专利名称：精细纤维电极电纺设备、滤料系统和方法借由通过集电极与电纺电极之间的电压差异产生的电场采用静电电纺(亦称“电 极电纺”)来从聚合物溶液生产精细纤维是已知的。例如，如在美国专利No. 6，743，273中 所述，聚合物溶液被泵送到以旋转的发射器形式的电纺电极，其中泵中的溶液从贮存器泵 送并被迫使通过发射器中的孔。通过排出，栅极与发射器之间的静电电势施加电荷，该电荷 使得流体“纺丝”成细的精细纤维，其中精细纤维收集在基底上作为有效层。在该过程中， 溶剂从精细纤维蒸发，在纤维抽出期间将纤维直径变细。静电电纺装置的另一示例在专利文献No. US2006/0290031和No. W02006/131081中示出。在这些文献中公开的电纺电极设计是采用几种不同形式的旋转的鼓状主体的形 式。鼓位于聚合物溶液贮存器中并在其中淋浴，且绕与收集料的路径垂直的轴线旋转。通 过将鼓旋转通过聚合物溶液，带电电极的电纺表面用聚合物溶液涂覆。在这两篇专利文献 中示出了各种鼓状主体的变形，该变形包括提供多个尖的末端以产生形成精细纤维的间隔 的电纺位置。本发明提供对现有技术状态的改进，因为本发明涉及静电精细纤维生产和电纺电 极设计和/或涉及精细纤维滤料的生产。
本发明的几个方面可要求保护且被认为单独或结合起来可授权，这些方面不局限 于下述内容。本发明的第一方面涉及用于在合适集料上生产精细纤维的设备。该设备包括间隔 开的两个电极，其中电纺电极包括夹带在至少两个引导器上的链带(strand)。该设备具有 沿着第一路径间隔开的入口区域和排出区域，使得集料适于沿着第一路径从入口区域被驱 动到与电纺电极成间隔关系的排出区域。驱动单元适于沿着至少两个引导器驱动链带，以 便沿着横向于第一路径(即，根据某些实施例可交叉和可垂直)的第二路径移动。电压源 设置成在第一电极与第二电极之间产生电压差异，用于在精细纤维的电纺中产生静电场。链带可采用链、传送带、条或其它链带结构的形式。根据优选的实施例，链带可采 用绕环形连续路径驱动的环形链带的形式。上述的第二路径是该环形路径的一部分。环形 路径还包括与环形链带成间隔关系的返回路径，该环形链带沿着返回路径距集电极比沿着 第二路径更远，其中在第二路径中发生精细纤维的电纺。此外，根据某些实施例，提供蘸取 槽，蘸取槽适于容纳合适的聚合物溶液。环形链带沿着返回路径通行经过蘸取槽，用于蘸入到聚合物溶液中并藉此用聚合物溶液涂覆环形链带。本发明的另一方面涉及滤料生产系统。该系统包括基底材料的辊，该辊沿着第一 路径提供经过精细纤维生产机械的入口区域至排出区域的基底材料片材。片材具有大致平 行于第一路径的相反侧边缘。精细纤维生产机械包括至少一链带和沿着第二路径从第一引 导器驱动链带到第二引导器的驱动单元，第二路径横向于第一路径。链带用聚合物溶液润 湿且经受电压差异，以提供静电场，从而用于产生大致沉积在基底材料上的精细纤维。根据一些实施例，这种方面还可包括沿着环形路径通行的环形链带，以及涉及在 任何给定时间将环形链带的一部分蘸入到聚合物溶液的槽中，以补给聚合物溶液的涂层于 环形链带上。其它发明方 面包括用于将精细纤维生产在集料上的设备，其中至少一个电纺电极 具有相对于平面集电极维持在恒定间距的线性部分。根据该方面，集电极具有用于支承集 料的平面支承表面，至少一个电纺电极具有邻近于平面支承表面的线性部分且驱动单元驱 动电纺电极，同时在由驱动单元驱动时维持线性部分与平面支承表面之间的恒定间距。电 压源设置成在第一和第二电极之间产生电压差异，用于生成精细纤维的电纺。根据一些实施例，设备可包括沿着第一路径间隔开的入口区域和排出区域，其中 集料适于沿着第一路径从入口区域被驱动到与电纺电极成间隔关系的排出区域。电纺电极 绕环形路径被驱动，其中蘸取槽被提供用来容纳聚合物溶液。在任何时刻，电纺电极的一部 分通行经过蘸取槽，用于蘸入到聚合物溶液中并藉此用聚合物溶液涂覆电纺电极，且电纺 电极的一部分暴露用于精细纤维生产。本发明的又另一方面涉及生产精细纤维同时维持恒定间距的方法。根据本发明方 面的方法包括在多个电纺位置处利用电极上的聚合物溶液涂层由电极来电极电纺精细纤 维，所述多个电纺位置设置成线性阵列；利于集料与电纺位置之间的相对移动，其中电纺位 置与集料成间隔关系；将精细纤维沉积在集料上；维持电纺位置与集料之间的恒定间距； 以及用聚合物溶液涂层定期地再生每个电纺位置。本发明的又另其它方面涉及一种生产精细纤维的方法，包括将第一电极和第二电 极设置成间隔的关系，其中第二电极包括至少一链带；在第一电极与第二电极之间产生电 压差异；用聚合物溶液润湿链带；沿着第一路径以与第二电极间隔的关系通行集料；利用 电压差异将聚合物材料的精细纤维从多个电纺位置连沿着至少一个链带电纺到集料上；以 及沿着横向于第一路径的第二路径通行链带。根据一些实施例，上述方法可包括将环形链带夹带在至少两个引导器上，引导器 可采用引导轮的形式；沿着环形路径围绕至少两个引导器通行环形链带；从暴露且面向集 料的环形链带的第一部分生成精细纤维；以及将环形链带的第二部分蘸入到聚合物溶液中 并藉此定期地再生电纺位置。甚至，从由经过电极链带的间隙分隔开的多个间隔部分来典 型地生成精细纤维。电纺位置横向于第一路径地可移动经过料，当环形链带沿着第二横向 路径通行时，料沿着第一路径通行。本发明的其它方面、目的和优势通过下述详细说明结合附图将显而易见。 附图被包括在说明书中并成为说明书的一部分，附图描绘了本发明的几个方面，且与一起用于解释本发明的原理。在附图中图1是根据本发明实施例的精细纤维生产机械的局部示意性侧视图，该精细纤维生产机械可用于生产滤料；图2是图1中所示的机械的局部示意性平面图；图3示出了根据本发明实施例的多个聚合物溶液槽和电极电纺电极以及用于驱 动其的合适驱动机构的等轴测图，所述机构可被包括并应用在图1所示的示意图中；图4是图3所示的装置的一部分的放大图；图5是图3所示的装置的一部分的放大图和不同方向看的等轴测图，更好地描绘 了驱动单元的示例；图6是图3所示的装置的独立单元中的一个的放大侧视图；图7是图3所示的电极电纺元件或单元中的一个的截面图；图8是用于前述附图中的环形链电极的一部分的放大示意图，用于解释在操作期 间如何从每个独立链部分上的聚合物溶液涂层典型地形成至少两个电纺位置；图9是根据本发明备选实施例的迂回带电极电纺装置的透视图；以及图10是本发明的又另一备选实施例，该实施例包括驱动环形带的两个引导滑轮， 其中在操作期间单个针头分配位置用于采用聚合物溶液将带润湿。虽然本发明联系某些优选的实施例进行描述，但是本发明并不旨在局限于这种实 施例中。相反地，本发明旨在包括落入由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的 所有备选方式、变型以及等同物。
为了产生静电场，提供高压电源，且高压电源被连接到电极40、42中的至少一个， 以便在电极40、42之间产生在10000与150000伏之间或更高的量级(且优选地，对于生产 用于滤料的精细纤维，在75000与120000伏之间)的高压差异，当然其它电压范围也是可 能的。通常而言，集电极42被简易地固接，电压产生源可相对于集电极而不是地面提供电 势，使得电纺电极可不必要地具有相对于地面的高电压电势。在任一情形中，电压源被设置 成在第一和第二电极之间产生电压差异，足以通过静电场产生来自于聚合物溶液的精细纤 维的电纺。在一个实施例中，设备包括单个电纺电极40。例如，图7中的单个电极可用于自身 形成机械。如其它图中所示，多个电纺电极40可提供在入口区域32与排出区域之间。一 个或多个电纺电极可被组装成独立精细纤维生产元件50中的一个单元。例如，多个精细纤 维生产元件50可设置在入口区域和排出区域之间，如图1-3所示。每个精细纤维生产元件 50可经由电线52联接到高压电源44，且每个单元经受相对于集电极42而言的相同电压电 势和电压差异。参考图7来关注独立生产元件50的更多细节，每个元件50包括蘸取槽54，蘸取槽 54可采用塑料壁盒状管道结构。蘸取槽54的每个壁56由例如塑料的绝缘材料制成(但 是，可采用被认为对于计划好的溶剂来说不溶解的塑料或其它绝缘材料)，以便防止从高压 电源46连通到槽54中的不想要电压放电。蘸取槽54容纳聚合物溶液58，聚合物溶液58 包括合适的溶剂和用于电极电纺精细纤维的合适聚合体。金属电气端子60安装到塑料壁56中的一个上，金属电气端子60延伸穿过一个壁 56且由电线52连接到高压电源44。端子60与聚合物溶液58连通，且因此对溶液充电以 便将电压电势从其通信到电纺电极40。此外，为了提供聚合物溶液的定期补给，常规地包括单向截止阀的流体耦合装置 (例如，快速连接耦合装置62)被安装到一个壁56中且穿过该壁，以允许通过添加更多的这 种溶液来定期补给聚合物溶液。这可一起连接到流体补给系统，该流体补给系统用更多的 聚合物溶液来定期补给槽，该流体补给系统包括流体计量单元64和贮存器66。可提供控制 阀或独立的计量单元(一个专用于每个元件)以独立地控制每个元件中的溶液。如图所示，电纺电极40可采用链带的形式，且如图所示在一个实施例中采用环形 链70形式的环形链带。环形链70优选地由金属或其它导电材料制成，使得环形链70容易 地导电且借由聚合物溶液58提供并通过其的电连通来与高压电源44处于电路的关系。环 形链70优选地包括多个独立的间隔部分72，如图8最佳地示出。每个间隔部分由间隙74 和分隔器部分76连接并与另一个相邻部分间隔开。在该实施例中，部分72是形成串珠链 的串珠，其中独立的串珠采用大致球冠体78的形式。例如，不锈钢金属串珠链可用于电纺 电极。环形链70沿着环形路径80安装在两个弓丨导器周围，引导器可采用可移动的引导 轮82的形式，分别在蘸取槽54的相反两端处隔开。引导轮82可以是所示的滑轮状结构且 可以是金属、塑料或其它合适材料。引导轮82安装成在绝缘轴84(例如，塑料材料的轴) 上旋转，以便隔离蘸取槽54中的电压电势。轴84相对于蘸取槽54的壁56可旋转。环形 链70绕引导轮82夹带，包括暴露于聚合物溶液58之外的线性电纺路径86。电纺路径86 面向集电极42且最接近集电极42。环形链70还具有通向蘸取槽54和聚合物溶 液58的线性返回路径88，以便定期地再生环形链的部分，即通过蘸取链并将其通向聚合物溶液。在任何时间，链的一部分用溶液再生且一部分暴露用于电极电纺。为了沿着环形路径80绕引导轮82驱动环形链70，提供合适的驱动单元，驱动单元 包括具有在输出轴92上的旋转式输出的旋转式马达90。输出然后通过齿轮装置传输到传 动轴94，传动轴94通过链式和链轮齿装置96传输到电气隔离驱动器98。驱动器98包括 分离的但是紧挨设置的壳体100(见图6)，包含配置成所示的偏移配置(磁体介入在壳体之 间)永磁体102，使得当一个壳体100的被操作旋转使得其它壳体100由于两个壳体中永磁 体102的插入关系以及由此产生的排斥力或吸引力而旋转。一个驱动壳体100安装到用于 每个蘸取槽元件的至少一个引导轮86，使得在驱动轮绕环形路径80驱动环形链70时引导 轮也是成对的。当然，可提供其它合适的驱动单元，以绕环形路径80驱动环形链70。从图1、2和7可以看出，环形链70的线性电纺路径部分86相对于第一方向横向 地延伸，用于沿着关于第一方向30优选横向(S卩，垂直或者以其它方式位于交叉方向，例如 斜对地或倾斜地)的第二方向104运动。结果是，当料片材沿着第一方向30从入口区域32 移动到排出区域34时，环形链70的独立部分72沿着第二方向104在相反侧面36之间移 动经过基底片材。此外，如图7最佳地所示，当独立部分72移动从一端经过整个线性电纺路径86到 达另一端时，集电极42的部分72和/或料片材18间可存在恒定的间隔距离106。这种恒 定目标距离可包括由环形链的下陷引起的微小变化，该微小变化不会实质上地影响精细纤 维生产。结果是，电纺目标间隔距离106可被严格地控制且不会经受在旋转鼓应用中可能 出现的大变化。在环形链沿着线性电纺路径86存在不期望的下陷的程度上，可提供沿着该 路径的中间引导支承件(未示出)，这也可能在环形链上定期地再生聚合物涂层。在当经过 更长跨度的电极电纺是期望的时可提供这种附加的中间支承件。通过将来自于针头的聚合 物溶液泵送到链上和/或通过吸取溶液并将溶液传送到环形链上的传送轮可实现中间再 生。在任何情况下，环形链沿着电纺路径存在任何微小下陷的程度上，仍确实被认为恒定间 隔距离106包括在本发明和所附权利要求书的意义和内容中，且沿着电纺路径86的移动将 仍确实被认为在本发明和所附权利要求书的内容中。从前述可以看出，线性电纺路径86和环形链70的移动方向横向于集料片材18的 移动方向。优选地且如图所示，这种横向设置优选地是垂直的，虽然应当理解的是可使用包 括除了 90°之外的角度的其它横向设置。因此，在本文的内容中，横向包括但不意味着垂 直，而是意味着更广的范围且还意味着包括用于生成电极电纺的链带，链带通常在大致集 料片材18的相反侧36之间的方向上交叉。根据操作模式实施例，在操作期间，滤料集片材18沿着第一方向连续地通行，同 时环形链70绕环形路径80连续地运行。然而，应当理解的是，如果为了各种目的需要的话， 都可进行两者中任一个的间歇性操作。在操作期间且如图7和8所示，沿着线性电纺路径86的环形链70包括多个电纺位 置108，电纺位置108以至少一排的阵列线性对齐，所示为两排的阵列线性对齐。电纺位置 由间隙74隔开，在本发明实施例的该情形中是等距隔开的间隙74，使得电纺位置108沿着 线性电纺路径86等距地间隔开。原因是球冠体78的构造在形成精细纤维110时通常产生 两个电纺位置108。如图所示，电纺位置108位于球冠体78的相反侧且借由电排斥力(例如，充电的电纺线趋于彼此排斥)而沿着横向轴线112隔开，该横向轴线112垂直于线性电纺路径86。因此，独立部分72的弯曲性质在电纺位置之间有利地产生期望间距并向每个独 立部分提供多个电纺位置，从而均勻地生产多个精细纤维并控制精细纤维的生产。然而，应 当理解的是，可作出其它配置，例如提供尖的边缘，用于产生电纺位置或非成段链带。在水用作溶剂的水溶性聚合物的情形中，装置可用于未覆盖状态。然而，所公开的 实施例具有重要可选的和优选的特征，该特征通过提供中心盖件116来提供优于传统蘸取 系统的明显优势，中心盖件116被设置成大致覆盖否则打开的蘸取槽端部118。具有这种设 置，可以看出环形链电极被驱动在盖件周围，环形链电极包括容纳在蘸取槽中且大致由盖 件包封于其中的第一部分和暴露的且能够产生精细纤维的第二部分。盖件116可插入到所 示的弹性电极的不同部件之间且可大致包围蘸取的电极。盖件116大致在间隔开的引导轮 82之间延伸且在本发明实施例中可包括引导轮狭槽120，狭槽120接收通过其的引导轮且 提供环形链70可从中经过的开口。在每个元件50包括两个环形链70的本发明实施例的 情形中，其中每个环形链70具有仅两个引导轮82，可提供一共四个狭槽120。可提供用于 附加引导轮的附加狭槽，其中期望有或需要其它支承装置。当聚合物溶液包括挥发性溶剂 和/或除了水之外的溶剂时，盖件116是尤其有利的。例如，某些溶剂材料可比水更快地蒸 发且因此使得更难以维持期望的聚合物与溶液的比率。盖件116使得在任一时刻暴露于外 界的溶剂量最小化，并因此使得溶剂损失最小化。这从材料节约和环保角度来看也可能是 更为有利的。例如，将根据本发明图1-8的覆盖环形串珠链实施例与具有未覆盖结构的市售机 械相比，即，从捷克共和国的利贝雷茨的El-Marco，s. r. ο.可获得的El-Marco NAN0SPIDER model NS-8A 1450机械已经示出了在16小时测试时段内可观的溶剂节约。具体地说，由于 蒸发溶剂损失，对于从12%聚合物溶液(聚合物与溶液的比率)电纺聚合物精细纤维，例如 使用1/3的甲酸和2/3的乙酸溶剂的尼龙6，在El-Marco机械的未覆盖蘸取槽中补给局部 聚合物溶液需要用稀得多的聚合物溶液(以及因此更多的溶剂)来补给蘸取槽，以便维持 蘸取槽中的12%溶液。具体地，由于更少的溶剂蒸发，El-Marco机械需要2%溶液的溶剂 富余补给溶液。然而，实施例能够实现用7%补给溶液的更多聚合物富余溶液来维持12% 的聚合物溶液。在进行这种比较时，要承认的是，并不是机械的所有参数都相同(例如，除 了别的以外电极是不同配置的且不同地被驱动，集料流率可能不同，考虑到蘸取槽管道在 集料的运动方向上可能变薄，本发明实施例中蘸取槽管道的尺寸可能更小，因为它不需要 适应鼓状电极的旋转)。然而，考虑到蒸发很大程度上与可用表面区域(以及例如，表面震动和空气流，例 如围绕电极的蘸取部分的入口和排出区域)相关，溶剂节约主要是由于本文所公开的槽和 电极覆盖技术。例如，图1-8的实施例大致覆盖聚合物溶液的表面且还覆盖电极蘸取入口 和排出位置(震动的区域)。因而，其它参数不认为明显地影响蒸发损失。在比较机械时， 已经计算出溶剂蒸发节约可能高达60%或更多。该优势的大部分被认为归因于在蘸取期间 电极的覆盖和大致封闭聚合物溶液。因而，优选地充分覆盖被提供用来按照至少25%且更 优选地按照至少50%来减少溶剂损失。在实践一个实施例中，盖件116可借由螺钉或以其它方式被牢固地紧固地蘸取槽 54的壁上。盖件的配置和附连可取决于电极的配置。其它配置和其它类型的电极电纺系统是可能的。优选地，与未覆盖的电极电纺设备相比，盖件按照至少25 %且甚至更优选地至少 50 %来减少聚合物溶液中的溶剂蒸发。例如，在上述实例中显示节约大约三分之二的溶剂。此外，所描绘的实施例包括端盖122，位于元件50的相反端上的端盖122安装到延 伸高于盖件116的壁延伸件124，使得端盖122布置在环形链70的相反端上方且布置在引 导轮82的上方。端盖122还用于减少溶剂蒸发但是也用作罩以限制精细纤维生产的跨度。 如图所示，在相反端盖的内边缘之间的端盖跨度126大约相同且优选地刚好稍微大于限定 在相反侧36之间的相应料片材18的宽度。端盖122可调节和/或用其它更长的端盖可互 换，使得跨度126可调节以便适应于集料片材18的不同宽度，集料片材可通向经过精细纤 维产生机械10。转到图9，示出了作为在很多方面类似于第一实施例的精细纤维生产机械140的 本发明的备选实施例。例如，该实施例类似地采用链带，该链带用聚合物溶液润湿且能够维 持相对于集料的电纺位置的恒定间距。此外，该实施例还包括绕环形路径驱动以提供电纺 电极的环形链带。因而，细节将针头对一些更为显著不同的地方。在该实施例中，精细纤维生产机械包括环形迂回带142，迂回带142在环形路径中围绕多个引导轮144被驱动。迂回带142优选地由导电性材料制成且可采用所示的连续环 形金属传送带的形式，以用于电纺电极。迂回带142包括在相邻引导轮144之间的几个线 性部分146，每个线性部分提供多个电纺位置。大体而言，布置在最接近集电极的边缘148 提供电纺位置。该边缘148可呈锯齿形以提供多个间隔且等距隔开的尖边缘(未示出)和 /或可配置有容器等以便提供沿着边缘148的当地聚合物溶液流体贮存器。优选地，引导轮 包括接合带142上的孔152和其它类似定位结构的齿或其它定位结构，使得边缘可维持成 恒定的间距且因此在期望有恒定的间距时维持恒定的间隔距离106。迂回带142经受电压源以产生静电场，藉此用作电纺电极。为了提供沿着带142的 聚合物溶液，该实施例包括润湿供给系统，该润湿供给系统包括具有邻近于迂回带142的 边缘148间隔的控制小孔155的一个或多个针头154。此外，针头沿着流体管路连接到由泵 156提供的加压聚合物溶液源，泵156从贮存器158传输聚合物溶液。因此，不必要地蘸取 来生成链带，而是可备选地以根据该实施例的其它方式润湿来生成链带。备选地，该实施例 还提供将电极蘸取到蘸取槽中的能力。例如，由于迂回带的柔性性质，迂回带的一部分可设 置成竖直而不是水平地通行。备选地，右手部分可蘸入包含聚合物溶液的蘸取槽中，其中集 料设置成竖直而不是水平地通行。在图10中示出了作为很大程度上类似于图9的现有实施例的精细纤维生产机械 160的本发明的第三实施例。因而，将限制讨论的范围。该实施例类似地采用聚合物供给系 统，该聚合物供给系统包括针头控制小孔、泵和聚合物溶液贮存器。该实施例还采用环形链 带，在该实施例中环形链带采用围绕两个滑轮164驱动的更为简单的金属传送带162的形 式。可从边缘166获得纤维产品，边缘166意在布置成最接近集料(未示出)。该实施例同 样很大程度上类似于第一实施例，除了链带162的线性部分168被设置用于纤维生产且可 能不蘸入聚合物溶液中之外。应当注意的是，部分168中的每个不必要地维持在恒定的距 离。例如，可能有利的是，生产具有不同属性的不同纤维，从而具有相对于集料在不同距离 处设置的不同纤维生产电纺电极。在该实施例中，滑轮164可采用其它定位结构的滑轮，以 维持边缘166相对于集料的定位。
所有的参考部分，包括文献、专利文献和本文所引用的专利在此相同程度地以引用的方式结合到本文中，就像每个参考部分独立地且特别指出以引用的方式被包括以及以 其全部内容被包括在本文中。在描述本发明的内容中(尤其是在下述权利要求的内容中)术语“一”和“这”以 及类似用语的使用意在被认为包括单数和复数，除非在本文中以其它方式指示出或者在文 中清楚地否认。术语“包括”、“具有”、“包含”以及“含有”被认为是开放式术语(即，意味 着“包括，但不局限于”)，除非以其它方式说明。本文数值的列举范围仅仅旨在用作单独地 指代落入范围内的每个独立数值的简略方法，除非在本文中其它方式指出，且每个独立数 值被包括在说明书中，就像数值在本文中被单独地引用。本文所描述的所有方法可以任何 合适顺序来进行，除非在本文中以其它方式指出或者以其它方式在文中清楚地否认。本文 所提供的任何和所有实例或者示例性语言(例如，“例如”)的使用仅仅旨在更充分地描绘 本发明且不对本发明的范围进行限制，除非以其它方式声明。说明书中的语言都不应被认 为指示任何对于实践本发明来说重要的未声明的要素。在本文描绘了本发明的优选实施例，包括对于实践本发明的发明人来说最佳的模 式。在审阅前述说明之后，这些优选实施例的变形对于本领域技术人员来说显而易见。发 明人预期熟练技术人员采用合适的变形且发明人旨在将本发明以本文所特定描绘之外的 其它方式进行实践。因此，本发明包括所附权利要求书所引用作为适用法律所允许的主题 内容的所有变形和等同物。而且，在其中所有可能变形中的前述要素的任何组合都被包括 在本发明中，除非在本文中以其它方式指出或者在文中以其它方式清楚地否认。


提供例如用于从聚合物溶液形成纳米纤维的静电精细纤维生产设备。精细纤维生产设备包括可采用环形不锈钢串珠链形式的链带。串珠链可以是夹带在两个引导轮上且绕垂直于集料的环形路径驱动的环形链。