高通量電吹方法
2023-10-10 11:44:39 2
專利名稱：高通量電吹方法
技術領域：
本發明涉及通過高通量電吹工藝形成纖維網的方法。
背景技術：
溶液紡絲方法常用於製造纖維和非織造織物，並在某些情況下具有高通量的優 點，使得可大批量、商業化生產纖維或織物。這些方法可用於製備纖維網，其中這些纖維網 可用於醫用衣服、過濾器和其他需要選擇性屏障的最終用途。可利用具有小直徑的纖維來 提高這些類型的纖維網的性能。—類稱為電吹法的溶液紡絲方法通過在存在電場的情況下使與吹入氣體結合的 聚合物溶液通過紡絲噴嘴進行紡絲來製備超細纖維。然而，期望在不損害纖維的均勻性和產品質量的情況下增加此方法的通量來提高 工藝效率並降低製造成本。發明概述本發明為纖維紡絲方法，所述方法包括以下步驟向噴絲頭提供聚合物溶液，該聚 合物溶液包含溶解於在25°C下至少具有約6kPa蒸氣壓的至少一種溶劑中的至少一種聚合 物；在存在電場的情況下沿著遠離噴絲頭中的至少一個紡絲噴嘴的方向，排出與吹入氣體 結合的聚合物溶液，其中聚合物溶液以介於約6至約100毫升/分鐘/孔之間的排放速率 通過紡絲噴嘴排放；形成纖維；以及將所述纖維收集在收集器上。附圖簡述併入本說明書並為其組成部分的附圖與描述內容一起用於解釋本發明的原理。
圖1為根據本發明的用於製備纖維網的現有技術的電吹設備的示意圖。發明詳述本發明涉及用於多種客戶最終用途應用諸如過濾介質、能量存儲器隔膜、防護服 裝等的溶紡纖維網和織物。本發明採用電吹工藝將溶解於高蒸氣壓溶劑中的聚合物以高通量速率紡成纖維 或纖維網。用於製備纖維層的方法公開於國際公布號W02003/080905 (美國序列號 10/822, 325)中，該文獻據此以引用方式併入。圖1為可用於實施本發明方法的電吹設備 的示意圖，該設備採用如國際公布號W02003/080905中所述的電吹法(或「電吹紡絲法」)。 此現有技術的電吹方法包括將聚合物溶於溶劑所得的溶液從儲罐100通過噴絲頭102送 到施加了高電壓的紡絲噴嘴104，在聚合物溶液離開紡絲噴嘴104的同時將壓縮氣體或吹入氣體通過吹入氣體噴嘴106導向聚合物溶液從而形成纖維，並在由真空室114和鼓風機 112產生的真空下將所述纖維收集在接地的收集器110上形成纖維網。收集設備優選地為傳送收集帶，其設置在噴絲頭102和收集器110之間的靜電場 內。收集纖維層後，將所述纖維層導向收集器110下遊側上的收卷輥並旋擰在所述收卷輥 上。任選地，可將纖維網沉積到布置在傳送收集帶上的多種多孔稀鬆布材料的任何一種上， 諸如紡粘非織造物、熔噴非織造物、針刺非織造物、織造織物、針織織物、開孔薄膜、紙材以 及它們的組合。任選地，第二氣體可接觸噴絲頭下遊的纖維以幫助從纖維中趕走溶劑。當以高通 量速率電吹纖維時，必須將大量的溶劑從成纖聚合物溶液中移除。可將第二氣體設置為衝 擊纖維或將其用作吹掃氣體以幫助從整個紡絲區域中移除溶劑。為了以高通量或高排放速率進行纖維紡絲，可使用具有高蒸氣壓的溶劑。根據本 發明，優選在25°C下至少具有6kPa蒸氣壓的溶劑，更優選在25°C下至少具有IOkPa蒸氣 壓的溶劑，還更優選在25°C下至少具有20kPa蒸氣壓的溶劑。合適的具有高蒸氣壓的溶劑 包括甲醇(16. 9)、乙醇(7. 9)、丙酮(30. 8)、丁酮(12. 1)、二氯甲烷(58. 1)、1，2_ 二氯乙烷 (10. 6)、三氟乙酸(14. 7)、乙酸乙酯(12. 4)、四氫呋喃(21. 6)、氯仿( )、四氯化碳(15.4) 以及烴，包括戊烷(68. 3)、己烷2)、庚烷(6. 1)、環己烷(13)、甲基環己烷(6. 1)和苯 (12. 3)，其中括弧中的數字為這些溶劑在25°C下的蒸氣壓(單位為kPa)。蒸氣壓數據得自 「Organic Solvents" Volume 2, fourth edition, by John Riddick, William Bunger, and Theodore Sakano, John Wiley & Sons, 1986 ( "Organic Solvents，，,第 4 版第 2 卷，1986 年，John Riddick、William Bunger 禾口 Theodore Sakano, John Wiley & Sons),或得自溶 劑物理特性的Dipra 資料庫。 根據本發明，優選在25 °C下至少具有6kPa蒸氣壓的溶劑，更優選在25 °C下至少具 有IOkPa蒸氣壓的溶劑，還更優選在25°C下至少具有20kPa蒸氣壓的溶劑。聚合物溶液可在約0°C至溶劑沸點的溫度下進行紡絲。這些溶劑可用於製備聚合物溶液，這些聚合物溶液可以一定的排放速率進行紡 絲，該排放速率介於約6至約100毫升/分鐘/孔之間，更有利地介於約10至約100毫升 /分鐘/孔之間，並且最有利地介於約20至約100毫升/分鐘/孔之間。對可用於根據本發明的方法製備纖維層的聚合物無特別限制，只要其基本上以期 望的濃度溶解於所選溶劑中並可通過本文所述的方法紡成纖維即可。這些聚合物的實例通 常包括烴聚合物。適用於本發明的烴聚合物的實例包括聚烯烴、聚二烯、聚苯乙烯以及它們 的共混物。聚烯烴的實例包括聚乙烯、聚丙烯、聚(1-丁烯)、聚G-甲基-1-戊烯)以及它 們的共混物、混合物和共聚物。除了上述聚合物之外，其他實例包括聚碸、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、纖維素 酯、聚氯乙烯以及它們的共混物。聚(甲基)丙烯酸酯的實例包括聚甲基丙烯酸酯和聚甲 基丙烯酸甲酯。纖維素酯的實例包括三醋酸纖維素酯。聚酯的實例包括聚對苯二甲酸乙二 酯、聚對苯二甲酸丙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚(ε -己內酯)、聚(DL-乳酸)和聚(L-丙 交酯)。吹入氣體可選自空氣、氮氣、氬氣、氦氣、二氧化碳、烴、滷化碳、滷代烴、以及它們 的混合物。吹入氣體在約環境溫度至約300°C的溫度下，以約50至約340米/秒的流速注入。所製備的纖維具有優選小於1，000納米，更優選小於800納米並最優選小於500
納米的數均纖維直徑。這些纖維可以為連續的或不連續的。這些纖維可具有基本上呈圓形 的橫截面形狀。電場可具有約10至約IOOkV的電勢。電場可用於產生電暈電荷。可將纖維收集成包括橫截面為圓形並且相互作用弱的聚合物纖維的纖維網，其中 這些聚合物纖維具有小於約1，000納米的數均纖維直徑。第二氣體可選自空氣、氮氣、氬氣、氦氣、二氧化碳、烴、滷化碳、滷代烴、以及它們 的混合物。第二氣體在約環境溫度至約300°C的溫度下以約50至約340米/秒的流速注 入。測試方法纖維盲徑如下測量。對每個細纖維層樣本拍攝二至三個掃描電鏡(SEM)圖像。由 照片測量清晰可辨的細纖維的直徑並進行記錄。不包括瑕疵(即，細纖維的凸塊、聚合物 球、細纖維的交叉處)。對於每個樣本，由約50至300根纖維計算其數均纖維直徑。
實施例使用上述一般方法和設備製備纖維實施例，其中的具體變化如下所述。實施例1在室溫下將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的9重量％溶液溶解於丙酮(在25°C下具 有對.21^^的蒸氣壓)中。使用磁力攪拌器攪拌該溶液。將均相溶液轉移到密封玻璃容器 中並運送至紡絲室。將溶液轉移到紡絲室的儲液器中並密封。使用具有0.254mm內徑單紡 絲噴嘴的噴絲頭。用轉筒收集器收集樣本。將噴絲頭置於IOOkV的負電勢下。將收集器接 地。紡絲噴嘴出口至收集器表面的距離為51cm。將空氣用作吹入氣體。第二氣體使用氮氣 以控制紡絲室內的相對溼度和溫度。氮氣的流量足以防止紡絲室中的溶劑蒸氣濃度超過爆 炸下限。控制相對溼度為小於11%。在實驗期間紡絲室溫度接近23°C。使用0. 2044MI^的 氮氣壓力來保持6. 7毫升/分鐘/孔的溶液流速。控制吹入氣體以將出口速率保持在大約 67米/秒。吹入氣體的溫度接近23°C。溶液開始流動後不久，就可在噴流中觀察到纖維。 纖維沉積在轉筒上的長條中。測得這些纖維的數均纖維直徑為393納米。實施例2在室溫下將聚苯乙烯的9重量％溶液溶解於二氯甲烷(在25°C下具有58. IkI3a的 蒸氣壓)中。使用磁力攪拌器攪拌該溶液。將均相溶液轉移到密封玻璃容器中並運送至紡 絲室。將溶液轉移到紡絲室的儲液器中並密封。使用具有0.406mm內徑單紡絲噴嘴的噴絲 頭。用轉筒收集器收集樣本。將噴絲頭置於IOOkV的負電勢下。將收集器接地。紡絲噴嘴 出口至收集器表面的距離為95cm。將空氣用作吹入氣體。第二氣體使用空氣以控制紡絲室 內的相對溼度和溫度。空氣的流量足以防止紡絲室中的溶劑蒸氣濃度超過爆炸下限。控制 相對溼度為小於11%。在實驗期間紡絲室溫度接近32°C。使用0.515MI^的氮氣壓力來保 持34. 3毫升/分鐘/孔的溶液流速。控制吹入氣體以將出口速率保持在大約150米/秒。 吹入氣體的溫度接近M°C。溶液開始流動後不久，就可在噴流中觀察到纖維。纖維沉積在 轉筒上的長條中。測得這些纖維的數均纖維直徑為335納米。
實施例3在室溫下將聚苯乙烯的9重量％溶液溶解於二氯甲烷(在25°C下具有58. IkI3a的 蒸氣壓)中。使用磁力攪拌器攪拌該溶液。將均相溶液轉移到密封玻璃容器中並運送至紡 絲室。將溶液轉移到紡絲室的儲液器中並密封。使用具有0.406mm內徑單紡絲噴嘴的噴絲 頭。用轉筒收集器收集樣本。將噴絲頭置於IOOkV的負電勢下。將收集器接地。紡絲噴嘴 出口至收集器表面的距離為114cm。將空氣用作吹入氣體。第二氣體使用空氣以控制紡絲 室內的相對溼度和溫度。空氣的流量足以防止紡絲室中的溶劑蒸氣濃度超過爆炸下限。控 制相對溼度為小於11%。在實驗期間紡絲室溫度接近37°C。使用0. 77MPa的氮氣壓力來 保持57. 1毫升/分鐘/孔的溶液流速。控制吹入氣體以將出口速率保持在大約150米/ 秒。吹入氣體的溫度接近M°C。溶液開始流動後不久，就可在噴流中觀察到纖維。纖維沉 積在轉筒上的長條中。測得這些纖維的數均纖維直徑為630納米。實施例4 使用回流冷凝器將得自DuPont的Engage 8400 (乙烯辛烯共聚物)的11重量％ 溶液溶解於甲基環己烷(在25°C下具有6. IkPa的蒸氣壓)中。用磁力攪拌器攪拌該熱溶 液。將均相溶液轉移到密封玻璃容器中並運送至紡絲室。將溶液轉移到紡絲室的儲液器中 並密封。使用具有0.4064mm內徑單紡絲噴嘴的噴絲頭。用轉筒收集器收集樣本。將噴絲 頭置於IOOkV的負電勢下。將收集器接地。紡絲噴嘴出口至收集器表面的距離為30cm。將 空氣用作吹入氣體。第二氣體使用氮氣以控制紡絲室內的相對溼度和溫度。氮氣的流量足 以防止紡絲室中的溶劑蒸氣濃度超過爆炸下限。控制相對溼度為小於9%。在實驗期間紡 絲室溫度接近。使用0. 308MPa的氮氣壓力來保持12. 6毫升/分鐘/孔的溶液流速。 控制吹入氣體以將出口速率保持在大約156米/秒。吹入氣體的溫度接近^°C。一旦溶液 開始流動，就可在噴流中觀察到纖維。纖維沉積在轉筒上的長條中。測得這些纖維的數均 纖維直徑為502納米。
權利要求
1.纖維紡絲方法，所述方法包括向噴絲頭提供聚合物溶液，所述聚合物溶液包含溶解於在25°c下至少具有約6kPa蒸 氣壓的至少一種溶劑中的至少一種聚合物；在存在電場的情況下沿著遠離所述噴絲頭中的至少一個紡絲噴嘴的方向排出與吹入 氣體結合的聚合物溶液，其中所述聚合物溶液以介於約6至約100毫升/分鐘/孔之間的 排放速率通過所述紡絲噴嘴排放；形成纖維；以及將所述纖維收集在收集器上。
2.根據權利要求1的方法，其中所述溶劑選自甲醇、乙醇、丙酮、丁酮、二氯甲烷、1， 2-二氯乙烷、三氟乙酸、乙酸乙酯、四氫呋喃、氯仿、四氯化碳和烴。
3.根據權利要求2的方法，其中所述烴選自戊烷、己烷、庚烷、環己烷、甲基環己烷和苯。
4.根據權利要求1的方法，其中所述蒸氣壓在25°C下為至少約lOkPa。
5.根據權利要求1的方法，其中所述蒸氣壓在25°C下為至少約20kPa。
6.根據權利要求1的方法，其中所述聚合物溶液以介於約10至約100毫升/分鐘/孔 之間的排放速率通過所述紡絲噴嘴排放。
7.根據權利要求6的方法，其中所述聚合物溶液以介於約20至約100毫升/分鐘/孔 之間的排放速率通過所述紡絲噴嘴排放。
8.根據權利要求1的方法，其中所述吹入氣體選自空氣、氮氣、氬氣、氦氣、二氧化碳、 烴、滷化碳、滷代烴以及它們的混合物。
9.根據權利要求1的方法，其中在約環境溫度至約300°C的溫度下，以約50至約340 米/秒的流速注入所述吹入氣體。
10.根據權利要求1的方法，其中所述纖維具有小於約1000納米的數均纖維直徑。
11.根據權利要求10的方法，其中所述纖維具有小於約800納米的數均纖維直徑。
12.根據權利要求11的方法，其中所述纖維具有小於約500納米的數均纖維直徑。
13.根據權利要求1的方法，其中所述電場具有約IOkV至約IOOkV的電勢。
14.根據權利要求1的方法，其中所述電場為電暈充電電場。
15.根據權利要求1的方法，其中所述纖維具有基本上圓形的橫截面形狀。
16.根據權利要求1的方法，所述方法還包括使所述纖維與位於所述噴絲頭下遊的第 二氣體接觸。
17.根據權利要求16的方法，其中所述吹入氣體選自空氣、氮氣、氬氣、氦氣、二氧化 碳、烴、滷化碳、滷代烴以及它們的混合物。
18.根據權利要求16的方法，其中在約環境溫度至約300°C的溫度下，以約50至約340 米/秒的流速注入所述吹入氣體。
19.根據權利要求1的方法，其中所述聚合物溶液中的所述至少一種聚合物選自聚烯 烴、聚二烯、聚苯乙烯、聚碸、聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、纖維素酯、聚氯乙烯以及它們 的共混物。
全文摘要
本發明公開了纖維紡絲方法，所述方法包括以下步驟向噴絲頭提供聚合物溶液，所述聚合物溶液包含溶解於在25℃下至少具有約6kPa蒸氣壓的至少一種溶劑中的至少一種聚合物；在存在電場的情況下沿著遠離所述噴絲頭中的至少一個紡絲噴嘴的方向，排出與吹入氣體結合的所述聚合物溶液，其中所述聚合物溶液以介於約6至約100毫升/分鐘/孔之間的排放速率通過所述紡絲噴嘴排放；形成纖維；以及將所述纖維收集在收集器上。
文檔編號D01D5/00GK102144054SQ200980134737
公開日2011年8月3日 申請日期2009年9月8日 優先權日2008年9月5日
發明者G·T·迪, J·B·霍瓦尼克, J·V·米爾維爾德 申請人:納幕爾杜邦公司