TW201341606A - 製造奈米纖維與微米纖維材料之組合紡絲噴嘴 - Google Patents

Abstract

根據本發明之用於生產奈米纖維或微米纖維材料之組合紡絲噴嘴包含薄壁電極(1)與第一非導電體(2)，第一非導電體(2)相鄰於該薄壁電極之第一壁，該第一主體具有面向薄壁電極(1)之自身之壁，並設置有形成於其中的槽(5)陣列，該等槽通向組合紡絲噴嘴之遠端(6)，且槽之近端連接至紡絲混合物供應器。薄壁電極(1)與第一非導電體(2)可假設為平板狀或筒狀。組合紡絲噴嘴可進一步包含第二非導電體(4)，第二非導電體(4)相鄰於薄壁電極(1)之第二壁，並引導空氣從噴嘴之近端至遠端(6)。由於紡絲毛細管假設第一或第三非導電體(分別為2或7)之表面上形成的槽(5)之形狀，因此組合紡絲噴嘴易於拆卸及清潔。

Description

製造奈米纖維與微米纖維材料之組合紡絲噴嘴

本發明係關於一種用於製造奈米纖維或微米纖維材料之裝置，包含組合噴嘴，該組合噴嘴連接至高電壓供應器之電位點之一者，並藉由分佈通道構件鏈接至用於調整聚合物混合物之比例之裝置，該噴嘴係藉由附近之空氣流至適當形狀的聚合物混合物。

用於生產奈米纖維或微米纖維材料之靜電紡絲法係基於利用連接至相反電位點的二個電極。該等電極中之一者用於調整聚合物溶液之比例，以及用於塑造聚合物溶液為具有小曲率半徑之彎曲形式。由於強電場引導力之作用下，形成所謂的泰勒錐，並同時建立纖維，後者藉由靜電力被另一者吸引，亦即，相對之電極具有相反極性，並用於捕捉飄浮纖維。在纖維被補捉之後，纖維相繼形成該相對之電極表面上之連續層，連續層由隨機排列的小直徑(一般為幾十奈米與幾微米之間)纖維構成。為了實際啟動強電場中之纖維建 立，關於聚合物溶液本身之物理及化學性質與周圍環境之影響及電極的幾何形狀的一些條件必須滿足。

在靜電紡絲法中，在靜電引力之作用下，獨立纖維 從聚合物混合物之表面形成。液體或粘滯溶液受到內部凝聚力及毛細管力影響。毛細管力係與表面張力及各別液體表面的單元之大小成正比，並與曲率半徑成反比。若曲率半徑減小，則作用於其他液體中之液體表面層的液體中之內部力將上升，而引起液體或粘滯的聚合物混合物內的壓力相應上升。舉例而言，如在薄毛細管中發生曲率半徑減少，會影響毛細管升高或下降。上述效果(特別是毛細管下降之效果)較佳地在開始紡絲過程本身之前用於適應聚合物混合物的形狀。為了啟動泰勒錐之建立與經處理聚合物之噴射，外部靜電力必須克服凝聚力和毛細管力。泰勒錐之建立主要由適當形狀的噴嘴構件得到的聚合物混合物表面曲率所支持(表面曲率的減少將導致增加的毛細管力上升，接著，將造成液滴內部壓力增加並使液滴表面層破損，因而造成液滴本身的破壞)。在此方面，使用迫使經處理聚合物混合物進入之薄毛細管對靜電紡絲處理將是最有利的。然後將混合物製成毛細管的孔周圍的區域中非常小的液滴。在弱於作用於自由形成聚合物混合物之液滴(具有更大表面曲率之直徑)之靜電引力的作用下，將造成混合物向前噴射(且當要處理具有不利的紡絲特性之聚合物混合物時，將啟用處理本身的啟動)。因此，紡絲噴嘴之必要及最常應用原理係涉及薄的中空針並合併強制壓入噴嘴連續配送之聚合物混合物。基於上述理由， 已發展複數個主要不同類型的紡絲噴嘴。在此方面，以下基本做法是可行的：首先，作為紡絲噴嘴的薄毛細管針係為已知。在所有可能性中，此類型之噴嘴係為考慮在實驗室狀況下製備奈米纖維與微米纖維最普遍之一者。主要優點包括簡單，相對容易的配送及將經處理之聚合物混合物形成具有非常小直徑之小液滴之形式，以促進泰勒錐之建立，以及隨後產生之纖維(亦藉由在針尖端區域產生之靜電場中標記梯度支持，其中乘上在局部作用的靜電力，因而使纖維之建立更容易)。但在實驗室裝置中經常使用之毛細管噴嘴不夠有效於工業生產之需要。類似的解決方案係揭示於分別公開於1900年與1902年之原美國專利第0705691號與第0692631號，並相關於液體分散，其中處理係依據等同於當代靜電紡絲法之原理。

另一已知之紡絲噴嘴包括可置換之毛細管針。毛細管針實行橫向運動(類似於列印頭)，以在形成覆蓋層之纖維之應用期間覆蓋相對電極之較大面積。然而，實施例原則上係基於上述類型。儘管針能夠產生容量增加之纖維材料，而總體產量仍保持很低。

此外，歧管噴嘴係為已知。這種噴嘴亦基於上述之第一類型，單獨的毛細管針以更高的數量組合在一起，以增加相應之紡絲處理之產量，如在專利申請案WO2007035011(A1)、WO2004016839(A1)及WO2007061160(A1)所揭示者。這種歧管噴嘴的主要缺點係為相關於紡絲溶液分佈不均以及需要嚴格的後續清洗及使得整體維護更加苛刻之噴嘴 卡住(堵塞)傾向之問題。

另一已知之紡絲噴嘴係為同軸噴嘴。薄雙毛細管同軸噴嘴附有兩個不同類型的聚合物混合物。因此，最終的纖維具有由不同材料製成之芯及鞘。

無針之紡絲電極在本領域中亦為已知。這種電極利用自由表面之自然紋波(曲率)或聚合物混合物之薄層以藉由靜電場感應之力轉換稍後進入之纖維。對於此類型之噴嘴，則預期更高水平之處理之產量。而基於此假設，泰勒錐可同時建立於自由表面的多個位置中。然而，上述假設尚未被實驗證明。此外，這樣的系統中之應用係限制於容易的可紡性聚合物之狹窄範圍內。在大規模生產的關鍵下，因為紡絲過程在開放的氣候條件下進行，主要缺點包括在紡絲處理期間溶液之性質變化，其中溶液成分係受到自然蒸發及物理及化學參數之不受控制的變化影響。

在此情況下，泰勒錐之形成直接發生於聚合物混合物之自由表面上。另外，泰勒錐係從較大的液滴(假設為紡絲電極之較小面積中之自然形狀)形成。所有上述無針(或無噴射)之紡絲系統無疑地係基於原美國專利第1975504號與第US2048651號(分別公開於1934年和1936年)(亦為用於製備奈米纖維與微米纖維之當代靜電法之基礎)。舉例而言，形成這樣的噴嘴以作為充有聚合物混合物之杯，其中有旋轉的筒狀體部分浸入。筒狀體的旋轉造成聚合物混合物沾濕筒狀體之外表面，而使泰勒錐形成於相對側上。以此方式啟用纖維之形成。稍後之專利文件，如EP1409775(A1)、 WO2005024101(A1)、WO2009156822及US2008150197(A1)中，係描述非常相似而具有相同工作原理的無噴射配置。這樣的旋轉無針噴嘴的主要缺點係包括在紡絲處理期間聚合物混合物之參數變化。此舉係由於連續表面反應之發生及杯之內側與筒狀體之延伸表面上之紡絲混合物之成分之蒸發。因此，紡絲混合物在處理期間受到相當大之變化影響(特別在濃度、黏度，化學比例等)。針對此原因，可應用之纖維特性亦有所差異。特性(纖維之直徑、化學成分及形態)之變化無法以任何經控制之方式影響。在許多情況下，紡絲處理幾分鐘後自發地停止，而紡絲混合物的整個體積必須更換。因此，由於未完全處理之紡絲混合物之成分為完全未知且不可恢復，生產為無效且代價高昂。另一個缺點來自由申請人實行之靜電場分佈之數值模擬。此缺點包括泰勒錐可發展之反應面是比較大的(相較於使用毛細管噴嘴)。無針噴嘴之表面有顯著更小的梯度，且沒有足夠強的外部靜電力以開始紡紗處理。此技術無法用於困難的可紡絲材料之處理。

此類別亦可包括所謂的淹沒電極，使纖維形成於聚 合物混合物流過凸體或淹沒凸體之區域中(PPVCZ2009-0425A3)。然而，後一種方法會消耗相當大量之聚合物混合物，且不提供任何合適的恢復可能性。沒有足夠的導電體之凸表面上之電場梯度使得困難的可紡絲聚合物混合物之處理完全不可能。

一種特殊群體包括那些紡絲機制，那些紡絲機制以 更有效之方式支持泰勒錐之形成，亦採用支持紡絲處理中之 啟動與處理之其他原理。相對於無法通過經典技術轉化為奈米纖維或微米纖維之混合物而言特別理想。靜電力之效果可進一步由毛細管噴嘴附近的空氣流動的切向分量支持，如公開於文件WO2005033381、WO2010143916(A2)、WO2010144980(A1)以及2006年之Ji及Ghosh等，2009年之Medeiros及Glenn等或2004年之Larsen及Spretz等。這種熱風噴嘴結合利用預熱之空氣噴氣環繞之薄毛細管針。藉由作用於聚合物溶液之表面上之流動空氣而建立切向力，因此支持泰勒錐之形成以及纖維之形成。因此，熱風噴嘴係用於困難的可紡絲聚合物混合物之處理。後者之安排的優點在於可控制流動空氣之溫度，而使得空氣可以例如積極支持聚合物線(纖維)的快速凝固。這就是為什麼上述原理非常可期待。此外，預熱之空氣有利地影響沉積腔室內部之氣候條件，因此加速包含在聚合物混合物中之溶劑之蒸發。在聚合物溶液的物理及化學性質方面，後者之技術不需經常使用有毒溶劑或表面活性劑。然而，此技術解決方案之主要缺點包括在紡絲處理中之低效率及如上所述之毛細管噴嘴的複雜維護與清潔。所有上述之技術解決方案的進一步缺點包括噴嘴的複雜形狀設計。薄噴嘴係由導電材料包圍，而抑制由噴嘴之孔周圍產生之靜電場之梯度，其中，原理之問題在於特別地期望強靜電力的作用。儘管有流動空氣產生之力的額外作用，這種靜電力的減少將防止紡絲處理被啟動。另一個缺點係關於與預熱空氣與金屬噴嘴的直接接觸，此改變導致聚合物混合物升溫並視情況而定而凝固。然後，將凝固之混合物聚集 於噴嘴之孔內部，而造成堵塞噴嘴之孔，而隨後處理停止。

另一種已知的紡絲噴嘴係為泡沫噴嘴。泡沫噴嘴係由兩個同軸管組成，其中內部部分用於空氣噴氣與外部部分用於聚合物溶液之用量，聚合物溶液由於空氣流的影響而成形為薄壁泡沫。這種薄壁泡沫之形成有助於處理之啟動，以及隨後纖維之建立，如WO2009042128中所述。

最後，上述類型之組合亦為已知。示例性之版本可以包含旋轉的金屬螺旋絲，如WO2010043002(A1)中所述。

本發明之目的在於提出組合噴嘴的新設計解決方案，該噴嘴可用於靜電紡絲法，並用於生產奈米纖維或微米纖維材料。根據本發明之紡絲噴嘴應消除現有技術中已知噴嘴之缺點。上述之目的在相當大的程度上藉由生產奈米纖維或微米纖維材料之組合紡絲噴嘴而達成，其中該噴嘴包含薄壁電極與第一非導電體，該第一非導電體鄰接該薄壁電極之第一壁，該第一主體具有面向該薄壁電極之自身之壁，並設置有形成於其中之槽陣列，而通至組合紡絲噴嘴之遠端。該等槽具有連接至紡絲混合物之供應器之槽之近端。集電極係佈置在離組合紡絲噴嘴之遠端一給定距離的位置，且電壓供應器連線於該集電極和該薄壁電極之間。

在本發明之較佳實施例中，組合紡絲噴嘴進一步包含第二非導電體，該第二非導電體鄰接薄壁電極之第二壁，並引導空氣從組合紡絲噴嘴之近端至遠端。

在本發明之另一較佳實施例中，薄壁電極假定為筒 狀殼體之形式，其中容納了具有筒狀體形狀且在表面上設置槽之第一非導電體，同時，用於引導氣體介質從組合紡絲噴嘴之近端至遠端之第二非導電體係為筒狀鞘之形狀。薄壁電極係容納於非導電材料製成的筒狀殼體中。在非導電材料製成的該筒狀殼體與第二非導電體之間具有同軸內部空間，後者係設置以用於引導空氣至組合紡絲噴嘴之遠端。

若非導電材料製成的筒狀殼體的遠端位於薄壁電極 之遠端之下方，則此實施例特別有利。

在本發明之另一較佳實施例中，薄壁電極、第一非 導電體及第二非導電體具有平板狀之形狀，該薄壁電極之第一壁由該第一非導電體鄰接，後者之表面鄰接該薄壁電極，並設置有槽通向薄壁電極之遠端。薄壁電極之第二壁之對面，該第二非導電體佈置定義第二非導電體本身與薄壁電極間之空間，該空間用於引導空氣至組合紡絲噴嘴之遠端。

在根據本發明而用於生產奈米纖維或微米纖維材料 之組合紡絲噴嘴之又另一較佳實施例中，該噴嘴設置有第三與第四非導電體，薄壁電極與該第一、第二、第三及第四非導電體分別具有平板狀之形狀。薄壁電極之第二壁係由第三非導電體之第一壁鄰接，後者之表面鄰接於薄壁電極，並具有槽從近端延伸至薄壁電極之遠端。在第一非導電體之第二壁之對面，第二非導電體佈置定義第二非導電體本身與第一非導電體間之空間，該空間用於引導空氣至組合紡絲噴嘴之遠端。在第三非導電體之第二壁之對面，第四非導電體佈置定義第四非導電體本身與第三非導電體間之空間，該空間用 於引導空氣至組合紡絲噴嘴之遠端。

1‧‧‧薄壁電極

2‧‧‧第一非導電體

3‧‧‧內部空間

4‧‧‧第二非導電體

5‧‧‧槽

6‧‧‧遠端

7‧‧‧第三非導電體

8‧‧‧第四非導電體

9‧‧‧集電極

10‧‧‧筒狀殼體

11‧‧‧饋送通道

12‧‧‧杯

13‧‧‧近端

14‧‧‧噴嘴架

15‧‧‧通道

對於更多的細節，本發明將藉由隨附圖式而進一步 說明，其中第1圖圖示根據本發明之單端線性組合紡絲噴嘴之透視剖面圖，第2圖圖示第1圖之單端線性組合紡絲噴嘴之俯視圖，第3圖圖示根據本發明之雙端線性組合紡絲噴嘴之透視剖面圖，第4圖圖示第3圖之雙端線性組合紡絲噴嘴之俯視圖，以及第5圖圖示根據本發明之組合紡絲噴嘴之柱形佈置之剖視圖。

根據本發明之單端線性組合紡絲噴嘴之示例性實施 例係圖示於第1及2圖中。在本實施例中具有薄板形式之薄壁電極1之第一壁係由第一非導電體2之第一壁鄰接，後者亦具有板形式。在薄壁電極1之第二壁之對面，第二非導電板狀體4相對於薄壁電極1之第二壁而平行佈置，該壁藉由內部空間3從該第二主體分離。薄壁電極1連接至高電壓供應器(未圖示)。第一非導電體2設置有基本上相互平行地並從線性組合噴嘴之近端延伸至遠端6之槽5。組合噴嘴之遠端6表示聚合物溶液饋送入噴嘴之後聚合物溶液紡絲處的線性組合噴嘴端。在本示例性實施例中，槽5之剖面面積尺寸為1×2 mm。然而，可取決於聚合物溶液紡絲之特性而想像任何其它尺寸。內部空間3用於供應空氣並引導空氣流至線性組合噴嘴之遠端6。集電極(未圖示)係佈置在離組合紡絲噴嘴之遠端6一給定距離之位置，而高電壓供應器(亦未圖示) 係耦接於集電極與薄壁電極1之間。

當噴嘴工作時，聚合物溶液通過槽5向組合噴嘴之 遠端6被壓出。隨後，在到達薄壁導電電極1之邊緣後，聚合物溶液形成小液滴，或具有小曲率半徑之連續薄層。由於毛細管力係與各別液體之表面元素之大小及表面張力成正比，並與各別液體之曲率半徑成反比，小液滴在紡絲處理中成為生產微米纖維或奈米纖維的理想來源。薄壁電極1之遠端處產生之靜電場的顯著梯度誘導將形成纖維的來自聚合物溶液之液滴之提取。然後，液滴移至集電極，後者在本實施例中具有零電壓。液滴之此移動亦由強制流向線性組合噴嘴之遠端6之空氣流所支持。同時形成的微米纖維或奈米纖維之數量大約等於槽5之數量。因此，纖維之數量僅受限於實際可行性。根據本發明之單端線性組合紡絲噴嘴的使用提高生產具有穩定組成與品質特性之微米纖維與奈米纖維之效率。由於液滴形成於線性組合噴嘴之遠端之前聚合物溶液不與周圍的空氣接觸，單端線性組合噴嘴保護正在處理之聚合物溶液對周圍環境之有害影響，而由於此事實，液滴發展之後直接形成微米或奈米纖維。因此，聚合物溶液之各成分之蒸發被防止，且沒有正在形成的微米纖維或奈米纖維之成分可發生變化。另一優點係關於線性組合噴嘴之易於維護及清潔，由於後者之各部分可以簡單的方式拆卸，以進入清洗具有露出之槽5之第一非導電體2之平表面與薄壁電極1之表面。

根據本發明之雙端線性組合紡絲噴嘴之示例性實施 例圖示於第3及4圖中。具有薄板形式之薄壁電極1之第一壁係由第一非導電體2之第一壁鄰接。在第一非導電體2之第二壁之對面，第二非導電板狀體4相對於第一非導電體2之第二壁而平行佈置，該壁藉由內部空間3從該第二主體分離。第一非導電體2之第一壁設置有基本上相互平行地並從線性組合噴嘴之近端延伸至遠端6之槽5。薄壁電極1之第二壁係由第三非導電體7之第一壁鄰接。在第三非導電體7之第二壁之對面，第四非導電體8在相對於第三非導電體7之第二壁而平行佈置，該壁藉由內部空間3從第四主體分離。第三非導電體7之第一壁設置有基本上相互平行地並從線性組合噴嘴之近端延伸至遠端6之槽5。薄壁電極1連接至高電壓供應器(未圖示)。集電極(未圖示)係佈置在離組合紡絲噴嘴之遠端6一給定距離之位置，而高電壓供應器(亦未圖示)係耦接於集電極與薄壁電極1之間。在本示例性實施例中，第一、第二、第三及第四非導電體2、4、7及8亦假定為板狀之形狀。

在操作中，根據本發明之雙端線性組合紡絲噴嘴之功能類似於根據本發明之單端線性組合紡絲噴嘴之功能。再次，聚合物溶液通過槽5向組合噴嘴之遠端6被壓出。隨後，在到達薄壁導電電極1之邊緣後，聚合物溶液形成小液滴，或具有小曲率半徑之連續薄層。薄壁電極1之遠端6處產生之靜電場的顯著梯度誘導將形成纖維的來自聚合物溶液之液滴之提取。然後，液滴移至集電極，後者在本示例性實施例中具有零電壓。在本實施例中，槽5之數量增加一倍，此舉 可能導致在紡絲處理中之效率提高。此舉亦創造改進之新可能性。在本發明之示例性實施例中，如第3及4圖所圖示，第一非導電體2之表面與第三非導電體7之表面上形成之槽5彼此直接相對佈置。在此情況下，在第一非導電體2之表面上形成之槽5與第三非導電體7之表面上形成之槽5可用於供應不同液體混合物。反應混合物之準備可緊接在後續紡絲過程開始之前。此舉使得能夠防止紡絲處理中不期望之混合物反應。內部空間3用於供應空氣並引導空氣流至線性組合噴嘴之遠端6。

再次，同時形成的微米纖維或奈米纖維之數量大約等於槽5之數量。因此，纖維之數量僅受限於實際可行性。類似於根據本發明之單端線性組合紡絲噴嘴之根據本發明之雙端線性組合紡絲噴嘴之使用提高生產具有穩定組成與品質特性之微米纖維與奈米纖維之效率。由於液滴形成於線性組合噴嘴之遠端之前聚合物溶液不與周圍的空氣接觸，單端及雙端線性組合紡絲噴嘴兩者保護正在處理之聚合物溶液對周圍環境之有害影響，液滴發展之後直接形成微米或奈米纖維。因此，聚合物溶液之各成分之蒸發被防止，且沒有正在形成的微米纖維或奈米纖維之成分可發生變化。另一優點係關於線性組合噴嘴之易於維護及清潔，由於後者之各部分可以簡單的方式拆卸，以進入清洗具有露出之槽5之第一及第三非導電體2、7之平表面與薄壁電極1之表面。

根據本發明之筒狀組合紡絲噴嘴之示例性實施例圖示於第5圖中。此紡絲噴嘴包含筒狀薄壁電極1，該筒狀薄壁 電極1逐漸進入柄並朝向近端，且容納於非導電材料製成之中空圓筒10內部。筒狀薄壁電極1容納第一導電體2，由設置有實心圓柱外表面上之槽陣列之實心圓柱形成，該等槽向筒狀組合紡絲噴嘴之遠端6延伸。第一非導電體2之近端部設置有饋送通道11，饋送通道11具有包圍第一非導電體2之環形式並接收所有槽5之近口及聚合物溶液饋送線口。集電極9係佈置在具有離組合紡絲噴嘴之遠端6一給定距離之位置，且高電壓供應器(未圖示)係耦接於集電極與薄壁電極1之間。筒狀組合紡絲噴嘴嵌入至保持杯12。薄壁電極1之近端13載有噴嘴架14，噴嘴架14設置有容納薄壁電極1之高電壓供應器線之通道15。

針對根據本發明之紡絲噴嘴之所有上述實施例，電 壓(亦即，薄壁電極1與集電極9間之電位差)係對於根據本發明之組合紡絲噴嘴之功能相當重要，而非薄壁電極1本身單獨的電位。

在操作中，根據本發明之筒狀組合紡絲噴嘴之功能 類似於上述根據本發明之線性組合紡絲噴嘴。聚合物溶液通過槽5從饋送通道11向組合噴嘴之遠端6被壓出。隨後，在到達薄壁導電電極1之邊緣後，聚合物溶液形成小液滴，或具有小曲率半徑之連續薄層。薄壁電極1之遠端6處產生之靜電場的顯著梯度誘導將形成纖維的來自聚合物溶液之液滴之提取。然後，液滴移至集電極，後者係佈置於筒狀組合紡絲噴嘴之遠端6對面，且在本示例性實施例中具有零電壓。液滴之此移動亦由強制穿過內部空間3流向線性組合噴嘴之 遠端6之空氣流所支持。同時形成的微米纖維或奈米纖維之數量大約等於槽5之數量。因此，纖維之數量僅受限於實際可行性。根據本發明之筒狀線性組合紡絲噴嘴的使用提高生產具有穩定組成與品質特性之微米纖維與奈米纖維之效率。 由於液滴形成於線性組合噴嘴之遠端之前聚合物溶液不與周圍的空氣接觸，筒狀線性組合噴嘴保護正在處理之聚合物溶液對周圍環境之有害影響，而由於此事實，液滴發展之後直接形成微米或奈米纖維。因此，聚合物溶液之各成分之蒸發被防止，且沒有正在形成的微米纖維或奈米纖維之成分可發生變化。另一優點係關於筒狀線性組合噴嘴之易於維護及清潔，由於後者之各部分可以簡單的方式拆卸，以進入清洗具有露出之槽5之第一非導電體2之平表面與薄壁電極1之表面。

根據本發明之上述實施例，組合紡絲噴嘴使不容易 轉換成奈米纖維或微米纖維的不同類型的合成及自然聚合物形成纖維。由於薄壁電極1的使用，根據本發明之組合紡絲噴嘴乘以靜電場的梯度力，因而造成更大的力而作用於聚合物溶液。反之，使纖維之形成更顯得容易。作用在聚合物溶液表面上的額外切向力，幫助纖維的形成(特別是難以紡絲的聚合物所製造的那些)。根據本發明之紡絲噴嘴將增加整體生產力。可將靜電紡絲法使用於奈米纖維或微米纖維材料的工業生產中。在同一時間，將配送聚合物溶液的組合噴嘴中之通道區域中堵塞的風險降到最低，並有利於即使使用多個噴嘴的後續清洗。在本身的紡絲處理之前，聚合物混合物未 受到較高的溫度。此外，混合物在封閉空間中處理，而防止紡絲處理開始前聚合物溶液的物理及化學性質的任何變化發生。

此舉藉由噴嘴之結構佈置而達成，並基於意圖進行之數值模擬的結果而展示空氣流線之分佈及靜電力線在根據本發明之組合紡絲噴嘴附近。上述結果已藉由多種涉及合成聚合物及自然聚合物之紡絲實驗而驗證，而後者難以紡絲。根據本發明之噴嘴之設計克服了存在於關於在本領域已知之噴嘴的問題，亦即靜電場的分佈不足、頻繁堵塞與噴嘴的難以清洗、低生產效率以及在紡絲處理中聚合物混合物的不同性質。根據本發明之組合紡絲噴嘴可實現聚合物混合物之分配及形成、受到高電壓時靜電力線的有利分佈以及空氣流線有利分佈的最佳方式。因此，饋送至噴嘴之空氣影響可最小化。

透過形成於金屬薄壁電極1與相鄰第一非導電體2或相鄰第三非導電體7(視情況而定)間之薄槽5分配聚合物混合物。當壓出時，聚合物混合物在導電薄壁電極1邊緣處自發形成小液滴。這種聚合物混合物的初步形成建立泰勒錐之發展與隨後開始的紡絲處理本身的有利條件。在以上述方式準備之後，聚合物混合物保持局限於封閉空間中。因此，由於成分蒸發的聚合物混合物之物理及化學參數的任何期待變化能有效避免。根據本發明之組合紡絲噴嘴的另一優點在於噴嘴的所有部件都非常容易清洗，因為後者不包含任何無法進入的細而長之孔(如毛細管及類似物)。組合紡絲噴嘴本 身的設計係以噴嘴很容易拆除而噴嘴更大的部件很容易洗這樣的方式設計。

當薄壁電極1連接至高電位而產生強靜電場時，靜電場最強的梯度在薄壁電極1的小區域中發展，亦即相對應於形成聚合物溶液之液滴的薄壁電極1的遠端之點的區域。靜電場的這種顯著梯度力是泰勒錐之形成與隨後開始的紡絲處理所不可少。組合紡絲噴嘴之設計在薄毛細管噴嘴之基礎上為有利的，並具有一些明顯的優點，包括便於清潔與可忽略在紡絲處理中堵塞風險以及更高無比的生產率。

參照本發明敘述之佈置的另一優點包括無法不伴隨現有技術缺點而由任何已知類型的紡絲噴嘴實現的組合紡絲噴嘴的高效率，例如堵塞、在紡絲處理過程中聚合物溶液之參數的變化、隨後複雜的清洗或類似物。如此高的效率等級係由單端或雙端線性組合紡絲噴嘴之平坦表面或筒狀組合紡絲噴嘴的彎曲表面的分佈通道之增加而實現，並從形成泰勒錐以及隨後之纖維來發展多種微型液滴。

此外，組合紡絲噴嘴之所有上述實施例利用額外的流動空氣組件支持透過切向力迫使泰勒錐與隨後纖維之形成的發展，不由於溫度增加而影響待紡絲之聚合物溶液的性質。空氣之流率可控制以增加待紡絲之聚合物溶液的體積，從而提高整個處理之生產率。此外，可能的溫度控制有利地影響形成獨立纖維與整個澱積腔室內部兩點的氣候條件。因此，相關於空氣性質之物理量(例如流率與溫度)調節能控制處理之參數，以試圖得到奈米纖維與微米纖維材料的期望 形態特性。

實例1

在本發明之較佳實施例中，用於實行靜電紡絲法之 單端組合噴嘴包含如第1及2圖所示之三個平行的板狀部件。具有厚度5 mm之第一非導電體2緊密接觸連接至高電壓供應器之電位的薄壁電極1。該電極之壁具有厚度1 mm。在鄰接薄壁電極1的表面上，第一非導電體2上設置有槽5，用於聚合物混合物之配送之槽5具有1×2 mm之尺寸。藉由槽5將聚合物混合物送向薄壁電極1之邊緣，而混合並形成小液滴或具有較小曲率半徑之連續薄層。第二非導電體4位於離薄壁電極1之第二壁8 mm之距離，從而限定內部空間3，而能供應空氣流。

實例2

在本發明的另一較佳實施例中，用於實行靜電紡絲 法之雙端組合噴嘴包含下列次序佈置的五個平行板狀部件：第二非導電體4、第一非導電體2、薄壁電極1、第三非導電體7及第四非導電體8。因此，中間的部件為薄壁電極1，薄壁電極1係由具有厚度1 mm、高度50 mm及長度100 mm之板形成，並連接至高電壓供應器之電位。在一側上，薄壁電極1之表面緊密鄰接由具有厚度5 mm之板形成之第一非導電體2，並在另一側緊密鄰接亦具有厚度5 mm之第三非導電體7。在鄰接薄壁電極1之第一非導電體2與第三非導電體7之表面上，第一與第三非導電體2、7設置有具有1×2 mm之尺寸的槽5，以用於配送二個不同的液體混合物。每一混合物 單獨藉由對應之槽5送向中央位於雙端組合紡絲噴嘴之遠端6的薄壁電極1之邊緣，其中混合物混合並形成為小液滴或成為具有小曲率半徑的連續薄膜層。第二非導電體4位於離第一非導電體2縱向距離8 mm，形成於二個本體間之內部空間3用於供應並引導空氣流向組合紡絲噴嘴之遠端6。同樣地，第四非導電體8位於離第三非導電體7縱向距離8 mm，形成於此二個本體間之內部空間3用於供應並引導空氣流向組合紡絲噴嘴之遠端6。

實例3

在本發明之又一較佳實施例中，組合紡絲噴嘴包含 薄壁電極1，薄壁電極1假定為具有直徑50 mm及壁厚度1 mm薄壁中空的筒狀體之形式。筒狀體之壁之內側鄰接具有實心圓柱體形式之第一非導電體2。實心圓柱體之表面設置有具有1×2 mm之尺寸的16個槽5，並用於饋送聚合物混合物。透過包圍第一非導電體2之饋送通道11將聚合物混合物從儲存罐中饋送至槽5，並隨後透過該等槽並透過孔(其中後者佈置於下游)而向薄壁電極1之邊緣壓出，其中混合物隨後形成小液滴。聚合物混合物的流率在10與10000 μl/min間之範圍。亦具有中空筒狀體形狀之第二非導電體4，係固定於離薄壁電極1一定向外距離。在此示例性實施例中，薄壁電極1與第二非導電體4間之距離8 mm限定用於供幾預熱空氣流的內部空間3，空氣溫度與流率之範圍分別為20至100℃，以及0至1000 l/min。內部空間3容納具有電與熱絕緣特性的中空非導電筒狀體10。因此，電場梯度更好地聚焦並放大，防 止熱透過薄壁電極1從空氣流傳遞至聚合物混合物之發生，此外，電場外殼之外部圓周保留多餘的聚合物混合物。

工廠可實施性

本發明係特定用於藉由靜電紡絲法製備之纖維材料之實驗室及工業生產，如奈米纖維或微米纖維組成之材料。

1‧‧‧薄壁電極

2‧‧‧第一非導電體

3‧‧‧內部空間

4‧‧‧第二非導電體

5‧‧‧槽

6‧‧‧遠端

Claims (6)

1. 一種用於生產奈米纖維或微米纖維材料之組合紡絲噴嘴，該組合紡絲噴嘴特徵在於包含：一薄壁電極(1)；以及一第一非導電體(2)，該第一非導電體(2)鄰接該薄壁電極(1)之該第一壁，該第一非導電體(2)具有面向該薄壁電極(1)之自身之壁，並設置有形成於其中之溝(5)之一陣列，該等溝通到該組合紡絲噴嘴之該遠端(6)，且該等溝之近端連接至一紡絲混合物之一供應器。
2. 如請求項1所述之用於生產奈米纖維或微米纖維材料之組合紡絲噴嘴，該組合紡絲噴嘴特徵在於進一步包含：一第二非導電體(4)，該第二非導電體(4)鄰接該薄壁電極(1)之該第二壁，並引導空氣朝向該組合紡絲噴嘴之該遠端(6)。
3. 如請求項2所述之用於生產奈米纖維或微米纖維材料之組合紡絲噴嘴，該組合紡絲噴嘴特徵在於：該薄壁電極(1)假定為一筒狀殼體之形式，其中容納筒狀體形狀且在表面上設置槽之該第一非導電體(2)，該第一本體之該外部表面鄰接該筒狀殼體之該內部表面，同時用於引導空氣至該組合紡絲噴嘴之該遠端(6)之該第二非導電體(4)係為一筒狀鞘之形狀，該薄壁電極(1)係容納於一非導電材料製成的該筒狀殼體(10)中，在後者與該第二非導電體 (4)之間定義該同軸內部空間(3)，以用於引導空氣至該組合紡絲噴嘴之該遠端(6)。
4. 如請求項3所述之用於生產奈米纖維或微米纖維材料之組合紡絲噴嘴，該組合紡絲噴嘴特徵在於：一非導電材料製成的該筒狀殼體(10)之該遠端位於該薄壁電極(1)之該遠端之下方。
5. 如請求項1或2所述之用於生產奈米纖維或微米纖維材料之組合紡絲噴嘴，該組合紡絲噴嘴特徵在於：該薄壁電極(1)、該第一非導電體(2)及該第二非導電體(4)具有平板狀之形狀，該薄壁電極(1)之該第一壁由該第一非導電體(2)鄰接，後者之表面鄰接該薄壁電極(1)，並設置有槽通向該薄壁電極(1)之該遠端，以及相對於該薄壁電極(1)之該第二壁平行佈置該第二非導電體(4)，因而在該第二非導電體本身與該薄壁電極(1)間建立該空間(3)，該空間(3)用於引導空氣至該組合紡絲噴嘴之該遠端(6)
6. 如請求項1所述之用於生產奈米纖維或微米纖維材料之組合紡絲噴嘴，該組合紡絲噴嘴特徵在於：該噴嘴設置有該第三與第四非導電體(7及8)，該薄壁電極(1)與該第一、第二、第三及第四非導電體(分別為2、4、7及8)具有平板狀之形狀，該薄壁電極(1)之第二壁係 由該第三非導電體(7)之該第一壁鄰接，後者之該表面鄰接該薄壁電極(1)，並設置有槽從該近端延伸至該薄壁電極(1)之該遠端，該第二非導電體(4)佈置於該第一非導電體(2)之該第二壁對面，因而定義該第二非導電體(4)本身與該第一非導電體(2)間之該空間(3)，該空間(3)用於引導空氣至該組合紡絲噴嘴之該遠端(6)，及該第四非導電體(8)佈置於該第三非導電體(7)之該第二壁對面，因而定義該第四非導電體(8)本身與該第三非導電體(7)間之該空間(3)，該空間(3)用於引導空氣至該組合紡絲噴嘴之該遠端(6)。