电纺装置及方法
发明领域
本发明涉及用于产生纤维结构的电纺装置。本发明还涉及电纺的方法。
背景技术
美国专利公开US2005/224999公开了一种用于生产纤维材料的电纺装置。装置具有配置成利用电场从挤出元件的尖端提取物质来电纺物质的挤出元件、收集器和封闭收集器和挤出元件的腔室。存在离子发生器以在装置的操作期间产生用于注入到腔室中的瑞利不稳定性区中的离子。
美国专利公开US2007/042069公开了一种纤维纺丝设备，其用于在操作期间使用邻近液体流的预期路径定位的点电极对含聚合物的液体流充电。例如，通过电晕放电产生离子流以向含聚合物的液体流给予电荷。
美国专利公开US2005/104258公开了一种电纺装置，其允许将聚合物从源极电极引导进入电场中，该电场驱动沉积在收集表面(即对电极或源极电极与对电极之间的收集表面)上的电纺纤维的形成。在对电极下的多个带电区域允许产生区域的图案，在此收集纤维。
电纺是产生直径为几十纳米至几十微米的连续纤维的方法。为了电纺纤维，合适的液化材料可以通过小的导电喷嘴供给。通过在喷嘴与对电极之间施加高电压，可以使液化材料带电。产生的电场引起喷嘴尖端处的液滴的锥形变形。一旦该液滴的表面张力被电力克服，就从液滴中形成射流，并且形成朝向对电极移动的纤维。在朝向对电极飞行期间，纤维通过作用在其上的不同的力被连续地拉伸和拉长，减小其直径并且允许其通过溶剂的蒸发或材料的冷却而固化，使得固体纤维沉积在放置在对电极之前的收集器上或直接用作收集器的对电极上。
电纺使用通过在喷嘴与收集器之间的高电压电势产生的电场，以从喷嘴尖端处的液滴产生纤维。在替代的配置中，例如从液浴、液体覆盖的球、液体填充的开口或液体覆盖的线拉制纤维。
拉伸后，纤维沉积在收集器表面上。然而，即使具有导电的收集器表面，残余电荷也可能保留在沉积的纤维内。这些残余电荷对该过程具有不利影响，因为它们在纤维到达收集器的后续部分中起到排斥力的作用。这些残余电荷不总是容易有效地去除，即使使用导电的收集器。最终，纤维没有与收集器直接接触，而是与下面的导电性差的纤维直接接触。
提出了几种方法来改善沉积的纤维结构处的残余电荷的去除/中和。然而，这些方法或依赖于减少在半空中的纤维上的电荷，或用离子轰击收集器表面以改变纤维结构上的电荷，参见例如专利公开WO2016/147951。在WO2016/147951中，描述了一种纳米纤维制造设备，其配备有收集单元、排出单元、电源单元和除电单元。收集单元从一个端部分配沉积物接收材料，并且在另一个端部处收集沉积物接收材料。排出单元排出原料液体，并且将纳米纤维沉积在收集表面上。电源单元在排出单元与收集表面之间产生电势差。除电单元去除用来对沉积的纳米纤维进行充电的电荷。可旋转的主体使收集表面交替地面向排出单元和除电单元。除电单元跨收集表面的整个宽度延伸。
发明内容
本发明的目的在于提供改善的电纺装置。
本发明的第一方面提供电纺装置，包括：
-容器，其用于容纳包含聚合物熔体或聚合物溶液的液体；
-喷嘴，其布置成从容器中排出液体的流；
-收集表面，其用于在电纺过程期间收集来自喷嘴的电纺的材料，以便在收集表面上形成纤维结构；
-电压供应系统，其布置成在喷嘴与收集表面之间产生电压差，
-一个或多个静电发射器，其布置成将正离子和/或负离子局部分布在纤维结构和收集器表面上，以及
-一个或多个可旋转的主体，其布置成使收集表面轮流面向喷嘴和静电发射器。
本发明采用使用离子以局部方式改变沉积的纤维结构上的电荷的已知技术。为了实现这一点，一个或多个静电发射器可以是相对小的并且靠近收集表面/纤维结构的表面定位，并且具有例如半径仅为5mm至10mm的围绕发射器的有效区域。这种新技术提供了对收集器/纤维结构的某些区域的吸引/排斥的精确控制，用于随后的纤维沉积。这使得能够局部地积累纤维，其使得能够进行纤维结构图案化。因此，先前被认为是问题(即在制造期间在纤维结构中积累电荷)的点现在被本发明使用成它的优点。
任选地，装置包括可旋转的圆柱体，可旋转的圆柱体的表面形成收集表面。
任选地，装置包括至少两个可旋转的主体和围绕两个可旋转的主体布置的环形传送带，其中带的表面形成收集表面。
任选地，收集表面布置在喷嘴与一个或多个静电发射器之间。这允许使收集表面与可旋转的主体组合以轮流(即随后)面向喷嘴和一个或多个静电发射器。此外，由于在该实施方案中，当从喷嘴观察时，静电发射器位于收集表面的相对侧，因此静电发射器将对电纺装置中由离开喷嘴的射流形成纤维的区域(即瑞利不稳定性区域)具有较小的影响。
任选地，静电发射器布置成一行。
任选地，静电发射器布置成阵列。
任选地，静电发射器在平行于可旋转的主体的旋转轴线的方向上可移动。
任选地，静电发射器包括离子发生器。
任选地，装置包括控制单元，所述控制单元布置成控制静电发射器，以便在纤维结构中产生图案。
根据另一个方面，提供电纺的方法，包括：
-将包含聚合物熔体或聚合物溶液的液体容纳在容器中；
-通过至少一个喷嘴从容器中放出液体的流；
-在喷嘴与收集表面之间产生电压差；
-收集来自喷嘴的电纺的材料，以便在收集表面上形成纤维结构；
-借助于一个或多个静电发射器将正离子和/或负离子分布在纤维结构上；
-借助于一个或多个可旋转的主体旋转收集表面，使收集表面轮流面向喷嘴和一个或多个静电发射器。
任选地，方法还包括控制静电发射器以便在纤维结构中形成图案的步骤。
附图简述
根据在下文描述的实施方案，本发明的这些和其它方面是显而易见的，并且将参考在下文描述的实施方案阐述本发明的这些和其它方面。在附图中，
图1示意性地示出了电纺装置的实施方案；
图2示意性地示出了根据本发明的实施方案的电纺装置；
图3示意性地示出了根据本发明的其它实施方案的电纺装置；
图4示出了根据本发明的其它方面的电纺方法的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了电纺装置的实施方案。出于质量或安全的原因，电纺装置1可以布置在壳体(图1中未示出)内。电纺装置1可以包括用于容纳包含聚合物熔体或聚合物溶液的液体的容器2，和布置成从容器2中排出液体的流的喷嘴3。电纺装置1还包括用于在电纺过程期间收集来自喷嘴3的电纺的材料的收集表面4。电压供应系统5可以布置成在喷嘴与收集器之间产生电压差。电压供应系统5可以包括至少一个AC或DC电压供应以产生电压差，或者它可以包括两个电压供应，一个在收集表面4与地之间产生电压差并且一个在喷嘴3与地之间产生差。由于施加的电压，产生了从喷嘴3飞出至收集表面4的电纺的纤维，在收集表面4上收集以形成电纺的纤维结构8。
在图1中示出的实施方案中，装置1还包括一个或多个静电发射器10，其布置成将正离子和/或负离子局部分布在纤维结构和/或收集器上，从而局部地改变纤维结构8的电荷，并且因此吸引或排斥进入的“飞行”纤维。静电发射器10例如是诸如离子发生器的静电发射器(离子发生器)。此外，装置1包括可旋转的主体6，其布置成依次使收集表面轮流(或者是位置上交替地，并且因此在操作期间也是时间上交替地)面向喷嘴3和静电发射器10。在这一实施方案中，可旋转的主体是可旋转的圆柱体6，其表面形成收集表面4。可旋转的圆柱体6布置在由发动机(未示出)驱动的轴7上。
在图1示出的实施方案中，静电发射器10布置成一行。在图1的实例中，静电发射器10布置成在两个连续的静电发射器10之间具有等距的间隔的阵列。每个静电发射器10布置成在距离Di内将正离子和/或负离子分布在纤维结构8上。该距离小于可旋转的圆柱体6的宽度W，并且因此小于收集表面4的宽度。注意，在其它实施方案中，静电发射器10可以布置成具有任意的中间间隔，即非等距的间隔。静电发射器10可以是相对小的，并且靠近收集表面4的表面定位(并且因此靠近纤维结构8)。静电发射器是例如针状或尖峰状的，并且可以具有半径仅为5mm至10mm的围绕发射器10的有效区域。
装置1还可以包括控制单元15，所述控制单元15布置成控制静电发射器10，以便在纤维结构8中产生图案，如以下将解释。
例如，当喷嘴3的尖端部分带正电时，沉积在收集表面4上的纤维结构8具有正电荷。在这种情况下，由于带正电的纤维8相互排斥，因此很难连续地沉积纤维。通过使用负离子发生器将负离子局部分布在纤维结构8上，可以局部中和已经沉积的纤维的正电荷。因此，一旦收集表面再次面向喷嘴3，在这些局部中和的位置处，纤维将被吸引，而在仍然带正电的位置处，新的纤维将被排斥。以这种方式，可以在纤维结构中产生图案。应注意，除了中和纤维结构的某些位置，它们可以是带负电的，得到相同或有时甚至更好的结果。
图2示意性地示出了根据本发明的实施方案的电纺装置1。装置1类似于图1中示出的装置，但在图2中，静电发射器10在平行于可旋转的主体6的旋转轴线(即平行于轴7的纵向方向)的方向上可移动。这由箭头表示。在该实例中，一些静电发射器11是静止的，一些是单独可移动的(参见12)，而一些是共同可移动的(参见13)。技术人员应清楚，可以想到可移动和不可移动的(静态的)静电发射器的许多组合。
如以上参考图1提及，通过分别在收集表面的纤维结构上提供正离子或负离子，纤维结构被局部充电或放电。控制单元15可以布置成控制静电发射器10，以便在纤维结构8中产生图案。例如，在第一阶段中，控制单元15可以同样地启动所有的静电发射器10，所述静电发射器10可以覆盖收集表面4的整个宽度W。这将在收集表面4上形成基本上平坦的纤维层。在第二阶段中，控制单元15可以启动两个静电发射器10，所述两个静电发射器10以距离L彼此远离，并且具有Di和Dj的有效放电区域。一旦进行第二阶段，纤维结构将包含其上具有两个边缘的底层，所述两个边缘具有约K＝L-Di/2-Dj/2的实值距离K。以这种方式，可以制造具有环的所有类型的图案。通过在收集器的旋转期间在各个发射器之间切换，其它投射图案(不限于)如正方形、条纹和圆是可能的。
图3示意性地示出了根据本发明的其它实施方案的电纺装置30。装置30包括两个可旋转的主体34、35和围绕两个可旋转的主体34、35布置的环形传送带36，其中带36的表面形成用于纤维网4的收集表面/载体。在图3的实施方案中，装置30还包括对电极31。通过在喷嘴3与对电极31之间施加电压差，当收集表面4位于喷嘴3与电极31之间时，在喷嘴3与收集表面4之间产生电场。电极31可以具有各种各样的配置，例如梁形或板形。在实施方案中，带36将由聚合物制成，并且因此表现出电绝缘性质。带36应足够薄以使电场通过，但本质上将限制电荷从纤维结构至对电极31的释放。应注意，可以使用多于两个的可旋转的主体来沿着收集位置、充电或放电位置，以及可能的用于额外加工纤维结构的一些其它位置引导带36。
图3示出了静电发射器38，其表示沿着带的表面在平行于可旋转的主体34、35的旋转轴线的方向上布置的一整行的多个静电发射器38。尽管优选多个静电发射器38，但仅单个静电发射器38也能在纤维结构中产生图案。图1和图2的静电发射器10的数量也如此。
在图1至图3中示出的实施方案中，收集表面4布置在喷嘴3与一个或多个静电发射器10、38之间。这允许使收集表面4与可旋转的主体6组合以轮流(即随后)面向喷嘴3和一个或多个静电发射器10、38。此外，由于当从喷嘴3观察时，静电发射器10、38位于收集表面4的相对侧，因此静电发射器10、38将对电纺装置中由离开喷嘴3的射流形成纤维的区域(即瑞利不稳定性区域)具有较小的影响。
可以想到替代的布置，只要静电发射器10、38的定位使得在收集表面4上形成的纤维结构8轮流(即在操作期间随后)面向喷嘴3和静电发射器10、38即可。
图4示出了根据本发明的其它方面的电纺方法40的流程图。方法40包括将包含聚合物熔体或聚合物溶液的液体容纳在容器中，参见步骤41。此外，方法包括通过喷嘴3从容器中放出液体的流，参见步骤42。此外，方法包括在喷嘴与收集表面之间产生电压差43。此外，方法包括收集来自喷嘴的电纺的材料，以便在收集表面上形成纤维结构，参见步骤44。此外，方法包括借助于一个或多个静电发射器将正离子和/或负离子局部分布在纤维层上，参见步骤45。
最后，方法包括借助于一个或多个可旋转的主体旋转收集表面，使收集表面交替面向喷嘴和一个或多个静电发射器10，参见步骤46。
图4中示出的方法还可以包括控制静电发射器以便在纤维结构中形成图案的步骤。
应注意，以上提及的实施方案例示而非限制本发明，并且本领域技术人员应能够设计出许多替代的实施方案。
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