TW200938667A - Collecting electrode of the device for production of nanofibres through electrostatic spinning of polymer matrices, and device comprising this collecting electrode - Google Patents

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200938667 -六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 :-4=3關於用於透過聚合物基質靜電紡紗而產生 不木纖維的裝置之集電極。 座生 _:間=::=藉由該集電極與至少1 電訪炒而產生奈米織=静電場中透過聚合物基質靜 【先前技術】 ❹ 不同類型的集電極，其中每一個均顯示具不同代紐t =點。最普遍的集電極類型係由導電材料板戶二 的平板集電極（platecollectingelectrode)，因為^ ❹ 最簡單且就該靜電訪紗電場的共同引發（C〇-indUcti〇nw 觀點而言同時表現出非常優異的性質。此外，該平板集電 極在此電場上的作用可輕易地由理論上推導、模型化以及 預見。不過，該平板集電極的缺點係在於其尖銳邊緣與頂 知的附近以及用以將該平板集電極接置於該紡紗室的電極 接點（contact of electrode)的附近引起高電壓之後，所 產生的電荷聚集-電暈（corona)使得靜電紡紗電場變得不 穩定並且強度被減弱，因此對該靜電紡紗製程產生負面影 響並降低該靜電紡紗裝置的總體效能。 為了消除或至少能夠減少上述缺點，發展出例如根據 捷克專利申請第2006-477號（CZ PV 2006-477)的圓柱狀集 4 94497 200938667 電極，該圓柱狀集電極係由導電薄壁本體（c〇nductive thin-walled body)所構成，其對比於該平板集電極的優點 係在於該電極本體的表面上不具有任何尖銳的外形或轉 變’而在三種不同的介電固體環境（dielectrical s〇lid environment)所接觸之處（三點）係隱藏在電極本體的内部 空間，在該電極本體的内部空間中該靜電紡紗電場的實際 強度為零。最後，該集電極的表面上未產生任何電暈，而 因此該集電極係對該靜電紡紗電場較為友好。該圓柱狀集 電極的缺點係結構的複雜與此種集電極的維持以及相對較 小的表面，該相對較小的表面在靜電紡紗製程中參與了該 靜電紡紗電場的引發。因此，一個平板電極的等效取代通 兩必須使用數個排列在一起及/或一個接一個排列的圓柱 狀集電極，增加了取得與操作用以產生奈米纖維的該裝置 的總成本。 不過’即使是該集電極的圓柱狀結構也沒有去除掉其 ❹ 中一個最具決定性的缺點’這與所有目前已知用於靜電紡 紗的集電極有關。此缺點係奈米纖維在與集電極接觸之前 必須被適合的承载基板（例如：紡織品（fabric)、金屬薄片 (foil)…等）所抓牢，因為在該奈米纖維與該集電極直接接 觸時該奈米纖雄會由於該集電極的稠度（consistency)與 幾何形狀而黏在該集電極的平滑表面上，而藉由物理或化 學方法來移除不僅相當複雜且將會需要關閉該整個裝置或 可能整條生產線。此外，在如此的情況下，無法確保能夠 構成合用的、無損壞的、以及前後一致的奈米纖維層。當 5 94497 200938667 前透過靜電紡紗產生奈米纖維的結果總是將奈米纖維鋪在 承載基板上-因而產生複合層-其應用性在一定程度上係受 限於該基板的物理或化學性質，並且通常無法完全利用= - 奈米纖維本身的全部優點，例如：輕量、高度特殊的表面、 以及相對低的壓力降（pressure drop)。儘管有用以移除 (也就是說自該基板切除該奈米纖維層）的已知裝置，但由 於奈米纖維的低效率與高物理損壞性故其應用實際上係為 零。 Ο 由某些專利文件，例如：美國專利申請號us 2〇〇5/ 0048274係進一步之已知裝置，其運作原理在於來自毛細 管尖端的聚合物溶液或熔化物的靜電紡紗，其中所產生的 奈米纖維係直接沉積於給定本體的表面，或者例如：根據 CA ?386674的案例，甚至將奈米纖維沉積於人體表面上。 在此種裝置的紡紗電極係由一個或數個毛細管所構成的同 時，這些裝置的集電極代表的是該奈米纖維沉積於其上的 ❹接地物體（grounded object)。這些裴置一般而言全部為目 前已知來自毛細管尖端的聚合物溶液或熔化物的纺紗 裝置，不過由於找不出任何工業應用性，故表現出非常低 的生產力。此外，此種裝置需要幾乎連續不斷的監督，因 為毛細管中聚合物溶液的頻繁結塊(caking)會導致該靜電 紡紗製程強度的減弱並且逐漸地導致其完全停擺與整個裝 置的關閉。再者，當奈米纖維層在其產生過程中沉積於任 何物體上時，藉由這些裝置所產生的奈米織維層無法被獨 立地應用，因而僅能夠與此物髏結合便用。 94497 200938667 由以上說明，明顯可知目前並沒有可供工業應用的裝 置能夠連續地或至少不連續地產生獨立的平面奈米纖維層 或者線型奈米纖維形成物（linear nanofibrous - formation)，而無須沉積於承載基板或物體上。在目前已 知與使用的集電極結構上特別會產生這種限制。 本發明的目的係用以建構一種集電極，其能夠形成並 沉積出在使用上並不受基板的性質所限制的自持（self_ suPP〇rting)奈米纖維層或線型奈米纖維形成物，並且同時 該集電極能夠共同引發（co-induce)最適合的靜電紡紗電 場並因此可與目前所有已知類型的紡紗電極結合應用。 【發明内容】 本發明之目的已藉由用於透過聚合物基質靜電紡紗而 產生奈米纖維的裝置之集電極而達成，該集電極之原理在 於包括單點電荷系統，該單點電荷系統對於靜電紡紗電場 的引發以及對於以類似具有電荷表面分佈的平板集電極的 ❹方式進行之靜電紡紗製程有所貢獻v 已知的疋薄型（thin)與平直的（straight)導電本體所 帶之電荷特別集中於其末端以用於產生單點電荷系統，但 也可能使用將合適形狀的導電活動元件（active element) 置於，導電基板上的系統。這些活動元件的頂端基 可為任何形狀而不會對於該靜電紡紗電場產生負面影 響。該等頂端可藉由如：尖端及/或刀片（blade)及/或針板 at來構成，而不會對集電極的特性與行為有任何決定 94497 200938667 活動7L件於非導電基板上的排列在一定程度上是根 奈米纖維形成物的外觀與空間排列之需求而定。舉例 a，對於線型奈米纖維形成物的形成係將活動元件排成: -條線，該線可為橫軸、圓環、多角形的周圍或任何曲線。 相反地，為了形成平面奈米纖維結構，活動元件排列為平 面格網（planargrid)係較有利的❶該格網的整個或—部份 可由排列成圓圈或數個圓圈的活動元件所構成，而如果= ❹些圓圈係同心圓（concentric)則對於形成奈米纖維結構以 及其均勻性（homogeneity)具有最大貢獻。平面袼網中的活 動το件的一部份可排列於任意n角形（n_angle)的周圍或 者數個類似的同心η角形的周圍上。將活動元件排列在數 個圓圈上以及排列在與該等圓圈同心的多個11角形的周園 上也可達到適當之結果。 對於平面奈米纖維形成物中奈米纖維的分佈的最佳均 勻性以及固定的表面密度的需求係藉由將活動元件置放於 © 專距離的方形格網（equidistant square grid)内達到最佳 的實現效果。 在集電極的最簡單實施例中，所有活動元件均具有相 同長度，然而藉由利用不同長度的活動元件可能對於該奈 米纖維形成物的空間結構有所影響和一定程度上的控制， 因為這會精確地複製活動元件末端的覆蓋表面（c〇ating surface) 〇 如果活動元件的長度係可調整的且可能改變的，例 如··根據實際偵測到的奈米纖維形成物參數，則以活動元 94497 8 200938667 件的長度對於奈米纖維形成物的空間成型（spatiai shaping)係有利的。 在貫施例的最簡單結構中，集電極的基底係固定接置 於處理空間（pr〇Cessing space)中且同時為平面形式。 不過’如果集電極的該固定基底與該固定基底上活動 疋件的排列無法確保奈米纖維形成物以及其表面密度或者 其他參數的足夠均勻性，則如果集電極的基底係可移動的 將會較具優勢。該基底與整個集電極的移動實質上對於沉 積的奈米纖維形成物的均勻分佈以及某些最具決定性的性 質有相當大的貢獻。 為了連續產生奈米纖維形成物且無須因為將其自活動 几件上移除而關閉整個裝置，當集電極的基底係由環繞至 》一個拉緊滾輪（Stretching roller)與至少一個驅動滾 輪（driving roller)的環狀帶（endless loop)所構成時， 便才曰疋該實施例的集電極。藉由移動此基底，該奈米纖維 形成物被帶離開該紡紗空間，在該紡紗空間内奈米纖維形 成物係持續不斷地被移除與沉積。 集電極的可移動與不可移動基底基本上可以任何幾何 形狀體構成，㈣於幾何形狀沒有任何特殊要求。不過， 特別疋在可移動基底，如果此基底係由軸對稱的幾何形狀 體所構成’職乎是最有綱情況’這能幫助該基底接置 於該處理空間中似使該基底可旋轉移動。此種適合之本 ^例如：圓柱體，可特別應用於產生平面m維形成 物，或者例如：被指^用以產生線型奈米纖維形成物之環 94497 9 200938667 狀物（annulus) 〇 這些集電極的實施例可透過將在處理空間中的集電極 、排列而進一步被修改。於此，該集電極可以其縱軸為垂直 - 的方式而被接置，也可以其縱軸為水平的方式而被接置。 活動元件通常係垂直於該基底表面來置放，但無法避 免該等活動元件發生位置上的偏斜，以致其縱轴與該基底 表面構成尖銳角度。此種結構並未對活動元件上奈米纖維 的靜電紡紗或沉積製程，或甚至品質造成太大的影響。不 ® 過，在某些情況下可幫助自活動元件上移除奈米纖維形成 物。 任何結構的集電極之原理均在於包含單點電荷系統， 並且可應用在藉由至少一個紡紗電極與該集電極之間所引 發的靜電紡紗電場中透過靜電紡紗產生奈米纖維的裝置， 因為其對於此電場的引發所做的貢獻與通用的平板集電極 基本上係相同的。 ❹ 【實施方式】 根據本發明用於透過聚合物基質靜電紡紗而產生奈米 纖維的裝置之集電極以及其多種不同的變化將作詳細說 明，然而實施例的例示範例僅概要性地顯示於第1圖和第 3圖至第6圖。為了更清楚了解，這些圖示根據本發明描 繪出包括該集電極並用於透過聚合物基質靜電紡紗而產生 奈米纖維的整個裝置之剖面圖，該裝置的紡紗電極係由橢 圓柱狀體或毛細管所構成。不過，根據本發明，這些並非 所有可能用以利用該集電極的組構，因為原則上這關乎任 10 94497 200938667 何用於透過聚合物基質靜電纺紗而產生奈米_ :=?電:的電氣性質，而無關於紡紗電極的形狀、 …構、數篁、與排列。根據本發明之該集電極也 為取代已使用在現有裝置上的電極類型，該#電^ = 在原則上餘意的。以下係糾麵賴電縣 紡紗電極類型有最佳交互作用的解決方案。聚合物基= 由任何可能具衫财祕加物(additive)的 ❹ ❹ 者由可能也添加多種不同添加物的聚合: 5物所構成’㈣通常係為可靜電紡紗形式之溶液或 熔化物。 & 如第1圖所示用於透過聚合物基質靜電紡紗而產 米纖維的該I置包衫義該處理空間之該纺紗室i，用二 產生奈米纖維的製程係於該處理空間中進行。在紡紗室1 的下方部份配置有㈣電極4，在本實關巾該紡紗電極 係由該圓柱狀體所構成並可旋轉地接置於聚合物基質的貯 存器2中，在本實施例中該貯存器係由開口容器所構成。 聚合物溶液3也可如同聚合物基質般被使用。該紡紗電極 4的圓柱狀體的表面的一部份係延伸進入該聚合物溶液。 該紡紗電極4係以已知方法與未顯示的高電壓源的一個極 (pole)連接，同時以未顯示之驅動器（drive)沿著該縱軸 41旋轉移動。 根據本發明，在紡紗室丨的上方部份中在紡紗電極4 上方配置有集電極5。在本實施例的所示範例中，該集電 極5係由水平配置的平面矩形非導電材料基底51所構成， 94497 11 200938667 該非導電材料基底51係為設有具有配置於等距方形格網 的開口 52之系統。在該等開口 52中接置由導電材料製成 的活動元件53，該等活動元件53延伸至該基底51的兩侧 - 並且互相平行。在該基底51上方，所有活動元件53係藉 由連接導體54而彼此導電連接，該導體54更進一步連接 與該紡紗電極4相反極性的高電壓源或者接地。在該基底 51下方的空間中，該活動元件53的終端係尖端55，同時 在根據第1圖之實施例的情況下，覆蓋該等尖端55的表面 且平行於該基底51的平面56代表沉積大多數奈米纖維的 活動表面（active surface)，平面奈米纖維形成物則形成 於此活動表面。 由於紡紗電極4與集電極5的活動元件53之間的電位 差，高強度之靜電紡紗電場係在該纺紗電極4與該集電極 5的活動元件53之間被引發。活動元件53會因為其幾何 形狀而將所帶的電荷集中於該等尖端55的頂端上，因而在 〇 該活動表面56上構成單舜電荷之等距格網，以非常類似於 平板集電極的原理，而對靜電紡紗電場的引發與聚合物基 質靜電紡紗製程作出貢獻。 在等距分佈點電荷的該表面格網與該相反極性之環狀 平板電極之間所引發开)成的靜電場係以電位^來描述，該 電位P係藉由例如··傅立葉分量的線性級合（1 inear combination of Fourier components)來具體指明。因此 可月頁了解’該電位p的振幅隨著與該格網的距離增加而 和數遞減’同_電位p遞減最慢的分量係為第—諳波 94497 12 200938667 (first harmonic)，其曲線（如第2圖所示）係根據與點電 荷格網的距離的增加而定。X轴上的點代表個別的單一電 、荷。該電位史之振幅下降（ampHtude drop)係為使得該電 位P在距離b/2/τ的位置上幾乎與具有固定的分佈密度之 電荷所產生的電位相同的特性。根據本發明，因此在距離 為.b/27T的位置上，該集電極5的電位基本上係與先前技 術中已知的平板集電極相同。相反地，由第2圖所示的等 電位曲線可明顯看出，在距離該集電極5小於b/2Tr的位 置上，該靜電場的電位會由於單一電荷而嚴重變形。在活 動元件53的該等尖端55與其鄰近區域之間係引發出所謂 的靜電塾層（electrostatic cushion)，其特點在於變形的 等電位線以及變形的靜電力線，靜電力線係根據該等尖端 5 5上的電荷與該紡紗電極4上的電荷之極性直接係朝向或 來自活動元件53的尖端55的該等頂端而定。鄰近於活動 表面的靜電場梯度（gradient)原則上總是朝向此表面。因 ❹此，靜電墊層藉此以朝向帶有電荷之奈米纖維的力量而作 用，該力量能夠跟上並改變靜電墊層的移動速度與方向。 根據本發明，該集電極5與該紡紗電極4 一起引發該 靜電紡紗電場，且該集電極5參與了類似平板集電極之方 式的靜電紡紗製程，因為在相同情況與不同電位值的情況 下確保引發的靜電場強度足夠起始並維持該靜電纺紗製 程。類似的關係與連接對於由根據本發明之該集電極5與 任何形狀和類型之紡紗電極4所構成的系統均係有效的， 以至於該集電極5可以結合由圓柱狀體、毛細管或毛細管 94497 13 200938667 系統或者其他已 用。 Κ纱電極所構成之纺紗電極4㈣ 藉由紡紗電極 ❹ Ο 3帶入此引發靜電=旋轉Γ係將帶電荷之聚合物溶液 於庫命力的作用，;^電場中，並在此受到電力作用 克服來自其軸僅克服聚合物溶液的表面張力同時 合物溶液層3發生生的力量’該纺紗電極4表面上的聚 且產生所謂的泰勒t(def。而ti〇n)與摺叠⑹並 從該泰勒圓錐形成圓錐形（㈣1。1·⑽es)，奈米纖維接著 所形成的奈米纖 電極4 一致。由於“ 〃電何極性與該纺紗 又全部被吸引至㈣T之奈米纖維係互_斥，但同時 的活動仏 所以奈米纖維在該集電極25 該等夺+ 積龍雜與此雜表面相料近之層。 +乎鑰ί 動元件53間的直接接觸能夠同時帶走 f纖維所帶的電荷，由於此直接接觸原則上僅為點接觸 f〇intc〇ntact)，所以能夠輕易地接著被移除而不會造成 損害。自奈米纖維上帶走電荷的速度與強度可能確實會被 剩餘溶劑的含量以及可紡紗聚合物基質本身的特性和成分 所影響，該可紡紗聚合物基質在某些情況下根據所要得二 的τ、米纖維可包含多種不同的添加物，例如：發、表面活 性物質、低分子殺菌物質…等。然而，最具決定性的是奈 米纖維的導電率係透過導電溶劑的含量來改變，而該聚合 物奈米纖維本身的導電率實際上可以被忽略且幾乎不會造 成奈米纖維相對端點之間的電荷傳送。因此，在與活動元 94497 200938667 件53第一次接觸時，部份乾燥的奈米纖維所失去的電荷通 常僅為所帶電荷的某些部份。目前為止，奈米纖維的帶電 '部份係由於活動元件53附近的作用力關係以及周遭帶電 - 奈米纖維的作用而偏斜向定位最有利的活動元件53，或者 其尖端55，在這裡該奈米纖維失去剩下的電荷或至少部份 基本的電荷。此種活動元件53係已置放有第一段奈米纖維 於其上的活動元件53及/或（如果奈米纖維的長度允許的 話）該鄰近之活動元件53。 ® 在活動元件53的尖端55上以及尖端55之間係藉由此 方法在相對較短的時間周期内形成奈米纖維承載層 (carrying layer of nanofibres)，該奈米纖維承載層代 表進一步達成用以接住並沉積奈米纖維於其上的奈米纖維 實體阻礙（physical obstacle)。該奈米纖維承載層也根據 其導電率而能夠帶走全部或至少一部份的電荷。當該奈米 纖維層總是沉積於載體（如：紡織品、金屬薄片）上時，根 0 據本發明應用該集電極5的結果係為因此而沉積於活動元 件53的尖端55上的自持平面奈米纖維層，該自持平面奈 米纖維層具有除了類似裝置之目前一般輸出所能提供的應 用外更多的應用價值。完全由奈米纖維所形成的此平面層 可用於，例如：過濾，不過藉由進一步的物理變化可得到 其充分的稠度（特別是張力）而可轉換為例如奈米紗線 (yarn)。以上所說明的集電極解決方案的缺點在於必須關 閉生產以便將該奈米纖維層由活動元件53的該等尖端55 上移除。將該奈米纖維層由該等尖端55上移除係相對簡單 15 94497 200938667 的’因為介於該奈米纖維層與集電極5之間的接觸僅為點 接觸而非平面接觸。 根據本發明對於集電極5所作的修改（能夠確保奈米 纖維層持續被移除而無須關閉該裝置）係置放數個上述集 電極5在可取代裝置上，該可取代裝置將這些集電極5間 隔地擺放在處理空間中。在鋪設該奈米纖維層之後，此裝 置將給定的集電極5帶出該處理空間，其中該奈米纖維層 從該集電極5被移除，並且（有利情況是在帶出該集電極5 之前）在具有或不具有奈米纖維層之情況下在集電極5之 後接著插入該處理空間中，奈米纖維層的參數（例如厚度或 表面密度）並未達到所需要:的值。 不過’在該處理空間中該平板集電極5的排列並非僅 限於該上述之水平實施例。在未顯示的進一步實施例中集 電極5可為垂直擺放，不過在此實施例進入靜電紡紗製程 後’活動最為密切的僅有最接近該紡紗電極4的活動元件 ❹ 53 ’因此所形成的奈米纖維形成物明顯為不均勻 (inhomogeneous) 〇 相反地’第3圖概略顯示根據本發明之集電極的另一 可能變化實施例，本實施例使得奈米纖維層能夠持續地產 生並且持續地從活動元件53上被移除’而無須關閉該裝 置’進而造成本裝置具有高效率與高利用價值。 此處集電極5的基底51係由彈性、非導電材料所形 成，並且緊貼於環繞該拉緊滾輪與驅動滚輪的環狀帶。如 先前實施例所說明，該基底51係設有多個排列成方型等距 16 94497 200938667 -格網（aquare equidistant grid)的開口 52而均勻地分佈 在其表面上，在該開口 52中接置有延伸至該基底51兩侧 '的活動元件53。等距方型格網的縱軸投射至地平面（gr〇und plan)而與紡紗電極4的縱軸41形成直角。在該基底51的 内侧表面上，該等活動元件53係在導體54(本實施例中所 示為彈性、導電材料，如：接置於該基底51的内側表面上 的塑膠石墨金屬薄片）終止導電。此金屬薄片因此電性連接 所有該等活動元件53，同時進一步連接至具有與該紡紗電 ❹極4相反極性的高電壓源（未顯示）或者接地。該等活動_ 件的相對端點具有該等尖端55。 該拉緊滾輪61與該驅動滾輪62平行於該紡紗電極* 的縱軸41 ’並且在本實施例中該拉緊滚輪61與該驅動 輪62係置放於放紡紗室1的外部。該驅動滾輪62 (、泼 步與未顯示的驅動器耦接以用於旋轉移動，該未辱二 一 動器可以是.用於旋轉移動該纺紗電極4的驅動5| ^ ❹驅動滾輪62的旋轉，使得集電極5的基底51與該由於該 元件52平滑地移動，藉由此種在處理空間中的移^ 活動 較高的奈米纖維層的均勻性。同時，持續地沉積於可達到 件53的尖端55上的奈米纖維層係同時被帶離開^活動元 1’其中該奈米纖維層係被持續地移除和沉積而紡紗室 個裝置的運作。在本實施例中，如：該刷子7 了 斷整 除活動元件53上的奈米纖雉層，該刷子7的齒用以移 在活動元件53的相鄰列（row)之間，且由於集電極係延伸 動而使得奈米纖維層能夠從活動元件53上被 5的移 下而不受 Π 94497 200938667 • 到損傷。為了增加奈米纖雉層對該刷子7的附著力以及有 助於控制該刷子，所以在未顯示的實施例中為該刷子7增 - 添多個開口並搞接至真空源（source of vacuum)。用於移 - 除該集電極5上的奈米纖維層的裝置可以進一步在不同實 施例中討論，然而此並非本發明之目的，故該裝置的個別 變化將不作說明，因為該裝置的的功能與結構相當明顯， 所以不需要任何創新的步驟。 ❹ 根據先前實施例，該集電極5的原理係此電極具有單 點電荷表面格網（surface grid of point singular charge)，該單點電荷表面格網的置放，例如：在該等活動 ^件53的該等尖端55上，能夠形成自持聚合物奈米纖維 ^面層並相對輕易地將該自持聚合物奈米纖維平面層連續 ，不連續地移除。本發明的原理並不會因該集電極5及/ 5 s、，方、v電極4所帶的電荷極性改變或可能其中某些電極 ^地而改變。再者’活動元件53可能在該等活動尖端55 〇 ^狀上可具有多種不同的變化，因為活動元件53的該等 Ϊ來Γ可利用如：活動針板（flat)及7或活動刀片（blade) 形肤^ 動儿件53的剖面也是任A的’然而最適合的 面/ &圓形或其他與該鄰近侧壁之間不具尖銳角的剖 形格^，σ動元件53不需要在所有應用中排列成等距方 等活動元可排列成一般的格網，因為藉由減少及/或增加該 地被模^ 53之間的轉，該自持奈米纖維層可相對容易 、。較高的活動元件53集中度與因此較小的間距 94497 18 200938667 使得沉積的奈米纖維層的密度增加，而相反地，較低的活 動元件53集中度使得奈米纖維層的密度降低。此種效應可 • 輕易地被利用以產生奈米纖維結構，當該等活動元件53間 的距離相對較小時該奈米纖維層可得到較大的表面密度、 滲透性、多孔性的差異以及進一步的物理與某些化學特性。 關於該奈米纖維層精準地複製該活動表面形狀的事 實，該活動表面係該等活動元件53的該等尖端55的覆蓋 表面，透過將此活動表面適當的空間成形可能對產生的奈 ® 米纖維層的空間結構造成影響。舉例而言，藉由應用多種 不同長度的活動元件53可使該奈米纖維層達到皺摺 (corrugation)或者其他空間效果。此外，不同長度的該等 活動元件53所產生的作用可輕易地與不同間距的該等活 動元件53所產生的作用相結合，進而達成複雜的空間圖案 (space pattern)與多種不同的表面密度分佈。 藉由實施例中該集電極本身的結構以及該集電極5在 Q 紡紗室1中的擺放情形也可產生多種不同的變化。舉例而 言，該拉緊滾輪64及/或驅動滾輪62在未顯示的進一步實 施例中可被置放於該紡紗室1中，兩者中任何一者均可处 被兩個或多個拉緊或驅動滾輪的系統所取代，不過這也^ 變並不會對於該集電極5的原理與功能產生任何實質^景, 響，且這些改變本身並不需要任何創造性，因為這些改= 都是非常明顯的。 上述任何關於該集電極5的變化，包含：用於將診 米纖維層帶離開該紡紗室1或用於增加該集電極5二” ♦身的 94497 19 200938667 效益，也均可藉由未顯示的移動載離帶（moving carry-out strips)來完成，該移動載離帶係移動於該等活動元件53 • 之鄰近的行與/或列之間的空間。 - 與指定用於產生平面奈米纖維層或形成物的實施例相 反，第4圖所示該集電極5之實施例係指定用於產生線型 奈米纖維形成物。本實施例所包括的集電極5類似於先前 實施例中的集電極5，然而透過開口 52的基底51與多個 活動元件53僅等距離地排成一列且平行該紡紗電極4的縱 ^ 軸41。利用此種集電極而形成於活動元件53的該等尖端 55上的奈米纖維以及該等尖端55之間的該線型形成物可 輕易地從活動元件53上移除，而且原則上不須任何進一步 的技術運用，如：用於細微過濾的過濾零件，或在形成物 具有足夠的均勻性或者藉由例如撚（twist)而額外增加作 為奈米纖維紗線的情況下。當鄰近的多個活動元件53的該 等縱軸共同形成銳角（sharp angle)時，則在直線位置之集 Q 電極的該等活動元件53互相交替偏斜情況下能夠得到類 似的結果。 再者，當該集電極5係透過改變該等活動元件53之間 的距離來產生線型奈米鐵維形成物時，則該等活動元件53 的長度可能用以改變該所產生的線型奈米纖維形成物之性 質以及空間排列。 在未顯示的進一步實施例中，可利用兩個或多個平行 排列的如第4圖所示之集電極5來產生平面奈米纖維層， 同時該等個別集電極5彼此間可有多種不同的偏移。活動 20 94497 200938667 元件53的垓等尖 施例相1¾)¾可 的不同間距或者不同長度（與先前實 不同的角度互相排 中該等集電極5係以多種 係置放於〜個或多 |該等集電極5的活動元件53 周圍。如果^個^ (如：方形、矩形等）組合的 為更大的單集電極5係藉由共同基底51連接而成 在 個 ❹ 其他未顯示的♦’則對於這些實施例係較有 利的 集電極5的幾彳列中，該等活動元件係排列於唯一 形狀周圍。 數個同心圓上極5係為其活動元件53排列在圓上或 維形成物的空極5，或者，如：為了該線型奈米纖 咖)上的集=而排列在被替換的圓(一 可互= 等活動元件53所排列成的多個幾何形狀 在^4= 時該料何形狀彼關的差異可不僅 在於該等居動元件53的尺寸，也可在於該等活 的备日，式土 ~ a考在於該等相鄰活動元件間的距離，或者 該等尖端55的形狀。 ； 集電極5的靜態實施例的缺點係在移除活動元件53的 該等尖端55上的奈米纖維層時需要關閉該整個裝置，因此 降低本發明的靜態集電極5之效能與可應用性。當 田，石動元 件53的空間排列造成以上缺點時，可藉由未顯示的可移動 载離帶（movable carting-out stripes)系統將此缺點降^氏 甚至移除，該可移動載離帶系統於移動過程中將該奈米 、、35>^ 94497 21 200938667 ' 維層載離該活動空間，甚至到_紗室！的外部。 上述集電極形式的任何—種均可重覆地或與其他形式 '的集電極結合並置放於移動的傳送帶（CQnveyor)上 ，以確 保該等集電極能夠平穩地移動穿過該處理空間並將奈米纖 維層載離至該紡紗室1的外部。 第5圖所示之集電極5的實施例具有較高的可利用 性特別係用於連續地產生奈米纖維線型形成物，同時具 的有較少的結構與運作要求及複雜度，該集電極5係結合由 ©毛細管所形成的纺妙電極4而共同使用。集電極的基板51 係由非導電材料的環狀物均句地沿著該集電極具有開口 52 個該等開口 52中均接置有由導電材料 所構成的活動元件53，該等活動元件53與該基底51的内 側表面510以及外侧表面_重疊。該基底51内部空間 中的所有活動元件53係藉由導體54互相電性連接，該導 體54係與具有與該纺紗電極4不同極性的高電壓源互連或 ❹者接地。該基底51的該外側表面5議上_等活動元件 53的相對端點的終端係尖心。該集電極5的基底51係 進步藉由連才干（shaft)與未顧示的驅動器麵接而用於旋 轉移動。 於該處理工間中’該集電極5係排列於該纺紗電極4 上方且其縱轴50係垂直於該纺紗電極4的縱轴Μ。 在該集電極5沿著該_ 5G旋轉之後，該集電極5的 活動元件53逐漸接近與遠離該訪紗電極4的頂端，藉此該 集電極5與雜紗電極4對於難程的參與方式有所改 94497 22 200938667 .變，而奈輯維沉積錢量也有㈣中， ' 過主動元件53,5=::線 ...==在:近纺:=之基底51的外侧表 =引發的靜電纺紗電場與靜電纺紗製程的影響係可忽 ❹ 空間中二表IS:例,動元件53的該等尖端55在活動 、’不、米纖維形成物的單點電行線，嗲等線型 =:; =，單點電荷線-I線= ===的所有活動元件53之間的奈米纖維 propertv)右二維形成物的均句性質(h——_ 使奈米纖維形成物輕易且連續地 被移除冑了這個目的，未顯示的移除 ❹ =置放於該纺紗室1的内部’較佳為置二動空 間^ ’同時較佳係由非導電材料所構成。在其他未顯示 之:施例中，該集電極5的某些活動元件53暫時延伸至該 紡V至1的外部，將所沉積的奈米纖維材料小心地移除。 第6圖所顯示的該集電極5具有與先前實施例相同的 原理以及非常類似的結果，其基底51係由環繞該拉緊滚輪 61與該驅動滾輪62的環狀帶所構成，沿著其整體長度具 有-列活動元件S3。該環狀帶在未顯示的實施例中可由固 定部份（fixed segment)組成的環狀圈（endless 1〇〇p)所代 替。 94497 23 200938667 物移動集電極5的組合之基底51係由環狀 物、圓柱體、或城帶所構成，根據進-步的狀况能夠在 該處理空間同時連續地產生及移除數個獨立的線型夺米纖 維形成物或產生平面奈米纖維形成物。此外，這些^電極 5在活動元件的尺寸與數目上可有所不同。相反地，、在其 他實施例中，該等集電極5包含相同數目的相同活動元件 53，而該等集電極5的基板則合併成一個較為有利。 ❹ 在其他未顯示的實施例中，該集電極5的置敌可能不 同於用以產生奈米纖維的裝置之其他元件，特別係不同於 該紡紗電極4，因為該集電極5可以如第5圖所示之解決 方案被垂直地置放於該紡紗室丨，也可水平地置玫。水平. 接置該集電極5，當軸50係垂直置放，如果至少某些活動 元件53偏斜向該紡紗電極4係較有利的，因為這些活動元 件53的該等尖端55對於奈米纖維而言更具吸引性，使得 奈米纖維偏向沉積於該等尖端55上。該集電極5的此解決 © 方案可特別應甩於使用數個紡紗電極4，其中每一個紡紗 電極4均可實施其他聚合物基質的訪紗。所得到的奈米纖 維形成物包含多種具有不同物理與化學性質的聚合物奈米 纖維的混合。 對於所產生的奈米纖維形成物的結構與外觀會有非常 大的影響，除了活動元件53的空間排列之外，特別是會影 響到活動元件的自由導電表面（free conducting surface) 的尺寸。此尺寸的減少會造成作用於奈米纖維的電力減 少’以致於奈米纖維無法緊密地吸附於活動元件53的該等 24 94497 200938667 面奈米纖維55之时漸漸形成相當均勻的平 體以覆蓋該等活動效應’舉例而言，可利用絕緣 據奈米纖維形成段長度來控制。此製程可根 續地利用。 Ί㈣估參數相對輕易地自動化並持 常類=:該=極:在該處理空間中的移動來達到非 ❹ ❹ 中進行的㈣，具有可在該集電極5的平面 紗電極4之間的距離以=:53的該等尖端55與該紡 變。由於該集電極5靜電纺紗電場的對應脈動不會改 且在此表面j·张#、動，吸附奈米纖維的面積會增加， 物。 儿積的奈米纖維係相當均勻的平面形成 構實施例，這!集電極5的實施例並非唯-可能的結 例。在盆他^顯示有最佳行為之集電極5的例示範 電極5可在該#構成具有活動元件53系統，同時此集 奈米纖維層的形Γ空間中進行任何基本的移動以促進自持 度的分佈。θ 、、自持奈米纖維層的空間變化或表面密 【圖式簡單說明】 織維物基質 靜電紡紗而產生奈米 於附加圖式中、極的貫施例的多種不同變化係概略顯示 第1圖顯示以固定的集電極與圓柱狀紡紗電極用於透 94497 25 200938667 過聚合物基質靜電紡紗而產生奈米纖維的裝置之剖面。 =2 ϋ顯讀據本㈣之集電轉近的靜電紡紗電場 的等電位線（_ipQtential line)的形狀。 第3圖顯示利用指定用以連續產生平面奈米纖維形成 之可移動集電極與該圓柱狀紡紗電極的可能其中一種變 化’從而透過聚合物溶液靜電紡紗而產生奈米纖維的裝置 之剖面。 ❹

第4圖顯示利用用以產生線型奈米纖維形成物之固定 線型集電極與該圓柱狀神電極的可能其巾—種變化，從 而透過聚合物溶液靜電紡紗而產生奈米纖維的裝置之剖 面0 第5圖顯示利用由毛細管構成的紡紗電極以連續產生 線型奈米纖維形成物之旋轉集電極的可能其中一種變化， 從而透過聚合物溶液靜電紡紗而產生奈米纖維的裝置之剖 面。以及， 第6圖顯示用以連續產生線型奈米纖維形成物的集電 極之另一種不同變化。 【主要元件符號說明】 1 紡紗室 2 貯存器 3 溶液 4 紡紗電極 5 集電極 41 紡紗電極的軸 50 縱軸 51 基底 52 開口 53 活動元件 54 導體 55 活動元件的尖端 94497 26 200938667 56 表面 61 拉緊滚輪 62 驅動滚輪 510 内側表面 521 開口系統的軸 5100 外侧表面 ❹ ❹ 27 94497

Claims (1)

1. 200938667 七、申請專利範圍： 1. 一種用於透過聚合物基質靜電紡紗而產生奈米纖維的 裝置之集電極，其特徵在於該集電極包括單點電荷系 統。 2. 如申請專利範圍第1項之集電極，其中，該單點電荷系 .統係由置放於基底（51)上的導電活動元件（53)的多個 頂端所構成，而在該活動元件（53)上係帶有電壓。 3. 如申請專利範圍第1項之集電極，其中，至少一些活動 元件（53)的該等頂端係由多個尖端（55)所構成。 4. 如申請專利範圍第1項或第2項之集電極，其中，至少 一些活動元件（53)的該等頂端係由多個刀片所構成。 5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之集電極，其 中，至少一些活動元件（53)的該等頂端係由多個針板所 構成。 6. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，該等活 動元件（53)係在該基底（51)上排列成一條線。 7. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，該線係 橫軸。 8. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，該線係 圓環。 9. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，該線係 η角形之周圍。 10. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，該線係 曲線。 28 94497 200938667 11.如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之集電極，其 中，該等活動元件（53)係在該基底（51)上排列成格網。 - 12.如申請專利範圍第11項之集電極，其中，該格網之至 少一部份係由圓環所構成。 13. 如申請專利範圍第11項或第12項之集電極，其中，該 格網之至少一部份係由多個圓環所構成。 14. 如申請專利範圍第13項之集電極，其中，該格網之至 少一部份係由多個同心圓環所構成。 ® 15.如申請專利範圍第11項至第14項中任一項之集電極， 其中，該格網之至少一部份係由多個η角形之周圍所構 成。 16. 如申請專利範圍第15項之集電極，其中，該格網之至 少一部份係由多個同心η角形的周圍所構成。 17. 如申請專利範圍第15項之集電極，其中，該格網之至 少一部份係由多個同心圓環以及多個與該等同心圓環 Q 同心的η角形所構成。 18. 如申請專利範圍第1項、第2項與第11項中任一項之 集電極，其中，該等活動元件（53)係在該基底（51)上排 列成等距方形格網。 19. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，所有活 動元件（5 3)的長度均係相同的。 20. 如申請專利範圍第1項至第18項中任一項之集電極， 其中，活動元件（53)的長度係為不同。 21. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，活動元 29 94497 200938667 件（53)的長度係可調整的。 22. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，集電極 (5)的該基底（51)係不可移動的。 23. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，該集電 極（5)的該基底（51)係平面的。 24. 如申請專利範圍第1項至第21項與第23項中任一項之 集電極，其中，該集電極（5)的該基底（51)係可移動的。 25. 如申請專利範圍第1項至第21項與第23項、第24項 中任一項之集電極，其中，該集電極（5)的該基底（51) 係由環繞至少一個拉緊滾輪（61)與至少一個驅動滾輪 (62)的環狀帶所構成。 26. 如申請專利範圍第25項之集電極，其中，該集電極（5) 的該基底（51)係由帶所構成。 27·如申請專利範圍第1項至第22項與第24項中任一項之 集電極，其中，該集電極（5)的該基底（51)係由幾何 狀體所構成。 形 28.如申請專利範圍第27項之集電極，其中，該集電極（5) 的該基底（51)係由軸對稱的幾何形狀體所構成。 29·如申請專利範圍第28項之集電極，其中，該集電極（5) 的該基底（51)係由圓柱體所構成。 30. 如申請專利範圍第27項之集電極，其中，該集電極（5) 的該基底（51)係由環狀物所構成。 31. 如申請專利範圍第23項、第28項至第30項中住〜項 之集電極，其中，其縱軸（50)係垂直配置。 、 94497 30 200938667 32. 如申請專利範圍第23項、第28項至第30項中任一項 之集電極，其中，其縱軸（50)係水平配置。 33. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，至少某 些活動元件（53)係垂直於該基底（51)。 34. 如前述申請專利範圍中任一項之集電極，其中，至少一 些活動元件（53)與該基底（51)之間形成小於90度的角 度。 35. —種用於藉由在該集電極與至少一個紡紗電極間之電 ® 位差所引發之靜電紡紗電場中透過聚合物基質靜電紡 紗而產生奈米纖維的裝置，其特徵在於，包括根據前述 申請專利範圍中任一項之集電極（5)。 〇 31 94497