reference certain US patents, US patent applications, and other materials (eg, articles). However, the texts of those U.S. patents, U.S. patent applications, and other materials are incorporated by reference to the extent that there is no inconsistency between those texts and other statements and drawings described herein. Where there is such a conflict, any conflicting text in US patents, US patent applications, and other materials incorporated by reference is not expressly incorporated by reference into this patent.

本説明を考慮すれば、当業者には本発明の種々の態様のさらなる改変及び変更の実施の形態が明らかになるであろう。従って、この説明は例証に過ぎないものと解釈されるべきであり、本発明を実施するための一般的方法を当業者に教示するためのものである。本明細書で示し説明した本発明の形態は、実施の形態の例として解釈されるべきであることを理解されたい。全て、本発明のこの説明の利益を得た後で当業者には明白となるように、本明細書で示し説明した要素及び材料を置換えることができ、部分及びプロセスを逆にすることができ、本発明の特定の特徴は独立して利用することができる。添付した特許請求の範囲において説明されている本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、本明細書で説明した要素に変更を加えることができる。   In view of this description, further modifications and variations of various aspects of the invention will become apparent to those skilled in the art. Accordingly, this description is to be construed as illustrative only and is for the purpose of teaching those skilled in the art the general manner of carrying out the invention. It should be understood that the forms of the invention shown and described herein are to be construed as examples of embodiments. All of the elements and materials shown and described herein can be replaced, and the parts and processes reversed, as will be apparent to those skilled in the art after gaining the benefit of this description of the invention. Yes, certain features of the invention can be utilized independently. Changes may be made in the elements described herein without departing from the spirit and scope of the invention as described in the appended claims.

1900、2100、3300:繊維製造システム
1910、1000、2110、3310、3610、3710:繊維製造装置
1912、1010、3312:ボディ
1914、1030、3330:結合部材
1916、1011、1013、1015、3320:開口
1918、3200:出口要素
1920、1040、3340:駆動部
1930:収集システム
1012、3318:内部空洞
1042、3342:結合要素
2000、3600:堆積システム
2010:入口導管
2020:基材支持部
2022、3620:真空システム(真空装置)
2025:上部チャンバ
2030、2130、3520、3730:基材
2040、3640、3645:気体流発生器(気体流装置)
2045:下部チャンバ
3350:材料送出システム
3352、3380:材料貯蔵容器
3354:ポンプ
3360:アーム
3370、3372:加熱装置
3382:押出機
3500:基材堆積システム
3550:基材移送システム
3552:基材リール
3554:基材巻取りリールシステム
3630:静電板
3700:繊維堆積システム
3720:駆動ユニット
1900, 2100, 3300: Textile manufacturing system 1910, 1000, 2110, 3310, 3610, 3710: Textile manufacturing apparatus 1912, 1010, 3312: Body 1914, 1030, 3330: Coupling members 1916, 1011, 1013, 1015, 3320: Opening 1918, 3200: outlet element 1920, 1040, 3340: drive 1930: collection system 1012, 3318: internal cavity 1042, 3342: coupling element 2000, 3600: deposition system 2010: inlet conduit 2020: substrate support 2022, 3620: Vacuum system (vacuum equipment)
2025: Upper chamber 2030, 2130, 3520, 3730: Base material 2040, 3640, 3645: Gas flow generator (gas flow device)
2045: Lower chamber 3350: Material delivery system 3352, 3380: Material storage container 3354: Pump 3360: Arm 3370, 3372: Heating device 3382: Extruder 3500: Substrate deposition system 3550: Substrate transfer system 3552: Substrate reel 3554 : Substrate take-up reel system 3630: electrostatic plate 3700: fiber deposition system 3720: drive unit

Claims (17)

マイクロ繊維及び/又はナノ繊維製造システムであって、
複数の開口を有するボディと結合部材とを含み、前記ボディが繊維として生成される材料を受入れるように構成された繊維製造装置と、
前記ボディを回転させ、前記結合部材を通して前記ボディを結合する駆動部と、
使用中に前記繊維製造装置によって生成された繊維を収集し、使用中にその内部に配置された基材に向けて前記収集した繊維を誘導する堆積システムと、
を備え、
前記ボディは、それぞれに1つ又はそれ以上の開口を有する複数のチャンバを備え、
1つ又はそれ以上の出口要素が、前記1つ又はそれ以上の開口に結合され、
前記1つ又はそれ以上の出口要素は、出口オリフィスであり、
使用中、前記駆動部に結合された前記ボディの回転により、前記ボディ内の材料が前記1つ又はそれ以上の開口を通して噴出されてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成され、これらの繊維が少なくとも部分的に前記堆積システムに移送される、
ことを特徴とするシステム。
A microfiber and / or nanofiber manufacturing system,
A fiber manufacturing apparatus comprising a body having a plurality of openings and a coupling member, wherein the body is configured to receive a material produced as a fiber;
A drive unit that rotates the body and couples the body through the coupling member;
A deposition system that collects the fibers produced by the fiber manufacturing device during use and directs the collected fibers toward a substrate disposed therein during use;
With
The body comprises a plurality of chambers each having one or more openings;
One or more outlet elements are coupled to the one or more openings;
The one or more outlet elements are outlet orifices;
In use, rotation of the body coupled to the drive causes material in the body to be ejected through the one or more openings to produce microfibers and / or nanofibers, the fibers being at least Partially transferred to the deposition system;
A system characterized by that.
前記複数のチャンバは、互いに取り外し可能に結合することがでることを特徴とする、請求項1に記載のシステム。 Wherein the plurality of chambers, characterized Rukoto the Ki de be removably coupled to each other, according to claim 1 system. 前記堆積システムは、使用中に前記繊維製造装置によって生成された一連のマイクロ繊維及び/又はナノ繊維の流れの中に基材を配置する基材支持部を備えていることを特徴とする、請求項1または2に記載のシステム。   The deposition system comprises a substrate support that places the substrate in a series of microfiber and / or nanofiber streams generated by the fiber manufacturing device during use. Item 3. The system according to Item 1 or 2. 前記基材支持部は、この基材支持部の少なくとも一部分を貫通する1つ又はそれ以上の開口を備え、前記1つ又はそれ以上の開口は真空システムに連結されていることを特徴とする、請求項3に記載のシステム。   The substrate support comprises one or more openings that penetrate at least a portion of the substrate support, the one or more openings being connected to a vacuum system, The system according to claim 3. 基材材料の連続シートを、前記堆積システムの中を前記基材支持部に沿って移動させる基材移送システムをさらに備えることを特徴とする、請求項3に記載のシステム。   4. The system of claim 3, further comprising a substrate transfer system that moves a continuous sheet of substrate material along the substrate support in the deposition system. 前記出口要素は、前記ボディに取外し可能に結合することができることを特徴とする、請求項1〜5に記載のシステム。6. System according to claims 1-5, characterized in that the outlet element can be removably coupled to the body. マイクロ繊維及び/又はナノ繊維製造システムであって、A microfiber and / or nanofiber manufacturing system,
複数の開口を有するボディと結合部材とを含み、前記ボディが繊維として生成される材料を受入れるように構成された繊維製造装置と、A fiber manufacturing apparatus comprising a body having a plurality of openings and a coupling member, wherein the body is configured to receive a material produced as a fiber;
前記ボディを回転させ、前記結合部材を通して前記ボディを結合する駆動部と、A drive unit that rotates the body and couples the body through the coupling member;
使用中に前記繊維製造装置によって生成された繊維を収集し、使用中にその内部に配置された基材に向けて前記収集した繊維を誘導する堆積システムと、A deposition system that collects the fibers produced by the fiber manufacturing device during use and directs the collected fibers toward a substrate disposed therein during use;
を備え、With
前記ボディは、それぞれに1つ又はそれ以上の開口を有する複数のチャンバを備え、The body comprises a plurality of chambers each having one or more openings;
前記開口の1つ又はそれ以上に結合された1つ又はそれ以上のニードルポートをさらに備え、  Further comprising one or more needle ports coupled to one or more of the openings;
使用中に、1つ又はそれ以上のニードルを前記ニードルポートに取外し可能に結合することができ、かつ前記駆動部に結合された前記ボディの回転により、前記ボディ内の材料が前記1つ又はそれ以上の開口を通して噴出されてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成され、これらの繊維が少なくとも部分的に前記堆積システムに移送される、In use, one or more needles can be removably coupled to the needle port, and rotation of the body coupled to the drive causes the material in the body to move to the one or more. Ejected through these openings to produce microfibers and / or nanofibers, which are at least partially transferred to the deposition system;
ことを特徴とするシステム。A system characterized by that.
前記複数のチャンバは、互いに取り外し可能に結合することがでることを特徴とする、請求項7に記載のシステム。The system of claim 7, wherein the plurality of chambers can be removably coupled to each other. 前記駆動部は、前記結合部材と結合する結合要素を有し、前記繊維製造装置と前記該駆動部との間の距離が変更可能となるように、結合部材を結合要素内で調整可能に配置できるように形成していることを特徴とする、請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載のシステム。   The drive unit includes a coupling element coupled to the coupling member, and the coupling member is arranged to be adjustable in the coupling element so that a distance between the fiber manufacturing apparatus and the drive unit can be changed. It forms so that it can do, The system as described in any one of Claims 1-8 characterized by the above-mentioned. 前記基材に向かう生成された繊維の流れを引き起す減圧領域を前記基材の下に生成する真空システムをさらに備えていることを特徴とする、請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載のシステム。   10. The vacuum system according to any one of claims 1 to 9, further comprising a vacuum system that creates a reduced pressure region under the substrate that causes a flow of generated fibers toward the substrate. The system described in. 前記基材に向かう生成された繊維の流れを引き起す気体流を生成する気体流システムをさらに備えていることを特徴とする、請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載のシステム。   11. The system according to any one of claims 1 to 10, further comprising a gas flow system that generates a gas flow that causes a flow of generated fibers toward the substrate. 1つ又はそれ以上の開口を有するボディと結合部材とを各々が含み、前記ボディが繊維として生成される材料を受入れるように構成された、1つ又はそれ以上の追加の繊維製造装置と、
前記1つ又はそれ以上の追加の繊維製造装置の上方に配置され、前記追加の繊維製造装置の1つ又はそれ以上を回転させる1つ又はそれ以上の追加駆動部と、
をさらに備え、
使用中、前記1つ又はそれ以上の繊維製造装置の回転により、前記ボディ内の材料が1つ又はそれ以上の開口を通して噴出されてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維が生成される、
ことを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
One or more additional fiber manufacturing devices each including a body having one or more openings and a coupling member, the body configured to receive material produced as fibers;
One or more additional drives disposed above the one or more additional fiber production devices and rotating one or more of the additional fiber production devices;
Further comprising
In use, rotation of the one or more fiber manufacturing devices causes material in the body to be ejected through one or more openings to produce microfibers and / or nanofibers.
The system according to claim 1, wherein:
マイクロ繊維及び/又はナノ繊維を製造する方法であって、
請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載の繊維製造装置内に材料を配置するステップと、
前記繊維製造装置を少なくとも1000rpmの速度で回転させ、この繊維製造装置の回転により、前記ボディ内の材料が1つ又はそれ以上の開口を通して噴出されてマイクロ繊維及び/又はナノ繊維を生成するステップと、
前記生成されたマイクロ繊維及び/又はナノ繊維の少なくとも一部分を基材上に堆積させるステップと、
を含む、方法。
A method for producing microfibers and / or nanofibers,
Disposing a material in the fiber manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 12,
Rotating the fiber manufacturing device at a speed of at least 1000 rpm, and rotation of the fiber manufacturing device causes material in the body to be ejected through one or more openings to produce microfibers and / or nanofibers; ,
Depositing at least a portion of the generated microfibers and / or nanofibers on a substrate;
Including the method.
前記マイクロ繊維及び/又はナノ繊維は、これらの作成中にこの繊維を外部から印加された電界に曝すことなく作成されることを特徴とする、請求項13に記載の方法。   14. The method according to claim 13, characterized in that the microfibers and / or nanofibers are produced without exposing the fibers to an externally applied electric field during their production. 前記材料を少なくとも部分的に溶融させるのに十分な温度まで前記材料を加熱するステップと、
前記材料を少なくとも部分的に溶融させるのに十分な温度又はその温度付近まで前記繊維製造装置を加熱するステップと、
前記加熱された材料を前記加熱された繊維製造装置内に配置するステップと、
をさらに含む、請求項13に記載の方法。
Heating the material to a temperature sufficient to at least partially melt the material;
Heating the fiber production device to or near a temperature sufficient to at least partially melt the material;
Placing the heated material in the heated fiber production apparatus;
14. The method of claim 13, further comprising:
材料を繊維製造装置内に配置するステップと、
前記繊維製造装置内に配置された前記材料を少なくとも部分的に溶融させるのに十分な温度又はその温度付近にまで前記繊維製造装置を加熱するステップと、
をさらに含む、請求項13に記載の方法。
Placing the material in a fiber manufacturing device;
Heating the fiber manufacturing apparatus to or near a temperature sufficient to at least partially melt the material disposed in the fiber manufacturing apparatus;
14. The method of claim 13, further comprising:
前記材料を溶媒と混合して溶媒中の前記材料の混合物を生成するステップと、前記混合物を前記繊維製造装置内に配置するステップと、をさらに含む、請求項13に記載の方法。
14. The method of claim 13, further comprising: mixing the material with a solvent to produce a mixture of the material in a solvent; and placing the mixture in the fiber manufacturing apparatus.
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