平鋪來自離心式紡絲工藝的纖維網的方法
【專利摘要】通過氣流場和充電構造的組合平鋪來自離心式紡絲工藝的納米纖維網的方法。在纖絲排放點處將熔融聚合物或聚合物溶液的纖絲形式的纖維流從旋轉構件排放到基本上平行于纖絲排放方向的氣流場中。通過氣流場使纖維流變細并引導至收集器表面以形成納米纖維網。所述纖維流沿它們從所述排放點至所述收集器表面的全部或至少一部分途徑充電。
【專利說明】平鋪來自離心式紡絲工藝的纖維網的方法
[0001]本專利申請根據35U.S.C.§ 119(e)要求優(yōu)先權，并且要求2011年12月21日提交的美國臨時申請61/578，278的優(yōu)先權，所述臨時申請以引用方式全文并入本文來作為其一部分以用于所有目的。
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及用于形成纖維網的纖維平鋪方法。具體地，可制備超細纖維并收集它們形成纖維網用于選擇性阻隔最終用途，例如氣體和液體過濾及電池與電容器分隔體領域。
【背景技術】
[0003]在本領域中，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3，097，085,2, 587，710 和 8，277，711 中有所公開)。
[0004]然而，為了由此類纖維制備可用的纖維網，需要能夠以適宜的構型使纖維成網。具體地，該問題受到以下事實的困擾:纖維從旋轉裝置中離心形成，并且從旋轉纖維流型向具有期望性能如構型和均勻度的平片的轉變可能難以實現(xiàn)。因此需要容易地形成高質量和高均勻度的纖維網的方法。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明涉及平鋪來自離心式紡絲工藝的納米纖維網的方法，該方法利用氣流場和相對于收集器的纖維靜電充電的組合。所述方法包括以下步驟
[0006](i)在纖絲排放點處將熔融聚合物或聚合物溶液的纖絲或纖維形式的纖維流從旋轉構件排放到基本上平行于纖絲排放方向的氣流場中，
[0007](ii)使纖維流變細，并且
[0008](iii)通過氣流場將變細的纖維流引導至收集器表面以形成納米纖維網。
[0009]纖維流沿它們從排放點至收集器表面的全部或至少一部分途徑充電
[0010]在一個實施例中，當在樣品尺寸90 X 60cm，像素3000X2000下測量時，由該方法平鋪的纖維網可具有在約0.1至約5范圍內的均勻度指數(shù)。
[0011]納米纖維可通過成形基本上垂直于收集器表面的氣流被引導至收集器。在以上步驟(iii)中的氣流場還可包括進入收集器表面的至少一部分的氣流，其中氣流基本上從介于旋轉構件主體和收集器表面之間的區(qū)域垂直于收集器。
[0012]在步驟(i)中的氣流場還可包括來自噴嘴的氣體，該噴嘴具有位于杯或盤半徑上的開口，并且氣流以與半徑成介于O和60度之間的角度且在與盤的旋轉方向相反的方向上被引導。
[0013]該方法的旋轉構件可包括盤或杯，并且纖絲從所述盤或杯的表面邊緣排出或從位于表面或杯之中或之上的孔中排出。[0014]纖絲或纖維可通過施加電荷于旋轉構件、纖絲、收集器表面、位于收集器表面附近的結構、或這些位置的任何組合獲得它們相對于收集器的電荷，并且該電荷是相對于位于旋轉構件、纖絲、收集器表面、位于收集器表面附近的結構、或這些位置的任何組合上的地電位的(ground)。也可通過由電暈放電或其他裝置如射頻放電產生的離子流將電荷施加于纖絲。
[0015]本發(fā)明也涉及平鋪來自離心式紡絲工藝的納米纖維網的方法，該方法包括以下步驟:
[0016](i)從圍繞軸旋轉并位于紡絲頭中的旋轉盤或杯表面將聚合物熔體噴入氣體或惰性氣體中，其中熔融纖絲在基本上垂直于盤或杯的旋轉軸線的方向上離開表面并進入在纖維收集器和紡絲頭之間形成的電場；并且其中纖絲被離心力變細并冷卻以形成納米纖維，其具有小于1，OOOnm的數(shù)均纖維直徑；
[0017](ii)施加電荷于聚合物熔體、熔融纖絲、納米纖維、或這三個位置的任何組合；
[0018](iii)用成形氣流將納米纖維引導至收集器，其具有與以上(ii)中纖維上的電荷相反的電荷；并且
[0019](iv)在收集器上收集聚合物納米纖維；
[0020]其中位于紡絲頭和收集器之間的氣體紊流運動受到噴氣流的抑制。
[0021]在這個實施例中，區(qū)域鄰近并接觸收集器存在，其中纖維的運動由納米纖維和收集器之間的電勢差控制，并且不受成形氣流的影響。噴氣流從噴嘴噴出，該噴嘴具有位于杯或盤半徑上的開口，并且氣流以與半徑成介于O和60度之間的角度且在與盤的旋轉方向相反的方向上被引導。
[0022]在另一個實施例中，本發(fā)明也涉及由任何上述方法制備的納米纖維網。
[0023]在另一個實施例中，本發(fā)明涉及用于制備聚合物納米纖維的熔體紡絲設備，所述設備包括:
[0024](i)具有一個或多個排放點的旋轉構件的第一表面,所述排放點允許紡絲流體流以纖維或纖絲形式從其中流出；
[0025](ii)用于將離子流引導至紡絲流體、或者引導至纖維或者纖絲、或者纖維或纖絲和紡絲流體二者的裝置，使得離子流沉積電荷在纖維上；并且
[0026](iii)收集帶,其具有與以上(ii)中纖維上的電荷相反的電荷。
[0027]在另一個實施例中，本發(fā)明涉及納米纖維網，其包括一個或多個區(qū)域，其中納米纖維以具有小于5.0或甚至小于1.0的均勻度指數(shù)的圖案平鋪。在另一個實施例中，當在樣品尺寸90X60cm，像素3000X2000下測量時，本發(fā)明涉及具有在約0.1至約5范圍內的均勻度指數(shù)的纖維網。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是在紡絲盤下加捻并旋轉的纖維示意圖。
[0029]圖2為適用于平鋪根據本發(fā)明的纖維網的離心式纖維紡絲設備的斷面剖視圖。
[0030]圖3是在本發(fā)明設備的纖維紡絲和纖維網形成區(qū)域內的電場示意圖。
[0031]圖4是具有充電元件，但是不具有根據本發(fā)明的氣體管理元件的纖維圖案的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。[0032]圖5是具有適用于根據本發(fā)明平鋪纖維網的氣體管理的離心式纖維紡絲設備的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。
[0033]圖6是具有帶紡絲盤和抗旋轉輪轂的氣體管理的離心式纖維紡絲設備和氣流場的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，所述抗旋轉輪轂旋轉用于根據本發(fā)明平鋪纖維網。
[0034]圖7是不具有氣體管理的氣流場和纖維旋轉圖案的示意圖。圖7B是具有適用于根據本發(fā)明平鋪纖維網的氣體管理和充電的氣流場和纖維傘流的示意圖。
[0035]圖8A是纖維傘流圖案的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，并且圖1OB是具有適用于根據本發(fā)明平鋪纖維網的氣體管理和充電的纖維傘流圖案的頂視示意圖。
[0036]圖9是以圓柱體構型平鋪纖維網的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，然而該纖維網平鋪表面向上或向下移動。
[0037]圖10和圖11是在本發(fā)明中用于纖維網均勻度計算的示意圖。
[0038]圖12A示出不具有移動帶的聚丙烯纖維的靜態(tài)平鋪的纖維網圖像。圖12B示出具有移動帶的相同平鋪。
[0039]圖13A示出在帶收集器上平鋪的例子，該帶收集器具有90cm的平鋪距離，不具有電場和氣體管理。圖13B示出具有15cm的平鋪距離并且具有施加的電場和氣體管理的相同平鋪。
[0040]圖14示出具有和不具有氣體的聚丙烯纖維網平鋪例子。
[0041]圖15示出具有氣體并具有靜電場的聚丙烯纖維網平鋪例子。
[0042]圖16示出具有和不具有氣體的聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維網平鋪例子。
[0043]圖17示出具有氣體并具有靜電場的聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維網平鋪例子。
[0044]圖18示出具有和不具有氣體的聚丁烯纖維網平鋪例子。
[0045]圖19示出具有氣體并具有靜電場的聚丁烯纖維網平鋪例子。
[0046]圖20示出溶液紡絲法的一個纖維網平鋪例子。
【具體實施方式】
[0047]本發(fā)明涉及在離心式紡絲纖維中雙重使用靜電充電和氣體管理的方法和工藝，它們用于制備均勻纖維網或納米纖維網。
[0048]定義
[0049]如本文所用，術語“非織造”是指包括多個基本上無規(guī)取向纖維的纖維網，其中通過肉眼不能分辨纖維排列中的總體重復結構。所述纖維可以彼此鍵合，或者可以是非鍵合的并且與所述纖維網的賦予強度和完整性有關。纖維可為短纖維或連續(xù)纖維，并且可包括單獨一種材料或多種材料的混合物，或者各自由不同材料制成的纖維的混合物，或者一組各自由不同材料的相同混合物制成的相似纖維。
[0050]如本文所用，術語“納米纖維網”與“納米-纖維網”或“納米纖維的網”同義，并是指主要由納米纖維構造的非織造纖維網?！爸饕亍笔侵咐w維網中按數(shù)量計或按重量計，超過50%的纖維為納米纖維的那些，其中如本文所用，術語“納米纖維”是指數(shù)均直徑小于IOOOnm,甚至小于800nm,甚至在約50nm和500nm之間，并且甚至在約100和400nm之間的纖維。就非圓形橫截面納米纖維而言，如本文所用，術語“直徑”是指纖維橫截面的最大尺寸。本發(fā)明的納米纖維網還可具有大于70%或90%，或甚至可包含100%的納米纖維。[0051]“離心式紡絲工藝”是指其中纖維通過從旋轉構件中噴射溶解或熔融聚合物形成的任何方法。
[0052]“旋轉構件”是指從其中噴射或分配纖維流形式的材料的紡紗設備，由此通過離心力形成纖絲或纖維，無論是否使用另一種裝置如氣體輔助此類噴射。
[0053]“纖絲”是指當纖絲變細時，可以細旦纖維前體形式形成的細長結構。纖絲形成聚合物的纖維流，它們在旋轉構件的排放點被噴出。排放點可為如例如美國專利8，277，711所述的邊緣，或者可為孔，通過其流體被擠出以形成纖絲和纖維。
[0054]“氣流場”是指向量場，其描述在本發(fā)明方法中任何點或物理位置處的氣流速度和方向。本文所用的術語“氣體”是指氣體自身或任何其他惰性氣體或氣體流體，或者此類的混合物。
[0055]“充電的”是指在方法中的一個對象相對于未充電的對象或那些不具有凈電荷的對象具有正極性或負極性的凈電荷。
[0056]“紡絲流體”是指熔融或溶液形式的熱塑性聚合物，其能夠流動并形成纖維。
[0057]“排放點”是指旋轉構件上的位置，從其中噴出聚合物的纖維流以形成纖絲或纖維。排放點例如可為邊緣或孔，通過其擠出纖絲。
[0058]紡絲方法
[0059]對于第一幅圖1，示出的紡絲方法不使用本發(fā)明的方法。纖維102在旋轉構件的側視圖和平面圖中顯示排出排放點101。纖維沉積于收集器103上。如示意圖1所示，纖維通常不以受控方式流向收集器并且不均勻地沉積在收集器上。本發(fā)明的方法通過施加氣體和靜電荷于纖絲和纖維改變了這種情況，纖絲和纖維通過從旋轉構件噴出纖維流形成，目的是制備特別均勻的纖維網。
[0060]在本文方法的一個實施例中，旋轉構件是旋轉盤，但不限于這種構件；并且可使用具有從其中可排放纖維流以形成纖絲和纖維的邊緣或孔(“排放點”)的任何構件。該方法隨后可包括以下步驟:供給至少一種熱塑性聚合物的紡絲熔體或溶液至加熱旋轉分配盤、杯或具有正向表面纖維排放點的其他裝置的內部紡絲表面。紡絲熔體或溶液(“紡絲流體”)沿著此類旋轉構件的內部紡絲表面分布以將紡絲熔體分布成薄膜并朝向排放點。該方法還可涉及排放步驟，其中連續(xù)的分離熔融聚合物纖維流從前表面排放點排放，并且由此形成的纖維流或纖絲通過離心力變細(即，厚度或密度漸縮和/或減小)以制備聚合物纖維。在一個實施例中，以這種方式形成的纖維可具有小于約1，OOOnm的平均纖維直徑。
[0061]在另一個實施例中，排放的纖維流也可通過用徑向遠離排放點的組件引導的氣流變細。
[0062]在其他實施例中，旋轉構件可具有洞或孔，通過其排放聚合物熔體或溶液；旋轉構件可為杯、或者平坦的或成角度的盤的形式；和/或通過旋轉構件形成的纖絲或纖維可通過氣體、離心力、電荷、或它們的組合變細。
_3] 充電方法
[0064]任何高電壓直流(d.c.)、或單極性射頻高電壓源可用于提供靜電場，其用于本發(fā)明的方法。電場用于向例如紡絲流體提供電荷。紡絲流體可當在旋轉構件上時充電，或者當它以纖維流、纖絲或纖維形式排放時充電，或者甚至在纖維已經因為氣體或靜電場的作用變細形成后充電。紡絲流體可直接充電，例如通過來自由接近旋轉構件的充電實體產生的電暈放電的離子電流充電。此種充電實體的一個例子將為帶電流的環(huán)，其與旋轉構件同心并位于接近熔融聚合物或聚合物溶液、或者纖絲或纖維處，它們在排放纖維流時形成。
[0065]紡絲流體、纖絲或纖維也可(或者)通過位于收集器上或靠近其的充電器誘導充電。
[0066]期望在充電過程中的電流消耗較小(優(yōu)選地小于IOmA)。該源應具有可變電壓設置(例如OkV至80kV)，優(yōu)選地電暈環(huán)為-5kv至-15kv，并且收集板為+50至+70kV，并且優(yōu)選地(_)極和(+)極設置允許調節(jié)以形成靜電場。
[0067]通過本文方法形成的纖維因此相對于收集器充電，使得在纖維和收集器之間存在電場。收集器可接地或直接充電，或者經由在其附近的充電板或其他實體間接充電，例如在它下方相對于旋轉構件充電。
[0068]如本文方法形成的纖維可通過對聚合物熔體或溶液、熔融的或溶液形式的纖絲(即，纖維流)、形成的纖維、或這三個位置的任何組合充電獲得它們的電荷。
[0069]本文形成的纖維可直接充電，例如通過電暈放電和由靠近纖維的充電實體引發(fā)的離子電流充電。此種充電實體的一個例子將為環(huán)，其與旋轉構件同心并位于接近熔融聚合物或聚合物溶液、或者纖絲或纖維處，它們在排放纖維流時形成，形成旋轉構件。
[0070]在各種實施例中，僅將電荷施加于收集器并且聚合物為極性聚合物。
[0071]圖2圖示了可用于實施本發(fā)明實施例的設備。紡絲組合件包括旋轉中空軸201，其用于驅動紡絲盤208。將紡絲盤氣體加熱室207安裝在紡絲盤上。帶有穿孔氣體排放板205的纖維拉伸區(qū)域氣體加熱環(huán)203圍繞紡絲盤氣體加熱室207進行裝配。將成形氣體環(huán)202安裝在拉伸區(qū)域氣體環(huán)上并使氣體以圖2方向豎直向下通過，從而將纖維引導至收集器211。將具有針狀組件204的充電的環(huán)置于拉伸區(qū)域氣體加熱環(huán)203內，從而給纖維流210充電。將氣體輪轂209安裝在紡絲盤208下方，轉軸201上方。期望攜帶電荷的傘形纖維流210通過氣流場形成，該氣流場來自紡絲盤及其加熱器的間隙的氣體、伸展區(qū)域氣體、成形氣體和來自旋轉氣體輪轂的氣流的組合。
[0072]可將真空箱纖維網平鋪收集器212置于整個紡絲組合件下方。紡絲組合件至收集器的距離可在IOcm至15cm的范圍內。收集器可具有打孔表面。在圖2的實施例中，存在固體圓形板213，其直徑略大于在收集器中心處的紡絲盤。不存在直徑約等于氣體輪轂的充電區(qū)214?？蓪⒄婵帐┘佑谠谑占鹘呛瓦吘壧幘哂懈邚姸取⒉⑶耶敵占髦行臅r逐漸降低至零的收集器。因此，在各種實施例中，可將真空以環(huán)帶或環(huán)形狀施加，使得在收集器中央區(qū)域不存在真空。
[0073]圖3示出電場圖案，其可用于實施本發(fā)明的方法，并且其提供實施如圖2所示的方法和設備獲得。利用雙重充電和氣體管理組合的本發(fā)明配置，纖維流將形成傘形，如圖3所示，并且平鋪成均勻纖維網。
[0074]圖4是具有充電元件，但是不具有根據本發(fā)明的氣體管理元件的纖維圖案的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。纖維402從排放點401朝著收集器403排出。然而，缺乏氣體管理導致在紡絲盤下方的紊流404，以及均勻度不良的纖維網。
[0075]施加氣體的方法
[0076]氣流場具有兩個區(qū)域，其中表征氣流的方向和速率。第一區(qū)域位于來自用于形成纖絲或纖維的旋轉構件的纖維流排放點處。在這個第一區(qū)域中的氣流方向基本上垂直于旋轉構件的紡絲軸。氣流方向基本上垂直于紡絲軸，如果它實際上真垂直的話，或者如果它發(fā)生改變，則從真垂直變?yōu)樾∮?0%,或小于15%,或小于10%,或小于5%,或小于1%。
[0077]氣流可沿著旋轉構件的徑向，或者它可與其成一角度。氣體可由位于接近旋轉構件處的多個噴嘴供應，或者它可由狹槽供應，或換句話講以圍繞旋轉構件邊緣的連續(xù)方式供應。氣體可從紡絲軸徑向朝外被引導，或者在其中氣體離開任何特定噴嘴的點處可與半徑成一角度被引導。
[0078]在一個實施例中，因此氣體可由噴嘴供應，該噴嘴具有位于旋轉構件半徑上的開口，并且可氣流以與半徑成介于O和60度之間的角度，并且在與旋轉構件的旋轉方向相反的方向上被引導。
[0079]氣流場的第二區(qū)域位于接近收集器的空間內，但是位于旋轉構件周邊的遠側。在這個區(qū)域中，氣流基本上垂直于收集器表面。因此氣體將纖維引導至收集器表面，其中它們保持在通過在纖維上的靜電荷和在收集器和旋轉構件之間的電場某一位置。
[0080]在這個區(qū)域中的氣體可由位于旋轉構件下側、在其面向收集器的表面上的噴嘴供應。噴嘴可朝向收集器。
[0081]氣流場還可包括來自在旋轉構件主體和收集器表面之間的區(qū)域的進入收集器的氣流，其基本上垂直于收集器。
[0082]在圖5中示出實施本發(fā)明方法的氣體管理元件的設備實施例。纖維流524從旋轉盤528邊緣噴出以形成纖維。該設備設有氣流入口 521、522和523。從522和523加入的氣體529通過出口噴出，從而將形成的纖維引導至收集器525。也可將真空施加于收集器的至少一部分下方以將氣體吸出收集器表面。收集器可具有死區(qū)域526，無氣流通過該區(qū)域。
[0083]也可將氣體通過位于紡絲盤下方的杯或輪轂527供應給纖維，并且從氣體入口521供應。如圖5所示，氣體可從排放點平行530流動或垂直531流動或與形成纖維噴出方向成一適中角度532流動。在本文的各種實施例中，在纖絲排放點處將熔融聚合物或聚合物溶液的纖絲或纖維形式的纖維流從旋轉構件排放到基本上平行于纖絲排放方向的氣流場中，氣流方向基本上平行于纖絲排放方向，如果它實際上真平行的話，或者如果它發(fā)生改變，則從真平行變?yōu)樾∮?0%,或小于15%,或小于10%,或小于5%,或小于1%。在本文的多個其他實施例中，氣體從一個或多個氣體排放口排放，其方向基本上平行于旋轉構件在其上旋轉的軸。氣流方向基本上平行于旋轉構件軸，如果它實際上真平行的話，或者如果它發(fā)生改變，則從真平行變?yōu)樾∮?0%，或小于15%，或小于10%，或小于5%，或小于I %。
[0084]圖6是氣流場示意圖，其可通過使用如圖5所示的設備獲得。氣體入口 631、632和633產生由634、635和637表示的氣流場，它們帶有朝向收集器的纖維流637。如圖4所示的紊流現(xiàn)象受到抑制。
[0085]圖7A和7B示出具有和不具有本發(fā)明的氣流管理的氣流場之間的比較。在不存在氣體管理的情況下，并且尤其是在無輪轂(其在圖5中以527示出)的情況下，氣體趨于在紡絲盤下旋轉并且在纖維平鋪過程中導入不穩(wěn)定性。在從輪轂導入中心氣體的情況下，旋轉不再是明顯的。
[0086]在從排放點噴出纖維流形成纖維時，期望的纖維流圖案是傘形，其在盤邊緣具有均勻的纖維分布并向下延伸至收集器上。這種圖案在圖8A和SB中以側視圖和平面圖示出。
[0087]纖維平鋪[0088]多個紡絲頭可用于制備本發(fā)明的纖維網。平鋪的纖維網構造獲取自來自多個紡絲頭的纖維傘流，而纖維網平鋪表面是移動的，例如在傳送帶上移動。
[0089]為了在稀松布上平鋪纖維網，將一個退繞機和一個卷繞機置于纖維網平鋪收集器的每個側面上。為了平鋪獨立式非稀松纖維網，移動圓形帶圍繞纖維網平鋪收集器，并且?guī)У捻敳拷佑|纖維網平鋪收集器的頂部表面。纖維網平鋪起始于將短的前導稀松布置于卷繞機上，隨后平鋪在帶表面上進行連續(xù)纖維網平鋪，并且卷繞在卷繞機上以形成獨立式纖維網輥產品。
[0090]作為另一種纖維網平鋪構造，圖9是以圓柱體構型平鋪纖維網的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，然而該纖維網平鋪表面向上或向下移動。將紡絲組合件931置于圓柱形真空收集器933中心，其具有充電表面934。由935表示的氣流場使纖維流937朝向收集器的圓柱形內表面。一對形成焊頭932當移動到收集器中時用于將平坦帶轉變成圓柱形，并且當從收集器中移出時用于將圓柱形轉變成平坦帶。
[0091]纖維可由任何熱塑性樹脂紡成，它們能夠用于離心式纖維或納米纖維紡絲。這些包括極性聚合物如聚酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、和聚三甲基對苯二甲酸酯(PTT)、以及尼龍(聚酰胺)；適宜的非極性聚合物包括聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚乙烯(PE)、聚-4.甲基戊烯(PMP)、和它們的共聚物(包括EVA共聚物)、聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚三氟氯乙烯、聚氨酯、聚碳酸酯、硅氧烷、和這些的共混物。在非極性聚合物中使用充電劑的話，本文方法將表現(xiàn)更好。
[0092]在多個其他實施例中，本文方法還包括由本文獲得的非織造纖維網制備制品的步驟。制造步驟可包括切割和縫編非織造纖維網，和/或組合非織造纖維網與其他層，例如織物或膜，從而形成多層層壓體或其他結構。由本文獲得的非織造纖維網制備的制品可包括過濾器、在燃料電池中的膜、或用于在電池電解質溶液中分隔電極的分隔體。
[0093]設各
[0094]本發(fā)明還涉及用于平鋪來自離心式紡絲工藝的纖維網的設備。如本文所公開的用于制備聚合物纖維的熔體紡絲設備包括:
[0095]-圍繞軸旋轉的旋轉構件，其具有允許聚合物熔體或纖絲溶液從其中流出的邊緣或孔；
[0096]-用于將離子流弓I導至聚合物熔體或溶液、或弓I導至纖絲或上述兩者，使得離子流在纖維上產生電荷的裝置；
[0097]-收集帶，其具有與以上(ii)中纖維上的電荷相反的電荷；
[0098]-位于旋轉構件下側、在其面向收集器的表面上的噴嘴。噴嘴可朝向收集器；
[0099]-具有位于旋轉構件半徑上的開口，并且氣流以與半徑成介于O和60度之間的角度且在與旋轉構件的旋轉方向相反的方向上被引導的噴嘴。
[0100]多個噴嘴可位于接近旋轉構件處，并且可從紡絲軸徑向朝外被引導，或者可在其中氣體離開任何給定噴嘴的點處與半徑成一角度被引導。
[0101]纖維網結構
[0102]本發(fā)明還涉及具有如本文所定義的非常高的均勻度指數(shù)(UI)的纖維網。在一個優(yōu)選的實施例中，纖維網是納米纖維網。使用本發(fā)明方法可獲得的均勻度的可能水平將在下文中結合某些非限制性例子進行解釋。[0103]在多個其他實施例中，本發(fā)明包括平鋪纖維網的方法，其包括以下步驟(a)旋轉旋轉構件Q)以施加離心力于旋轉構件內包含的熔融聚合物或聚合物溶液，以及(ii)以從旋轉構件排放熔融聚合物或聚合物溶液的纖維流；(b)施加基本上平行于纖維流的氣流場以使纖維流變細并形成纖絲和/或由此形成的纖維；以及(c)向纖絲和/或纖維施加氣流場和電荷以將它們弓I導至纖維網收集器的表面。
[0104]在多個其他實施例中，本發(fā)明包括用于制備聚合物纖維纖維網的紡絲設備，其包括(a)繞軸旋轉并具有一個或多個排放點的旋轉構件，所述排放點用于從其中排放熔融聚合物或聚合物溶液的纖維流；(b)用于排放氣體的一個或多個氣體排放口，其方向基本上平行于纖維流排放方向，或者基本上平行于旋轉構件軸，和/或基本上垂直于旋轉構件軸；(C)用于施加電荷于由纖維流形成的纖絲或纖維的電壓源；和(d)用于收集纖維的收集表面和從其得到的纖維網，其中收集表面具有電荷，其極性與纖絲或纖維上的電荷相反。
[0105]SM
[0106]由如下所述的一系列實例，可更全面地理解本發(fā)明某些實施例的操作和效果。這些實例所基于的實施例僅僅是代表性的，并且選擇那些實施例來不例本發(fā)明，不表不未描述在這些實例中的材料、組分、構型、設計、條件、和/或技術不適用于實施本文，或不表示未在這些實例中描述的主題不包括在所附權利要求及其等同物的范疇之內。
[0107]均勻度指數(shù)測暈。
[0108]將纖維網樣品置于燈箱上，其利用LED陣列提供來自照明板的均勻透射光。使用數(shù)字相機給不同尺寸的樣品拍照，其具有期望的百萬像素數(shù)。
[0109]均勻度指數(shù)的計算包括以下步驟:
[0110](i)首先將像素域分成一系列2X2的像素塊。將這一分層定義為層I。
[0111](ii)現(xiàn)在參見圖10中的層1，像素塊AA’的百分比差異(“ro”)值如下計算:
[0112]PD (A，A，)= 100 Σ Abs (L1-Lj) / (6 X 256)
[0113]其中Li是像素i的光度值，并且總和是經i < j，j = I至4，因此在總和中有6項，并且光度具有256的標度范圍。
[0114](iii)像素塊AA’的絕對光度(“AL”)如下計算:
[0115]AL(A，A，)=Σ V4
[0116]其中總和為i = I至4。
[0117](iv)計算水平I中的全部2X2像素塊的H)和AL值，并且層I的UI
[0118]值隨后如下計算:
[0119]UI1 =[所有像素決ro (m, η)的SD] X [所有像素塊PID (m, η)的平均值]X [所有像素塊AL (m，η)的SD]
[0120]其中SD是指標準偏差。
[0121]圖10示出在水平I中的塊ΑΑ’現(xiàn)在變成水平2中的單塊元件。隨后層2重復上述工序至圖像能夠承受的最大層數(shù)，其中層的清晰度見于圖11。例如，層I由塊組成，所述塊由2X2像素方塊組成。層2由四個塊(2X2)組成，其中每個塊不由像素方塊組成，而是由來自層I的2X2像素塊組成。層3由四個塊組成，其中每個決由來自層2的4X4像素塊組成，并且直至圖像不能承受任何更高的水平。
[0122]隨后將均勻度指數(shù)(UI)定義為圖像中所有層的平均UI，即，[0123]UI =Σ UIj/N
[0124]其中總和是水平數(shù)并且N是圖像中的總層數(shù)。
[0125]較低的均勻度指數(shù)(UI)指示較均勻的纖維分布。
[0126]在下文中將采用以下實例對本發(fā)明進行更詳細的描述。拍攝在以下實例中的纖維網圖像并在樣品尺寸90X60cm，像素3000X2000下測量。
[0127]實例1:無靜電場。
[0128]使用如圖2所示的設備制備由低分子量(Mw)聚丙烯(PP)均聚物制成的連續(xù)纖維，該均聚物為 Metocene MF650Y,得自 LyondellBasell。它為 Mw_75, 381g/mol,并且溶體流動速率=1800g/10分鐘(230°C /2.16kg)。使用具有齒輪泵的PRISM擠出機通過供給管將聚合物熔體輸送到旋轉紡絲盤中。將來自熔體供給導管的紡絲熔體的溫度設為240°C。將盤加熱氣體設為260°C。將伸展區(qū)域加熱氣體設為150°C。將成形氣體設為30°C。將紡絲盤的轉動速度設定為常數(shù)10，OOOrpm。無中心氣體通過中空轉軸并且不使用抗旋轉輪轂。在中心無來自紡絲盤下的纖維網收集器的向上氣流。在這一測試期間不使用電場或離子充電。
[0129]納米纖維網在帶收集器上平鋪，具有15cm的平鋪距離。纖維尺寸使用掃描電子顯微鏡法(SEM)從圖像中測量，并且纖維經測定具有約平均值=430nm和中值=38Inm的平均纖維直徑。圖12(A)示出無移動帶的靜態(tài)平鋪的纖維網圖像。纖維旋轉圖案出現(xiàn)在紡絲盤下方的纖維網中心。纖維網均勻度指數(shù)為Π = 70.0935。在相同條件下，圖12(B)示出具有以22.5cm/min移動的帶的纖維網平鋪的纖維網圖像。纖維旋轉圖案沿著纖維網的中心區(qū)域出現(xiàn)。纖維網均勻度指數(shù)為Π = 10.8841。
[0130]實例2
[0131]利用與實例I相同的紡絲條件，將在圖13(A)中示出的納米纖維網平鋪在帶收集器上，其具有90cm的平鋪距離，不具有電場或電荷。帶速度為22.5cm/min。圖13(A)示出所得纖維網。纖維網均勻度指數(shù)為Π = 10.4638。
[0132]圖13(B)示出在相同紡絲條件下具有15cm的平鋪距離并具有靜電充電的纖維網的纖維網圖像。通過使用的中空轉軸和抗旋轉輪轂(在圖5中為527)施加中心氣體。纖維網均勻度指數(shù)為UI = 0.15294。
[0133]實例3
[0134]使用如圖2所示的設備制備連續(xù)纖維，該纖維由高分子量PP和低分子量PP的聚丙烯(PP) 50%/50%共混物制成。高分子量PP是Marlex HGX-350，其得自Phillips Sumika0其分子量=292，079g/mol，并且熔體流動速率=35g/10分鐘(230°C /2.16kg)。低分子量PP是在實例I中使用的Metocene MF650Y，其得自LyondellBasell。其分子量=75，38Ig/mol，并且熔體流動速率=1800g/10分鐘(230°C /2.16kg)。
[0135]使用具有齒輪泵的PRISM擠出機通過供給管將聚合物熔體輸送到旋轉紡絲盤中。將來自熔體供給導管的紡絲熔體的溫度設為260°C。將齒輪泵速度設為約5g/min的熔體進料速率，壓力常數(shù)為12psi。將盤加熱氣體設為280°C。將伸展區(qū)域加熱氣體設為180°C。將成形氣體設為30°C和15SCFM。將紡絲盤的旋轉速度設為恒定10，OOOrpm0帶速度為22.5cm/min0
[0136]納米纖維網在帶收集器上平鋪，具有14cm的平鋪距離。纖維尺寸使用掃描電子顯微鏡法(SEM)從圖像中測量，并且纖維經測定具有約平均值=640nm和中值=48Inm的平均纖維直徑。
[0137]通過轉軸至輪轂的中心氣體設為30°C，并且不進行充電，圖14(A)示出的纖維網圖像具有纖維網均勻度指數(shù)Π = 17.6782。纖維絲束出現(xiàn)在纖維網中。
[0138]在收集器帶上具有+50kV和0.6mA的雙重高電壓充電，在電暈環(huán)上具有_12kV和0.6mA，不具有氣體管理，圖14(B)示出纖維網均勻度指數(shù)為UI = 5.07558。存在纖維旋轉圖案的條帶，其仍然出現(xiàn)在紡絲盤下方的纖維網中心。具有雙重充電和氣體管理，圖15示出纖維網均勻度指數(shù)為UI = 2.36221。
[0139]實例4
[0140]使用如圖1所示的設備制備連續(xù)纖維，其由聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)均聚物PET F61制成，該均聚物得自Eastman Chemical。使用具有齒輪泵的PRISM擠出機通過供給管將聚合物熔體輸送到旋轉紡絲盤中。將來自熔體供給導管的紡絲熔體的溫度設為260°C。將齒輪泵速度設為約5g/min的熔體進料速率，壓力常數(shù)為12psi。將盤加熱氣體設為280V。將伸展區(qū)域加熱氣體設為180°C。將成形氣體設為30°C。將紡絲盤的轉動速度設定為常數(shù)10，OOOrpm0平鋪帶以22.5cm/min移動。
[0141]納米纖維網在帶收集器上平鋪，具有14cm的平鋪距離。纖維尺寸使用掃描電子顯微鏡法(SEM)從圖像中測量，并且纖維經測定具有約平均值=730nm和中值=581nm的平均纖維直徑。 [0142]將通過轉軸的中心氣體設為30°C，其具有中心向上的氣流，并且不進行充電。圖16(A)示出纖維網圖像，其具有纖維網均勻度指數(shù)Π = il.2202。纖維絲束出現(xiàn)在纖維網中。
[0143]在收集器帶上具有+50kV和0.6mA的雙重高電壓充電，在電暈環(huán)上具有12kV和
0.6mA，并且不具有氣體管理，圖16(B)示出纖維網均勻度指數(shù)為Π = 7.4186。存在纖維旋轉圖案的條帶，其位于紡絲盤下方的纖維網中心。具有雙重充電和氣體管理，圖17示出纖維網均勻度指數(shù)為UI = 0.66408。
[0144]實例5
[0145]使用如圖1所示的設備制備連續(xù)纖維，其由聚丁烯(PB)均聚物PB0801M制成，該均聚物得自LyondellBasell。使用具有齒輪泵的PRISM擠出機通過供給管將聚合物熔體輸送到旋轉紡絲盤中。將來自熔體供給導管的紡絲熔體的溫度設為210°C。將齒輪泵速度設為約5g/min的熔體進料速率，壓力常數(shù)為12psi。將盤加熱氣體設為240°C。將伸展區(qū)域加熱氣體設為110。將成形氣體設為30°C。將紡絲盤的轉動速度設定為常數(shù)10，000rpm。平鋪帶以22.5cm/min的速度移動。
[0146]納米纖維網在帶收集器上平鋪，具有14cm的平鋪距離。纖維尺寸使用掃描電子顯微鏡法(SEM)從圖像中測量，并且纖維經測定具有530nm的平均纖維直徑，其中值為481nm。
[0147]將通過轉軸的中心氣體設為30°C和2SCFM，并且具有中心向上的氣流，不進行充電，圖18(A)示出纖維網圖像，其具有纖維網均勻度指數(shù)Π = 19.93854。纖維絲束出現(xiàn)在纖維網中。
[0148]在收集器帶上具有+50kV和0.6mA的雙重高電壓充電，在電暈環(huán)上具有_12kV和
0.6mA，并且不具有氣體管理，圖18(B)示出纖維網均勻度指數(shù)為UI = ?5.5067。存在纖維旋轉圖案的條帶，其位于紡絲盤下方的纖維網中心。具有雙重充電和氣體管理，圖19(C)示出纖維網均勻度指數(shù)為UI = 0.74313。
[0149]實例6
[0150]使用源自ITW Automotive Finishing Group 的標準 ITW TurboDisk 霧化器制備了連續(xù)纖維，所述霧化器具有專用的20孔的渦輪盤以及用于高電壓和渦輪速度控制的控制機罩。在紡絲工藝期間，使用“脈沖跟蹤系統(tǒng)”來保持旋轉式霧化器的恒定速度。溶液粘度在25°C為12.5PaS。使用30cm的平坦紡絲盤。使用了 12.0%的Mw為約300，000的聚(環(huán)氧乙烷)和88.0%的水構成的紡絲溶液。紡絲溶液的流量為200cc/min，并且盤旋轉速度為21，000rpm。高電壓由主電源電壓提供。在這一測試期間高電壓以約73kV運行。將成形氣體設為25 °C。平鋪帶以20英寸/分鐘移動。
[0151]纖維尺寸從SEM圖像中測量，并且纖維經測定具有254nm的平均纖維直徑，具有222nm的中值。圖20示出纖維網均勻度指數(shù)為UI = 2.02494。
[0152]在本說明書中，除非在使用情況下另外明確指明或相反指示，在本發(fā)明主題的實例被論述或描述為包含、包括、含有、具有某些特征或要素、由某些特征或要素組成或由某些特征或要素構成時，除了明確論述或描述的那些之外，一個或多個特征或要素也可存在于實例中。然而，本發(fā)明主題的可供選擇的實例可被論述或描述為基本上由某些特征或要素組成，其中將實質性改變工作原理或實例的區(qū)分特性的實例特征或要素不存在于本文中。本發(fā)明主題的另一個可供選擇的實例可被論述或描述為由某些特征或要素組成，在所述實例或其非本質變型中，僅存在所具體論述或描述的特征或要素。
[0153]凡在本文中給出或確定某一數(shù)值范圍之處,所述范圍包括其端點，以及位于所述范圍內的所有單獨整數(shù)和分數(shù)，并且還包括由其中這些端點和內部整數(shù)及分數(shù)的所有各種可能組合形成的每一個較窄范圍，以在相同程度的所述范圍內形成更大數(shù)值群的子群，如同明確給出了這些較窄范圍中的每一個一樣。當本文的數(shù)值范圍被表述成大于指定值時，所述范圍仍然是有限的，并且被本文所述的發(fā)明上下文內可操作的值限定其上限。當本文所述的數(shù)值范圍被表述成小于指定值時，所述范圍仍然被非零值限定其下限。
[0154]在本說明書中，除非在使用情形下另外明確指明或有相反指明，否則，
[0155](a)化合物、單體、低聚物、聚合物和/或其它化學材料的列表除了成員中任一種和/或它們的相應衍生物中任一種的兩種或更多種的混合物之外，還包括列表中成員的衍生物；
[0156](b)本文給出的數(shù)量、尺寸、范圍、配方、參數(shù)、以及其他量和特性，尤其是當用術語“約”修飾時，可以但不必是精確的，并且還可為近似和/或大于或小于(如所期望的)所述的，在本發(fā)明的上下文中，表達公差、轉換因子、數(shù)值修約、測量誤差等，以及包含在其以外的那些值的所述值中具有與所述值相當?shù)膶嵱眯院?或可操作性；
[0157](c)術語“基本上”定義為意指:如果將參數(shù)描述為在指定條件或指定值下“基本上”，則該參數(shù)的條件或數(shù)值雖然不同于指定條件或值，但是不影響本發(fā)明的功能，將認為它們在指定條件或值下，在參數(shù)描述的范圍內為“基本上”。
【權利要求】
1.用于平鋪來自離心式紡絲工藝的納米纖維網的方法，所述方法包括以下步驟 (i)在纖絲排放點處將熔融聚合物或聚合物溶液的纖絲或纖維形式的纖維流從旋轉構件排放到基本上平行于纖絲排放方向的氣流場中， (ii)使所述纖維流變細，以及 (iii)通過氣流場將所述變細的纖維流引導至收集器的表面上以形成納米纖維網， 其中將所述纖維流沿它們從所述排放點至所述收集器表面的全部或至少一部分途徑充電。
2.根據權利要求1所述的方法，其中當在90X60cm的樣品尺寸、3000X2000的像素下測量時，所述纖維網具有0.1至5的均勻度指數(shù)范圍。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟(ii)的變細由從所述排放點噴出纖絲的離心力形成。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述納米纖維通過基本上垂直于所述收集器表面的成形氣流而被引導至所述收集器。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述氣流場在步驟(iii)中還包括進入所述收集器表面的至少一部分的氣流，其中所述氣流基本上從介于所述旋轉構件主體和所述收集器表面之間的區(qū)域垂直于所述收集器。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述氣流場在步驟(i)中包括來自噴嘴的氣體，所述噴嘴具有位于杯或盤的半徑上的開口，并且所述氣流以與所述半徑成介于O度和60度之間的角度且在與所述盤的旋轉方向相反的方向上被引導。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述旋轉構件包括盤或杯，并且纖絲從所述盤或杯的表面的邊緣排出或從位于所述表面或杯之中或之上的孔中排出。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述紡絲工藝還包括用離心力使所述纖絲變細和冷卻所述變細纖絲或允許所述變細纖絲冷卻并形成納米纖維的步驟。
9.根據權利要求1所述的方法，其中通過向所述旋轉構件、所述纖絲、所述收集器表面、位于所述收集器表面附近的結構、或這些位置的任何組合施加電荷，所述纖絲獲得它們相對于所述收集器的電荷，并且所述電荷是相對于位于旋轉構件、所述纖絲、所述收集器表面、位于所述收集器表面附近的結構、或這些位置的任何組合上的地電位的。
10.根據權利要求1所述的方法，其中僅向所述收集器施加電荷并且所述聚合物為極性聚合物。
11.根據權利要求9所述的方法，其中通過由電暈放電產生的離子流向所述纖絲施加電荷。
12.根據權利要求1所述的方法，其中向所述環(huán)帶形狀的收集器施加真空。
13.根據權利要求1所述的方法，還包括由在其中獲得的所述纖維網制備制品的步驟。
14.根據權利要求11所述的方法，其中所述制品包括電池分隔體。
15.用于平鋪來自離心式紡絲工藝的納米纖維網的方法，所述方法包括以下步驟: (i)從圍繞軸旋轉并位于紡絲頭中的旋轉盤或杯的表面將聚合物熔體噴入氣體或惰性氣體，其中熔融纖絲在基本上垂直于所述盤或杯的旋轉軸線的方向上離開所述表面并進入在纖維收集器和所述紡絲頭之間形成的電場中；并且其中所述纖絲被所述離心力變細并冷卻以形成納米纖維，所述納米纖維具有小于1，OOOnm的數(shù)均纖維直徑；(ii)向所述聚合物熔體、所述熔融纖絲、所述納米纖維、或這三個位置的任何組合施加電荷； (iii)用成形氣流將所述納米纖維引導至收集器，所述收集器具有與以上(ii)中所述纖維上的電荷相反的電荷； (iv)在所述收集器上收集所述聚合物納米纖維； 其中位于所述紡絲頭和所述收集器之間的氣體紊流運動受到噴氣流的抑制，并且其中區(qū)域鄰近并接觸所述收集器存在，其中所述纖維的所述運動由所述納米纖維和所述收集器之間的電勢差控制，并且不受所述成形氣流的影響。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述噴氣流來自噴嘴，所述噴嘴具有位于所述杯或盤的半徑上的開口，并且所述氣流以與所述半徑成介于O度和60度之間的角度且在與所述盤的旋轉方向相反的方向上被引導。
17.用于制備聚合物納米纖維的熔體紡絲設備，所述設備包括: (i)具有一個或多個排放點的旋轉構件的第一表面，所述排放點允許紡絲流體流以纖維或纖絲的形式從其中流出； (ii)用于將離子流引導至所述紡絲流體、或者引導至所述纖維或纖絲、或者纖維或纖絲和紡絲流體二者的裝置，使得所述離子流在所述纖維上產生電荷； (iii)收集帶，其具 有與以上(ii)中所述纖維上的電荷相反的電荷。
【文檔編號】D04H1/732GK103998667SQ201280062406
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權日:2011年12月21日
【發(fā)明者】黃滔, J.E.阿爾曼特勞特, T.W.哈丁, T.P.戴利, J.J.克羅夫特, C.薩奎恩, G.C.卡特林 申請人:納幕爾杜邦公司