專利名稱：納米纖維的制造方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明依美國陸軍(U.S.Army)、美國空軍(U.S.Air Force)以及國家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)授于的合作協(xié)議獲得政府資助。政府可擁有本發(fā)明的某些權(quán)利。
背景技術(shù)：
納米纖維技術(shù)尚未發(fā)展為商業(yè)化，因而工程師及企業(yè)家尚未擁有納米纖維的來源加入其相關(guān)設(shè)計(jì)。納米纖維的使用量將隨著預(yù)期制造成本效率已改進(jìn)而逐漸成長(zhǎng)，而納米纖維該重要市場(chǎng)的發(fā)展在未來幾年內(nèi)幾乎是確認(rèn)無疑的。將納米纖維引進(jìn)為有用產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)在高性能過濾器工業(yè)進(jìn)行中。在生物材料領(lǐng)域里，對(duì)于發(fā)展支持活細(xì)胞的構(gòu)造有著工業(yè)上的高度興趣。納米纖維在防護(hù)衣及紡織品上的應(yīng)用性也引起運(yùn)動(dòng)服裝設(shè)計(jì)者、以及軍方的興趣；這是因?yàn)榧{米纖維每單位質(zhì)量具有的表面面積大，能提供一種相當(dāng)舒適而又具備對(duì)化學(xué)與生物劑有效防護(hù)等級(jí)的服裝。
碳納米纖維可能在強(qiáng)化復(fù)合材料應(yīng)用方面有用，如當(dāng)作高溫反應(yīng)、熱處理、彈性體強(qiáng)化作用的催化劑的支撐物、液體與氣體的過濾材料，及作為防護(hù)衣服的一種成分。碳或聚合物的納米纖維可能找到的應(yīng)用例包括用于強(qiáng)化復(fù)合材料、酵素與催化劑的基質(zhì)、用于植物的殺蟲劑、具有改善的舒適感與防護(hù)性的紡織品、用于納米級(jí)尺寸的浮質(zhì)與顆粒的高級(jí)過濾材料、太空熱處理應(yīng)用，以及對(duì)溫度與化學(xué)環(huán)境改變具有快速反應(yīng)時(shí)間的傳感器等。由聚合體的中間物做成的陶瓷納米纖維可能有助于作為催化劑的支撐物、強(qiáng)化高溫用纖維、以及熱的、易反應(yīng)的氣體與液體所用過濾材料的構(gòu)成。
所知道的是利用電旋紡技術(shù)制造納米纖維。然而，這些技術(shù)卻有問題，因?yàn)槟承┛尚徱后w非常黏稠，而需要比電場(chǎng)在發(fā)生火花前所供給的力量還要更高的力，也就是，在空氣中已經(jīng)有介電質(zhì)崩潰分解。同樣地，這些技術(shù)的問題還在于需要較高溫度方面，因?yàn)楦邷卦黾恿私Y(jié)構(gòu)零件的導(dǎo)電率，并且使得高電場(chǎng)的控制復(fù)雜化。
所知道的是利用熔化-吹氣技術(shù)使用加壓氣體產(chǎn)生聚合物纖維。依據(jù)此等技術(shù)，一股已熔化的聚合物被擠壓而進(jìn)入一個(gè)氣體噴射。然而，這些聚合物纖維相當(dāng)大，其中該纖維的直徑通常大于1,000納米，而更典型的是其直徑大于10,000納米。布廷等人的美國專利3,849,241公開揭示一種熔化-吹氣設(shè)備，其制造的纖維直徑約在0.5微米至5微米之間。
一種使用加壓氣體以形成納米纖維的噴嘴可從美國專利申請(qǐng)序號(hào)09/410,808中得知，其公開揭示的內(nèi)容在此作為參考引入。
同時(shí)也知道的是把電旋紡技術(shù)與熔化-吹氣技術(shù)相結(jié)合。但是，一種電場(chǎng)結(jié)合體尚未被證明能成功制造納米纖維，這是由于電場(chǎng)未產(chǎn)生大到足夠抽拉纖維的伸展力，因?yàn)檫@些電場(chǎng)受空氣的介電質(zhì)崩潰分解強(qiáng)度所限制。
用來與加壓氣體連接的許多噴嘴與類似設(shè)備也在此技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)為人所知。譬如說，用來產(chǎn)生小型液體小滴的技術(shù)包括許多噴灑設(shè)備，其包含那些用于氣刷或殺蟲劑噴霧器者。但是，有一項(xiàng)需求就是能夠制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備或噴嘴。
發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明一方面是提供一種用于制造納米纖維的非-編織墊的方法。
本發(fā)明另一方面是提供一種用于制造納米纖維的非-編織墊的方法，該納米纖維具有小于大約3,000納米的直徑。
本發(fā)明另外一方面是提供一種用于制造納米纖維的非-編織墊的經(jīng)濟(jì)和商業(yè)上可行的方法。
本發(fā)明還有另一方面是提供一種設(shè)備，其與加壓氣體結(jié)合制造一種納米纖維的非-編織墊。
本發(fā)明再另一方面是提供一種由纖維-成形聚合物形成納米纖維的非-編織墊的方法。
本發(fā)明還有再另一方面是提供一種由纖維-成形陶瓷前體形成納米纖維的非-編織墊的方法。
本發(fā)明還有再另一方面是提供一種由纖維-成形碳前體形成納米纖維的非-編織墊的方法。
本發(fā)明另一方面是提供一種利用加壓氣體形成納米纖維的非-編織墊的方法。
本發(fā)明再另一方面是提供一種設(shè)備，其與加壓氣體結(jié)合制造一種納米纖維的非-編織墊，該納米纖維具有小于大約3,000納米的直徑。
至少一個(gè)或更多前面所述那些方面，連同其涵蓋有關(guān)于制造納米纖維的非-編織墊所知技術(shù)的有利條件，將由隨后的詳述說明中逐漸顯現(xiàn)，并且由如以下所描述及要求的本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)。
一般說來，本發(fā)明提供一種用于制造納米纖維的非-編織墊的方法，其包含步驟將纖維-成形材料進(jìn)給到第一與第二部件之間的第一狹縫；其中所述第一與第二部件各自擁有一出口端，而其中上述第二部件出口端從上述第一部件出口端伸出，使得上述第一狹縫出來的纖維-成形材料在第二部件從上述第一部件出口端伸出的部分上形成薄膜，并且經(jīng)過第一與第三部件之間的第二狹縫進(jìn)給加壓氣體；所述第二狹縫位于上述第一狹縫相鄰處，以致使來自所述第二狹縫的加壓氣體與所述薄膜接觸，并將纖維-成形材料由所述第二部件出口端以多股纖維-成形材料的形式噴出，其固化并形成納米纖維墊，所述納米纖維具有直至大約3,000納米的直徑。
本發(fā)明也包括一種通過利用加壓氣體流形成納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，包括第一部件，具有由跨越該第一部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越該第一部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；第二部件，具有由跨越該第二部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越該第二部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；該第二部件與第一部件間隔開并緊鄰第一部件設(shè)置，第二部件的長(zhǎng)度沿著第一部件的長(zhǎng)度延伸，所述第二部件的出口端延伸超過所述第一部件的出口端，其中第一及第二部件界定第一供給狹縫；以及第三部件，具有由跨越該第三部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越該第三部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；所述第三部件與第一部件間隔開并緊鄰第一部件設(shè)置，位于第一部件與第二部件相對(duì)的一側(cè)，所述第三部件的長(zhǎng)度沿著第一部件的長(zhǎng)度延伸，其中第一及第三部件界定第一氣體狹縫，以及所述第一、第二與第三部件的出口端界定一氣體噴射空間。
圖1是依據(jù)本發(fā)明一種制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備的概要示意圖。
圖2是本發(fā)明設(shè)備的另一實(shí)施例的示意圖，其中該設(shè)備包括一種唇緣清潔板。
圖3是本發(fā)明設(shè)備的另一實(shí)施例的示意圖，其中該設(shè)備包括一種氣體屏蔽組件。
圖4是本發(fā)明設(shè)備的另一實(shí)施例的示意圖，其中該設(shè)備包含多個(gè)纖維-成形材料供給狹縫。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一種納米纖維的非-編織墊可以由利用加壓氣體制造。這一般是由一種方法來實(shí)現(xiàn)，其中由一擴(kuò)張的氣體噴射所供給的機(jī)械力從流過一設(shè)備的流體產(chǎn)生納米纖維。該方法可以視為由氣體噴射(NGJ)而來的納米纖維。NGJ是一種廣泛應(yīng)用于由任何可旋紡流體或纖維-成形材料產(chǎn)生納米纖維的方法。
一般而言，可旋紡流體或纖維-成形材料是任何流體或材料，該流體或材料可通過將該流體或材料拉長(zhǎng)然后固化，以機(jī)械方式形成為圓柱體或其它長(zhǎng)的形狀。固化作用可例如以冷卻、化學(xué)反應(yīng)、聚集或溶劑的去除等方式進(jìn)行。旋紡流體的例子包括熔化的瀝青、聚合物溶液、聚合體熔化物、作為陶瓷前體的聚合物，以及熔化的似玻璃狀物質(zhì)。某些優(yōu)選的聚合物包括耐龍(nylon)、氟化聚合物、聚烯烴、聚酰亞胺、聚酯，以及其它工程聚合物或是紡織成形聚合物。術(shù)語“可旋紡流體及纖維-成形材料”可在整個(gè)詳述說明中互換使用，而不會(huì)對(duì)所使用的流體或材料有任何限制。本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員將認(rèn)識(shí)到，各式各樣流體或材料可被用來制作纖維包括純流體、纖維溶液，具有小顆粒的混合物以及生物聚合體。
本發(fā)明提供一種用于制造一種納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，包括使纖維-成形材料在設(shè)備中與氣體接觸的裝置，以使多股纖維-成形材料從該設(shè)備噴出，其中多股纖維-成形材料固化并形成具有直徑直到大約3,000納米的納米纖維。
一種用于實(shí)施本發(fā)明方法的優(yōu)選設(shè)備10將參考圖1最佳地進(jìn)行描述。應(yīng)該要了解的是，重力將不會(huì)影響本發(fā)明設(shè)備的操作，但是為了解釋本發(fā)明，將參照附圖中所示垂直設(shè)置的設(shè)備。設(shè)備10包括第一板或部件12，其具有由跨越該板寬度的一側(cè)所界定的供給端14；以及由跨越該板寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端16。第一板12在出口端16可為錐形，如圖1所示，或依據(jù)某一特定實(shí)施例的設(shè)計(jì)限制可在出口端16處盡可能地薄。
鄰接第一板12設(shè)置本與其間隔開的是第二板或部件22。第二板22的長(zhǎng)度沿著第一板12的長(zhǎng)度延伸。第二板22具有由跨越該板寬度的一側(cè)所界定的供給端24，以及由跨越該板寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端26。第一板12及第二板22界定第一供給空腔或狹縫18。在一優(yōu)選實(shí)施例中，在第一板12的出口端16處的第一供給空腔或狹縫18的寬度是在大約0.02毫米至大約1毫米之間，而更優(yōu)選的是在大約0.05毫米至大約0.5毫米。雖然第一板12與第二板22如所示為互相平行，這并不是必需的，只要板12與22的間在出口端16處的距離處于上述范圍的內(nèi)。
第二板22的出口端26延伸超過第一板12的出口端16。出口端26與出口端16的間的距離為一壁流長(zhǎng)度28。第一供給狹縫18可特別適合于攜帶纖維成形材料。
該設(shè)備另外包括第三板或部件32，其具有由跨越第三板32寬度的一側(cè)所界定的供給端34，以及由跨越第三板32寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端36。第三板32的長(zhǎng)度沿著第二板22的長(zhǎng)度延伸。第一板12及第三板32界定第一氣體柱或狹縫38。第三板32可在與出口端26(如圖1所示)或出口端16(如圖2所示)的相同平面上終止于出口端36，或者它可終止于與出口端16及26都不同的平面上(如圖3所示)。在一優(yōu)選實(shí)施例中，第一板12與第三板32在該出口端16處的距離是在大約0.5毫米至大約5毫米之間，而更優(yōu)選的是在大約1毫米至大約2毫米。第三板32的形狀可能作成，使第一氣體柱或狹縫38朝向第一供給狹縫18傾斜。
出口端16、出口端26、與出口端36界定氣體噴射空間20。板12、22、與32可相對(duì)于出口端16、26、與36作調(diào)整，以致包括壁流長(zhǎng)度28的氣體噴射空間20的尺寸可根據(jù)所用的纖維成形材料、纖維成形時(shí)的溫度、氣體流率以及形成的納米纖維所需的直徑、以及其它因素被調(diào)整。在一特定實(shí)施例中，壁流長(zhǎng)度28可以在大約0.1毫米至大約10毫米之間調(diào)整。同樣地，板12、22、與32的整體長(zhǎng)度可以根據(jù)建造方便性、熱流考慮、以及流體內(nèi)的剪切流而變化，只要板22的出口端26從板12的出口端16的平面伸出。而且，板12、22、與32可以根據(jù)某一種特殊應(yīng)用的需要、形成的納米纖維墊所需的寬度、制造方便性，或其它因素具有任何寬度。
根據(jù)本發(fā)明，納米纖維的非-編織墊是利用圖1的設(shè)備由以下方法所制造。纖維-成形材料由一源頭21提供，并經(jīng)過第一供給空腔或狹縫18進(jìn)給。纖維-成形材料被導(dǎo)入氣體噴射空間20。同時(shí)，加壓氣體被迫由一氣體源30經(jīng)過第一氣體空腔或狹縫38而進(jìn)入氣體噴射空間20。
在氣體噴射空間20內(nèi)，認(rèn)為纖維-成形材料以薄膜形式存在。換句話說，從狹縫18進(jìn)入氣體噴射空間20的纖維-成形材料在氣體噴射空間20內(nèi)第二板22側(cè)部上形成纖維-成形材料的薄層。該纖維-成形材料層會(huì)受到從狹縫38直到抵達(dá)出口端26的氣體的剪切變形作用。該層薄膜可能有厚度變化，而通常預(yù)期是朝向出口端26厚度減少。在那些第一氣體柱或狹縫38朝向第一供給狹縫18傾斜的實(shí)施例中，氣體是以相對(duì)高速度流過氣體噴射空間20內(nèi)的纖維-成形材料。在唇緣處附近，認(rèn)為該層纖維-成形材料由氣體的剪切力驅(qū)動(dòng)和攜帶，并且被擴(kuò)張氣體吹開成為許多小束40，而與在該纖維成形材料層表面上破裂波頂點(diǎn)發(fā)出的任何纖維-成形材料噴出物一起從出口端26噴出，如圖1所示。一旦從設(shè)備10噴出后，這些束狀物隨即固化并形成納米纖維。固化作用可以冷卻、化學(xué)反應(yīng)、聚集、離子化輻射或溶劑去除等方式進(jìn)行。同時(shí)可想象的是，固化的薄膜成形材料可能出現(xiàn)在氣體噴射空間20內(nèi)。
如上所述，依照該方法所制造的纖維為納米纖維，而具有的平均直徑小于大約3,000納米，更優(yōu)選的是由大約3至大約1,000納米，甚至更優(yōu)選的是由大約10至大約500納米。這些纖維的直徑可以通過制各種條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括但不限于溫度及氣體壓力。這些纖維的長(zhǎng)度變化范圍可能很大，從短如大約0.01毫米長(zhǎng)至長(zhǎng)許多千米的纖維。在此范圍內(nèi)，這些纖維可以具有從大約1毫米至大約1km的長(zhǎng)度，而更小地可以在大約1毫米至大約1cm之間。這些纖維的長(zhǎng)度可以通過控制固化作用速率而調(diào)節(jié)。
如上所述，加壓氣體是被強(qiáng)制通過狹縫38而進(jìn)入噴射空間20。此氣體應(yīng)該被迫以足夠高的壓力經(jīng)過狹縫38，以便能沿著壁流長(zhǎng)度28攜帶該纖維成形材料并且形成納米纖維。因此，在一特定實(shí)施例中，該氣體是以從每平方英吋大約10磅(10psi)至每平方英吋大約5,000psi的壓力被迫經(jīng)過狹縫38。在另一實(shí)施例中，該氣體是以從大約50psi至大約500psi的壓力被迫經(jīng)過狹縫38。
使用在整個(gè)詳述說明中的術(shù)語”氣體”包括任何氣體。非-反應(yīng)性氣體被優(yōu)選采用，并參考那些不會(huì)對(duì)纖維-成形材料有不利影響的氣體，或其組合。這些氣體例子包括但不限于，氮?dú)?、氦氣、氬氣、空氣、二氧化碳、碳氟化合物蒸氣、氟氯碳化合物，以及它們的混合物。?yīng)該要了解為了本詳述說明，氣體也指將在壓力釋放時(shí)在該設(shè)備處蒸發(fā)的過熱液體，例如蒸氣。另外應(yīng)該認(rèn)識(shí)的是，這些氣體可能包括溶劑蒸汽，其用來控制由聚合物溶液所制成的納米纖維的干燥速率。而且，有用的氣體包括以所需方式進(jìn)行反應(yīng)的氣體，包含氣體與蒸汽的混合物或以所需方式進(jìn)行反應(yīng)的其它物質(zhì)。譬如說，利用氧氣來穩(wěn)定從瀝青樹脂制造納米纖維可能是有用的。同樣，利用包含用作交聯(lián)聚合物的分子的氣體流可能是有用的。此外，利用包含用作改進(jìn)陶瓷制造的金屬或金屬復(fù)合物的氣體流可能是有用的。
在另一實(shí)施例中，設(shè)備10另外包括第四板或部件42，如圖2及3中所示。板42鄰接第二板22設(shè)置并與其間隔開，在第二板22與第一板12相對(duì)一側(cè)。板42的長(zhǎng)度沿著第二板22的長(zhǎng)度延伸。第四板42具有由跨越第四板42寬度的一側(cè)所界定的供給端44，以及由跨越第四板42寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端46。第二板22及第四板42界定第二氣體柱或狹縫48。第四板42可在與出口端26(如圖2所示)相同的平面上終止于出口端46，或者它可終止于與出口端26不同的平面上(如圖3所示)。
纖維的形成是利用如以上所述圖2中所示的設(shè)備，并且另外包括注入加壓氣體經(jīng)過第二氣體狹縫48，于出口端46排出，從而防止可聚集在第二板22的出口端26的纖維-成形材料殘余量的堆積。被迫經(jīng)過氣體狹縫48的氣體應(yīng)有足夠高的壓力以便防止多余纖維-成形材料于出口端26堆積，但也不應(yīng)該太高而干擾了纖維的形成。因此，在一優(yōu)選實(shí)施例中，該氣體是以大約0至大約1,000psi的壓力、更優(yōu)選的是以從大約10psi至大約100psi的壓力被迫經(jīng)過第二氣體狹縫48。來自氣體狹縫48的氣體流也會(huì)影響從出口端26排出的纖維-成形材料束的排出角度，也因此從該環(huán)境的第二氣體狹縫48流出的氣體可以用于清潔出口端26以及控制出口纖維束的流動(dòng)。
在顯示于圖3的另一實(shí)施例中，一第五板或部件52鄰接第三板32設(shè)置并與其間隔開，在第三板32與板12相對(duì)側(cè)。第五板52的長(zhǎng)度沿著第三板32的長(zhǎng)度延伸。第五板52具有由跨越第五板52寬度的一側(cè)所界定的供給端54，以及由跨越第五板52寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端56。第五板52及第三板32界定第一屏蔽氣體柱或狹縫58。第五板52可在與出口端36(如圖3所示)相同的平面上終止于出口端56，或者它可終止于與出口端36不同的平面上(未顯示)。一第六板或部件62可鄰接第四板42設(shè)置并與起間隔開，在第四板42與板22相對(duì)側(cè)。第六板62的長(zhǎng)度沿著第四板42的長(zhǎng)度延伸。第六板62具有由跨越第六板62寬度的一側(cè)所界定的供給端64，以及由跨越第六板62寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端66。第六板62及第四板42界定第二屏蔽氣體柱或狹縫68。第六板62可在與出口端26(未顯示)相同的平面上終止于出口端66，或者它可能終止于與出口端26不同的平面上(如圖3所示)。在受控制溫度下的加壓氣體被迫通過第一與第二屏蔽氣體狹縫58與68，以致其由狹縫58與68排出，因此而產(chǎn)生環(huán)繞于納米纖維的活動(dòng)氣體屏蔽。該氣體屏蔽可能有助于控制冷卻速率、流體的溶劑蒸發(fā)率，或是發(fā)生于該流體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率。應(yīng)該要了解，該氣體屏蔽的大致形狀是由狹縫58與68的寬度以及出口端56與66相對(duì)于出口端36與46的垂直位置所控制。該形狀還由流經(jīng)狹縫58與68的氣體壓力與體積所控制。因此，屏蔽氣體狹縫的尺寸大小是可調(diào)整的。應(yīng)該要進(jìn)一步了解的是，流經(jīng)狹縫58與68的氣體與流經(jīng)狹縫38的氣體相比最好是具有相對(duì)低的壓力以及相對(duì)高的體積流率。
同時(shí)可想象的是，本發(fā)明的設(shè)備可能包括另外的板，其將界定另供選擇的供給空腔或狹縫以及氣體空腔或狹縫。這種裝置如圖4所示。如這種設(shè)備可能被用來制造包含不止一種類型的纖維的非-編織網(wǎng)或墊。譬如說，一種納米纖維的非-編織墊可以由二或更多種纖維-成形材料所制造。另可選擇的，單一一種納米纖維材料可以被用來同時(shí)形成不同物理特征例如長(zhǎng)度或直徑的纖維。這種設(shè)備也可能只是用來增加單一類型纖維的產(chǎn)量。在圖4所示的實(shí)施例中，設(shè)備70包括第一板或部件12、第二板或部件22、第三板或部件32，以及第四板或部件42，它們的布置如以上所述。設(shè)備70還包括第七板或部件72，其鄰接第四板42并有選擇地與其間隔開，在第四板42與板22的相對(duì)側(cè)。第七板72的長(zhǎng)度沿著第四板42的長(zhǎng)度延伸。第七板72具有由跨越第七板72寬度的一側(cè)所界定的供給端74，以及由跨越第七板72寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端76。第七板72及第四板42可有選擇地界定熱流降低空間78。當(dāng)兩或更多類型的纖維將在兩或更多不同溫度下成形時(shí)，空間78可能是需要的。另一選擇，第七板72及第四板42可能互相碰觸，或者某單一板或部件可能取代第七板72及第四板42，特別是在熱傳導(dǎo)并不成為關(guān)切問題的應(yīng)用中。第七板72可在與出口端46相同的平面上終止于出口端76，如圖4所示，或者它可終止于與端部46不同的平面上(未顯示)。
第八板或部件82鄰接第七板72設(shè)置并與其間隔開，在第七板72與第四板42的相對(duì)側(cè)。板82的長(zhǎng)度沿著第七板72的長(zhǎng)度延伸。第八板82具有由跨越第八板82寬度的一側(cè)所界定的供給端84，以及由跨越第八板82寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端86。第八板82及第七板72界定第三氣體柱或狹縫88。第八板82可能終止于與端部76不同的平面上，如圖4所示。第八板82可在出口端86處成為錐形。第七板72的形狀也可能作成使第三氣體柱或狹縫88傾斜以配合第八板82在出口端86的錐形，或者影響氣體排出狹縫88的方向。
第九板或部件92鄰接第八板82設(shè)置并與其間隔開，在第八板82離開第七板72的對(duì)面?zhèn)冗吷?。?2的長(zhǎng)度沿著第八板82的長(zhǎng)度延伸。第九板92具有由跨越第九板92寬度的一側(cè)所界定的供給端94，以及由跨越第九板92寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端96。第九板92及第八板82界定第二氣體柱或狹縫98。
在該實(shí)施例中，出口端16、26、與36，以及出口端76、86、與96界定氣體噴射空間20。板12、22、與32，以及板72、82、與92可相對(duì)于出口端16、26、與36以及出口端76、86、與96作調(diào)整，以致氣體噴射空間20的尺寸可根據(jù)所用的纖維成形材料、纖維成形時(shí)的溫度、氣體流率以及形成的納米纖維所需的直徑、以及其它因素調(diào)整。同樣地，板12、22、與32以及板72、82、與92的整體長(zhǎng)度可以根據(jù)建造方便性、熱流考慮、以及流體內(nèi)的剪切流而變化，只要板22的出口端26從板12的出口端16的平面伸出而且板92的端部96從板82的端部86的平面伸出。而且，板12、22、32、72、82、與92可根據(jù)某一特殊應(yīng)用的需要、形成的納米纖維墊所需的寬度、制造方便性、或其它因素具有任何寬度。
第十板或部件102有選擇地鄰接第九板92設(shè)置并且與其間隔開，在第九板92與第八板82的相對(duì)側(cè)。板102的長(zhǎng)度沿著第九板92的長(zhǎng)度延伸。第十板102具有由跨越第十板102寬度的一側(cè)所界定的供給端104，以及由跨越第十板102寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端106。第十板102及第九板92界定第四氣體柱或狹縫108。第十板102可在與出口端96相同的平面上終止于出口端106，如圖4所示，或者它可終止于與端部96不同的平面上(未顯示)。
一種非-編織的納米纖維墊可利用圖4的設(shè)備由以下方法所制造。一種或更多種纖維-成形材料經(jīng)過第一供給空腔或狹縫18與第二供給空腔或狹縫98進(jìn)給。纖維-成形材料被導(dǎo)入氣體噴射空間20。同時(shí)，加壓氣體被迫經(jīng)過第一氣體空腔或狹縫38與第三氣體空腔或狹縫88而進(jìn)入氣體噴射空間20。
在氣體噴射空間20內(nèi)，認(rèn)為該纖維-成形材料以薄膜形式存在。換句話說，從狹縫18與98進(jìn)入氣體噴射空間20的纖維-成形材料在第二板22側(cè)部上與板92側(cè)部上以及氣體噴射空間20內(nèi)形成纖維-成形材料的薄層。這些層的纖維-成形材料會(huì)受到從狹縫38直到抵達(dá)出口端26與96的氣體的剪切變形作用。這些薄膜可能有厚度變化，而通常預(yù)期是朝向出口端26厚度減少。在第一氣體柱或狹縫38朝向第一供給狹縫18傾斜、或是第三氣體柱或狹縫88朝向第二供給狹縫98傾斜的實(shí)施例中，氣體是以相對(duì)高速度流過氣體噴射空間20內(nèi)的纖維-成形材料。在出口端26與96附近，認(rèn)為該層纖維-成形材料由氣體的剪切力驅(qū)動(dòng)而被攜帶著，并且被擴(kuò)張氣體吹開成為許多小束，而與在該纖維成形材料層表面上破裂波頂點(diǎn)發(fā)出的任何纖維-成形材料噴出物一起，從出口端26與96噴出。一旦從設(shè)備70噴出后，這些束狀物隨即固化并形成納米纖維。固化作用可以冷卻、化學(xué)反應(yīng)、聚集、離子化輻射或溶劑去除等方式出現(xiàn)。同時(shí)可想象的是，固化的薄膜成形材料可能出現(xiàn)在氣體噴射空間20內(nèi)。
實(shí)施本發(fā)明時(shí)，可旋紡流體或纖維-成形材料可以本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)為人所知的任何適用技術(shù)而被運(yùn)送至狹縫18處。譬如說，纖維-成形材料可以分批操作方式供應(yīng)給該設(shè)備，或者該纖維-成形材料可以連續(xù)方式為基礎(chǔ)而運(yùn)送。適當(dāng)?shù)倪\(yùn)送方式在美國專利申請(qǐng)09/410808以及國際申請(qǐng)WO 00/22207中有所描述，其相關(guān)內(nèi)容在此作為參考引入。
應(yīng)該要了解，有許多條件與參數(shù)將影響依據(jù)本發(fā)明的纖維的形成。譬如說，流經(jīng)本發(fā)明的設(shè)備的任何氣體柱的氣體的壓力可能需要根據(jù)所用的纖維-成形材料進(jìn)行操縱。同樣地，所使用的纖維-成形材料或是所形成的納米纖維的所需特征可能需要該纖維-成形材料本身或是各不同的氣體流被加熱。譬如說，納米纖維的長(zhǎng)度可以通過改變?cè)撈帘慰諝獾臏囟榷{(diào)整。在屏蔽空氣比較冷處，因而造成該纖維-成形材料束快速冷凍或固化，可形成比較長(zhǎng)的納米纖維。另一方面，在其屏蔽空氣較熱處，因而抑制了該纖維-成形材料束的固化作用，所產(chǎn)生的納米纖維長(zhǎng)度比較短。同樣應(yīng)該體認(rèn)到，流經(jīng)狹縫38與48的加壓氣體的溫度同樣可以被操縱以便達(dá)成或是幫助達(dá)成這些結(jié)果。例如，中間相瀝青的針狀納米纖維可在屏蔽空氣維持在350℃處產(chǎn)生。該溫度應(yīng)仔細(xì)地控制，以致讓它足夠熱到使得中間相瀝青股束足夠軟，因而伸長(zhǎng)并且變細(xì)成為短的片段，但是不能太熱使得該等股束崩解成為小液滴。優(yōu)選的針狀納米纖維具有的長(zhǎng)度范圍在大約1,000至大約2,000納米之間。
本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)熟練者將能夠利用該技術(shù)領(lǐng)域常見的技術(shù)對(duì)各種不同的氣體流加熱。同樣地，纖維-成形材料可以利用本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的技術(shù)予以加熱。譬如說，熱量可通過某一熱源(未顯示)施加到正進(jìn)入第一供給狹縫18的纖維-成形材料、施加到正進(jìn)入狹縫38或48的加壓氣體，或施加到供料管子本身。在一特定實(shí)施例中，該熱源可以包括由某一源頭所加熱的線圈。
在本發(fā)明一特定實(shí)施例中，制造一種碳納米纖維前體的非-編織墊。特別具體者，聚合物例如聚丙烯睛的納米纖維是利用本發(fā)明的方法與設(shè)備加以旋紡并收集。這些聚丙烯睛纖維有選擇地在張力作用下在空氣中被加熱到大約200℃至大約400℃的溫度，使其穩(wěn)定化以便于在更高溫度的處理。這些經(jīng)穩(wěn)定化的纖維接著通過在惰性氣體內(nèi)加熱到大約800℃至1700℃之間而轉(zhuǎn)換成碳纖維。在該碳化過程中，所有化學(xué)族，例如碳?xì)涞?HCN)、氨(NH3)、二氧化碳(CO2)、氮?dú)?N2)以及碳?xì)浠衔?，都被除去。碳化之后，纖維被加熱到大約2,000℃至大約3,000℃范圍的溫度。稱為石墨化的該過程使得碳纖維具有排列好的石墨微晶。
在另一特定實(shí)施例中，碳納米纖維前體是利用中間相瀝青所制造。這些瀝青纖維接著通過在空氣中加熱而穩(wěn)定化，以防止在高溫處理時(shí)熔化或融合，高溫處理是獲得高強(qiáng)度與高模數(shù)的碳纖維所必要的。經(jīng)穩(wěn)定化的纖維的碳化作用是在大約1000℃至大約1700℃之間的溫度依照碳纖維所需的性質(zhì)而進(jìn)行。
在另一實(shí)施例中，NGJ(氣體噴射)是與電旋紡技術(shù)相結(jié)合，NGJ改善制造速率而電場(chǎng)則保持噴口內(nèi)的最佳張力以產(chǎn)生正確指向并且避免小液珠出現(xiàn)在纖維上。該電場(chǎng)也同時(shí)提供沿著所需的軌跡通過處理機(jī)器、加熱爐將納米纖維導(dǎo)向收集器上某一特別位置的方式。纖維上的電荷也可以產(chǎn)生環(huán)圈及盤繞的納米纖維，其可增加由這些納米纖維所制的非-編織構(gòu)造物的體積。
同樣地，包含金屬的聚合物可以被旋紡到納米纖維的非-編織墊中并轉(zhuǎn)換成陶瓷納米纖維。這是一種制造高品質(zhì)陶瓷的已知途徑。溶膠-凝膠方法利用類似的化學(xué)處理，但此處線性聚合物將會(huì)被合成，也因此膠體將被避免。在某些應(yīng)用中，大范圍的直徑尺寸將會(huì)是有用的。例如，在具有混合直徑的纖維樣品中，容積-填充系數(shù)可以更高，因?yàn)楸容^小的纖維可以裝入較大纖維的間的空隙當(dāng)中。
納米纖維與紡織尺寸纖維的混合物可具備這樣的性質(zhì)，例如，容許一種耐用的非-編織構(gòu)造物被直接紡編于人身上，例如士兵或是環(huán)保工作者，以形成能吸收、裝飾、或產(chǎn)生障礙物以阻礙化學(xué)與生物劑的防護(hù)衣。
同樣應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，其平均直徑與直徑的范圍通過調(diào)整氣體溫度、氣體流的流量率、流體的溫度、以及流體的流量率而被影響。流體的流量依照所用的特別設(shè)備可由閥裝置、由擠壓器、或由分別控制容器內(nèi)與中央管內(nèi)的壓力而得到控制。
顯然，在此公開揭示的氣體噴射(NGJ)方法與設(shè)備能夠通過在板的側(cè)部上產(chǎn)生纖維-成形材料的薄層而提供納米纖維，而此薄層承受剪切變形作用直到它抵達(dá)板的出口端為止。在此，纖維-成形材料層被擴(kuò)張氣體吹分開成為許多小的噴射流。沒有設(shè)備曾經(jīng)被用來利用加壓氣體制作納米纖維的非-編織墊。而且，該NGJ方法從可旋紡流體例如中間相瀝青制造纖維，其可轉(zhuǎn)換成為高強(qiáng)度、高模數(shù)、高熱傳導(dǎo)率的石墨纖維。也可以由一種溶液或熔化物制造納米纖維。也有可能導(dǎo)致一種制造液體小滴的改進(jìn)設(shè)備。也明顯的是，NGJ以高產(chǎn)率制造納米纖維。NGJ可以被單獨(dú)使用或者與熔化物吹送法及電旋紡法各自或一起結(jié)合使用，以產(chǎn)生纖維幾何形狀、直徑及長(zhǎng)度的有用混合物。同樣地，NGJ可以結(jié)合電場(chǎng)使用，但是應(yīng)認(rèn)識(shí)到，電場(chǎng)不是必需的。
權(quán)利要求
1.一種通過利用加壓氣體流形成納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，包括第一部件，具有由跨越該第一部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越該第一部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；第二部件，具有由跨越該第二部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越該第二部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；該第二部件與第一部件間隔開并緊鄰第一部件設(shè)置，第二部件的長(zhǎng)度沿著第一部件的長(zhǎng)度延伸，所述第二部件的出口端延伸超過所述第一部件的出口端，其中第一及第二部件界定第一供給狹縫；以及第三部件，具有由跨越該第三部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越該第三部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；所述第三部件與第一部件間隔開并緊鄰第一部件設(shè)置，位于第一部件與第二部件相對(duì)的一側(cè)，所述第三部件的長(zhǎng)度沿著第一部件的長(zhǎng)度延伸，其中第一及第三部件界定第一氣體狹縫，以及所述第一、第二與第三部件的出口端界定一氣體噴射空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，所述氣體噴射空間的尺寸大小是可調(diào)整的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，氣體噴射空間具有在大約0.1至大約10毫米之間可調(diào)整的長(zhǎng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，所述第一氣體狹縫適合于攜帶壓力在每平方英時(shí)大約10磅至大約5,000磅的加壓氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，所述第一供給狹縫適合于攜帶纖維-成形材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，所述加壓氣體是從由氮、氦、氬、空氣、二氧化碳、碳氟化合物蒸氣、氟氯碳化合物、及它們的混合物所構(gòu)成的組中選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，所述第一氣體狹縫朝向所述第一供給狹縫傾斜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，還包括第四部件，第四部件具有由跨越該第四部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越該第四部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；其中第四部件與所述第二部件間隔開并緊鄰第二部件設(shè)置，位于第二部件與第一部件相對(duì)的一側(cè)；第四部件的長(zhǎng)度沿著第二部件的長(zhǎng)度延伸，以及第二部件及第四部件界定第二氣體狹縫。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，所述第四部件在與所述第二部件的所述出口端相同的平面上終止于所述出口端。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，所述第四部件在與所述第二部件的所述出口端不同的平面上終止于所述出口端。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，還包括第五部件，該第五部件具有由跨越該第五部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越第五部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；第五部件與所述第三部件間隔開并緊鄰第三部件設(shè)置，位于第三部件與第一部件相對(duì)的一側(cè)；第五部件的長(zhǎng)度沿著第三部件的長(zhǎng)度延伸，以致于第五部件及第三部件界定第一屏蔽氣體狹縫；以及第六部件，第六部件具有由跨越第六部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越第六部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；第六部件與所述第四部件間隔開并緊鄰第四部件設(shè)置，位于第四部件與第二部件相對(duì)的一側(cè)；第六部件的長(zhǎng)度沿著第四部件的長(zhǎng)度延伸，以致于第六部件及第四部件界定第二屏蔽氣體狹縫。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，其特征在于，還包括第七部件，第七部件具有由跨越該第七部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越該第七部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；第七部件與所述第四部件間隔開并緊鄰第四部件設(shè)置，位于第四部件與第二部件相對(duì)的一側(cè)；第七部件的長(zhǎng)度沿著第四部件的長(zhǎng)度延伸；以及第八部件，第八部件具有由跨越第八部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越第八部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；第八部件與所述第七部件間隔開并緊鄰第七部件設(shè)置，位于第七部件與第四部件相對(duì)的一側(cè)；第八部件的長(zhǎng)度沿著第七部件的長(zhǎng)度延伸，以致于第七部件及第八部件界定第三氣體狹縫；以及第九部件，第九部件具有由跨越該第九部件寬度的一側(cè)所界定的供給端，以及由跨越該第九部件寬度的一側(cè)所界定的相對(duì)的出口端；第九部件與所述第八部件間隔開并緊鄰第八部件設(shè)置，位于第八部件與第七部件相對(duì)的一側(cè)；所述第九部件的出口端延伸超過所述第八部件的出口端；第九部件的長(zhǎng)度沿著第八部件的長(zhǎng)度延伸，以致于第九部件及第八部件界定第二供給狹縫。
13.一種用于制造納米纖維的非-編織墊的設(shè)備，該設(shè)備包括使纖維-成形材料在該設(shè)備內(nèi)與氣體接觸的裝置，使得多股纖維-成形材料從該設(shè)備噴出，其中所述多股纖維-成形材料固化并形成納米纖維織網(wǎng)，所述納米纖維具有直至大約3,000納米的直徑。
14.一種用于制造納米纖維的非-編織墊的方法，包括以下步驟將纖維-成形材料進(jìn)給到第一部件與第二部件之間的第一供給狹縫，其中所述第一與第二部件各自具有一個(gè)出口端，所述第二部件出口端從所述第一部件出口端伸出，使得從上述第一供給狹縫出來的纖維-成形材料在第二部件的從所述第一部件出口端伸出的一部分上形成薄膜；通過第一部件與第三部件之間的第一氣體狹縫進(jìn)給進(jìn)給加壓氣體，所述第一氣體狹縫緊鄰所述第一供給狹縫，以致于來自上述第二狹縫的加壓氣體在由所述第一、第二、及第三部件出口端所界定的氣體噴射空間內(nèi)與所述薄膜接觸，并將纖維-成形材料從所述第二部件出口端以多股纖維-成形材料的形成噴出，多股纖維-成形材料固化并形成納米纖維墊，所述納米纖維具有直至大約3,000納米的直徑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的方法，其特征在于，還包括經(jīng)過上述第二部件與第四部件之間的第二氣體狹縫進(jìn)給加壓氣體的步驟，其中第二氣體狹縫緊鄰上述第一供給狹縫位于與上述第一氣體狹縫相對(duì)的一側(cè)，使得來自第二氣體狹縫的上述加壓氣體防止纖維-成形材料在所述第二部件的出口端堆積。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的方法，其特征在于，還包括經(jīng)過第一氣體屏蔽狹縫進(jìn)給屏蔽氣體的步驟，第一氣體屏蔽狹縫緊鄰上述第一氣體狹縫位于與上述第一供給狹縫相對(duì)的一側(cè)，以及經(jīng)過第二氣體屏蔽狹縫進(jìn)給屏蔽氣體的步驟，第二氣體屏蔽狹縫緊鄰上述第二氣體狹縫位于與上述第一供給狹縫相對(duì)的一側(cè)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的方法，其特征在于，所述加壓氣體是從由氮、氦、氬、空氣、二氧化碳、碳氟化合物蒸氣、氟氯碳化合物、及它們的混合物所構(gòu)成的組中選擇。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的方法，其特征在于，纖維成形材料是從由聚丙烯睛及中間相瀝青所構(gòu)成的組中選擇。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的方法，其特征在于，還包括通過加熱至大約1000℃與大約1700℃之間的溫度以碳化納米纖維墊的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于制造納米纖維的非-編織墊的方法，其特征在于，纖維成形材料是包含金屬的聚合物。
全文摘要
一種通過利用加壓氣體流制造納米纖維的非－編織墊的設(shè)備包括平行、間隔開的第一(12)、第二(22)、與第三(32)部件，各部件具有一個(gè)供給端(14，24，34)以及一個(gè)相對(duì)的出口端(16，26，36)。第二部件(22)與第一部件(12)相鄰。第二部件(22)的出口端(26)延伸超過第一部件(12)的出口端(16)。第一(12)與第二(22)部件界定第一供給狹縫(18)。第三部件(32)與第一部件(12)相鄰，位于第一部件(12)與第二部件(22)相對(duì)的一側(cè)。第一(12)與第三(32)部件界定第一氣體狹縫(38)，而第一(12)、第二(22)與第三(32)部件的出口端(16，26，36)界定氣體噴射空間(20)。還包括一種利用加壓氣體流制造納米纖維的非－編織墊的方法。
文檔編號(hào)D01D5/08GK1643190SQ03806541
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月22日
發(fā)明者達(dá)雷爾·勒內(nèi)克塞爾 申請(qǐng)人:阿克倫大學(xué)