TWI547606B - 靜電紡絲的成束製造設備及其製造方法 - Google Patents

靜電紡絲的成束製造設備及其製造方法 Download PDF

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Description

靜電紡絲的成束製造設備及其製造方法
一種電紡纖維的製造設備，特別是一種電紡纖維成束的製造設備。
由靜電紡絲方法可製得奈米級纖維，因為具有高比表面積，用於製備化學傳感器或生物感測器可具有快速的反應時間、良好的靈敏度和選擇性等優點，目前靜電紡絲備受關注且快速發展。
目前既有的靜電紡絲因受限於製程上的缺點，大多製成不織布等過濾膜材，缺少可以編織為功能織物的纖維束，且需具備足夠強度與不失其高度比表面積的優點。
為了改善既有的靜電紡絲因受限於製程上的缺點，本發明為一種靜電紡絲的成束製造設備，其包含鄰近設置之一渦流裝置及一纖維束收集裝置，該渦流裝置具有一進料端口及一出料端口，其與一渦流產生裝置相互連通，該渦流產生裝置於該渦流裝置內部容置空間中形成一流體渦流，該流體渦流於該渦流裝置中形成一導引力，該導引力使外部之一電紡纖維持續由該進料端口引入該內部容置空間並於該導引力作用下絞繞成束而為一靜電紡絲纖維束，該纖維束收集裝置持續由該出料端口捲收該靜電紡絲纖維束。
其中，該纖維束收集裝置捲繞收集該靜電紡絲纖維束之捲繞速率與該靜電紡絲纖維束之粗細呈反比。
其中，其包含與該渦流裝置及該纖維束收集裝置為直立設置之一紡絲裝置，該紡絲裝置利用重力因素，輔助該紡絲裝置內部之一電紡液/熔體朝該紡絲裝置之一出口流動，並於形成該靜電紡絲纖維後導引至該渦流裝置內。
其中，該渦流裝置為中空之一管柱，其表面設置一氣口，該渦流產生裝置於該氣口抽取該渦流管內部之空氣或將氣體吹入該渦流管內部，使氣體於該渦流管形成一氣體渦流，產生該導引力，該氣體渦流於該渦流管內部形成氣壓差，該氣壓差與該靜電紡絲纖維束之粗細呈反比。
其中，該渦流裝置為可盛裝一溶液之一槽體，該渦流裝置使槽中的該溶液形成一液體渦流，產生該導引力。
其中，該渦流裝置包含複數個進料口端，每個進料口端對應設置一靜電紡絲裝置。
一種靜電紡絲成束的製造方法，其步驟包含：導入電纺纖維；利用一流體渦流所產生之引導力，將該電紡纖維持續絞繞成一靜電紡絲纖維束；以及持續引出該靜電紡絲纖維束離開該流體渦流。
其中，該流體渦流可以是一氣體渦流。
其中，該流體渦流可以是一液體渦流。
其中，該導入電纺纖維步驟係同時導入複數股電纺纖維，並利用該引導力捲繞形成該靜電紡絲纖維束。
由上述說明可知，本發明具備有以下優點：
1.本發明提供可以簡便快速收集靜電紡絲纖維成束的設備與方法，成本便宜且便利。
2. 本發明可適用於熔融式電紡紗，過程中可不使用溶劑，排除了溶劑所造成之環境影響。
3.本發明可利用不同出料端口之形狀，依據需求製造出所需要的纖維斷面，如十字斷面、橢圓斷面、雙組份或中空纖維，可適用於多種功能織物。
4. 本發明具有直接駐極效果，無需如一般熔噴不織布於熔噴後需再施加駐極加工，可大幅提升過濾效能。
請參考圖1，一種靜電紡絲的成束製造設備，其包含直立設置之一紡絲裝置10、一渦流裝置11、及一纖維束收集裝置15；該渦流裝置11為其內部可容置渦流或漩渦之裝置，其一較佳實施例可為具有一進料端口與一出料端口之一中空管柱，可為一玻璃管柱或為一壓克力管柱；該渦流裝置11另一較佳實施例可以是同樣具有一槽體進料口與一槽體出料口之一槽體。該紡絲裝置10主要由一押出機、一加熱器、一齒輪幫浦、一模頭104、一接收屏105及一靜電產生器所組成。
本發明一較佳之電紡參數為該靜電產生器為一正電靜電產生器(Apollo-P60，Taiwell，Taiwan)提供朝向該接收屏105之一電場，藉由分別接在該接收屏105兩端之一高電壓及一接地來控制該靜電場方向，該電場強度不限制，例如本實施例為80 kV，該模頭104與該接收屏105之距離隨著製程環境不同而可有所改變，本實施例之該模頭104與該接收屏105距離為4cm，本實施例之該齒輪幫浦流量為0.01 μL/min，為輔助該模頭104擠出待靜電紡絲材料之推力。
本發明的電紡液/熔體可以是一溶液型靜電紡絲液或是一熔融型靜電紡絲熔體，該電紡液/熔體一較佳實施例為一改質聚酯(Biomax, DuPont, U.S.A, Tm = 198.07℃)以該紡絲裝置10(Department of Materials Science and Engineering, National Taiwan University of Science and Technology)紡製成為電纖維；本發明第二較佳實施例之電紡液/熔體可以是一聚偏氟乙烯共聚六氟丙烯 (Poly vinylidene flouride-co-hexafluoropropylene, PVDFco-HFP, Mw 455,000)混合40%的二甲基甲醯胺(Dimethylacetamide)與60%丙酮(acetone)所形成的一紡絲溶液/熔體並加熱至60o C加以紡製成為電紡纖維。
本發明入紗一實施例為先將該紡絲裝置10之溫度控制到所需要之溫度，該溫度較佳介於200o C～205o C，將該電紡液/熔體置於該紡絲裝置10之一入料斗內，藉由一伺服馬達帶動該押出機將該電紡液/熔體往該模頭104推進，並控制該齒輪幫浦之轉速來調整該電紡液/熔體之流量，該電紡液/熔體沿著電場方向朝向該接收屏105形成一靜電紡絲纖維。
本發明入紗的第二較佳實施例，因該紡絲裝置10為垂直於地面設置，利用地心引力之重力因素，輔助該紡絲裝置內部之該電紡液/熔體可自該模頭104出口導引至該接收屏105形成該靜電紡絲纖維。
其中，該溶液型靜電紡絲液與該熔融型靜電紡絲熔體自該模頭104導出之電紡纖維生產速率差異如下表1，該電紡纖維導入該渦流裝置之電紡纖維生產速率較佳介於0.5mg/min~60mg/min，可知本發明一較佳實施例之熔融型靜電紡絲可具有相對於溶液型靜電紡絲較高的產量，本發明亦可利用多紡口或是調節壓出速率增加該電紡纖維生產速率。 【表1】         表1
該渦流裝置13與一渦流產生裝置相互連通，該渦流產生裝置可於該渦流裝置13內部容置空間中形成一流體渦流，該流體渦流可以是一氣體渦流或是一液體渦流，該流體渦流產生一流體吸力，使該靜電紡絲纖維導引至該進料端口並吸入該渦流裝置13中進行紡紗成束。
該渦流產生裝置可以是一吸氣裝置或一吹氣裝置，吸取該渦流裝置13中之空氣或是吹氣於該渦流裝置13中，使其內部的空氣造成一氣體渦流，較佳的吸/吹氣所造成之氣壓差範圍介在30L/min~100L/min。產生該液體渦流的方式可以是持續注入一流體於該渦流裝置13，該渦流裝置13具有一洩水孔，洩水即可自然產生液體渦流。
本發明成紗第一較佳實施例該渦流裝置13為一個該進料端口、一個出料端口及一氣口之一渦流管，該紡絲裝置10自該進料端口將該靜電紡絲纖維餵入該進料端口，利用氣體動力學之細腰渠道原理(Convergent-divergent Channel)，該渦流產生裝置於該氣口抽取該渦流管內部之空氣，使壓縮空氣經過該氣孔於該渦流管之軸心方向的左右兩側形成上下相反之上、下氣體渦流，使該靜電紡絲纖維在快速氣體震動下所產生之渦流氣旋進行紡紗成束形成一靜電紡絲纖維束，並將該靜電紡絲纖維束以該纖維束收集裝置15捲繞收集。
本發明成紗第二較佳實施例可為該渦流裝置13為具有複數個該進料端口、一個出料端口及一氣口之一渦流管。複數個該紡絲裝置10自該進料端口將該電紡液/熔體餵入該進料端口，該電紡纖維於該渦流管中進行紡紗成束形成一靜電紡絲纖維束，並將該靜電紡絲纖維束以該纖維束收集裝置15捲繞收集。
本發明成紗第三較佳實施例為該渦流裝置13為具有一個槽體進料口、一個槽體出料口之一渦流槽。如同上述第一較佳實施例所述，一個該紡絲裝置10自該槽體進料口將該電紡液/熔體餵入該槽體進料口，該渦流槽中盛裝有一溶液，該渦流產生裝置使該溶液於該渦流槽中形成一液體渦流，使該電紡纖維在渦流液旋下進行紡紗成束形成一靜電紡絲纖維束，並將該靜電紡絲纖維束以該纖維束收集裝置15捲繞收集。
本發明成紗第四較佳實施例可以是該渦流裝置13為具有複數個槽體進料口、一個槽體出料口之一渦流槽。如同上述實施例所述，複數個該紡絲裝置10自該槽體進料口將該電紡纖維餵入該槽體進料口，使該電紡纖維在渦流液旋下進行紡紗成束形成一靜電紡絲纖維束，並將該靜電紡絲纖維束以該纖維束收集裝置15捲繞收集。
上述該纖維束收集裝置15捲繞收集該靜電紡絲纖維束，其捲繞速率範圍介於20cm/min~300cm/min之間具有較佳的加撚效果。
較佳的，該電紡纖維初始導入該渦流裝置中時，可利用一導引材使該電紡纖維能較容易地形成該靜電紡絲纖維束，且於製程完成後，可利用該引導材將該靜電紡絲纖維束自該出料端口或是該槽體出料口拉出捲繞收集，其中，該導引材較佳的是一導引靜電紡絲紗束。
其中，本發明之靜電紡絲纖維束利用一單眼數位相機(Canon EOS 70D, Japan)觀查紗線巨觀表面型態，及利用一立體光學顯微鏡(目鏡倍率10x，物鏡倍率40x)觀察其微觀表面型態，一掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, HITACHI S3000H, Japan)觀查該靜電紡絲纖維束內纖維撚回角度及纖維結構。
其中，本發明之靜電紡絲纖維束利用一單眼數位相機(Canon EOS 70D, Japan)觀查紗線巨觀表面型態，及利用一立體光學顯微鏡(目鏡倍率10x，物鏡倍率40x)觀察其微觀表面型態，一掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, HITACHI S3000H, Japan)觀查該靜電紡絲纖維束內纖維撚回角度及纖維結構。             【表2】         表2
請參考圖5～圖7及表3，其為相同捲繞速率下以不同氣/液壓差之該靜電紡絲纖維束之比較。透過調整該氣壓差可調控本發明之該靜電紡絲纖維束的直徑粗細程度。           【表3】         表3
由上述表2與表3可看出本發明之靜電紡絲纖維束具至第七天表面依然有殘留電荷，具有直接駐極效果，無需如一般熔噴不織布於熔噴後需再施加駐極加工，使本發明大幅提升過濾效能。
請參考圖8～圖12，其為本發明以熔融式電紡紗所製得之靜電紡絲纖維束之橫截面SEM示意圖，其中圖8中可看出該圖上方之電紡纖維產生中空的現象，可能是因為該渦流裝置13之該出料端口堵塞而造成，利用此特性可知，利用不同該出料端口之形狀可製造出所需要的纖維斷面，如十字斷面、橢圓斷面、雙組份或中空纖維，使本發明可依據需求製造出功能織物。
由上述說明可知，本發明具備有以下優點：
1.本發明可適用於熔融式電紡紗，過程中可不使用溶劑，排除了溶劑所造成之環境影響。
2.本發明可利用不同出料端口之形狀，依據需求製造出所需要的纖維斷面，如十字斷面、橢圓斷面、雙組份或中空纖維，可適用於多種功能織物。
3. 本發明具有直接駐極效果，無需如一般熔噴不織布於熔噴後需再施加駐極加工，可大幅提升過濾效能。
10‧‧‧紡絲裝置
11‧‧‧渦流裝置
15‧‧‧纖維束收集裝置
104‧‧‧模頭
105‧‧‧接收屏
圖1為本發明較佳的靜電紡絲的成束製造設備示意圖。 圖2為本發明以220cm/min之捲繞速率所得之靜電紡絲纖維束示意圖。 圖3為本發明以140cm/min之捲繞速率所得之靜電紡絲纖維束示意圖。 圖4為本發明以60cm/min之捲繞速率所得之靜電紡絲纖維束示意圖。 圖5為本發明以100L/min之氣/液壓所得之靜電紡絲纖維束示意圖。 圖6為本發明以70L/min之氣/液壓所得之靜電紡絲纖維束示意圖。 圖7為本發明以40L/min之氣/液壓所得之靜電紡絲纖維束示意圖。 圖8為本發明以100L/min之氣/液壓所得之靜電紡絲纖維束橫截面SEM圖。 圖9為本發明以70L/min之氣/液壓所得之靜電紡絲纖維束橫截面SEM圖。 圖10為本發明以40L/min之氣/液壓所得之靜電紡絲纖維束橫截面SEM圖。 圖11為本發明以60cm/min之捲繞速率所得之靜電紡絲纖維束橫截面SEM圖。 圖12為本發明以140cm/min之捲繞速率所得之靜電紡絲纖維束橫截面SEM圖。
10‧‧‧紡絲裝置
11‧‧‧渦流裝置
15‧‧‧纖維束收集裝置
104‧‧‧模頭
105‧‧‧接收屏

Claims (10)

  1. 一種靜電紡絲的成束製造設備，其包含鄰近設置之一渦流裝置及一纖維束收集裝置，該渦流裝置具有一進料端口及一出料端口，其與一渦流產生裝置相互連通，該渦流產生裝置於該渦流裝置內部容置空間中形成一流體渦流，該流體渦流於該渦流裝置中形成一導引力，該導引力使外部之一電紡纖維持續由該進料端口引入該內部容置空間並於該導引力作用下絞繞成束而為一靜電紡絲纖維束，該纖維束收集裝置持續由該出料端口捲收該靜電紡絲纖維束。
  2. 如申請專利範圍第1項之靜電紡絲的成束製造設備，該纖維束收集裝置捲繞收集該靜電紡絲纖維束之捲繞速率與該靜電紡絲纖維束之粗細呈反比。
  3. 如申請專利範圍第1項之靜電紡絲的成束製造設備，其包含與該渦流裝置及該纖維束收集裝置為直立設置之一紡絲裝置，該紡絲裝置利用重力因素，輔助該紡絲裝置內部之一電紡液/熔體朝該紡絲裝置之一出口流動，並於形成該靜電紡絲纖維後導引至該渦流裝置內。
  4. 如申請專利範圍第1或2或3項之靜電紡絲的成束製造設備，其中該渦流裝置為中空之一管柱，其表面設置一氣口，該渦流產生裝置於該氣口抽取該渦流管內部之空氣或將氣體吹入該渦流管內部，使氣體於該渦流管形成一氣體渦流，產生該導引力，該氣體渦流於該渦流管內部形成之氣壓差，該氣壓差與該靜電紡絲纖維束之粗細呈反比。
  5. 如申請專利範圍第1或2或3項之靜電紡絲的成束製造設備，該渦流裝置為可盛裝一溶液之一槽體，該渦流裝置使槽中的該溶液形成一液體渦流，產生該導引力。
  6. 如申請專利範圍第5項之靜電紡絲的成束製造設備，該渦流裝置包含複數個進料口端，每個進料口端對應設置一靜電紡絲裝置。
  7. .一種靜電紡絲成束的製造方法，其步驟包含： 導入電纺纖維； 利用一流體渦流所產生之引導力，將該電紡纖維持續絞繞成一靜電紡絲纖維束；以及 持續引出該靜電紡絲纖維束離開該流體渦流。
  8. 如申請專利範圍第7項之靜電紡絲成束的製造方法，該流體渦流可以是一氣體渦流。
  9. 如申請專利範圍第7項之靜電紡絲成束的製造方法，該流體渦流可以是一液體渦流。
  10. 如申請專利範圍第7或8或9項之靜電紡絲成束的製造方法，該導入電纺纖維步驟係同時導入複數股電纺纖維，並利用該引導力捲繞形成該靜電紡絲纖維束。
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