TWI472655B - 連續電紡設備 - Google Patents

Description

連續電紡設備

本發明是有關於一種電紡設備，且特別是有關於一種滾筒式電紡設備。

電紡技術為可產生奈米纖維(Nanofibers)製造技術之一，其原理主要是利用正負電極間之電場驅動力，克服高分子之電紡液之表面張力與黏度，使電紡液形成纖細的纖維。習知技術中，係由發射電極施加高電壓於高分子之電紡液，帶電之電紡液經過噴嘴(Spinneret)噴出後，因帶同電性而互相排斥，而分散成絲狀，絲狀的電紡液再經由正負電極間之吸引力，牽引至收集器。電紡液中之溶劑揮發後，即可得極細之電紡纖維(Electrostatic spinning Fibers)。

相較於傳統紡絲法，電紡技術所紡出的纖維極細，所織成之布料有較高的孔隙度，表面積較大，因而受到青睞。然而，習知電紡技術中，帶電之電紡液多半是利用噴嘴射出至接收器，由於噴嘴之孔徑極細，使用多次後常會因殘存物造成噴嘴或管路阻塞之情形。且在更換不同種類之電紡液時，須配合清洗管路及噴嘴，因而降低了電紡液之使用範圍。

因此，便出現了採用噴嘴以外之形式進行電紡，以解決噴嘴堵塞的情形。但是，因電紡液使用高分子材料，在經過一段電紡時間之後，有些高分子材料仍會出現纖維糾結的情形，不利於連續電紡。

因此本發明的目的就是在提供一種連續電紡設備，用以解決在電紡過程中纖維糾結的情形。

依照本發明一實施例，提出一種連續電紡設備，包含滾筒式發射電極、收集端，以及帶電荷吹風機構。滾筒式發射電極用以發射電紡液以形成電紡纖維。收集端用以接收電紡纖維，收集端包含連接至接地端的接收電極，以及基材。基材接觸接收電極，且位於接收電極與滾筒式發射電極之間。帶電荷吹風機構將帶有電荷之氣流吹向收集端，其中氣流所帶之電性與滾筒式發射電極之電性相反。

收集端包含抽氣設備，位於基材一側。接收電極位於抽氣設備內。帶電荷吹風機構至基材之間的垂直距離大於滾筒式發射電極至基材之間的垂直距離，且帶電荷吹風機構至滾筒式發射電極之間的垂直距離大於基材至滾筒式發射電極之間的垂直距離。帶電荷吹風機構之出風口與基材間之夾角為0到60度。基材可為絕緣多孔性承接網、織物或是其組合。帶電荷吹風機構包含吹風裝置以及設置於吹風裝置前端之電荷供應源。滾筒式發射電極包含進料槽、於進料槽中滾動之滾筒，以及接觸滾筒之線電極。滾筒式發射電極更包含高壓電源，連接線電極。

連續電紡設備透過帶電荷吹風機構，將帶有電荷之氣流吹向收集端，以中和電紡纖維所帶之電性，提升收集端的吸附力，使得電紡纖維可以平整且均勻地吸附在基材上，有效解決電紡纖維糾結的問題。

以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。

本發明之連續電紡設備主要是應用在滾筒式發射電極的電紡設備中，滾筒式發射電極包含有進料滾筒與線電極，進料滾筒上之電紡液沾附到線電極上之後，帶有高壓電的線電極將電紡液噴射為電紡纖維，再由收集端收集此些電紡纖維。然而，有時會發現在使用特定的高分子溶液作為電紡液時，會有明顯的纖維糾結的情形。本發明的連續電紡設備便是用以解決因纖維糾結而使得連續電紡無法實現的問題。

發明人發現纖維糾結的原因來自於電紡纖維無法順利地貼附在收集端，若是電紡纖維無法貼附在收集端上，便會有纖維糾結的情形發生，導致發射電極與接收端之間出現成團的電紡纖維，嚴重時，甚至會直接中斷線電極的噴發。

如第1圖所示，收集端包含有導體材料的接收電極110與其上的基材112，接收電極110會因感應起電而與發射電極120帶相異電荷，藉以吸引電紡纖維130，而電紡纖維130會同樣因為感應起電的原理，而帶有電性排列。舉例而言，圖中之線狀的發射電極120帶有正高壓電，而連向接地端之接收電極110會因感應起電的因素帶有負電，電紡纖維130同樣因感應起電使得內部呈正負電性排列，電紡纖維130較接近發射電極120之一端帶負電，較接近接收電極110之一端帶正電。隨著收集端所累積的電紡纖維130越來越多，接收電極110所能提供的吸引力亦逐漸減少，導致吸附力降低。因此，後來的電紡纖維130受到接收電極110的吸引力降低，而相對受到發射電極120的牽引力影響變大，使得電紡纖維130帶負電之一端受到發射電極120之正電吸引，產生逆向的牽引力導致電紡纖維130無法順利吸附於接收端。發明人認為此為造成電紡纖維130糾結的可能原因之一。

此外，由於發射電極120所帶之電荷會大量地往周圍游離，發明人認為此些游離的電荷可能也是造成電紡纖維糾結的另一因素。經過實地量測電壓值之後，發現當發射電極120帶40kV的正電壓時，電紡纖維130約帶有11.39kV的正電壓；當發射電極120帶40kV的負電壓時，電紡纖維130約帶有12kV的負電壓。

於是，本案發明人便提出了一種構想，利用帶電荷吹風機構，將帶有與發射電極120相異電荷的氣流吹向收集端，以中和電紡纖維130所帶之電荷，以及提升收集端的牽引力，進而解決電紡纖維130糾結的問題。

再如第1圖所示，發射電極120與接收電極110之間包含有電紡液的錐形噴射(cone jet)區段a以及電紡纖維成形區段b。其中錐形噴射區段a為線狀的發射電極120通上高壓電使得其上之電紡液產生錐形噴射的區段，而電紡纖維成形區段b則是電紡液延伸開並使其中之溶劑揮發形成電紡纖維130的區段。由於錐形噴射區段a與電紡纖維成形區段b之間的比例的決定因素在於不同特性的高分子電紡液，而非製程參數，因此相同的電紡液在固定收集距離下，錐形噴射區段a與電紡纖維成形區段b的長度固定。

由於電紡纖維130在電紡纖維成形區段b完成，而電紡纖維無法貼附的問題也在此區末端發生。因此前述之發明人電荷中和的構想要控制在電紡纖維成形區段b的末端，而且不能影響電紡纖維130成形。

參照第2圖，其繪示本發明之連續電紡設備之一實施例的示意圖。連續電紡設備200包含滾筒式發射電極210、收集端220以及帶電荷吹風機構230。滾筒式發射電極210用以發射電紡液以形成電紡纖維240，其包含有進料槽212、於進料槽212中滾動的滾筒214、接觸滾筒214用以沾附並噴射電紡液的線電極216，以及連接至線電極216的高壓電源218，其中線電極216之材料為導體。滾筒214可以為絕緣材料或是非絕緣材料。

收集端220用以接收電紡纖維240，收集端220包含有接收電極222以及基材224。接收電極222之材料為導體，接收電極222連接至接地端226，接收電極222可以為金屬滾輪或是金屬平板。線電極216接上高壓電源218之後，與接地端226連接之導體材料的接收電極222會因感應起電的原理，而帶有與線電極216相反的電性，舉例而言，若是線電極216接上正高壓電，則接收電極222因感應起電呈負電性，反之亦然。

基材224設置於接收電極222一側，面對滾筒式發射電極210。基材224為絕緣材料，用以收集電紡纖維240。基材224可以是絕緣多孔性承接網或是織物。電紡纖維240附著在基材224上。或者，基材224可以是絕緣多孔性承接網與織物之組合。由於基材224為絕緣材料，容易累積電荷，以至於排斥電紡纖維240無法順利收集。因此，在設計時，基材224可以與金屬的接收電極222接觸，藉由接收電極222將基材224上的電荷帶離，避免基材224上的電荷累積降低電紡纖維240的吸附力。

收集端220更選擇性地包含有抽氣設備228。抽氣設備228位於基材224一側，抽氣設備228包含有箱體227以及與箱體227連接的抽氣管229。接收電極222位於抽氣設備228之箱體227內。藉由抽氣設備228可以進一步提升收集端220收集電紡纖維240的能力。

帶電荷吹風機構230用以提供帶有電荷的氣流，並將帶有電荷的氣流吹向接收電極222。其中氣流所帶的電性與滾筒式發射電極210中之線電極216的電性相反，即若是線電極216接上正高壓電，則帶電荷吹風機構230提供帶有負電荷的氣流，反之亦然。帶電荷吹風機構230包含有吹風裝置232以及設置於吹風裝置232前端的電荷供應源234。

如前所述，電荷中和的目標需要設定在電紡纖維成形區段b的末段(見第1圖)，此帶有電荷的氣流不能影響電紡纖維240的成形。另外，帶電荷吹風機構230的設置位置需要加以限制，使得同樣帶有電荷，尤其是與線電極216帶相同電性的電紡纖維240不會受到帶電荷吹風機構230的牽引而直接往帶電荷吹風機構230移動。

具體而言，帶電荷吹風機構230至基材224之間的垂直距離大於滾筒式發射電極210至基材224之間的垂直距離，且帶電荷吹風機構230至滾筒式發射電極210之間的垂直距離亦大於基材224至滾筒式發射電極210之間的垂直距離。換言之，滾筒式發射電極210位於帶電荷吹風機構230與收集端220之間，且帶電荷吹風機構230相對遠離滾筒式發射電極210與基材224。

帶電荷吹風機構230之風速、角度、風量、溫度大致上無特別限制，只要能使帶有電荷的氣流吹送至收集端220或是電紡纖維成形區段的末段而不影響電紡纖維240成形即可，其中帶電荷吹風機構230之出風口與基材224間之夾角θ較佳地為0到60度。前述之夾角θ尤其是指帶電荷吹風機構230之出風口的法線與基材224之長軸的夾角。

帶電荷吹風機構230所提供的風力，其目的非用以控制電紡纖維的收集方向，而是在於提供帶有電荷的氣流至預定位置，如收集端220前方之電紡纖維成形區段的末段位置。經由帶電荷吹風機構230所提供之吹向收集端220的帶有電荷的氣流，可以中和電紡纖維240所帶之電性，並強化收集端220的吸附能力，使得電紡纖維240平整地收集在基材224上。此外，帶電荷吹風機構230所提供的氣流可以為熱風，其可進一步提升溶劑揮發量，提升電紡纖維240的質量。

第3A圖為未使用帶電荷吹風機構之電紡設備的電紡纖維照片及纖維分布圖。第3B圖與第3C圖分別為使用帶電荷吹風裝置之電紡設備於不同風速下的電紡纖維照片及纖維分布圖。本次實驗是以PVDF作為電紡液，收集距離為13公分，操作電壓-45kV，帶電荷吹風機構之出風口與基材間之夾角為60度。由照片可以得知，使用帶電荷吹風機構後，不論風速多少，均可以有效減少電紡纖維糾結的情形，並有效提升電紡纖維的均勻性，使得電紡纖維可以平整地貼附在基材上。

第4A圖為未使用帶電荷吹風機構之電紡設備的電紡纖維照片及實驗結果。第4B圖與第4C圖分別為使用帶電荷吹風裝置之電紡設備於不同操作時間後的電紡纖維照片及實驗結果。本次實驗是以PVDF作為電紡液，收集距離為13公分，操作電壓-45kV，基材為絕緣多孔性承接網與織物的組合，電紡纖維附著於織物上。帶電荷吹風機構之出風口與基材間之夾角為60度，帶電荷吹風機構之出口風速為5.03m/s，所提供的電壓為+30kV。

第4A圖之實驗例中，由於未使用帶電荷吹風機構，除了明顯地出現電紡纖維糾結的情形之外，電紡纖維的均勻度亦不理想，成品的濾效偏低。除此之外，此實驗例在開始十秒鐘之後，便因電紡纖維糾結的情形十分嚴重影響電紡液噴發而無法繼續進行電紡。

第4B圖為使用帶電荷吹風機構之電紡設備在運作10秒中之後的結果。從照片中可以得知，加上帶電荷吹風機構之後，電紡纖維無明顯糾結的情形發生，且電紡纖維的均勻度與成品的濾效均大幅提升。

第4C圖則是使用帶電荷吹風機構之電紡設備在運作一個小時之後的結果。從實驗結果證明，採用帶電荷吹風機構之後，電紡設備可以實現連續電紡，並且在經過一個小時的電紡之後，所產生的電紡纖維仍然均勻且無明顯糾結，證實了將帶有電荷的氣流吹向收集端，以中和電紡纖維之電性或是提升收集端的吸附力，確實可以有效解決電紡纖維糾結的問題，並提升電紡纖維的均勻度。

使用帶電荷吹風機構與未使用帶電荷吹風機構之電紡設備的實驗結果具體的比較如下表所示：

實驗結果說明在本發明的機構設計下，顯著改善了電紡纖維收集情形，原先無法平整貼附的電紡纖維都能順利貼附，原本不到10秒就糾結的現象得到大幅改善，可以連續生產1小時以上都不會產生糾結。且分析所收集的電紡纖維膜基重，其基重不均勻度由原來的60%降至10%以下。

由上述本發明較佳實施例可知，應用本發明具有下列優點。連續電紡設備透過帶電荷吹風機構，將帶有電荷之氣流吹向收集端，以中和電紡纖維所帶之電性，提升收集端的吸附力，使得電紡纖維可以平整且均勻地吸附在基材上，有效解決電紡纖維糾結的問題。

雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110．．．接收電極

112．．．基材

120．．．發射電極

130．．．電紡纖維

200．．．連續電紡設備

210．．．滾筒式發射電極

212．．．進料槽

214．．．滾筒

216．．．線電極

218．．．高壓電源

220．．．收集端

222．．．接收電極

224．．．基材

226．．．接地端

227．．．箱體

228．．．抽氣設備

229．．．抽氣管

230．．．帶電荷吹風機構

232．．．吹風裝置

234．．．電荷供應源

240．．．電紡纖維

a．．．錐形噴射區段

b．．．電紡纖維成形區段

θ．．．夾角

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：

第1圖為一種電紡設備的示意圖。

第2圖繪示本發明之連續電紡設備之一實施例的示意圖。

第3A圖為未使用帶電荷吹風機構之電紡設備的電紡纖維照片及纖維分布圖。

第3B圖與第3C圖分別為使用帶電荷吹風裝置之電紡設備於不同風速下的電紡纖維照片及纖維分布圖。

第4A圖為未使用帶電荷吹風機構之電紡設備的電紡纖維照片及實驗結果。

第4B圖與第4C圖分別為使用帶電荷吹風裝置之電紡設備於不同操作時間後的電紡纖維照片及實驗結果。

200．．．連續電紡設備

210．．．滾筒式發射電極

212．．．進料槽

214．．．滾筒

216．．．線電極

218．．．高壓電源

220．．．收集端

222．．．接收電極

224．．．基材

226．．．接地端

227．．．箱體

228．．．抽氣設備

229．．．抽氣管

230．．．帶電荷吹風機構

232．．．吹風裝置

234．．．電荷供應源

240．．．電紡纖維

θ．．．夾角

Claims (10)

1. 一種連續電紡設備，包含：一滾筒式發射電極，用以發射電紡液以形成電紡纖維；一收集端，用以接收電紡纖維，包含：一接收電極，連接至一接地端，以及一基材，接觸該接收電極，且位於該接收電極與該滾筒式發射電極之間；以及一帶電荷吹風機構，以將帶有電荷之一氣流吹向該收集端，其中該氣流所帶之電性與該滾筒式發射電極之電性相反。
2. 如申請專利範圍第1項所述之連續電紡設備，其中該收集端包含一抽氣設備，位於該基材一側。
3. 如申請專利範圍第2項所述之連續電紡設備，其中該接收電極位於該抽氣設備內。
4. 如申請專利範圍第1項所述之連續電紡設備，其中該帶電荷吹風機構至該基材之間的垂直距離大於該滾筒式發射電極至該基材之間的垂直距離，且該帶電荷吹風機構至該滾筒式發射電極之間的垂直距離大於該基材至該滾筒式發射電極之間的垂直距離。
5. 如申請專利範圍第1項所述之連續電紡設備，其中該帶電荷吹風機構之出風口與該基材間之夾角為0到60度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之連續電紡設備，其中該基材包含一絕緣多孔性承接網。
7. 如申請專利範圍第1項所述之連續電紡設備，其中該基材包含一織物。
8. 如申請專利範圍第1項所述之連續電紡設備，其中該帶電荷吹風機構包含一吹風裝置以及設置於該吹風裝置前端之一電荷供應源。
9. 如申請專利範圍第1項所述之連續電紡設備，其中該滾筒式發射電極包含一進料槽、於該進料槽中滾動之一滾筒，以及接觸該滾筒之一線電極。
10. 如申請專利範圍第9項所述之連續電紡設備，其中該滾筒式發射電極更包含一高壓電源，連接該線電極。