專利名稱：通過熔體紡絲法來制備納米纖維的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于形成纖維和纖維網(wǎng)的熔體紡絲法。具體地講，可制備超細纖維并將其收集到適用于下列應(yīng)用的纖維網(wǎng)中選擇性阻擋最終用途(例如在空氣和液體過濾、阻燃、生物醫(yī)學(xué)、電池和電容器隔板、生物燃料膜、美容面膜領(lǐng)域中)、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用(例如止血、傷口敷料和愈合、人工血管、組織支架、合成ECM(細胞外基質(zhì)))以及傳感應(yīng)用、電子/光學(xué)紡織物、EMI屏蔽和抗化學(xué)生物保護涂層。
背景技術(shù)：
在本領(lǐng)域中，已知離心式霧化工藝用于制備金屬、金屬合金和陶瓷粉末。在本領(lǐng)域中，已知離心式紡絲工藝用于制備聚合物纖維、碳浙青纖維和玻璃纖維(例如在美國專利 3，097，085和2，587，710中有所公開)。在此類方法中，由旋轉(zhuǎn)盤或分配盤所提供的離心力產(chǎn)生足以引起物質(zhì)霧化或形成纖維的剪切。然而，離心式紡絲僅成功用于制備具有大于微米尺寸的直徑的纖維。
對超細纖維和由超細纖維制成的纖維網(wǎng)的需求在不斷增長。這些類型的纖維網(wǎng)可用于選擇性阻擋最終用途。目前超細纖維是通過熔紡“海島型”橫截面纖維、分裂薄膜、某些熔噴工藝和靜電紡紗法制成的。然而，因其非常低的產(chǎn)量，這些方法通常局限于制備非商業(yè)數(shù)量的納米纖維。
為通過熔體紡絲法來成功制備納米或亞微米直徑的纖維，必須通過作用于噴絲頭上的熔體噴嘴的機械力或靜電力對聚合物進行拉伸。然而，很難產(chǎn)生使直徑減小到納米級所需的力。自二十世紀七十年代末以來，一些大學(xué)已經(jīng)展開了對熔融靜電紡絲法的研究，但未報道過在制備納米纖維、特別是由聚烯烴(例如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP))制成的納米纖維方面的成功消息。
靜電紡絲法和靜電噴射法是通過靜電力和/或剪切力的作用，而使聚合物溶液形成具有亞微米級直徑的纖維的方法。被收集為非織造墊的纖維具有某些有用的特性，例如高表面積質(zhì)量比率，因此在過濾、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用(例如傷口敷料、人工血管、組織支架)和傳感應(yīng)用中有巨大的潛力。
然而，絕大多數(shù)納米纖維結(jié)構(gòu)是通過溶劑紡絲工藝制備的。用作溶劑以溶解許多待紡聚合物的化學(xué)品會留下不符合行業(yè)標準的殘余物。出于對清潔劑處理、環(huán)境安全和生產(chǎn)率的考慮，一直期望通過熔體紡絲法來制備纖維。
直接通過聚合物熔體來紡絲納米纖維將具有優(yōu)于溶液紡絲法的數(shù)種優(yōu)勢消除了對溶劑及其伴隨的回收利用的需求，提高了產(chǎn)量并且紡絲的聚合物具有低溶劑溶解度。而且，多組分體系(例如共混物和復(fù)合物)將更易于熔紡，因為在很多情況下，此類共混物沒有共同溶劑。最終，生產(chǎn)率將提高10-500倍，并且成本因消除了溶劑回收而將顯著下降。
需要一種高產(chǎn)量、高性價比和高能量效率的方法來熔體紡絲納米纖維和均勻纖維網(wǎng)。發(fā)明內(nèi)容
在一個實施方案中，本發(fā)明涉及納米纖維的形成方法，該方法包括以下步驟向具有前表面纖維排放邊緣(forward surface fiber discharge edge)的受熱的旋轉(zhuǎn)分配盤的內(nèi)紡絲表面提供至少一種熱塑性聚合物的紡絲熔體，使該紡絲熔體沿著所述內(nèi)紡絲表面流出以將該紡絲熔體分配為薄膜并朝向前表面纖維排放邊緣，以及將各個熔融的聚合物纖維流從前表面排放邊緣排出以使纖維流變細，從而制備具有小于約1，OOOnm的平均纖維直徑的聚合物納米纖維。
本發(fā)明的第二實施方案是用于制備聚合物納米纖維的熔體紡絲設(shè)備，該設(shè)備包括熔融聚合物供給管、包括可旋轉(zhuǎn)的熔融聚合物分配盤的噴絲頭、和針對可旋轉(zhuǎn)的熔融聚合物分配盤的間接加熱源，所述供給管具有進口部分和出口部分以及在出口部分處的至少一個熔融聚合物出口噴嘴，并且穿過熔體紡絲設(shè)備軸向定位，所述噴絲頭具有圍繞熔融聚合物供給管的出口部分并與熔融聚合物供給管的出口部分流體連通的內(nèi)紡絲表面進口部分。
本發(fā)明的另一個實施方案是收集包含聚烯烴的納米纖維，這些納米纖維具有小于約500nm的平均纖維直徑。


圖1為適用于形成根據(jù)本發(fā)明的熔紡納米纖維的熔體紡絲設(shè)備的斷面剖視圖。
圖2為本發(fā)明的熔體紡絲設(shè)備的纖維紡絲與形成區(qū)域內(nèi)所需溫度特征圖的例示。
圖3A為根據(jù)本發(fā)明的熔融聚合物分配盤的斷面?zhèn)纫晥D，圖IBB為其頂視圖。
圖4A為得自實施例1的聚丙烯(PP)纖維的掃描電子顯微照片。
圖4B為實施例1的纖維直徑的直方圖。
圖5A為得自實施例2的聚丙烯纖維的掃描電子顯微照片。
圖5B為實施例2的纖維直徑的直方圖。
圖6A為得自實施例3的聚丙烯纖維的掃描電子顯微照片。
圖6B為實施例3的纖維直徑的直方圖。
圖7A為得自實施例4的聚丙烯纖維的掃描電子顯微照片。
圖7B為實施例4的纖維直徑的直方圖。
圖8A為得自實施例5的聚乙烯纖維的掃描電子顯微照片。
圖8B為實施例5的纖維直徑的直方圖。
具體實施方式
在傳統(tǒng)離心式纖維紡絲工藝中，有兩種類型的噴絲頭。基于毛細管的紡絲使用具有側(cè)噴嘴孔的轉(zhuǎn)子。將聚合物熔體經(jīng)側(cè)噴嘴孔擠出，通過離心式拉伸來形成大直徑纖維，例如美國專利4，937，020中所公開的。基于毛細管的傳統(tǒng)離心式紡絲與本發(fā)明的情況不相關(guān)。另一種是使用錐形盤作為轉(zhuǎn)子的基于薄膜分裂的紡絲，例如美國專利2，433，000中所公開的。聚合物熔體或溶液直接或者經(jīng)分配盤底部的噴嘴孔流到錐形盤表面上?；诒∧し至训膫鹘y(tǒng)離心式紡絲與本發(fā)明的關(guān)系更加密切。
對基于薄膜分裂的傳統(tǒng)離心式紡絲而言，大直徑纖維由具有約3至4密耳厚度的離散厚熔膜或不均勻的厚熔膜分裂所形成。還沒有關(guān)于使用這種傳統(tǒng)離心式纖維紡絲工藝來形成納米纖維的報道。
相反，根據(jù)本發(fā)明，納米纖維可由在分配盤的內(nèi)表面上充分展開并在低微米級范圍內(nèi)具有典型薄膜厚度的薄熔膜，通過旋轉(zhuǎn)分配盤(例如鐘形杯)的前排放邊緣處的薄膜分裂而形成。
對傳統(tǒng)離心式紡絲中的薄膜分裂而言，聚合物粘度比本發(fā)明中的聚合物粘度相對更高。粘度越高，所形成的纖維越大。在本發(fā)明中，如果聚合物具有足夠低的熔體粘度，則可在無任何流變改性的情況下將紡絲熔體紡織成納米纖維。作為另外一種選擇，為了有助于極高粘度的熔體紡絲，可將紡絲聚合物塑化、水解或換句話講裂解以降低粘度。一般來講， 具有介于約1，OOOcP至約100，OOOcP之間的粘度、甚至介于約1，OOOcP至約50，OOOcP之間的粘度的紡絲熔體是適用的。
在本發(fā)明的一個可供選擇的實施方案中，旋轉(zhuǎn)分配盤下游布置了另外的固定盤或 “剪切”盤，聚合物熔體經(jīng)旋轉(zhuǎn)分配盤與剪切盤之間的間隙流出，在此間隙中對聚合物熔體所施加的剪切引起剪切致稀。剪切盤還可充當熔體分配盤，有助于在旋轉(zhuǎn)聚合物分配盤的內(nèi)表面上形成更加均勻并且充分展開的薄熔膜。
根據(jù)本發(fā)明，紡絲熔體包含至少一種聚合物。任何可熔紡的、形成纖維的聚合物均可使用。合適的聚合物包括含有聚烯烴的熱塑性材料，例如聚乙烯聚合物和共聚物、聚丙烯聚合物和共聚物；聚酯和共聚酯，例如聚(對苯二甲酸乙二醇酯)、生物聚酯、熱致液晶聚合物和PET共聚酯；聚酰胺(尼龍)；聚芳酰胺；聚碳酸酯；丙烯酸類和甲基丙烯酸類，例如聚 (甲基)丙烯酸酯；聚苯乙烯基聚合物和共聚物；纖維素酯；熱塑性纖維素；纖維質(zhì)；丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABQ樹脂；縮醛；氯化聚醚；氟聚合物，例如聚三氟氯乙烯(CTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)；以及聚偏氟乙烯(PVDF)；乙烯基聚合物；可生物降解的聚合物，生物基聚合物，雙組分聚合物和共混物；嵌入式納米復(fù)合物；天然聚合物；以及它們的組合。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的納米纖維熔體紡絲和纖維網(wǎng)收集單元的剖視圖的例示。旋轉(zhuǎn)噴絲頭包含適用于由紡絲熔體形成纖維的旋轉(zhuǎn)分配盤1。分配盤可具有凹形或平坦敞開的內(nèi)紡絲表面，并且該分配盤通過傳動軸6與高速馬達(未示出)相連。所謂“凹形”是指盤的內(nèi)表面的橫截面可以是彎曲的(例如半球形)，可具有橢圓形、雙曲線、拋物線形橫截面， 或者橫截面可為錐臺形等。熔體紡絲單元可任選地包括基本平行于聚合物分配盤的內(nèi)表面安裝的固定剪切盤3。紡絲熔體沿著分配盤的內(nèi)表面流出，任選地經(jīng)過分配盤內(nèi)表面與剪切盤之間的間隙(如果有)，以便有助于向分配盤的排放邊緣2的前表面分配經(jīng)過剪切的紡絲聚合物熔體。將分配盤和剪切盤通過間接、非接觸式加熱裝置10 (例如紅外源、感應(yīng)加熱裝置或其他此類輻射熱源)加熱至聚合物的熔點的溫度或超過聚合物的熔點的溫度。將紡絲熔體從供給管4的進口部分抽取，經(jīng)過剪切盤3 (如果有)沿軸向流向分配盤1并在其出口部分處離開供給管。熔體的生產(chǎn)速率可介于約0. lcc/min至約200CC/min之間，甚至介于約 0. lcc/min 至約 500cc/min 之間。
當紡絲熔體進入分配盤內(nèi)表面與固定剪切盤之間的間隙時，其被引導(dǎo)向與分配盤內(nèi)表面接觸，聚合物熔體完全分散并潤濕分配盤的內(nèi)表面，低微米厚度的薄膜形成并沿著分配盤的內(nèi)表面流動，直至其到達分配盤的前表面排放邊緣2處。將分配盤1的旋轉(zhuǎn)速度控制在約1，OOOrpm和約100，OOOrpm之間，甚至約5，OOOrpm和約100，OOOrpm之間，或甚至約10，OOOrpm和約50，OOOrpm之間。在旋轉(zhuǎn)分配盤的前表面纖維排放邊緣處，薄膜分裂為熔體絲，通過離心力進一步拉伸該熔體絲，并且通過拉伸熔體絲來制成纖維11。
可將具有設(shè)置在其周圍的熱氣體噴嘴的一個或多個熱氣(如空氣或N2)環(huán)如和 5b與旋轉(zhuǎn)分配盤和/或熔融聚合物供給管成環(huán)形設(shè)置，噴嘴的位置應(yīng)能夠?qū)釟饬饕龑?dǎo)向熔融聚合物絲處，以便將薄膜分裂和熔體絲拉伸區(qū)域的溫度維持在聚合物的熔點以上，從而將熔體絲維持在熔融狀態(tài)并能夠進一步將其拉伸成納米纖維。熱氣流還可用來將纖維引導(dǎo)向纖維網(wǎng)收集器8處。
任選地，可有一個或多個冷卻氣體(如空氣或N2)噴嘴7a和7b，或具有設(shè)置在其周圍的冷卻氣體噴嘴的冷卻氣體環(huán)，該冷卻氣體環(huán)與各加熱氣環(huán)成環(huán)形設(shè)置，以引導(dǎo)冷卻氣體流進入到纖維形成區(qū)域中，從而使納米纖維在到達纖維網(wǎng)收集器8之前快速驟冷并固化。冷卻氣體流還可將納米纖維流11引導(dǎo)向纖維網(wǎng)收集器8處。
可在收集器中施加真空以將纖維牽拉到收集器上來增強纖維網(wǎng)收集。圖1中的纖維網(wǎng)收集環(huán)8為篩網(wǎng)環(huán)，該篩網(wǎng)環(huán)受到冷卻并電性接地，并且與鼓風(fēng)機(未示出)相連而形成真空收集器環(huán)?？墒褂昧鲃拥睦渌蚋杀鶃砝鋮s纖維網(wǎng)收集器8。管狀纖維網(wǎng)收集篩網(wǎng)12位于纖維網(wǎng)收集環(huán)8的內(nèi)部，將其沿纖維網(wǎng)收集環(huán)8垂直移動以形成均勻的納米纖維網(wǎng)?？蓪⒎强椩炖w維網(wǎng)或其他此類纖維稀松布設(shè)置在管狀纖維網(wǎng)收集篩網(wǎng)12上，以便納米纖維可沉積在所述纖維網(wǎng)和稀松布上。
任選地，可在分配盤與收集器之間的紡絲空間中施加并維持靜電荷電勢，以改善纖維網(wǎng)沉積的均勻性?？赏ㄟ^本領(lǐng)域已知的任何高壓充電裝置來施加靜電荷?？蓪碜猿潆娧b置的電引線連接到旋轉(zhuǎn)噴絲頭和收集器上，或者如果紡絲空間內(nèi)設(shè)置了電極的話，可將電引線連接到噴絲頭和電極上，或連接到電極和收集器上。施加到紡絲單元上的電勢可在介于約IkV和約150kV的范圍內(nèi)。
圍繞旋轉(zhuǎn)分配盤的設(shè)計溫度分布是本發(fā)明的方法不同于傳統(tǒng)離心式紡絲的重要特性。
圖2是在圍繞旋轉(zhuǎn)分配盤1的熔體紡絲區(qū)域內(nèi)設(shè)計的溫度特征圖的例示，其中Tl 為旋轉(zhuǎn)分配盤周圍的熔體紡絲區(qū)的溫度，T2為熔體線(熔體絲)11拉伸區(qū)的溫度，T3為快速驟冷和納米纖維固化區(qū)的溫度，其中Tl > T2 > Tm(聚合物的熔點)并且T3 << Tm,即遠遠低于聚合物的熔點。
圖3A為熔融聚合物分配盤1的實例的側(cè)視圖，圖:3B為其頂視圖。分配盤的幾何形狀，特別是分配盤的直徑D和α角可影響纖維的形成和纖維尺寸。該分配盤的直徑D介于約IOmm和200mm之間，前表面排放邊緣的α角為0度(當分配盤是平坦的時)，或介于大于0度至約90度之間，分配盤的邊緣任選地成鋸齒狀15，以便在分配盤的內(nèi)表面上形成充分展開的薄膜。分配盤邊緣上的鋸齒還有助于形成具有相對較窄纖維直徑分布的更均勻的納米纖維。
本方法可制備具有小于約1，OOOnm、甚至介于約IOOnm至約500nm之間的平均纖維直徑的超細纖維，優(yōu)選的是連續(xù)纖維。可將纖維收集到纖維網(wǎng)或稀松布上。收集器可具有導(dǎo)電性，以便在收集器和旋轉(zhuǎn)噴絲頭或設(shè)置在噴絲頭下游的電極之間產(chǎn)生電場。收集器還可具有多孔性，以便能夠使用真空裝置將熱氣體和/或冷卻氣體從纖維中抽出，并有助于將纖維壓在收集器上以制備纖維網(wǎng)?？蓪⑾∷刹疾牧显O(shè)置在收集器上以便將纖維直接收集到稀松布上，從而制備復(fù)合材料。例如，可將非織造纖維網(wǎng)或其他多孔稀松布材料(例如紡粘纖維網(wǎng)、熔噴纖維網(wǎng)、梳理纖維網(wǎng)等)設(shè)置在收集器上，并使纖維沉積到非織造纖維網(wǎng)或稀松布上。用這種方法便可制備復(fù)合織物。
出人意料的是，已經(jīng)證明本發(fā)明的方法和設(shè)備可成功地熔紡聚烯烴納米纖維，具體地講是聚丙烯和聚乙烯納米纖維。據(jù)信，所述聚烯烴納米纖維的纖維尺寸(直徑)分布顯著低于迄今為止本領(lǐng)域已知的聚烯烴纖維。例如，美國專利4，397，020公開了徑向紡絲工藝，當建議生產(chǎn)具有低至0. 1微米直徑的亞微米聚烯烴纖維時，該專利僅舉例說明了具有1. 1微米直徑的PP纖維。相反，根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)能夠收集具有小于約500nm、甚至小于或等于約400nm的平均纖維直徑的聚烯烴納米纖維，并且纖維直徑分布的中值可小于或等于約400nm，或甚至小于360nm。
正如以下實施例可見，這些低中值的纖維直徑證明，在大多數(shù)情況下，所收集的大部分聚烯烴纖維均低于平均(數(shù)均)纖維直徑。
測試方法
在以上描述和以下非限制性實施例中，采用了下述測試方法以確定各種所記錄的特性和性能。
纖維直徑按照如下方式測定。在5，000倍放大率下拍攝各納米纖維層樣本的十張掃描電鏡(SEM)圖像。從SEM圖像上測定超過200根、或甚至超過300根可清晰分辨的納米纖維的直徑，并記錄。不包括缺陷(即納米纖維塊、聚合物液滴、納米纖維的結(jié)點)。以納米(nm)為單位計算并記錄各個樣本的平均纖維直徑。
實施例
在下文中將采用以下實施例對本發(fā)明進行更詳細的描述。
實施例1
使用如圖1中所示的設(shè)備，由具有非常窄的分子量分布的超高熔融流動速率的聚丙烯均聚物(Metocene MF650Y，得自Basell USA Inc.，使用ASTM D 792在23°C下測得的密度為0. 91g/cc,使用ASTM D1238測得的MFR等于1800克/10分鐘)來制備連續(xù)纖維。 在400 0FUO, 000/sec的剪切速率下，Metocene MF650Y PP的典型剪切粘度為4. 89181Pa. s。Metocene MF650Y PP 的熔點 Tm 大于 160°C。
使用具有齒輪泵的raiSM擠出機通過供給管將聚合物熔體輸送到旋轉(zhuǎn)噴絲頭中。 將壓力設(shè)定為常數(shù)61psi。將齒輪泵的速度設(shè)定為恒定的設(shè)定值5，這樣產(chǎn)生約0. 8cc/min 的熔體進料速率。將熱吹氣設(shè)定為常數(shù)30psi。旋轉(zhuǎn)聚合物熔體分配盤具有30度的凹角，無鋸齒狀排放邊緣和剪切盤。將分配盤的轉(zhuǎn)動速度設(shè)定為常數(shù)ll，000rpm。將來自熔體供給管的紡絲熔體的溫度設(shè)定為251°C，分配盤的溫度設(shè)定為260°C，吹氣的溫度設(shè)定為220°C。 在該測試過程中不使用電場。
通過不銹鋼金屬片將Reemay非織造收集篩網(wǎng)固定在距離分配盤15英寸處，并在 Reemay非織造收集篩網(wǎng)上來收集納米纖維。纖維的SEM圖像可參見圖4A。使用掃描電子顯微鏡檢查法(SEM)從圖像中測定纖維尺寸并確定在99nm至1188nm的范圍內(nèi)，從366根纖維(圖4B)的測量結(jié)果得出的平均纖維直徑為約平均值430nm，中值為381nm。
實施例2
按類似于實施例1的方法制備實施例2，不同之處在于將分配盤的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為常數(shù)13，630rpm。纖維的直徑比實施例1更小。纖維的SEM圖像可參見圖5A。使用SEM 從圖像中測定纖維尺寸并確定在40nm至1096nm的范圍內(nèi)，從422根纖維(圖5B)的測量結(jié)果得出的平均纖維直徑為約平均值363nm，中值為323nm。
實施例3
按照實施例1制備連續(xù)纖維，不同之處在于使用不同的PP均聚物(Metocene MF650X，得自Basell USA Inc.，它是具有非常窄的分子量分布的超高熔融流動速率的樹脂，使用ASTM D 792在23°C下測得的密度為0. 91g/cc，使用ASTM D1238測得的MFR為1200 克/10分鐘)。在400 0FUO, 000/sec的剪切速率下，Metocene MF650Y PP的典型剪切粘度為 5. 76843Pa. s。Metocene MF650Y PP 的熔點 Tm 大于 160°C。
分配盤具有15度的凹角，無鋸齒狀排放邊緣，但具有固定剪切盤。將分配盤的轉(zhuǎn)動速度設(shè)定為常數(shù)11，OOOrpm0將來自熔體供給管的紡絲熔體的溫度設(shè)定為251°C，分配盤的溫度設(shè)定為270°C，吹氣的溫度設(shè)定為220°C。在該測試過程中不使用電場。
通過不銹鋼金屬片將Reemay非織造收集篩網(wǎng)固定在距離旋轉(zhuǎn)紡絲盤15英寸處， 并在Reemay非織造收集篩網(wǎng)上來收集纖維。纖維的SEM圖像可參見圖6A。使用掃描電子顯微鏡檢查法(SEM)從圖像中測定纖維尺寸并確定在63nm至1400nm的范圍內(nèi)，從727根纖維(圖6B)的測量結(jié)果得出的平均纖維直徑為約平均值378nm，中值為313nm。
實施例4
按照實施例1制備連續(xù)纖維，不同之處在于使用不同的PP均聚物(Metocene MF650W，得自Basell USA Inc.，它是具有非常窄的分子量分布的高熔融流動速率的樹脂， 使用ASTM D 792在23°C下測得的密度為0. 91g/cc，使用ASTM D1238測得的MFR為500克 /10分鐘)。在400 0FUO, 000/sec的剪切速率下，Metocene MF650Y PP的典型剪切粘度為 9. 45317Pa. s。Metocene MF650Y PP 的熔點 Tm 大于 160°C。
分配盤具有30度的凹角，無鋸齒狀排放邊緣和剪切盤。將分配盤的轉(zhuǎn)動速度設(shè)定為常數(shù)11，OOOrpm0將來自熔體供給管的紡絲熔體的溫度設(shè)定為251 °C，分配盤的溫度設(shè)定為260°C，吹氣的溫度設(shè)定為220°C。在該測試過程中不使用電場。
通過不銹鋼金屬片將Reemay非織造收集篩網(wǎng)固定在距離分配盤15英寸處，并在 Reemay非織造收集篩網(wǎng)上來收集纖維。纖維的SEM圖像可參見圖7A。使用掃描電子顯微鏡檢查法(SEM)從圖像中測定纖維尺寸并確定在60nm至1650nm的范圍內(nèi)，從209根纖維 (圖7B)的測量結(jié)果得出的平均纖維直徑為約平均值480nm，中值為400nm。
實施例5
按照實施例1制備連續(xù)纖維，不同之處在于使用聚乙烯(LLDPE)注塑樹脂 (SURPASS IFs932-R，得自NOVA Chemicals, Canada)，該樹脂是具有非常窄的分子量分布的高熔融流動速率的樹脂。該聚合物的性能為使用ASTM D 792在23°C下測得的密度為 0. 932g/cc，使用 ASTM D1238 測得的 MI 為 150 克 /10 分鐘。
使用具有齒輪泵的raiSM擠出機通過供給管將熔體輸送到分配盤。將壓力設(shè)定為常數(shù)61psi。將齒輪泵的速度設(shè)定為常數(shù)10，這樣產(chǎn)生約1.6CC/min的熔體進料速率。將熱吹氣設(shè)定為常數(shù)30psi。旋轉(zhuǎn)紡絲盤具有30度的凹角，具有鋸齒狀排放邊緣和固定剪切盤。將分配盤的轉(zhuǎn)動速度設(shè)定為常數(shù)13，630rpm。將來自熔體供給管的紡絲熔體的溫度設(shè)定為250°C，旋轉(zhuǎn)紡絲盤的溫度設(shè)定為220°C，吹氣的溫度設(shè)定為160°C。在該測試過程中不使用電場。
通過不銹鋼金屬片將Reemay非織造收集篩網(wǎng)固定在距離分配盤15英寸處，并在 Reemay非織造收集篩網(wǎng)上收集纖維。纖維的SEM圖像可參見圖8A。使用掃描電子顯微鏡檢查法(SEM)從圖像中測定纖維尺寸并確定在53nm至1732nm的范圍內(nèi)，從653根纖維(圖 8B)的測量結(jié)果得出的平均纖維直徑為約平均值409nm，中值為357nm。
權(quán)利要求
1.用于制備聚合物納米纖維的熔體紡絲設(shè)備，所述設(shè)備包括熔融聚合物供給管，所述熔融聚合物供給管具有進口部分和出口部分以及在所述出口部分處的至少一個熔融聚合物出口噴嘴，所述供給管穿過所述熔體紡絲設(shè)備沿軸向定位；包括可旋轉(zhuǎn)的熔融聚合物分配盤的噴絲頭，所述噴絲頭具有圍繞所述熔融聚合物供給管的出口部分并與所述熔融聚合物供給管的出口部分流體連通的內(nèi)紡絲表面進口部分、和前表面排放邊緣部分；和針對所述可旋轉(zhuǎn)的熔融聚合物分配盤的間接加熱源。
2.權(quán)利要求1的熔體紡絲設(shè)備，所述設(shè)備還包括具有設(shè)置在其周圍的吹氣噴嘴的環(huán)形熱吹氣環(huán)，所述吹氣環(huán)與所述熔融聚合物供給管成環(huán)形設(shè)置，其中所述吹氣噴嘴被設(shè)置成將熱吹氣體引導(dǎo)到所述前表面纖維排放邊緣之上。
3.權(quán)利要求1的熔體紡絲設(shè)備，所述設(shè)備還包括位于所述前表面排放邊緣的下游的多孔收集表面。
4.權(quán)利要求1的熔體紡絲設(shè)備，其中所述可旋轉(zhuǎn)的熔融聚合物分配盤具有凹形內(nèi)紡絲表面。
5.權(quán)利要求1的熔體紡絲設(shè)備，其中所述可旋轉(zhuǎn)的熔融聚合物分配盤具有平坦的內(nèi)紡絲表面。
6.權(quán)利要求1的熔體紡絲設(shè)備，其中所述熔融聚合物分配盤的直徑為約IOmm至約 200mm。
7.權(quán)利要求4的熔體紡絲設(shè)備，其中所述前表面纖維排放邊緣與所述內(nèi)紡絲表面之間的角度介于大于0度和約90度之間。
8.權(quán)利要求1的熔體紡絲設(shè)備，所述設(shè)備還包括固定剪切盤，所述固定剪切盤與所述熔融聚合物供給管的出口部分成環(huán)形設(shè)置并且平行于所述可旋轉(zhuǎn)的熔融聚合物分配盤的表面并且通過間隙與所述可旋轉(zhuǎn)的熔融聚合物分配盤的表面分開。
9.權(quán)利要求1的熔體紡絲設(shè)備，其中所述前表面排放邊緣為鋸齒狀。
10.權(quán)利要求13的熔體紡絲設(shè)備，所述設(shè)備還包括設(shè)置在所述熱吹氣環(huán)與所述收集表面之間的至少一個冷卻氣體噴嘴。
11.權(quán)利要求1的熔體紡絲設(shè)備，所述設(shè)備還包括連接在所述熔融聚合物分配盤與所述收集表面之間的高電壓充電裝置。
12.權(quán)利要求1的熔體紡絲設(shè)備，其中所述收集表面被設(shè)置為與所述噴絲頭成環(huán)形。
13.包含聚烯烴的納米纖維的集合，所述納米纖維具有小于約500nm的平均纖維直徑。
14.權(quán)利要求13的納米纖維的集合，所述納米纖維具有小于或等于約400nm的中值纖維直徑。
15.權(quán)利要求14的納米纖維的集合，所述納米纖維具有小于約400nm的平均纖維直徑和小于約400nm的中值纖維直徑。
16.權(quán)利要求15的納米纖維的集合，所述納米纖維具有小于約360nm的中值纖維直徑。
17.權(quán)利要求13的納米纖維的集合，所述集合為非織造纖維網(wǎng)的形式。
18.權(quán)利要求13的納米纖維的集合，其中所述聚烯烴為聚丙烯。
19.權(quán)利要求13的納米纖維的集合，其中所述聚烯烴為聚乙烯。
20.權(quán)利要求17的納米纖維的集合，其中在纖維稀松布上收集所述非織造纖維網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用高速旋轉(zhuǎn)分配盤由紡絲熔體形成納米纖維的方法和設(shè)備?？蓪⑺隼w維收集為均勻的纖維網(wǎng)以用于選擇性屏障最終用途。可制備具有小于1,000nm的平均纖維直徑的纖維。
文檔編號D04H3/009GK102534829SQ20111040299
公開日2012年7月4日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者J·E·阿曼特魯特, J·M·奧康諾爾, L·R·馬沙爾, M·D·韋策爾, M·阿夫古斯蒂, S·耶姆布里克, T·米勒, W·H·敦, 黃滔 申請人:納幕爾杜邦公司