專利名稱：用于形成有序排列纖維的電紡絲工藝和設備的制作方法
用于形成有序排列纖維的電紡絲工藝和設備優先權本申請要求2009年7月22日提交的題為“ELECTROSPINNING PROCESS AND APPARATUS FOR ALIGNED FIBER PRODUCTION” 的美國專利申請第 12/507116 的優先權。
背景技術：
以及

發明內容
本發明涉及用于生產有序排列電紡絲纖維的工藝和設備，并且更確切地涉及用于形成具有納米級或微米級尺寸的電紡絲纖維的工藝和相關設備。電紡絲是使用電荷從液體進料中抽吸出微米或納米級纖維的纖維成形工藝，且電紡絲共享對纖維進行電噴霧以及傳統方案的干式紡絲的特征。有利的是，此種成形工藝并非是入侵式的，并且無需使用凝結化學物或高溫來產生固體絲狀體。這些方面致使該成形工藝尤其適合于使用大且復雜的分子來生產纖維。也可從熔融前體實施無溶劑電紡絲，確保沒有溶劑留在最終產物中。一種用于電紡絲的常規實驗室裝置包括噴絲頭(通常是皮下注射器針)和接地集電板，該噴絲頭連接于高壓(5至50kV)的直流(DC)電源。液體進料(例如，溶液、懸浮液、 熔融物等等)例如使用注射泵或集液箱來穿過針梢端，且該注射泵或集液箱可提供恒定的進料速度、進料壓力之類。與集液箱相關聯的恒定壓力進給對于較低粘度的進給料會是有利的。當充分的高壓施加于液滴時，液滴本體帶電，靜電斥力反作用于表面張力，且液滴被拉伸。在臨界點處，液流從液滴表面噴出，并形成所謂的泰勒錐體。如果液體的分子凝聚力充分小，則在液滴被電噴出時，液流會分解成多個液滴。另一方面，如果液體的分子凝聚力充分大，則液流分解不會發生，并且會形成帶電的液體束。 液體束會以合適的電勢吸引至其它帶電物體。隨著液體束在飛行中變干，由于電荷遷移至纖維表面，電流模式從歐姆變成對流。 液體束由在纖維中小彎曲部處啟始的靜電斥力所引起的振蕩過程拉長，并最終沉積在接地集電極上。纖維由于此種彎曲不穩定性而產生的拉伸和變薄會致使形成具有均勻直徑的纖維。電紡絲的應用包括催化、過濾介質、用于容納纖維混合物的充填物以及用于組織工程學的臺架。然而，一些纖維應用會受所產生的纖維層的沉積型式所限制。值得注意的是，如此紡成纖維的有序排列會增大適用這些纖維的應用場合的數量。例如，可使用有序排列纖維來制造光學偏振器。因此，有利的是，提供能夠提供有序排列纖維收集并且對于纖維尺寸進行控制的高產量電紡絲工藝，同時保持與寬范圍纖維成形材料的兼容性。本發明的這些和其它方面以及優點可經由纖維成形工藝來實現，該纖維成形工藝包括形成纖維流，該纖維流包括導電流體，且該纖維流由纖維成形模塊形成，而該纖維成形模塊以第一 DC電壓偏壓，將纖維流引導至收集器處，該收集器包括多個電極，且每個電極以第二 DC電壓偏壓，通過將時變電壓施加于這些電極中的至少一個電極而將纖維流吸引至電極中的依次電極，以及將纖維流沉積在依次的成對電極之間，使得所沉積的纖維在相應的電極對之間有序排列。
一種用于形成有序排列電紡絲纖維的設備，該設備包括纖維成形模塊，纖維收集模塊，該纖維收集模塊具有多個電極，以及時變電壓電源，其中，時變電壓電源構造成為電極中的一個或多個提供時變電壓。在下面的詳細描述中將闡述本發明的其它特征和優點，它們對本領域的技術人員來說部分地可從該說明書中變得顯而易見，或可通過如本文(包括下面的詳細描述、權利要求書以及附圖)所述那樣來實踐本發明認識到。應予理解的是，上面的總體說明和下面的詳細說明都提供了一些實施例，且這些實施例意在提供概況或框架以便理解如所要求保護的本發明的性質和特征。包括附圖以提供進一步理解，附圖包含在該說明書中并構成該說明書的一部分。附圖示出各實施例并與說明書一起用于解釋各種原理和操作。


圖1是用于形成線性有序排列纖維的電紡絲試驗裝置的示意圖；圖2是結合圖1所示設備而使用的變壓器連接的示意圖；圖3是線性有序排列纖維的光學照片；圖4是用于形成三角性構造的線性有序排列纖維的電紡絲試驗裝置的示意圖；圖5是結合圖4所示設備而使用的變壓器連接的示意圖；圖6是三角形構造的線性有序排列纖維的光學照片；圖7是使用任意波形發生器的電紡絲試驗裝置的示意圖；圖8是結合圖7所示設備而使用的變壓器連接的示意圖。
具體實施例方式本發明總地涉及一種電紡絲工藝以及用于形成有序排列電紡絲纖維的附帶設備。 該工藝和設備通過將時變(例如，交流)電壓施加于多電極(即，多觸件)連接件而臨時地控制纖維沉積的位置和定向。通過將不同的時變電壓施加于一個或多個電極，最大程度地電吸引纖維的電極隨時間而改變，當纖維被抽吸至電極時，這會誘使纖維有序排列。如本文所使用的那樣，時變電壓是隨時間而改變的任何電壓。時變電壓的具體示例是AC電壓，該AC電壓通常包括以規律的間隔改變極性的電壓。在本文所披露的各種實施例中，可參照AC電壓或AC電源。應理解的是，雖然參照AC電壓來描述各個實施例，但還可使用任何其它的時變電壓。圖1是根據一個實施例的用于形成線性有序排列纖維的電紡絲試驗設備100的示意圖。在纖維成形模塊101中，液體進料110使用注射泵115泵送至分配針117，該分配針 117連接于多相DC電源120。所形成的纖維130行進至收集器140，在此，根據所施加AC電壓的瞬時極性，該纖維由上電極142或下電極144所吸引。通過將上電極和下電極放置在諸如玻璃基片150之類的基片附近，纖維130可在玻璃基片150上在上電極和下電極之間線性有序排列。如圖1的實施例所示，可基本上水平地朝向收集器140引導纖維130。在替代實施例中，纖維成形模塊和收集器可設置成使得在非水平平面中朝向收集器引導該纖維。例如，能以傾斜角或基本上垂直地朝向收集器弓丨導纖維。
在圖1中，多相DC電源120連接于下電極144。該多相DC電源還經由隔離變壓器190而連接于上電極142。為了控制電極極性，單相120伏AC電源180經由可調變壓器 181和隔離變壓器190連接于上電極142。隔離變壓器用于將AC中性信號、單相AC電源和 DC電源連接于上電極142。在圖2中示出圖1所示的隔離變壓器連接的細節。隔離變壓器190的輸入包括來自于多相DC電源120的DC輸入125、來自于單相AC電源180的AC輸入185以及AC中性輸入165。DC輸入連接于隔離變壓器的次級繞組，而AC輸入連接于初級繞組。經組合的 DC+AC輸出195連接于兩個電極中的一個電極(例如，上電極142)。在所披露的每個實施例中，多相DC電源可包括負DC輸出和正DC輸出，該負DC輸出連接于纖維成形模塊的分配針，而正DC輸出連接于電極。負DC輸出可在從-2kV至-20kV 的范圍內，而正DC輸出可在從+2kV至+20kV的范圍內。在一個實施例中，供給分配針的負 DC輸出是約-10kV，而供給電極的正DC輸出是約+5kV。單相AC電源可包括120V/60Hz的 AC電源。三相AC電源可包括208V三相電源。圖3是在纖維收集15秒之后使用圖1所示設備在載玻片350上所獲得的線性有序排列纖維300的光學照片。圖4是根據又一實施例的用于形成三角形構造的線性有序排列纖維的電紡絲試驗設備400的示意圖。如同先前的示例那樣，液體進料410使用注射泵415泵送至分配針 417，該分配針117連接于多相DC電源420。所形成的纖維430朝向收集器440抽吸并且行進至該收集器440。然而，在該示例中，收集器包括三個電極左上方電極441、右上方電極 443以及下電極444。通過對3相AC電壓信號向電極的應用進行控制，可在定位于電極附近的玻璃基片450上形成線性有序排列纖維的三角形構造。確切地說，當3相信號在電極中循環時，纖維430連續地吸引至相應電極441、443、444中的每個，使得以三角形型式沉積在玻璃基片450上的纖維在每個電極對之間線性有序排列。在圖4中，多相DC電源420經由相應的隔離變壓器492、494、496連接于左上方電極441、右上方電極443以及下電極444。三件一組的3相208伏AC電源482、484、486也經由相應的可調變壓器483、485、487以及隔離變壓器492、494、496連接于左上方電極441、 右上方電極443以及下電極444。圖4所示的有序排列纖維生產裝置包括與隔離變壓器的連接，以實現較高的AC電壓電平。與圖1中所使用的AC電源和隔離變壓器之間的單端AC連接相比，在圖4所示的實施例中，這些連接包括不同的輸入，其中兩個熱信號吸引至每個變壓器。也就是說，對隔離變壓器492、494、496的相應輸入包括AC電源482、484、486的三個不同3相輸出的成對排列。使用差別輸入，208伏3相電源改變為120/208伏3相電源。此種差別輸入方法產生與用在3相電源工業中所使用的“Y- Δ變換”類似的變換。在圖5中示意地示出示例隔離變壓器連接。參見圖5，隔離變壓器492的輸入包括來自于多相DC電源420的DC輸入425以及來自于3相AC電源482、484的一對異相AC輸入461、463。隔離變壓器494的輸入包括來自于多相DC電源420的DC輸入似6以及來自于3相AC電源484、486的一對異相AC輸入 465、467。隔離變壓器496的輸入包括來自于多相DC電源420的DC輸入427以及來自于 3相AC電源482、486的一對異相AC輸入469、471。為了使DC信號通至電極，DC輸入連接于每個相應隔離變壓器的次級繞組，而AC輸入連接于相應初級繞組。經組合的DC+AC輸入 452、妨4、456連接于相應電極。在表1中概括根據本實施例的輸入和輸出的幅值和相位。表1隔離變壓器的輸入和輸出
權利要求
1.一種用于形成有序排列電紡絲纖維的方法，所述方法包括形成纖維流，所述纖維流包括導電流體，且所述纖維流由纖維成形模塊形成，而所述纖維成形模塊以第一 DC電壓偏壓；將所述纖維流引導至收集器處，所述收集器包括多個電極，且每個電極以第二 DC電壓偏壓；通過將時變電壓施加于所述電極中的至少一個電極而將所述纖維流吸引至所述電極中的依次電極；以及將所述纖維流沉積在依次的成對電極之間，使得所沉積的纖維在相應的電極對之間有序排列。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一DC電壓和所述第二 DC電壓的乘積是負的。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述收集器還包括基片，所述基片定位在所述電極附近，且所述沉積包括將所述纖維沉積在所述基片上。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述纖維流基本上水平地引向所述收集器。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述纖維流基本上垂直地引向所述收集器。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述時變電壓是AC電壓。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述收集器包括第一電極和第二電極，且所述第一電極經由可調變壓器和隔離變壓器連接于單相AC電源。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述收集器包括第一電極、第二電極以及第三電極，且所述電極中的每個電極經由相應的可調變壓器和相應的隔離變壓器連接于DC 電源并且連接于三相AC電源。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述三相AC電源包括第一、第二以及第三相位信號，且所述第一隔離變壓器連接于所述第一和第二相位信號，而所述第二隔離變壓器連接于所述第二和第三相位信號，且所述第三隔離變壓器連接于所述第一和第三相位信號。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，經有序排列的纖維具有在0.1和2微米之間的平均直徑。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，經有序排列的纖維具有在0.4和1微米之間的平均直徑。
12.一種用于形成有序排列電紡絲纖維的設備，所述設備包括纖維成形模塊；纖維收集模塊，所述纖維收集模塊具有多個電極；以及時變電壓電源，其中所述時變電壓電源構造成為所述電極中的一個或多個提供時變電壓。
13.如權利要求12所述的設備，其特征在于，所述時變電壓電源是AC電壓電源，且所述時變電壓是AC電壓。
14.如權利要求12所述的設備，其特征在于，所述收集器包括第一電極和第二電極，且所述第一電極經由可調變壓器和隔離變壓器連接于單相AC電源。
15.如權利要求12所述的設備，其特征在于，所述收集器包括第一電極、第二電極以及第三電極，且所述電極中的每個電極經由相應的可調變壓器和相應的隔離變壓器連接于DC 電源并且連接于三相AC電源。
16.如權利要求15所述的設備，其特征在于，所述三相AC電源包括第一、第二以及第三相位信號，且所述第一隔離變壓器連接于所述第一和第二相位信號，而所述第二隔離變壓器連接于所述第二和第三相位信號，且所述第三隔離變壓器連接于所述第一和第三相位信號。
17.如權利要求12所述的設備，其特征在于，所述時變電壓電源是任意波形發生器，所述任意波形發生器適合于將時變電壓供給至所述多個電極中的每個電極。
全文摘要
一種用于形成有序排列電紡絲纖維的工藝和設備。時變(AC)電壓施加于多電極收集器，以瞬時地控制纖維沉積的位置和定向。
文檔編號D01D13/00GK102575385SQ201080043014
公開日2012年7月11日 申請日期2010年7月22日 優先權日2009年7月22日
發明者A·S·巴卡, D·M·德林 申請人:康寧股份有限公司