CN1489513A - 通过电纺丝制造聚合物纤维壳的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供一种由液化聚合物制造聚合物纤维壳的设备。该设备包括：(a)用于在其上面产生聚合物纤维壳的沉积电极；(b)给料器，处于相对于该沉积电极的第一电位，以便产生在该沉积电极与该给料器之间产生一个电场，其中该给料器用于：(i)给液化聚合物充电从而提供一种带电液化聚合物；以及(ii)沿着该沉积电极的方向供应带电液化聚合物；以及(c)辅助电极，处于相对于沉积电极的第二电位，该辅助电极用于改变该沉积电极与该给料器之间的电场。

Description

通过电纺丝制造聚合物纤维壳的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种通过电纺丝制造聚合物纤维壳的方法和设备。

背景技术

诸如管状产品之类的聚合物纤维壳在医疗工业中被用于包括食管移植物、血管移植物、移植片固定模外套等各种用途。

技术上已知有许许多多制造适用于医疗用途的聚合物纤维壳的方法，包括例如，各种注塑方法、芯轴辅助挤塑或成形以及各种编织技术。

适合用作血管移植物的聚合物纤维壳的生产尤其困难，因为此种移植物必需耐受高且脉动的血压，同时又是弹性和生物相容的。

技术上已知的血管移植物典型地具有微孔结构，它们通常容许组织生长和细胞内皮化(endothelization)从而对移植物的长期移入和开放做出贡献。

在血管移植物中，组织的向内生长和细胞的内皮化通常随着移植物孔隙率的增加而提高。然而，血管移植物孔隙率的增加将导致移植物机械和抗张强度的大大降低，结果导致其功能下降。

电纺丝已被用于生产各种医疗用途产品，例如，伤口敷料、修复器件和血管移植物，乃至用于工业，例如，电解池隔膜、电池隔膜和燃料电池元件。已有人建议用电纺丝生产具有壳状外观的产品。例如，美国专利4,323,525公开一种通过成纤材料静电纺丝并将纺出的纤维收集在旋转芯轴上来制备管状产品的方法。美国专利4,552,707公开一种能控制最终产品纤维取向的“各向异性程度”的变转速芯轴。管状产品之类的其他例子公开在，例如美国专利4,043,331、4,127,706、4,143,196、4,223,101、4,230,650和4,345,414中。

电纺丝方法产生一股液体细流或射流，一旦适度蒸发就将生成一种非织造纤维结构。该液体细流是利用电力穿过空间抽(吸)出少量液化聚合物(或者溶解在溶剂中的聚合物(聚合物溶液)或者熔融聚合物)而产生的。产生的纤维随后被收集在适当定位的沉积装置如芯轴上，从而形成管状结构。在室温下通常为固体的熔融聚合物情况下，该硬化程序可能只不过是冷却而已，但也可采用其他程序如化学硬化或溶剂蒸发。

在电纺丝中，高场电力线密度(即，具有大的每单位体积的数值)的电场会在沉积装置附近产生电晕放电，从而阻止纤维被沉积装置收集。电场的场电力线密度尤其取决于沉积装置的几何特征；特别是，沉积装置上的锐利边缘将增加电晕放电。

另外，由于电偶极在芯轴附近沿电场最大强度矢量旋转的效应，至少有一段小曲率半径的产品被纤维同轴地覆盖。此种结构纤维的形成方式大大降低纺出产品的径向抗张强度，而在血管移植物的情况下，该径向抗张强度却是耐受血流产生的压力所需要的。

现有技术中已知有各种各样基于电纺丝的制造血管移植物的方法，例如可参见，美国专利4,044,404、4,323,525、4,738,740、4,743,252和5,575,818。然而，这些方法存在着上述固有的局限性，从而限制了它在生产复杂轮廓纤维壳方面的应用。

因此，尽管电纺丝可高效地用来产生大直径壳，但电纺丝方法的本性妨碍它高效地生产具有复杂轮廓和/或小直径的产品如血管移植物。特别是，鉴于孔隙率与径向强度彼此冲突，故现有技术的电纺丝方法无法高效地用于制造兼具这两种特性的血管移植物。

因此，目前公认需要并且非常有利的是，具有一种摆脱上述限制的通过电纺丝制造聚合物纤维壳的方法和设备。

发明内容

按照本发明的一个方面，提供一种由液化聚合物制造聚合物纤维壳的设备，该设备包括：(a)用于在其上面产生聚合物纤维壳的沉积电极；(b)给料器，处于相对于沉积电极的第一电位，以便在沉积电极与给料器之间产生一个电场，其中给料器用于：(i)给液化聚合物充电从而提供一种带电液化聚合物；以及(ii)沿着沉积电极的方向供应带电液化聚合物；以及(c)辅助电极，处于相对于沉积电极的第二电位，辅助电极用于改变沉积电极与给料器之间的电场。

按照本发明的另一个方面，提供一种将液化聚合物成形为非织造聚合物纤维壳的方法，该方法包括：(a)给液化聚合物充电，从而产生一种带电液化聚合物；(b)将带电液化聚合物置于第一电场作用之下；(c)沿沉积电极的方向在第一电场内供应(射出)带电液化聚合物，其中沉积电极被设计和制成用于生成聚合物纤维壳的形状；(d)提供第二电极，用于改变第一电场；以及(e)利用沉积电极将带电液化聚合物收集在其表面上，从而形成非织造聚合物纤维壳。

按照本发明下面描述的优选实施方案中的另一特征，第一电场被界定在沉积电极与处于相对于沉积电极的第一电位的给料电极之间。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，步骤(c)是通过从给料电极供应所述带电液化聚合物来实现的。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，第二电场由处于相对于沉积电极的第二电位的辅助电极界定。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，辅助电极用于减少第一电场的不均一性。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，辅助电极用于控制在沉积电极上产生的聚合物纤维壳的纤维取向。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，辅助电极用于尽量减少给料器与沉积电极之间产生的体积电荷。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，该方法还包括，在步骤(e)期间，沿着沉积电极移动辅助电极。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，该方法还包括，在步骤(c)期间，沿着沉积电极移动给料电极。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，该方法还包括使给料电极和辅助电极沿着沉积电极的运动同步化。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，给料器包括形成带电液化聚合物射流的机构。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，该设备还包括用于容纳液化聚合物的浴。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，用于形成带电液化聚合物射流的机构包括给料电极。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，给料器可沿着沉积电极长度方向移动地操作。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，沉积电极包括至少一个旋转芯轴。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，旋转芯轴是圆柱形芯轴。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，旋转芯轴是复杂轮廓芯轴。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，复杂轮廓芯轴包括锐利结构要素。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，圆柱形芯轴的直径选自0.1～20mm的范围。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，沉积电极包括至少一种选自凸起、小孔、沟槽和grind的结构要素。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，辅助电极的形状选自平面、圆柱体、花托和丝网。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，辅助电极可沿着沉积电极长度方向移动地操作。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，辅助电极相对于沉积电极纵轴倾斜一定角度，该角度介于45～90°之间。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，辅助电极置于距沉积电极5～70mm的地方。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，辅助电极位于距沉积电极一段距离δ，该δ＝12βR(1-V₂/V₁)，其中β是介于约0.7～约0.9的常数，R是在沉积电极上形成的聚合物纤维壳的曲率半径，V₁是第一电位，V₂是第二电位。

按照本发明的另一个方面，提供一种由液化聚合物制造聚合物纤维壳的设备，该设备包括：(a)给料器，用于：(i)给液化聚合物充电从而提供一种带电液化聚合物；以及(ii)供应带电液化聚合物；以及(b)沉积电极，处于相对于给料器某一电位，从而在沉积电极与给料器之间产生一个电场，沉积电极用于收集被电场吸引的带电液化聚合物，从而在其表面形成聚合物纤维壳，其中沉积电极被设计成能减少电场中的不均一性的样式。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，沉积电极由导电和不导电材料组合构成。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，沉积电极的表面由规定花纹的导电和不导电材料构成。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，沉积电极由至少两层构成。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，该至少两层包括导电层和部分导电层。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，该部分导电层是由导电材料和至少一种绝缘材料的组合构成的部分导电层。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，该绝缘材料选自聚酰胺和聚丙烯腈以及聚四氟乙烯。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，该绝缘材料是Titanium Nitride(一氮化钛)。

按照所描述的优选实施方案中的又一特征，该部分导电层选自介于0.1～90μm之间的厚度。

本发明通过提供一种能制造可用于血管移植物的非织造聚合物纤维壳的电纺丝设备和方法成功地克服了目前已知构造的缺点，

附图说明

下面，将仅作为例子结合附图描述本发明。现在，具体地细看附图，要强调的是，所示细节不过是举例，仅为形象地讨论本发明优选实施方案而已，给出的目的在于提供据信对本发明原理和诸概念方面最有用和容易理解的描述。就此而论，对本发明结构细节展示的详细程度力图以达到对本发明的根本理解为止，结合附图的说明使本领域技术人员对本发明若干形式如何体现在实践中得到清楚的了解。

在附图中：

图1是现有技术电纺丝设备的示意图；

图2是包括本发明辅助电极的电纺丝设备示意图；

图3是包括本发明平面辅助电极的电纺丝设备示意图；

图4是包括本发明圆柱形辅助电极的电纺丝设备示意图；

图5是包括本发明线型辅助电极的电纺丝设备示意图；

图6是包括本发明复合辅助电极的电纺丝设备示意图。

图7是采用传统电纺丝技术纺制的材料的电子显微图象；

图8是采用本发明设备，包括距芯轴20mm的扁平辅助电极，纺制的材料的电子显微图象；

图9是采用本发明设备，包括距芯轴9mm的扁平辅助电极，纺制的材料的电子显微图象；

图10是采用本发明设备，包括线型辅助电极，纺制的材料的电子显微图象。

具体实施方式

本发明是一种采用电纺丝制造聚合物纤维壳的方法和设备。具体地说，本发明可用于通过电纺丝制造复杂轮廓产品和直径从小到大的血管移植物。

为更好地理解本发明，正如附图的图2～10中所示，首先看传统(即，现有技术)电纺丝设备的构造和操作，如图1所示。

图1表示一种采用传统电纺丝设备制造管状构造的设备，以下称设备10。

设备10包括给料器12，它例如可以是备有毛细孔14的浴。给料器12用于贮存液体形式待纺聚合物。给料器12位于距沉积电极16规定距离的地方。

沉积电极16用于在其表面生成管状构造。沉积电极16通常被制成芯轴形式或任何其他圆柱形构造。沉积电极16借助某一机构旋转，从而当包覆以聚合物时形成管状构造。

给料器12通常接地，而沉积电极16连接高电压源，优选为负极性，从而在给料器12与沉积电极16之间形成电场。替代地，沉积电极16可接地，而给料器12连接高电压源，优选具有正极性。

为生产管状构造，液化聚合物(例如，熔融聚合物或溶解的聚合物)被挤出，例如，在静液压作用下经由给料器12的毛细孔14挤出。一旦当由挤出的液化聚合物形成弯液面时，就立即开始溶剂蒸发和冷却的过程，并伴随产生具有半刚性外鞘或壳的胶囊。由给料器12与沉积电极16之间的电位差产生一种电场，偶尔伴随给料器12区域的单极电晕放电。由于液化聚合物具备一定程度导电性，致使上述胶囊带上电荷。在胶囊内的电排斥力导致静液压的急剧升高。该半刚性外鞘被拉伸，于是在每个外鞘表面形成大量点微破裂，从而造成从给料器12喷出液化聚合物的超细射流。

这些电荷趋于沿射流分布，从而防止射流内电场的任何非零分量的存在。于是，一股传导电流便沿着射流流动，从而导致游离电荷(不同正负号)在液化聚合物表面的积累。

在库仑力的作用下，射流脱离给料器12并朝相反极性的电极，即，沉积电极16运动。随着在电极间空间内以高速运动，射流变冷或其中的溶剂蒸发，从而形成纤维，这些纤维被收集在在沉积电极16的表面。鉴于电极16在不断旋转，故带电纤维形成管状。

当采用的芯轴至少一部分具有小曲率半径时，电场最大强度矢量的取向作用导致沉积电极16被纤维同轴地包覆。于是，小直径产品，当通过现有电纺丝方法制造时将具有有限的径向强度，正如上面所述。

当采用的芯轴具有锐边和/或各种各样形状和尺寸的凹陷时，沉积电极16附近的电场数值可能超过空气耐电强度(约30kV/cm)，于是在沉积电极16区域将产生电晕放电。正如下面所述，电晕放电的效应将降低方法的包覆效率，甚至造成纤维根本无法收集在沉积电极16的表面。

电晕放电的引发伴随产生相当数量电荷符号与带电纤维相反的空气离子。鉴于电力的指向与它所作用的电荷极性有关，因此这些离子开始朝与纤维运动相反的方向运动，也就是，离开沉积电极16而朝着给料器12。结果，一部分这些离子将产生体积电荷(离子云)，它们不均一地分布在电极间空间中，从而导致场电力线部分地靠近体积电荷而不是沉积电极16。再者，相反体积电荷在电极间空间内的存在将降低作用在纤维上的电力，从而导致大量纤维积累在电极间空间内并逐渐靠重力沉降。可以看出，此种效应将导致一种低效率纤维包覆过程。

采用一种无限长度/半径(比)的圆柱体作为沉积电极16可降低上述效应。然而，当采用小半径或复杂轮廓芯轴制造小半径或复杂轮廓构造时，此种效应仍然严重和具有限制性。

在详细解释本发明至少一种实施方案之前，首先要知道，本发明的适应性不限于下面的文字说明和附图所给出的制造细节和零部件安排。本发明能够实施其他实施方案或以各种各样方式实施。而且，还应知道，这里所采用的短语和术语旨在说明，不应视为限制。

当把本发明付诸实施时，却发现，在电纺丝设备内采用第三电极便可控制给料器与沉积电极之间产生的电场。具体地说，第三电极或者可大大降低电场内不均一性，或者可提供对沉积后纤维取向的控制。

于是，按照本发明，提供一种由液化聚合物制造聚合物纤维壳的设备，该设备在这里被称作设备20。

如图2所示，设备20包括沉积电极22，用于在其表面产生聚合物纤维壳。沉积电极22例如可以是个一致或变半径的芯轴，可包括某些结构要素，例如但不限于，凸起、小孔和沟槽。沉积电极22的表面还可包含grinds。芯轴的直径可从约0.1mm变化到最高约20mm，取决于要在其表面纺制的聚合物纤维壳的直径。

设备20还包括给料器24，它处于相对于沉积电极22的第一电位。此种电位可通过将给料器24接地并将负极性的高电压源连接到沉积电极22上来产生。

替代地，沉积电极22可接地，而给料器24连接到正极性的高电压源上。在任何情况下，给料器24与沉积电极22之间电位差的绝对值可介于约10kV～约100kV之间。

给料器24与沉积电极22之间的电位差确保在它们之间维持一个电场，该电场，如上所述，对电纺丝方法至关重要。

给料器24用于给液化聚合物充电，从而提供带电液化聚合物并将带电液化聚合物沿沉积电极22的方向给料。给料器24还可包括使它沿着沉积电极22纵轴移动的机构，从而使带电液化聚合物能朝沿着沉积电极22纵轴的各个点给料。

带电液化聚合物例如可以是聚氨酯、聚酯、聚烯烃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯基芳族化合物、聚乙烯基酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚(L-乳酸)、聚(丙交酯-CD-糖苷)、聚己内酯、聚磷酸酯、聚(乙醇酸)、聚(DL-乳酸)以及某些共聚物。也可使用生物分子如DNA、丝、聚氨基葡糖和纤维素。还可能要求改善聚合物的充电。按照本发明，充电的改善是通过液化聚合物与电荷控制剂(例如，偶极添加剂)混合而形成，例如，一种聚合物-偶极添加剂络合物，从而明显改善与在电场作用下形成的电离空气分子之间的相互作用，这样来实现的。据认为，但不受此限，归功于初生纤维的此种额外电荷导致纤维在沉积电极上较均一的沉积，其中纤维被较好地吸引到某一局部最大值，也就是较早沉积的纤维覆盖最差的局部位置，其中较早纤维保持电荷的时间介于5～10分钟。电荷控制剂的典型加入量在几个克当量每升的范围，例如，介于约0.001N～约0.1N，具体取决于聚合物的具体分子量和所用电荷控制剂。

美国专利5,726,107、5,554,722和5,558,809公开了电荷控制剂与缩聚方法的组合在采用熔融纺丝或其他避免使用沉积电极的方法生产以永久带电为特征的驻极体纤维中的应用。电荷控制剂以结合到熔融或部分熔融纤维中并保持结合在其中的方式加入，从而给纤维提供长期，例如达数月之久，不消散的静电荷。

在本发明优选实施方案中，电荷控制剂暂短地结合在纤维外表面，因此该电荷随后转瞬(数分钟)就消逝。这是因为根本就没有发生缩聚，以致在此种试剂与聚合物之间不存在相互作用，还因为所采用的电荷控制剂浓度很低。因此，获得的壳基本上不带电。

合适的电荷控制剂包括但不限于，可结合到聚合物分子上的单-和多-环基团，例如通过-C＝C-、＝C-SH-或-CO-NH-基团，包括双阳离子酰胺、苯酚和硫化脲衍生物、金属络合化合物、三苯甲烷、二甲基咪唑和乙氧基三甲基硅烷(etboxytrimethelsians)来结合。

就典型而言，带电液化聚合物在电场产生的电力作用下以高速运动的液体射流形式给料。因此，给料器24通常包括用于容纳液化聚合物的浴和用于成形射流的机构，该机构例如可以是给料电极。

设备20还包括至少一个辅助电极26，处于相对于沉积电极22的第二电位。辅助电极26用于控制沉积电极22与给料器24之间的电场方向和大小，因此，辅助电极26可用来控制沉积在沉积电极22上的聚合物纤维的取向。在某些实施方案中，辅助电极26起到补充屏蔽电极的作用。广义地说，屏蔽电极的采用导致包覆层沉积系数的降低，这对于具有至少一段小曲率半径的芯轴来说特别重要。

辅助电极26的大小、形状、位置和数目应选择得使包覆层沉积系数达到最大，同时又使沉积电极22区域内的电晕放电效应最小和/或以致给沉积后的纤维提供受控取向。

按照本发明一种优选实施方案，辅助电极26位于距沉积电极22的5～70cm的地方。

优选的是，此距离根据下式选择：

            δ＝12βR(1-V₂/V₁)    (式1)

其中β是无因次常数，叫做纤维-电荷计算系数，介于约0.7～约0.9之间，R是沉积电极22的曲率半径，V₁是给料器24与沉积电极22之间的电位差，V₂是辅助电极26与沉积电极22之间的电位差。

辅助电极26可包括用于使它沿着沉积电极22纵轴移动的机构。此种机构，当要求对纤维取向加强控制时可能用到。

要知道，在采用给料器24和辅助电极26都能纵向移动的设备中，此种移动可以彼此独立也可以同步。

辅助电极26还可以相对于沉积电极22纵轴倾斜45～90°的角度。此种倾斜可用来提供对沉积后纤维取向的控制，因此提供对制造的壳的径向强度的控制；具体地说，角度大，产生的径向强度就高。

除了位置之外，电极26的形状和大小也可决定由设备20成形的壳的质量。譬如，电极26可制成各种各样的形状，每种用于特定的目的。可用于本发明设备20的电极形状包括但不限于，平面、圆柱体、花托、棒、刀、弧形或环形。

包括圆柱体(图4)或扁平形状(图3)辅助电极26的设备20能够制造至少部分地具有小曲率半径，该曲率半径可介于0.025mm～5mm之间，的复杂轮廓产品。正如从图8～9中所看到(在下面的实施例部分还将说明)的，此种构造的包覆层的特征在于纤维的随机-取向(图8)或甚至极性-取向(图9)，而不同于图7中所展示的那样通过现有电纺丝方法制造的小曲率(半径)产品典型具有的轴向包覆层(在实施例部分还将描述)。

优选的是，当采用大弯曲表面作为辅助电极26时，正如上面的情况那样，辅助电极26与沉积电极22之间的距离可确定为δ/x，其中x是介于1.8～2的系数，而其中δ由上式1规定。

于是，电极26的位置和/或形状决定形成的聚合物纤维壳中纤维的取向。

此种控制纤维取向的能力当制造血管移植物时很重要，因为其中此时高径向强度和弹性都是重要指标。可以看出，极性取向的构造通常也可通过湿法纺丝获得，然而，湿法纺丝中的纤维要比采用电纺丝使用的纤维粗至少一个数量级。

对纤维取向实施控制，当通过几种不同纤维材料的顺序沉积来制造复合聚合物纤维壳时也具有优势。

现在参见图5，其中画出设备20，它采用一种线型(例如，棒、刀、圆弧或环形)辅助电极26。

线型形状的辅助电极26的作用基于它在邻近沉积电极22区域的电场中引入的畸变。为取得最大效果，辅助电极26的直径必需大大小于沉积电极22的，但又大到足以避免产生显著电晕放电。由采用线型辅助电极26的设备20所产生的纤维包覆层示于图10，在下面的实施例部分还将进一步说明。

于是，本发明提供一种电纺丝设备，其中电场处于实质性控制之下，从而能提供无规或预定的纤维取向。

虽然目前优选采用至少一个辅助电极，但场的不均一性也可通过提供一种复合沉积电极而至少部分地得到克服。

如图6所示，具有给料器32的设备30的沉积电极34可设计和制成能减少电场不均一性的构造。

为克服电场不均一性，沉积电极34由至少两层材料制成，内层36由导电材料，而外层3 8由具有高介电性能的材料制成。此种制作设计造成电晕放电阈值相当大幅度的提高，从而大大减少从沉积电极34发出的电晕放电。

适合用于沉积电极34外层38的材料可以是陶瓷材料，例如，一氮化钛、氧化铝之类，或者聚合物材料，例如，聚酰胺、聚丙烯腈、聚四氟乙烯之类。外层38的厚度取决于其材质的介电性能，可从小于一微米，例如一氮化钛层的情况，到数十微米，例如，聚四氟乙烯、聚酰胺或聚丙烯腈层的情况不等。除了减少电晕放电之外，此种沉积电极的构造还使得将成形的构造从其上分离变得容易。于是，按照这一构型，沉积电极34的外层38也可制成便于最终产品从芯轴上取下的构造。

本发明其他目的、优点和新颖特征在本领域技术人员研读了下面的实施例之后自然清楚，但这些实施例不拟构成对本发明的限制。另外，本发明各个实施例和方面的每一个，正如上面所概述以及在下面权利要求部分所要求的，将在下面的实施例中找到实验支持。

实施例

现在来看下面的实施例，它们连同上面的说明一起以非限制性方式展示本发明。

电纺丝材料

一种聚碳酸酯树脂级Caliper 2071，由Daw化学公司购得。该聚合物的特征是具有良好成纤能力并且便于电纺丝。用氯仿作为下面所述所有实施例中的溶剂。

实施例1

采用传统电纺丝方法的传统轴向包覆

现在参见图7，这是一种通过传统电纺丝在细芯轴表面的非随机包覆的例子。3mm圆柱形芯轴采用现有技术电纺丝方法用聚碳酸酯纤维包覆。图7是其最终产品的电子显微图象，其中轴向纤维取向明显可见。由于电场的不均一，纤维还在电极间空间内运动时便随电场的构型取向了，获得的管状构造表现出纤维沿轴向取向，因此用轴向，而不是径向强度表征。

实施例2

采用扁平辅助电极的无规包覆

一种按照本发明的公开内容制造并操作的设备，包括距芯轴20mm并具有与芯轴相同电位的扁平辅助电极，被用来纺制3mm半径聚碳酸酯管状构造。正如从图8清楚地看出的，辅助电极的存在使纤维取向随机化。

实施例3

采用扁平辅助电极的极性取向包覆

一种按照本发明的公开内容制造并操作的设备，包括距芯轴9mm并处于与芯轴相差5kV电位差的扁平辅助电极，被用来纺制3mm半径聚碳酸酯管状构造。

正如从图9清楚地看出的，均衡电极-芯轴距离的缩短造成极性取向包覆。于是，通过将辅助电极和芯轴保持在较小距离内，同时在二者之间提供一个非零电位差，将导致电荷消散的放慢或停止，结果，电极间空间变得驻留了保持于静止不动的拉直位置、垂至于芯轴轴对称地取向的纤维。一旦拉直，纤维便逐渐围绕旋转芯轴卷绕，从而产生一种极性取向构造。

实施例4

采用线型辅助电极的预定取向包覆

图10表示从一种可用来获得预定取向构造的纤维包覆的设备构型获得的结果。

一种包括椭圆辅助电极和给料器，二者皆沿芯轴纵轴按照往复同步运动的方式移动，的设备，被用来在3mm圆柱形芯轴上包覆聚碳酸酯纤维。该辅助电极具有120mm的大直径、117.6mm的小直径和1.2mm的厚度。辅助电极放在距离芯轴15mm的地方，相对于芯轴对称轴成80°倾斜。

可以看出，本发明的某些特征，虽为清楚起见在分开的实施方案中进行描述，但也可组合起来在一种单一的实施方案中提供。反之，本发明各种不同的特征，虽为简便起见描述在一种单一的实施方案的文字中，但也可分别地或在任何合适的子组合中提供。

尽管本发明已结合其具体实施方案做了描述，但显然，许多替代、修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明意在囊括所有这些替代、修改和变化，只要落在所附权利要求的精神和广义范围之内。本说明中提到的所有出版物、专利和专利申请在此一律全文收入本文作为参考，正像每个单一出版物、专利或专利申请一一具体指明要收作参考一样。另外，在本说明中援引或指明任何参考不应视为如同本发明的先有技术一样已准许利用。

Claims (58)

1.一种由液化聚合物制造聚合物纤维壳的设备，该设备包括：

(a)用于在其上面产生聚合物纤维壳的沉积电极；

(b)给料器，处于相对于所述沉积电极的第一电位，以便在所述沉积电极与所述给料器之间产生一个电场，其中所述给料器用于：

(i)给液化聚合物充电从而提供一种带电液化聚合物；以及

(ii)沿着所述沉积电极的方向供应带电液化聚合物；以及

(c)辅助电极，处于相对于沉积电极的第二电位，所述辅助电极用于改变所述沉积电极与所述给料器之间的所述电场。

2.权利要求1的设备，其中所述辅助电极用于减少所述沉积电极与所述给料器之间所述电场的不均一性。

3.权利要求1的设备，其中所述辅助电极用于控制在所述沉积电极上产生的所述聚合物纤维壳的纤维取向。

4.权利要求1的设备，其中所述给料器包括用于形成所述带电液化聚合物射流的机构。

5.权利要求1的设备，还包含用于容纳液化聚合物的浴。

6.权利要求4的设备，其中所述用于形成所述带电液化聚合物射流的机构包括给料电极。

7.权利要求1的设备，其中所述给料器可沿着所述沉积电极纵轴移动地操作。

8.权利要求1的设备，其中所述沉积电极包括至少一个旋转芯轴。

9.权利要求8的设备，其中所述旋转芯轴是圆柱形芯轴。

10.权利要求9的设备，其中所述圆柱形芯轴的直径选自0.1～20mm的范围。

11.权利要求8的设备，其中所述旋转芯轴是复杂轮廓芯轴。

12.权利要求11的设备，其中所述复杂轮廓芯轴包括锐利结构要素。

13.权利要求1的设备，其中所述沉积电极包括至少一种选自凸起、小孔、沟槽和grind的结构要素。

14.权利要求1的设备，其中所述辅助电极的形状选自平面、圆柱形、花托和丝网。

15.权利要求1的设备，其中所述辅助电极可沿着所述沉积电极纵轴移动地操作。

16.权利要求1的设备，其中所述辅助电极相对于所述沉积电极纵轴倾斜一定角度，所述角度介于45～90度。

17.权利要求1的设备，所述辅助电极置于距所述沉积电极5～70mm的地方。

18.权利要求1的设备，其中所述辅助电极距所述沉积电极一段距离δ，该δ＝12βR(1-V₂/V₁)，其中β是介于约0.7～约0.9的常数，R是在沉积电极上形成的聚合物纤维壳的曲率半径，V₁是所述第一电位，V₂是所述第二电位。

19.一种将液化聚合物成形为非织造聚合物纤维壳的方法，该方法包括：

(a)给液化聚合物充电，从而产生一种带电液化聚合物；

(b)将所述带电液化聚合物置于第一电场作用之下；

(c)沿沉积电极的方向在第一电场内供应所述带电液化聚合物，其中沉积电极被设计和制成用于在其上生成聚合物纤维壳的形状；

(d)提供第二电极，用于改变所述第一电场；以及

(e)利用所述沉积电极将带电液化聚合物收集在其表面上，从而形成非织造聚合物纤维壳。

20.权利要求19的方法，其中所述第一电场被界定在所述沉积电极与处于相对于所述沉积电极的第一电位的给料电极之间。

21.权利要求20的方法，其中步骤(c)是通过从所述给料电极供应所述带电液化聚合物来实现的。

22.权利要求19的方法，还包括在步骤(c)期间沿着所述沉积电极纵轴移动所述给料电极。

23.权利要求19的方法，其中所述沉积电极包括至少一个旋转芯轴。

24.权利要求23的方法，其中所述旋转芯轴是圆柱形芯轴。

25.权利要求24的方法，其中所述圆柱形芯轴的直径选自0.1～20mm的范围。

26.权利要求23的方法，其中所述旋转芯轴是复杂轮廓芯轴。

27.权利要求26的方法，其中所述复杂轮廓芯轴包括锐利结构要素。

28.权利要求25的方法，其中所述沉积电极包括至少一种选自凸起、小孔、沟槽和grind的结构要素。

29.权利要求20的方法，其中所述第二电场由辅助电极界定，所述辅助电极处于相对于所述沉积电极的第二电位。

30.权利要求29的方法，其中所述辅助电极用于减少所述第一电场的不均一性。

31.权利要求19的方法，其中所述辅助电极用于控制在所述沉积电极上产生的聚合物纤维壳的纤维取向。

32.权利要求29的方法，其中所述辅助电极的形状选自平面、圆柱形、花托和丝网。

33.权利要求29的方法，还包括在步骤(c)期间沿着所述沉积电极移动所述辅助电极。

34.权利要求29的方法，还包括使所述辅助电极相对于所述沉积电极纵轴倾斜一定角度，所述角度介于45～90度。

35.权利要求29的方法，其中所述辅助电极置于距所述沉积电极5～50mm的地方。

36.权利要求29的方法，其中所述辅助电极距所述沉积电极一段距离δ，该δ＝12βR(1-V₂/V₁)，其中β是介于约0.7～约0.9的常数，R是在沉积电极上形成的聚合物纤维壳的曲率半径，V₁是所述第一电位，V₂是所述第二电位。

37.一种由液化聚合物制造聚合物纤维壳的设备，该设备包括：

(a)给料器，用于：

(i)给液化聚合物充电从而提供一种带电液化聚合物；以及

(ii)供应所述带电液化聚合物；以及

(b)沉积电极，处于相对于所述给料器的某一电位，从而在所述沉积电极与所述给料器之间产生一个电场，所述沉积电极用于收集被所述电场吸引的所述带电液化聚合物，从而在其表面形成聚合物纤维壳，其中所述沉积电极设计成能减少所述电场的不均一性的式样。

38.权利要求37的设备，其中所述给料器包括用于形成所述带电液化聚合物射流的机构。

39.权利要求37的设备，还包括用于容纳液化聚合物的浴。

40.权利要求38的设备，其中所述用于形成所述带电液化聚合物射流的机构包括给料电极。

41.权利要求37的设备，其中所述沉积电极由导电和不导电材料组合构成。

42.权利要求41的设备，其中所述沉积电极的表面由预定花纹的所述导电和不导电材料构成。

43.权利要求37的设备，其中所述沉积电极由至少两层构成。

44.权利要求43的设备，其中所述至少两层包括导电层和部分导电层。

45.权利要求44的设备，其中所述部分导电层由一种导电材料和至少一种绝缘材料组合构成。

46.权利要求45的设备，其中所述绝缘材料选自聚酰胺、聚四氟乙烯和聚丙烯腈。

47.权利要求45的设备，其中所述绝缘材料是一氮化钛。

48.权利要求44的设备，其中所述部分导电层的厚度选自0.1～90μm的范围。

49.权利要求37的设备，其中所述沉积电极的直径选自0.1～20mm的范围。

50.权利要求37的设备，其中所述沉积电极包括至少一个旋转芯轴。

51.权利要求50的设备，其中所述旋转芯轴是圆柱形芯轴。

52.由权利要求1的设备制造的管状构造。

53.按权利要求29的方法制造的管状构造。

54.由权利要求37的设备制造的管状构造。

55.权利要求1的设备，其中所述辅助电极用于尽量减少所述给料器与所述沉积电极之间产生的体积电荷。

56.权利要求29的方法，其中所述辅助电极用于尽量减少所述沉积电极与所述给料器之间产生的体积电荷。

57.权利要求1的设备，其中所述给料器和所述辅助电极可沿着所述沉积电极纵轴同步移动地操作。

58.权利要求29的方法，还包括所述给料电极和所述辅助电极沿着所述沉积电极同步地移动。

Images