專利名稱：：改進的纖維充電裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種形成纖維網(wǎng)的裝置，其中含聚合物的液體物流通過噴絲頭而被紡絲進入電場中，所述電場具有足夠的強度以將電荷賦予到所述物流上，從而形成纖維，并且任選地其中運送(forwarding)氣體物流有助于輸送所迷液體物流遠離所迷噴絲頭。技術背景PCT出版物WO03/080905A公開了一種制造納米纖維網(wǎng)的電吹裝置和方法。該方法包括向噴絲頭進料聚合物溶液，對所迷噴絲頭施加高電壓，同時使用壓縮氣體以便在其離開噴絲頭的時候在運送氣體物流中包封所述聚合物溶液，并且在接地的抽吸收集器上收集所得的納米纖維網(wǎng)。PCT出版物WO03/080905A中所公開的裝置存在著若干缺點，特別是如果該方法在工業(yè)規(guī)模實施的話。作為其中之一，噴絲頭、噴絲板和噴絲頭組件(噴絲頭是其組件之一)和全部的相關上游溶液設備在紡絲過程中必須維持在高電壓。因為聚合物溶液是導電的，與聚合物溶液接觸的全部設備處于高電壓，如果驅(qū)動聚合物溶液泵的馬達和傳動箱與泵沒有電絕緣的話，將會造成短路，這將使噴絲頭組件的電壓電位降低到不足以產(chǎn)生為在聚合物溶液上賦予電荷所要求的電場的水平。現(xiàn)有技術的電吹裝置的另一缺點是工藝溶液和/或溶劑的供給必須在物理上被中斷以便使其與工藝的高電壓絕緣。否則，溶液和/或溶劑供應系統(tǒng)將使噴絲頭組件接地(groundout)并且消除在聚合物溶液上賦予電荷所需要的高電場。另外，與帶電的(electrified)聚合物溶液接觸的全部設備必須被電絕緣，以便適當和安全的操作。這種絕緣要求難以實現(xiàn)，因為這包括大設備，如噴絲頭組件、輸送管路、計量泵、溶液儲罐、泵以及控制設備和儀表設備如壓力計和溫度計。進一步的復雜性在于難以設計可以在相對于大地的高電壓操作的儀表設備和過程變量通訊系統(tǒng)。此外，全部暴露的被維持在高電壓的銳利的角材(anges)或彎頭(corner)必須被圓化，否則它們將在這些點形成可能放電的強烈的電場。銳利的角材/彎頭的潛在。此外，高電壓還將危險引入到為維護正在進行的制造過程而向帶電設備提供日常維修的那些人。被加工的聚合物溶液和溶劑常常是易燃的，這產(chǎn)生了由于存在高電壓而劇增的進一步的潛在危險。現(xiàn)有技術的電吹裝置的另一缺點是必須使用相當高的電壓。為了在聚合物上賦予電荷，需要足夠強度的電場。由于噴絲頭和收集器之間的距離，使用高電壓來維持電場。本發(fā)明目的在于降低所用的電壓。現(xiàn)有技術的電吹裝置的又一缺點是噴絲頭到收集器的距離與所用的電壓有關。在現(xiàn)有技術工藝的操作期間，可能期望的是改變噴絲頭到收集器的距離(或者型板(die)到收集器的距離；"DCD")。然而，通過改變該距離，噴絲頭和收集器之間形成的電場變化了。這要求改變電壓，以便維持相同的電場。因而，本發(fā)明的另一目的在于使噴絲頭到收集器的距離與電場強度脫離關系。在共同未決的美國專利申請11/023,067(2004年12月27日提交，其全盤引入本文作為參考)中，公開了一種對PCT出版物WO03/080905A的裝置和方法的改進，其公開了另一種電吹方法和裝置的充電(charging)方法，其也使得DCD與電場強度脫離關系。美國專利4,215,682公開了一種將持久電荷賦予熔融-吹塑纖維而形成駐極體纖維的裝置，其中充電裝置包括至少一個金屬線形式的電源，其被充電至足夠高的電壓從而圍繞該電源形成電暈。熔融-吹塑纖維通過該電源并且通過電暈而形成具有持久電荷的駐極體纖維。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種用于紡絲細聚合物纖維的裝置，其包括具有至少一個聚合物供給入口的、連接到至少一個噴絲頭出口的噴絲板，其中含聚合物的液體物流將沿下游方向在預期路徑中從所述噴絲頭出口中釋放，位于所述噴絲頭下游的電暈充電系統(tǒng)，其包括帶電的(electricallycharged)、與所述噴絲板電絕緣的點電極和被維持在與所述點電極不同電位的耙電極，所迷電極是這樣設置的，使得在它們之間產(chǎn)生離子場并且所述離子場與所述含聚合物的液體物流的預期路徑相交，和設置于所述離子場下游的、用于收集所述細聚合物纖維的收集器。在另一實施方案中，本發(fā)明涉及一種用于紡絲細聚合物纖維的裝置，其包括具有至少一個聚合物供給入口的、連接到至少一個噴絲頭出口的噴絲板，其中不帶電的、導電的含聚合物的液體物流將沿下游方向從所述噴絲頭出口中釋放，電暈充電系統(tǒng)，其包括在所述噴絲板下游且與所迷噴絲板絕緣的帶電的點電極，和靶電極，所迷點電極是這樣設置的，使得所述點電極產(chǎn)生離子場并且該離子場與所述含聚合物的液體物流相交，所述靶電極是所迷不帶電的、導電的含聚合物的液體物流，和設置于所迷離子場下游的、用于收集所述細聚合物纖維的收集器。定義在本文中，術語"電吹"和"電吹紡絲"是可互換的，是指一種形成纖維網(wǎng)的方法，通過該方法，通常使運送氣體物流朝向收集器，將聚合物物流從噴絲頭噴射到該氣體物流中，由此形成在收集器上收集的纖維網(wǎng)，其中當所述聚合物從噴絲頭釋放時，在其上賦予了電荷。術語"細聚合物纖維"是指平均有效直徑小于約1微米的基本上連續(xù)的聚合物纖維。術語"電暈放電"是指一種受到高度歧化(divergent)電場(如靠近點-平面電極幾何結(jié)構(gòu)中的點所產(chǎn)生的電場)的氣體的自保持的、局部擊穿。在所述配置中，在電暈點處的電場Ep明顯高于縫隙中的其它地方。對于一種合理的近似，Ep與電極間的縫隙無關，并且由Ep-V/r給出，其中V是點和平面間的電位差，r是點的半徑。術語"平均有效直徑"是指如通過由掃描電子顯微照片測量至少20根單根纖維的纖維直徑所測定的纖維直徑的統(tǒng)計平均值。術語"點電極"是指能夠在其匯集或尖端表面形成電暈的任何傳導元件或者這種元件陣列。圖1是現(xiàn)有技術電吹裝置的圖例。圖2是美國申請11/023,067中所公開的電吹裝置的圖例。圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置的示意圖。圖4是本發(fā)明的電暈放電/電離區(qū)的詳細示意圖。圖5A-5D舉例說明用于本發(fā)明的可能的電極配置的不同實施方案。發(fā)明的詳細說明現(xiàn)在將詳細地提及本發(fā)明目前的優(yōu)選的實施方案，其實例在附圖中舉例說明。在整個附圖中，使用類似的附圖標記來指定類似的元件。本發(fā)明涉及一種纖維充電裝置，其中不帶電的、導電的含聚合物的液體物流被提供給噴絲板并且在噴絲板中從至少一個噴絲頭任選地與運送氣體結(jié)合而被釋放。使含聚合物的液體物流通過由電暈放電形成的離子流而將電荷賦予含聚合物的液體物流，使得形成細聚合物纖維。最后，在收集設備上收集細聚合物纖維，優(yōu)選地以纖維網(wǎng)的形式。本發(fā)明的充電方法舉例說明用于電吹方法，但是不應該理解為局限于這種用途，因為其可在其它已知的纖維紡絲方法中用于形成細聚合物纖維，如熔融吹塑。當與運送氣體物流結(jié)合實施所述方法時，據(jù)信運送氣體物流在從釋放的含聚合物的液體物流中拉拔纖維的初期提供了大部分的前向力，并(massboundarylayer),由此在纖維網(wǎng)的形成期間大大提高了溶劑以氣體形式從聚合物溶液中的擴散速率。在某些點(尖端)，圍繞含聚合物的液體物流的局部電場具有足夠的強度，使得電力(electricalforce)成為主要的拉拔力，其最終從含聚合物物流中拉拔單根纖維而形成平均有效直徑以數(shù)百納米或更小計的細聚合物纖維。用于形成纖維網(wǎng)的現(xiàn)有技術電吹方法和裝置公開在PCT出版物WO03/080905A(圖1),其相當于美國申請10/477,882，2003年U月19日提交，其內(nèi)容由此引入作為參考。這種方法存在若干缺點，如上所迷。在另一方法中，使用圖2中的裝置來電吹細纖維，使得含聚合物和溶劑的液體物流，或者聚合物熔體，從儲罐100，或者在聚合物熔體的情況下從擠出機100進料到位于噴絲板102中的噴絲頭104(還稱為"型板，，)，聚合物物流通過所迷噴絲頭104排出。液體物流，當其從噴絲板102排出時，通過噴絲板102與電極130和132之間形成的電場。壓縮氣體，其可以任選地在氣體溫度控制器108中加熱或冷卻，從布置在噴絲頭04附近或周圍的氣嘴106中釋放。氣體通常沿液體物流流動的方向在運送氣體物流中導向，所迷運送氣體物流運送新釋放的液體物流并且有助于纖維網(wǎng)的形成。位于噴絲板102下一段距離的是用于收集所制造的纖維網(wǎng)的收集器。在圖2中，收集器包括運送帶U0，在其上收集纖維網(wǎng)。帶110有利地由多孔材料如金屬篩網(wǎng)制成，使得可以由鼓風機112的入口通過真空室U4從所述帶的下方抽真空。收集帶是基本上接地的。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案(圖3),電極130和132(圖2)被替換為一種電極裝置(electrodearrangement),所迷電極裝置能夠在較低的電壓電位下產(chǎn)生電暈放電，并且仍將足夠的電荷賦予液體物流從而形成期望的細聚合物纖維。在這種實施方案中，點電極140是這樣布置的橫向距含聚合物的液體物流的預期("下游")路徑的中心線為可變距離EO(電極偏置)，縱向距噴絲頭104為可變的型板-到-電極距離DED，靶電極142同樣被布置橫向相對于預期液體物流路徑的另一側(cè)，縱向在噴絲頭以下。在這種實施方案中，點電極140以鑲有一系列針或針陣列的棒的形式舉例說明，所述棒在Z方向(圖5A)(進出紙面)沿噴絲板102的長度方向延伸。同樣地，靶電極142是沿噴絲板102的長度方向延伸的金屬棒。由于充電裝置的位置，使噴絲頭到收集器的距離與電場強度脫離關系；即場強可以獨立地由型板-到-收集器距離來控制?；蛘撸c電極可以由多個導電股線(strands)制成，其類似于刷144(圖5B)，其中所述股線可以由金屬、相對導電的聚合物如尼龍或丙烯酸系聚合物制成。在進一步的實施方案中，點電極可以是金屬線146(圖5C)，其被置于與靶電極，或者齒刀狀-邊緣(圖5D)基本上平行。在本發(fā)明的全部實施方案中，DED是足夠短的，以便在纖維形成前(例如在熔融聚合物物流的情況下，在由其形成的纖維固化前)，將電荷賦予含聚合物的液體物流。在另一實施方案中，不帶電的、導電的含聚合物的液體物流，其通過點電極并且通過電暈放電和電離區(qū)(圖4)，可以在沒有單獨的靶電極的情況下，通過液體物流(其被維持在基本上地電位的水平)和帶電的點電才及之間的電壓電位差而進4亍充電。當存在時，靶電極的形狀是可變的。它可以是平面的，如盤的形式或者具有正方形或矩形截面的棒，或者它可以是圓柱形棒。在任何情況下，把電極的功能應歸于其和點電極之間的電壓電位差。在一種實施方案中，接地的噴絲板102本身可以作為靶電極。靶電極可以由以下材料制成導電材料，如金屬，或者涂有半導體材料的金屬，如酚醛腈彈性體，含炭黑的橡膠型彈性體，和陶瓷。由噴絲頭104(圖3)釋放的含聚合物的液體物流的預期路徑通過點電極和把電極之間的縫隙"g"。如所舉例說明的，將高電壓施加于點電極140,而靶電極142接地。電極間的距離"g，，足以使得施加到點電極的電壓引發(fā)電子瀑布(electroncascade)使得電離縫隙中的氣體，然而并非如此的小以至使得在電極間產(chǎn)生電弧?；陔姌O間所施加的電壓電位，以及基于方法中的氣體的擊穿強度，可以改變距離"g"。反之，為形成電暈放電所施加的電壓電位可以變化，這取決于距離"g"和方法中所用的氣體的擊穿強度。圖4是在電極140和142之間形成的電暈放電和電離區(qū)的詳細示意圖。當施加足夠的電壓電位時，由在電極附近電離氣體的點電極140發(fā)射的電子形成電暈放電區(qū)"c"。在圖4的實例中，點電極是帶負電的，把電極接地。正負離子在電暈電離區(qū)"c"中形成，負離子被朝向靶電極吸取通過電離或漂移(drift)區(qū)"d"，其基本上橫斷含聚合物的液體物流流動的方向。當使用時，漂移區(qū)中的離子將電荷賦予通過其的液體物流。本領域技術人員將認識到點電極可以是帶正電的，而靶電極接地。在一種實施方案中，點電極和靶電極可以具有相同的電壓但具有不同的極性。為了形成電暈放電，電極間的電壓差應該至少約lkV，但小于電極間的電弧發(fā)生時的電壓，這也將取決于電極間的距離和方法中所用的氣體。一般地，間隔3.8厘米(在空氣中)的電極間的所需要的電壓差是約lkV-約50kV。絲頭組件以及全部其他設備，如在圖1所舉例說明的現(xiàn)有技術方法中的。通過向點電極施加電壓，噴絲頭組件、靶電極和噴絲板可以是接地的或者基本上接地的。"基本上接地的"是指另一組件優(yōu)先地可控制在低電壓水平，即，約-100V至約+100V。本發(fā)明方法的含聚合物的液體物流可以是聚合物溶液，即溶于合適溶劑中的聚合物，或者可以是熔融聚合物。優(yōu)選地，至少聚合物是部分導電的并且在所述方法的時間尺度上可以保留電荷，并且當由聚合物溶液進行纖維紡絲時，溶劑還可以選自稍微導電的并且能夠在所述方法的時間尺度上保留電荷的那些。用于本發(fā)明的聚合物的實例可以包括聚酰亞胺、尼龍、聚芳酰胺(polyaramide)、聚苯并咪唑、聚醚酰亞胺、聚丙烯腈、PET(聚對笨二甲酸乙二醇酯)、聚丙烯、聚苯胺、聚環(huán)氣乙烷、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)、SBR(苯乙烯-丁二烯橡膠)、聚苯乙烯、PVC(聚氯乙紼)、聚乙烯醇、PVDF(聚偏二氟乙烯)、聚乙烯基丁烯和其共聚物或衍生化合物。聚合物溶液可以通過選擇適于溶解所選的聚合物的溶劑來制備。聚合物和/或聚合物溶液可以與添加劑混合，所述添加劑包括任何與相關聚合物相適應的樹脂、增塑劑、紫外線穩(wěn)定劑、交聯(lián)劑、硫化劑、反應引發(fā)劑等。如果期望的話，可以將電學摻雜劑(electricaldopants)添加到聚合物或溶劑(當使用時)之一或兩者中，以提高聚合物物流的電導率。在這種方式中，在純形式中基本上是電介體的聚合物，如聚烯烴，可以根據(jù)本發(fā)明方法而被電吹成細纖維。合適的電學摻雜劑包括但不局限于無機鹽，如NaCl、KCI或MgCl2、CaC2等，有機鹽，如N(CHs)4Cl等，導電聚合物如聚苯胺、聚噻吩等，或者中等(mildly)導電低聚物，如低分子量聚乙二醇。這種電學摻雜劑的數(shù)量應該足以將液體物流的電導率提高到至少約10-12西門子/米(小于約1013ohm-cm電阻率)。由本發(fā)明方法形成的細纖維和纖維網(wǎng)具有極少的或者基本上沒有殘余電荷，不同于本領域已知的駐極體纖維。然而，可能的是本發(fā)明的裝置，當配置有單獨的粑電極時，可用于由電介體聚合物形成駐極體纖維。任何已知適用于常規(guī)靜電紡紗方法的聚合物溶液可用于本發(fā)明的方法中。例如，適用于本發(fā)明方法的聚合物熔體和聚合物-溶劑組合公開在下述文獻中Z.M.Huang等，CompositesScienceandTechnology,第63巻，2003,第2226-2230頁，其引入本文作為參考。有利地，聚合物排出壓力為約0.01kg/cm、約200kg/cm2,更有利地約0.1kg/cm2-約20kg/cm2,液休物流通過量/孔為約0.1mL/min-約15mL/min。有利地，由氣嘴106釋放的壓縮氣體的線速度為約10-約20,000m/min,和更有利地，約100-約3，000m/min。在運送帶110上收集的細聚合物纖維的平均有效直徑小于約1微米，甚至小于約0.5微米。實施例實施例1將聚乙烯醇(PVA)(Elvano1⑧85-82，可獲自DuPont)溶于去離子水中以制備10wt%PVA溶液。使用VWR數(shù)字電導率儀(可獲自VWRScientificProducts(VWRInternational,Inc.,WestChester,PA.)測量溶液電導率，結(jié)果為493微西門子/厘米。在同心運送空氣射流中在包括22號(gauge)鈍注射針頭的單噴嘴電吹裝置中進行溶液紡絲。在噴絲頭組件體的導電面下，針尖伸出2mm。噴絲頭組件體和紡絲孔通過安培計而電接地，將PVA溶液導向通過被充電至高電壓的針陣列(用作點電極)和接地的圓柱形靶電極之間的縫隙。工藝條件列于下表中。通過這種方法形成的PVA細纖維在接地的導電表面上收集，并且在掃描電子顯微鏡下檢驗。所收集的纖維的平均有效直徑為約400nm。實施例2將獲自Sigma-Aldrich的粘均分子量(Mv)300,000的聚環(huán)氧乙烷(PEO)的7.5wt。/。溶液溶解在去離子水中。將濃度為0.1wt。/o的氯化鈉(NaCl)添加到PEO溶液中以增加溶液電導率。一旦溶液充分混合，使用與實施例1中所用的相同的數(shù)字電導率儀測量電導率，結(jié)果為約1600微西門子/厘米。通過具有20號鈍針的單噴嘴電吹裝置來對這種溶液進行紡絲。這次試驗的工藝條件列于下表中。這次試驗的充電方法與實施例1中所述的相同，使用針陣列(其用作點電極)和接地的圓柱形靶電極。在這次試驗期間制造的PEO細纖維在接地的導電表面上收集。然后在掃描電子顯微鏡下檢驗這些細纖維的平均直徑。這些纖維的平均有效直徑為約500nm。實施例3通過單噴嘴電吹裝置對實施例2的PEO溶液進行紡絲，然而改變點電極的幾何形狀。使用單根金屬線，而不是針陣列來提供充電。使溶液地二圓筒用作耙電;及。這次試驗中所用的條件列:;下表;。在接地的導電表面上收集PEO細纖維，在掃描電子顯微鏡下檢驗它們的平均直徑，由金屬線電極系統(tǒng)獲得的平均有效纖維直徑還是約500nm。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>上表中的數(shù)據(jù)證明本發(fā)明的電暈充電裝置是一種有效的現(xiàn)有技術纖維充電系統(tǒng)的替代方案，其降低了成本，提高了加工中的柔性并且在所述方法中增加了安全性。權利要求1.一種用于紡絲細聚合物纖維的裝置，其包括具有至少一個聚合物供給入口的、連接到至少一個噴絲頭出口的噴絲板，其中含聚合物的液體物流將沿下游方向在預期路徑中從所述噴絲頭出口中釋放；位于所述噴絲頭下游的電暈充電系統(tǒng)，其包括帶電的、與所述噴絲板電絕緣的點電極和被維持在與所述點電極不同電位的靶電極，所述電極是這樣設置的，使得在它們之間產(chǎn)生離子場并且所述離子場與所述含聚合物的液體物流的預期路徑相交；和設置于所述離子場下游的、用于收集所述細聚合物纖維的收集器。2.權利要求l的裝置，其中所述點電極是這樣設置的，使得在橫斷所述含聚合物的液體物流的預期路徑的方向的方向中產(chǎn)生所述離子場。3.權利要求2的裝置，其中所述靶電極設置在所述噴絲頭的下游并且相對于所述點電極位于所迷含聚合物的液體物流的預期路徑的另一側(cè)。4.權利要求l的裝置，其中所迷點電極包括導電針的線性陣列。5.權利要求1的裝置，其中所述點電極包括多個導電股線。6.權利要求l的裝置，其中所述點電極包括與所述靶電極平行設置的導電金屬線。7.權利要求l的裝置，其中所述噴絲板包括具有一定長度的經(jīng)軸(beam)，該噴絲板具有沿所述長度設置的多個噴絲頭，并且所迷點電極的長度基本上等于所迷噴絲板的長度，其設置在所述噴絲板的下游并且與所述噴絲板基本上平行，而且相鄰于含聚合物的液體物流的預期路徑。8.權利要求7的裝置，其中所述點電極包括具有導電針的線性陣列的棒，所述導電針基本上垂直于所述棒并且沿所述棒的長度設置，其中所述針朝向于所迷含聚合物的液體物流的預期路徑。9.權利要求7的裝置，其中所述點電極包括導電金屬線。10.權利要求7的裝置，其中所述點電極包括多個導電股線。11.權利要求l的裝置，其中所述靶電極包括半導體材料。12.權利要求l的裝置，其中所述靶電極包括導電材料。13.權利要求l的裝置，其中所述把電極是平面的。14.權利要求l的裝置，其中所迷靶電極是棒。15.權利要求14的裝置，其中所述棒是圓柱形的。16.權利要求2的裝置，其中所述靶電極是所述噴絲板。17.—種用于紡絲細聚合物纖維的裝置，其包括具有至少一個聚合物供給入口的、連接到至少一個噴絲頭出口的噴絲板，其中不帶電的、導電的含聚合物的液體物流將沿下游方向從所迷噴絲頭出口中釋放；電暈充電系統(tǒng)，其包括在所述噴絲板下游且與所迷嘖絲板絕緣的帶電的點電極，和靶電極，所述點電極是這樣設置的，使得所述點電極產(chǎn)生離子場并且該離子場與所述含聚合物的液體物流相交，所述靶電極是所述不帶電的、導電的含聚合物的液體物流；和設置于所述離子場下游的、用于收集所述細聚合物纖維的收集器。全文摘要一種用于充電含聚合物的液體物流的纖維紡絲裝置，其具有至少一個帶電的點電極，所述點電極相鄰于所述液體物流的預期路徑而設置并且通過電暈放電產(chǎn)生離子流從而將電荷賦予含聚合物的液體物流。文檔編號D04H1/56GK101243213SQ200680029880公開日2008年8月13日申請日期2006年8月17日優(yōu)先權日2005年8月17日發(fā)明者B·S·約翰遜,C·A·魯?shù)?J·E·阿曼特羅特,M·A·布里納申請人:納幕爾杜邦公司