受控气态环境中的电纺丝.pdf

本发明公开了用于生产纤维材料的装置和方法，所述装置包括：构造成从挤塑元件的末端通过电场提取用于构造纤维的物质而将该物质电纺丝的挤塑元件，与挤塑元件分开设置并且构造成用于收集纤维的收集器，封装收集器和挤塑元件的腔，和构造成控制其中将纤维电纺丝的气态环境的控制机构。所述方法包括将用于构成纤维的物质提供至挤塑元件的末端，在末端方向上向挤塑元件施加电场，控制在其周围将纤维电纺丝的气态环境，和从挤塑元件的末端通过电场提取所述物质进入受控气态环境中而将所述物质从挤塑元件的末端电纺丝。

1.  一种用于生产纤维的装置，包括：
具有末端的电纺丝元件，其构造成从电纺丝元件的末端通过电场提取用于构造纤维的物质而将该物质电纺丝；
所述电纺丝元件具有朝着电纺丝元件的纵向的主电场，用于从电纺丝元件的末端对所述物质进行所述电场提取；
与电纺丝元件分开设置并且构造成用于收集纤维的收集器；
封装收集器和电纺丝元件的腔；和
从该腔的内壁伸出并部分封装电纺丝元件的套罩；
构造成用于控制其中将纤维电纺丝的气态环境的控制机构。

2.  权利要求1的装置，其中控制机构构造成控制电纺丝纤维的干燥速率。

3.  权利要求2的装置，进一步包括：包含液体的蒸气池；和所述控制机构包括构造成用于控制蒸气池中的液体温度的温度控制器。

4.  权利要求3的装置，其中液体包含二甲基甲酰胺，二氯甲烷，丙酮，和水中的至少一种。

5.  权利要求4的装置，其中温度控制器构造成控制液体的温度以向气态环境提供预定的液体蒸气压力。

6.  权利要求5的装置，其中温度控制器构造成将温度控制为室温至低于该液体的沸点10℃的温度。

7.  权利要求1的装置，其中控制器构造成控制物质的注射，改变其中将纤维电纺丝的气态环境的电阻。

8.  权利要求7的装置，其中控制机构构造成控制电负性气体，离子，和高能粒子中的至少一种的注射。

9.  权利要求8的装置，其中腔连接至电负性气体供给源上。

10.  权利要求9的装置，其中控制机构包括构造成控制进入腔中的电负性气体流速的流动控制器。

11.  权利要求9的装置，其中腔连接至至少CO₂，CO，SF₆，CF₄，N₂O，CCl₄，CCl₃F，和C₂Cl₂F₂的供给源上。

12.  权利要求8的装置，其中在所述电纺丝元件周围的套罩连接至电负性气体供给源上。

13.  权利要求12的装置，其中控制机构包括构造成控制进入套罩中的电负性气体流速的流动控制器。

14.  权利要求12的装置，其中套罩连接至至少CO₂，CO，SF₆，CF₄，N₂O，CCl₄，CCl₃F，和C₂Cl₂F₂的供给源。

15.  权利要求8的装置，进一步包括：高能粒子的放射性同位素源，所述控制机构包括构造成控制腔对放射性同位素源的暴露的窗板，所述窗板包含高能粒子吸收材料。

16.  权利要求8的装置，进一步包括：构造成产生离子的离子生成器；和控制机构，包括构造成控制离子从离子生成器到气态环境中的提取速率的提取元件。

17.  权利要求16的装置，其中离子生成器构造成将离子注入其中将纤维电纺丝的Rayleigh不稳定性区域。

18.  权利要求1的装置，其中腔连接至气体供给源。

19.  权利要求18的装置，进一步包括：构造成控制进入腔中的气体流速的流动控制器。

20.  权利要求1的装置，其中在电纺丝元件周围的套罩连接至气体供给源上。

21.  权利要求20的装置，其中控制机构包括构造成控制进入套罩中的气体流速的流动控制器。

22.  权利要求1的装置，其中电纺丝挤塑元件包括多个电纺丝挤塑元件。

23.  权利要求1的装置，其中收集器包括板和滤网中的至少一个。

24.  权利要求1的装置，其中收集器包含接地线。

25.  权利要求1的装置，其中收集器距离所述电纺丝挤塑元件5-50cm。

26.  权利要求1的装置，进一步包括：电连接所述电纺丝挤塑元件和所述收集器的电源。

27.  权利要求26的装置，其中电源构造成在所述电纺丝挤塑元件和所述收集器之间产生强度2,000-400,000V/m的电场。

28.  权利要求1的装置，其中电纺丝挤塑元件具有内尺寸50-250μm。

29.  权利要求1的装置，其中电纺丝挤塑元件具有内横截面积1,900-50,000μm²。

30.  一种用于生产纤维的装置，包括：
具有末端的电纺丝元件，其构造成从电纺丝元件的末端通过电场提取用于构造纤维的物质而将该物质电纺丝；
所述电纺丝元件具有朝着电纺丝元件的纵向的主电场，用于从电纺丝元件的末端对所述物质进行所述电场提取；
与电纺丝元件分开设置并且构造成用于收集纤维的收集器；
封装收集器和电纺丝元件的腔；
从该腔的内壁伸出并部分封装电纺丝元件的套罩；
和用于注射物质以改变其中将纤维电纺丝的气态环境的电阻的装置。

31.  权利要求30的装置，其中用于注射的装置包括：用于注射电负性气体，离子，和高能粒子中的至少一种的装置。

32.  权利要求31的装置，其中所述用于注射电负性气体的装置包括：在所述电纺丝挤塑元件周围的腔，它构造成将电负性气体引入该腔。

33.  权利要求31的装置，其中所述用于注射的装置包括：构造成用于产生离子的离子生成器。

34.  权利要求33的装置，其中离子生成器构造成将离子注入其中将纤维电纺丝的Rayleigh不稳定性区域。

35.  一种用于生产纤维的装置，包括：
具有末端的电纺丝元件，其构造成从电纺丝元件的末端通过电场提取用于构造纤维的物质而将该物质电纺丝；
所述电纺丝元件具有朝着电纺丝元件的纵向的主电场，用于从电纺丝元件的末端对所述物质进行所述电场提取；
与电纺丝元件分开设置并且构造成用于收集纤维的收集器；
从该腔的内壁伸出并部分封装电纺丝元件的套罩；
和用于控制电纺丝的纤维在其中将纤维电纺丝的气态环境中的干燥速率的装置。

36.  权利要求35的装置，其中用于控制的装置包括：构造成控制暴露于气态环境的蒸气池中的液体温度的温度控制器。

37.  权利要求36的装置，其中液体包含二甲基甲酰胺，二氯甲烷，丙酮，和水中的至少一种。

38.  权利要求36的装置，其中温度控制器构造成将温度控制为室温至低于蒸气池中的液体的沸点10℃。

39.  一种用于生产纤维的方法，包括：
将用于构成纤维的物质提供至电纺丝元件的末端；
在电纺丝元件的纵向上向电纺丝元件施加电场；
通过将气态物质导入从封装电纺丝元件的腔的内壁伸出的套罩控制在其周围将纤维电纺丝的气态环境，所述套罩部分封装该电纺丝元件；和
从电纺丝元件的末端通过电场提取所述物质进入受控气态环境中而将所述物质从电纺丝元件的末端电纺丝。

40.  权利要求39的方法，其中所述控制包括：至少让电负性气体流过该套罩。

41.  权利要求40的方法，其中所述控制包括：将CO₂，CO，SF₆，CF₄，N₂O，CCl₄，CCl₃F，和C₂Cl₂F₂中的至少一种注入气态环境。

42.  权利要求40的方法，其中所述注射包括：产生离子；和将产生离子注入该套罩。

43.  权利要求42的方法，其中所生成的离子的所述注射包括：将离子注入在电纺丝挤塑元件下游的Rayleigh不稳定性区域。

44.  权利要求39的方法，其中所述电纺丝包括：将所述物质在具有强度2,000-400,000V/m的电场中电纺丝。

45.  权利要求39的方法，其中所述电纺丝包括：电纺丝纳米纤维。

46.  权利要求39的方法，其中所述控制包括：将溶剂蒸气引入气态环境。

47.  权利要求46的方法，其中所述蒸气引入包括：在预定蒸气压力下引入蒸气。

48.  权利要求47的方法，其中所述导入包括：将腔暴露于二甲基甲酰胺，二氯甲烷，丙酮，和水中的至少一种。

49.  权利要求39的方法，其中所述电纺丝包括：电纺丝聚合物纤维。

50.  权利要求49的方法，进一步包括：使所述聚合物纤维退火以形成碳纤维。

51.  权利要求39的方法，其中所述电纺丝包括：电纺丝聚合物纳米纤维。

52.  权利要求51的方法，进一步包括：使所述聚合物纳米纤维退火以形成碳纳米纤维。

53.  权利要求39的方法，其中提供物质包括：
提供聚合物溶解于其中的溶剂作为所述物质。

54.  权利要求53的方法，进一步包括：
提供二甲基甲酰胺、二氯甲烷、丙酮和水中的至少一种。

55.  权利要求39的方法，进一步包括：
将离子和高能粒子中的至少一种注入气体环境。

56.  权利要求55的方法，其中注射离子和高能粒子中的至少一种包括：
产生离子；和
将产生的离子注入气体环境。

57.  权利要求56的方法，其中注射产生的离子包括：
将离子注入在电纺丝元件下游的Rayleigh不稳定性区域。

58.  纤维的制备方法，包括：
将用于构成纤维的物质提供至电纺丝元件的末端；
在电纺丝元件的纵向上向电纺丝元件施加电场；
通过将有机溶剂导入气态环境控制在其周围将纤维电纺丝的气态环境以减缓纤维的干燥或凝固速率；和
从电纺丝元件的末端通过电场提取所述物质进入受控气态环境中而将所述物质从电纺丝元件的末端电纺丝。

59.  纤维的制备方法，包括：
将用于构成纤维的物质提供至电纺丝元件的末端，所述物质包括溶于溶剂的聚合物并且所述将该溶剂提供至末端提供用于将该溶剂引入电纺丝环境的第一源；
在电纺丝元件的纵向上向电纺丝元件施加电场；
通过从电纺丝环境中的液池将该溶剂的蒸气导入电纺丝环境来控制在其周围将纤维电纺丝的电纺丝环境并因此提供用于将该溶剂导入电纺丝环境的第二源；和
从电纺丝元件的末端通过电场提取所述物质进入受控电纺丝环境中而将所述物质从电纺丝元件的末端电纺丝。

60.  权利要求61的方法，其中提供包括：
在用于构成纤维的物质中包括有机溶剂。

61.  权利要求39的方法，其中控制包括：
将气体和蒸气的组合导入气态环境。

62.  权利要求61的方法，其中导入包括：
将电负性气体和惰性气体中的至少一种导入气态环境。

63.  权利要求61的方法，其中导入包括：
将溶剂蒸气导入气态环境。

64.  权利要求39的方法，其中控制包括：
经由沿着电纺丝元件的纵向延伸的套罩导入气态物质。

受控气态环境中的电纺丝
对联邦赞助的研究的陈述
美国政府根据以下合同可具有本发明的已付费许可和在有限情况下在例如根据DARPA合同No.972-01-C-0058的条款所提供的合理条件下要求专利权人许可他人的权力。
相关申请的交叉参考
该申请涉及美国申请系列No.10/819,916(2004年4月8日递交，题为″使用旋转喷头的聚合物纳米纤维的电纺丝″，代理人案卷No.241015US-2025-2025-20，其整个内容在此作为参考并入本发明)。该申请还涉及美国申请系列No.10/819,942(2004年4月8日递交，题为″电喷雾/电纺丝装置和方法″，代理人案卷No.241013US-2025-2025-20，其整个内容在此作为参考并入本发明)。
技术领域
本发明涉及从聚合物溶液电纺丝纤维的领域。
背景技术
纳米纤维可用于各种领域，从服装工业至军事应用。例如，在生物材料领域中，对开发基于纳米纤维的结构具有浓厚的兴趣，该结构提供用于组织生长以有效地供养活细胞的台架。在纺织品领域中，对纳米纤维具有浓厚的兴趣，因为纳米纤维具有高的每单位质量的表面积，以提供轻的但高度耐磨性的衣服。例如，碳纳米纤维正用于例如增强复合体，热管理，和弹性体增强。纳米纤维的许多可能的应用随着制造和控制化学和物理性能的能力的提高而得到发展。
电喷雾/电纺丝技术可用于形成在主方向上小至一个纳米的颗粒和纤维。电喷雾现象包括在针的末端形成聚合物熔体的液滴，对该液滴充电，并通过电荷所产生的排斥电力而排出部分液滴。在电喷雾时，存在于液滴部分中的溶剂蒸发和形成小颗粒而不是纤维。电纺丝技术类似于电喷雾技术。但在电纺丝中和在排出过程中，随着这些部分被排出，由液体形成纤维。
亚微米范围内的玻璃纤维已存在一段时间。小微米直径纤维被制成且商业上用于空气过滤应用已超过二十年。更新近制造出直径低于1微米的聚合物熔体吹制纤维。几种增值的无纺应用(包括过滤，隔绝织物，擦拭物，个人护理，医学和药物应用)可受益于纳米纤维和纳米纤维织幅的有意义的技术性能。电纺丝纳米纤维在一个方向上的尺寸低于1μm和优选在该方向上的尺寸低于100nm。纳米纤维织幅通常应用于所选的各种基材以提供合适的机械性能和提供与纳米纤维织幅互补的功能性。在纳米纤维过滤器介质的情况下，已经根据打褶，过滤器制造，使用耐久性，和过滤器清洁而选择基材。
用于生产纳米纤维的基本电纺丝装置10在图1中给出。装置10产生电场12以将从针18的末端16挤出的聚合物熔体或溶液14引导至外电极20。外壳/注射器22储存聚合物溶液14。通常，电压源HV的一端直接电连接至针18上，和电压源HV的另一端电连接至外电极20上。在末端16和外电极20之间产生的电场12使得聚合物溶液14克服将聚合物溶液保持在一起的内聚力。聚合物射流被电场12从末端16牵引到外电极20(即电场提取)，和在从针18飞行至外电极20的过程中干燥以形成聚合物纤维。纤维通常在下游收集在外电极20上。
已经记载了使用各种聚合物的电纺丝工艺。形成纳米纤维的一种工艺例如描述于“聚合物纤维中的结构形成”(D.Salem，Hanser出版社，2001，其整个内容在此作为参考并入本发明)。通过选择合适的聚合物和溶剂体系，已经制成直径低于1微米的纳米纤维。
适用于电喷雾和电纺丝的流体的例子包括熔融沥青，聚合物溶液，聚合物熔体，作为陶瓷前体的聚合物，和/或熔融玻璃状材料。聚合物可包括尼龙，含氟聚合物，聚烯烃，聚酰亚胺，聚酯，和其它工程聚合物或能形成纺织品的聚合物。除了以上列举之外的各种流体或材料已被用于制造纤维，包括纯液体，纤维溶液，与小颗粒的混合物和生物聚合物。对用于制备纤维的材料的概述和列举描述于美国专利申请出版物2002/0090725 A1和2002/0100725 A1，和Huang等人的“复合体科学和技术”(vol.63，2003，其整个内容在此作为参考并入本发明)。美国专利申请出版物No.2002/0090725 A1描述了要被电处理的生物材料和生物相容的材料，以及可用于这些材料的溶剂。美国专利申请出版物No.2002/0100725 A1除了描述用于纳米纤维的溶剂和材料以外，还描述了大规模生产纳米纤维的困难，包括溶剂在小空间中的挥发。Huang等人部分列举了可用于生产纳米纤维的材料/溶剂。
尽管本领域有进展，但纳米纤维的应用由于可用于生产纳米纤维的处理条件的范围窄而受到限制。偏移会停止电纺丝工艺或生产电喷雾材料的颗粒。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改善用于生产电纺丝纤维的工艺范围的装置和方法。
另一目的是提供一种在受控气态环境中生产纳米纤维的装置和方法。
本发明的另一目的是通过将电荷载体引入其中将纤维电纺丝的气态环境中而促进电纺丝工艺。
本发明的另一目的是通过控制其中将纤维电纺丝的气态环境中的溶剂压力以控制电纺丝纤维的干燥速率而促进电纺丝工艺。
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于生产纤维的新型装置。该装置包括挤塑元件，其构造使得从挤塑元件的末端通过电场提取用于构成纤维的物质而将该物质电纺丝。该装置包括与挤塑元件分开设置并且构造成用于收集纤维的收集器，封装收集器和挤塑元件的腔，和构造成控制其中将纤维电纺丝的气态环境的控制机构。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于生产纤维的新方法。该方法包括将用于构成纤维的物质提供至挤塑元件的末端，在末端方向上向挤塑元件施加电场，控制在其周围将纤维电纺丝的气态环境，和从挤塑元件的末端通过电场提取所述物质进入受控气态环境中而将所述物质从挤塑元件的末端电纺丝。
附图说明
通过参考以下的详细描述并结合附图可容易地得到对本发明和其相应优点的更完全认识，同时对其有更好的理解，其中：
图1是常规电纺丝装置的示意图；
图2是根据本发明一个实施方案的电纺丝装置的示意图，其中腔封装该电纺丝装置的喷头和收集器；
图3是根据本发明一个实施方案的电纺丝装置的示意图，它具有收集机构作为电纺丝装置的收集器；
图4是根据本发明一个实施方案的电纺丝装置的示意图，它包括离子生成器，所述离子生成器产生离子以用于注入其中正在将纤维电纺丝的区域中；
图5是根据本发明一个实施方案的包括液体池的电纺丝装置的示意图；和
图6是描绘本发明方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同的参考编号数字在这几个附图中表示相同的或相应部件，更尤其参考图2，图2是根据本发明一个实施方案的电纺丝装置21的示意图，其中腔22包围电纺丝挤塑元件24。同样地，挤塑元件24构造成将用于构成纤维的物质电纺丝以形成纤维26。电纺丝装置21包括与挤塑元件24分开设置并且构造成用于收集纤维的收集器28。包围挤塑元件24的腔22构造成将电荷载体，例如电负性气体，离子，和/或放射性同位素注入其中将纤维26电纺丝的气态环境中。正如以下所讨论，通过将电荷载体注入其中将纤维26电纺丝的气态环境中，在溶液浓度和所使用的外加电压方面拓宽了其中可将纤维电纺丝的工艺参数范围。
挤塑元件24与包含电喷雾介质例如上述聚合物溶液14的储器供给源30连通。本发明的电喷雾介质包括本领域已知用于挤塑纤维(包括挤塑纳米纤维材料)的聚合物溶液和/或熔体。
实际上，适用于本发明的聚合物和溶剂包括例如在二甲基甲酰胺或甲苯中的聚苯乙烯，在二甲基甲酰胺/二氯甲烷混合物(20/80w/w)中的聚己内酯，在蒸馏水中的聚氧化乙烯，在蒸馏水中的聚丙烯酸，在丙酮中的聚(甲基丙烯酸甲酯)PMMA，在丙酮中的乙酸纤维素，在二甲基甲酰胺中的聚丙烯腈，在二氯甲烷或二甲基甲酰胺中的聚丙交酯，和在蒸馏水中的聚乙烯醇。
在从挤塑元件24挤出时，电喷雾介质被沿着指向收集器28的电场32的方向引导。泵(未示)将电喷雾物质至挤塑元件24的流速保持在所需值，这取决于挤塑元件24的毛细管直径和长度，和取决于电喷雾物质的粘度。可以使用过滤器过滤掉尺寸大于挤塑元件24的内径的预定尺寸的杂质和/或颗粒。通过挤塑元件24的流速应该与电场32的电场强度相平衡，这样离开挤塑元件24末端的液滴形状保持恒定。使用Hagen-Poisseuille定律，例如，通过具有内径100μm和长度约1cm的毛细管的压降是约100-700kPa(对于流速1毫升/hr)，这在一定程度上取决于电喷雾介质的粘度的确切值。
提供高电压源34以使挤塑元件24保持在高电压。收集器28被设置在距离挤塑元件24的末端优选5至50cm处。收集器28可以是板或滤网。通常，由高电压源34产生2,000至400,000V/m的电场强度。高电压源34优选为直流电(DC)源，例如Bertan 105-20R型(Bertan，Valhalla，NY)或例如Gamma High Voltage Research ES30P型(Gamma High VoltageResearch Inc.，Ormond Beach)。通常，收集器28被接地，和通过从挤塑元件24外纺丝而制成的纤维26通过电场32被导向收集器28。如图3所示，电纺丝纤维26可通过收集机构40例如传送带而收集。收集机构40可将收集的纤维传送至去除站(未示)，其中电纺丝纤维在传送带返回收集更多纤维之前被取出。收集机构40可以是网状物，旋转圆筒，或箔，以及前述的传送带。在本发明另一实施方案中，电纺丝纤维被沉积在固定收集机构上，在其上聚集，和随后在成批处理之后被取出。
挤塑元件24的末端和收集器28之间的距离根据几个因素的平衡来确定，例如用于溶剂蒸发速率的时间，电场强度，和足以用于减小纤维直径的距离/时间。在本发明中，这些因素及其确定与常规电纺丝相似。但本发明人已经发现，溶剂的快速蒸发产生大于nm尺寸的纤维直径。
另外，用于电喷雾的聚合物溶液的流体性能与用于电喷雾的那些性能的差异，例如在导电率，粘度和表面张力上的差异导致在电喷雾和电纺丝装置周围的气态环境完全不同。例如，在电喷雾工艺中，流体射流在高DC电势下从毛细管中排出并立即破碎成液滴。如果蒸发造成表面电荷力超过表面张力(雷利(Rayleigh)界限)，那么液滴可破碎。电喷雾液滴或液滴残余物通过静电吸引而迁移至收集(即，通常已接地的表面。同时，在电纺丝中，所用的高度粘稠的流体由于流体间吸引而作为连续单元在原样射流中被拉丝(即，提取)，和在拉丝的纤维干燥并且经历以下所述的不稳定性的同时被拉伸。干燥和排出过程使纤维直径减小至少1000倍。在电纺丝中，本发明认识到，该工艺的复杂性受到该拉丝的纤维周围的气态气氛的影响，尤其是当具有较低粘度和固体含量的聚合物溶液被用于制备纳米纤维(即，低于100nm的直径)时。
参照图2，电场32将用于构成纤维的物质从挤塑元件24的末端作为长丝或流体的液体射流42而拉丝。每一挤塑元件24的物质供给源优选用电场强度加以平衡(该电场强度可用于提取用于构成纤维的物质)，使得离开挤塑元件24的液滴形状保持恒定。
在末端处可观察到的一个明显特征在本领域被称作Taylor锥44。随着液体射流42的干燥，每比表面积的电荷增加。通常在距离毛细管的末端2或3厘米内，干燥的液体射流在称作Rayleigh不稳定区域46的区域中变得电不稳定。液体射流42在持续干燥的同时迅速波动，拉伸纤维26以减小作为纤维上的表面积的函数的电荷密度。
在本发明的一个实施方案中，控制在腔22周围的气态环境的电性能以提高用于电纺丝的工艺参数范围。例如，电负性气体影响电纺丝工艺。
尽管二氧化碳已被用于电喷雾以产生材料的颗粒和液滴，在本研究之前没有显示出电负性气体在电纺丝环境中的应用的作用。实际上，其中在挤塑元件周围和尤其在挤塑元件末端的液体液滴处发生大量溶剂蒸发的电纺丝的性质表明，电负性气体的加入不影响纺丝纤维的性能。但本发明人已发现，将电负性气体(如，二氧化碳，六氟化硫，和氟利昂，和包括蒸气浓度的溶剂的气体混合物)引入到气态环境中提高了可用于电纺丝纤维的参数空间。适用于本发明的电负性气体包括CO₂，CO，SF₆，CF₄，N₂O，CCl₄，CCl₃F，CCl₂F₂和其它卤化气体。
通过改性在挤塑元件24周围的气态环境的电性能，本发明能够增加所施加的电压并提高从挤塑元件24的末端拉丝液体射流42的作用。尤其是，电负性气体的注射看起来减少了在挤塑元件末端周围的电晕放电(会使电纺丝工艺中断)的发生，因此能够在较高电压下操作以增加静电力。另外根据本发明，电负性气体和以及电荷载体的注射减少了在Rayleigh不稳定性区域46中渗出电荷的可能性，这样增加纤维在处理条件下的拉伸和牵引。
作为对本发明电纺丝工艺的说明，给出以下非限定性例子以说明对聚合物，溶剂，挤塑元件的末端和收集表面之间的间隙距离，溶剂泵速率，和电负性气体的加入的选择：
分子量350kg/mol的聚苯乙烯溶液，
溶剂二甲基甲酰胺DMF，
挤塑元件末端直径1000μm，
A1板收集器，
提供聚合物溶液的约0.5毫升/hr泵速率，
CO₂的电负性气体流动，8lpm，
电场强度2KV/cm，和
挤塑元件的末端和收集器之间的间隙距离17.5cm。
以这些条件作为基线例子，根据本发明可通过将聚合物溶液的分子量增加至1000kg/mol，和/或引入更电负性的气体(例如氟利昂)，和/或将气体流动速率增加至例如20lpm，和/或将末端直径降低至150μm(如对于特富龙末端)而降低纤维尺寸。对于用于本发明的大多数聚合物溶液，CO₂气体的存在使得与在氮气存在下纺丝相比能够在宽范围的外加电压和溶液浓度下电纺丝。
因此，在电纺丝过程中，在挤塑元件周围的气态环境影响所制成的纤维的质量。
另外，可通过将具有不同的电性能的气体的共混而提高处理范围。
共混气体的一个例子包括与氩(4lpm)共混的CO₂(4lpm)。适用于本发明的共混气体的其它例子包括，但不限于，CO₂(4lpm)与氟利昂(4lpm)，CO₂(4lpm)与氮(4lpm)，CO₂(4lpm)与空气(4lpm)，CO₂(7lpm)与氩(1lpm)，CO₂(1lpm)与氩(7lpm)。
如图2所示，电负性气体可通过引入气体的孔36利用流动控制器37通过在挤塑元件24周围的套罩38被引入到腔22中。孔36连接至外部气体源(未示)上，和保持进入腔22的规定的气体流速。外部气体源可以是纯电负性气体，其混合物，或与其它气体如惰性气体共混。
腔22可包含挤塑元件24，收集器28，并放置描述于图2中的装置的其它部分，并可具有通风口以从腔22中排出气体和其它流出物。
本发明人还发现，电纺丝工艺通过引入电荷载体如正或负离子，和高能粒子而受影响。图4显示构造成产生离子以注入Rayleigh不稳定性区域46中的离子生成器48的存在。如图4所示的提取元件49用于控制提取速率并因此控制离子到其中进行电纺丝的气态环境中的注入。例如，在用于引入离子物质的一个实施方案中，电晕放电用作离子生成器48，和在电晕放电中产生的离子(优选负离子)会注入腔22。
类似地，本发明人已经发现，腔22暴露于放射性同位素，例如可得自NRD LLC.，Grand Island，New York 14072的Po 210(500微居里源)会影响电纺丝工艺和在某些情况下可甚至停止电纺丝工艺。因此，在如图4所示的本发明的一个实施方案中，腔22包括具有窗板23b的窗户23a。窗户23a优选由低质量数材料例如特富龙或kapton制成，将高能粒子如从放射性同位素源23c中产生的放射性同位素发送至Rayleish不稳定性区域46中。窗板23b由高能粒子吸收材料组成，和在一个实施方案中是一种可变轮叶窗板，对该窗板的控制可决定腔22对高能粒子流量的暴露量。
另外，本发明人已经发现，延迟干燥速率是有利的，因为纤维在不稳定性区域中的停留时间越长，电场强度可越低，同时延长该拉伸，和因此提高用于生产纳米纤维的处理范围。根据本发明，腔22的高度以及挤塑元件24的末端和收集器28之间的分隔距离被设计成与纤维的干燥速率相适合。电纺丝纤维在电纺丝工艺过程中的干燥速率可通过改变液体蒸气在纤维周围的气体的分压而调节。
例如，如果溶剂如二氯甲烷或溶剂共混物用于溶解聚合物，那么溶剂的蒸发速率取决于纤维和周围的气体之间的蒸气压力梯度。溶剂的蒸发速率可通过改变溶剂蒸气在气体中的浓度而控制。蒸发速率还影响Rayleigh不稳定性。另外，溶剂(在气相中)的电性能影响电纺丝工艺。如图5所示，通过使液体池50保持在腔22的底部，存在于电纺丝环境周围的溶剂蒸气的量可通过改变腔22和/或溶剂池50的温度而控制，因此控制溶剂在电纺丝环境的气态环境中的分压。以下讨论适用于本发明的温度范围和溶剂的例子。
对于从室温至低于溶剂沸点约10℃的温度范围，以下溶剂是合适的：
二甲基甲酰胺：室温至约143℃
二氯甲烷：室温至约30℃
水：室温至约100℃
丙酮：室温至约46℃
溶剂分压可从接近零变化至饱和蒸气压力。因为饱和蒸气压力随着温度而增加，较高分压可在较高温度下得到。池中的溶剂量随着腔的尺寸而变化和随着排出物流的取出速率而变化。对于约35升的腔，可以使用体积约200ml的溶剂池。因此如图5所示的温度控制器51可控制液体在蒸气池50中的温度和因此控制溶剂在腔22中的蒸气压力。
因此，本发明采用各种控制机构来控制其中纤维正被电纺丝的气态环境，例如用于改变环境的电阻或控制电纺丝纤维在气态环境中的干燥速率。各种控制机构包括例如前述温度控制器(用于控制暴露于气态环境的蒸气池中的液体温度)，流动控制器(用于控制电负性气体流入气态环境的速率)，提取元件(构造成用于控制被引入气态环境的离子的注射速率)，和窗板(用于控制高能粒子进入气态环境的流量)。本领域已知用于控制将这些物质引入气态环境中的其它机构也适用于本发明。
尽管控制电纺丝挤塑元件周围环境的作用已参考图2-4进行说明，但对环境的控制在其它电纺丝装置，例如在相关申请美国申请系列No.10/819,916(2004年4月8日递交，题为″使用旋转喷头的聚合物纳米纤维的电纺丝″，代理人案卷No.241015US-2025-2025-20)，和美国申请系列No.10/819,942(2004年4月8日递交，题为″电喷雾/电纺丝装置和方法，″代理人案卷No.241013US-2025-2025-20)中的装置中也是重要的。
另外，在本发明的一个实施方案中在提高用于电纺丝的工艺范围的同时对气态环境的控制还使得其中使纤维经历牵引和干燥的气态环境均匀化。同样地，本发明提供了与具有未受控气氛的常规电纺丝设备所能预期的相比使得纤维(和尤其纳米纤维)可更均匀地被产生和因此得到更均匀直径尺寸和分布的装置和方法。
因此，如图6所示，本发明的一种方法包括，在步骤602中，将用于构成纤维的物质提供至喷头的挤塑元件的末端。该方法包括，在步骤604中，将电场在末端方向上施加到挤塑元件上。该方法包括，在步骤606中，控制正被电纺丝的纤维周围的气态环境。该方法包括，在步骤608中，从末端通过电场提取该物质到受控气态环境中而将该物质从挤塑元件的末端电纺丝。
在步骤606中，至少一种电负性气体，离子，和高能粒子被注入气态环境。作为可供选择的替代方式或除此之外，电负性气体如CO₂，CO，SF₆，CF₄，N₂O，CCl₄，CCl₃F，和C₂ Cl₂ F₂，或其混合物可被注入气态环境。在注射离子时，可在腔22的一个区域中产生离子并注入气态环境。注入的离子优选被注入在挤塑元件下游的Rayleigh不稳定性区域。
另外在步骤606中，可通过向腔中引入溶剂蒸气而控制其中将纤维电纺丝的气态环境。蒸气可通过将该腔暴露于液体的蒸气池，包括例如二甲基甲酰胺，二氯甲烷，丙酮，和水的蒸气池而供给。
在步骤608中，该方法优选将该物质在电场强度2,000-400,000V/m下电纺丝。电纺丝可生产纤维或纳米纤维。
通过本发明制成的纤维和纳米纤维包括，但不限于，丙烯腈/丁二烯共聚物，纤维素，乙酸纤维素，脱乙酰壳多糖，胶原，DNA，血纤蛋白原，纤连蛋白，尼龙，聚(丙烯酸)，聚(氯苯乙烯)，聚(二甲基硅氧烷)，聚(醚酰亚胺)，聚(醚砜)，聚(丙烯酸乙酯)，聚(乙基-乙酸乙烯酯)，乙基-乙酸乙烯酯共聚物，聚(氧化乙烯)，聚(对苯二甲酸乙二醇酯)，乳酸-乙醇酸共聚物，聚(甲基丙烯酸)盐，聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚(甲基苯乙烯)，聚(苯乙烯磺酸)盐，聚(苯乙烯磺酰基氟)，苯乙烯-丙烯腈共聚物，苯乙烯-丁二烯共聚物，苯乙烯-二乙烯基苯共聚物，聚(乙酸乙烯酯)，聚(乙烯醇)，聚(氯乙烯)，聚(偏二氟乙烯)，聚丙烯酰胺，聚丙烯腈，聚酰胺，聚苯胺，聚苯并咪唑，聚己内酯，聚碳酸酯，二甲基硅氧烷-聚氧化乙烯共聚物，聚醚醚酮，聚乙烯，聚乙烯亚胺，聚酰亚胺，聚异戊二烯，聚丙交酯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚砜，聚氨酯，聚乙烯基吡咯烷酮，蛋白质，SEBS共聚物，丝，和苯乙烯/异戊二烯共聚物。
另外，也可制成聚合物共混物，只要两种或多种聚合物可溶于共同的溶剂中。一些例子可以是：聚(偏二氟乙烯)-共混-聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚苯乙烯-共混-聚(乙烯基甲基醚)，聚(甲基丙烯酸甲酯)-共混-聚(氧化乙烯)，聚(甲基丙烯酸羟丙酯)-共混聚(乙烯基吡咯烷酮)，聚(羟基丁酸酯)-共混-聚(氧化乙烯)，蛋白质-共混-聚氧化乙烯，聚丙交酯-共混-聚乙烯基吡咯烷酮，聚苯乙烯-共混-聚酯，聚酯-共混-聚(甲基丙烯酸羟基乙酯)，聚(氧化乙烯)-共混-聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚(羟基苯乙烯)-共混-聚(氧化乙烯))。
通过后处理退火，可由电纺丝的聚合物纤维得到碳纤维。
可根据以上教导对本发明进行许多改进和变化。因此要理解，在所附权利要求的范围内，本发明可按照本文具体所述之外的方式实施。