Устройства и способы для получения волокон

Устройства и способы для получения волокон

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ЗАЯВЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНО ФИНАНСИРУЕМЫХ ИЗ ФЕДЕРАЛЬНОГО БЮДЖЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ ИЛИ РАЗРАБОТКИ

Правительство Соединенных Штатов имеет права на настоящее изобретение в соответствии с Грантом № NSF DMR0934157 Национального Научного Фонда и Университета Техас-Пан Американ, и по Контракту № DE-AC04-94AL85000 между Министерством энергетики США и Sandia Corporation для работы Сандийских национальных лабораторий.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в основном относится к области изготовления волокон. Более конкретно, изобретение относится к волокнам с диаметрами микронного и субмикронного размера.

2. Уровень техники

Волокна, имеющие маленькие диаметры (например, от микрометровых («микронных») до нанометровых («нано»)), используются во многих отраслях от швейной промышленности до военных вариантов применения. Например, в биомедицинской отрасли проявляется большой интерес к разработке структур, основанных на нановолокнах, которые создают каркасные конструкции для роста ткани, чтобы эффективно поддерживать живые клетки. Текстильная отрасль весьма заинтересована в нановолокнах, поскольку нановолокна имеют большую площадь поверхности в расчете на единицу массы, чем создают легкие, но имеющие высокую износоустойчивость предметы одежды. В качестве одного из типов, углеродные нановолокна применяются, например, в армированных композитных материалах, для регулирования теплообмена, и в упрочненных эластомерах. Многочисленные потенциальные варианты применения волокон с малыми диаметрами разрабатываются по мере усовершенствования возможностей изготовления и контроля их химических и физических свойств.

Важным свойством твердой поверхности является супергидрофобность, которая может быть продемонстрирована высоким краевым углом («СА») смачивания в контакте с водой, составляющим >150°. Супергидрофобные поверхности, наряду с наличием низкого гистерезиса краевого угла смачивания, обычно менее 10°, будут дополнительно иметь свойства самоочистки. Эти свойства поверхности являются перспективными для ряда вариантов применения, таких как лобовые стекла автомобилей, самоочищающееся оконное стекло, необмерзающие поверхности, текстильные материалы, строительство, краски, микрофлюидные структуры, литий-воздушные батареи, и солнечные элементы, и это только некоторые примеры. Супергидрофобность была достигнута либо декорированием поверхности структурными элементами нано-микро-масштаба из материалов с низкой поверхностной энергией, либо попытками разработать нановолоконные маты или мембраны, составленные из материалов с низкой поверхностной энергией. Для создания таких поверхностей были разработаны разнообразные способы, такие как травление, литография, механические растяжение, технологии послойного ламинирования, фазового разделения, электрохимического осаждения, химического осаждения из паровой фазы, и электропрядения.

В случае формирования волокна из фторполимеров (превосходных кандидатов на получение супергидрофобной поверхности благодаря их исключительно низким поверхностным энергиям), были предприняты разнообразные попытки создания волоконных матов. Фторполимеры квалифицируют как «обрабатываемые без плавления», и, с учетом их чрезвычайно низкой диэлектрической проницаемости, обработка этих материалов была затруднительной. Сведений о стабильном способе получения ультратонких фторполимеров (таких как волокно из чистого Teflon AF) путем электропрядения или любым иным способом не опубликовано. Были предприняты некоторые попытки, разъясняемые ниже.

Был предложен одностадийный способ получения микро- и нановолокон из полимера, который имеет исключительно высокую вязкость расплава, такого как PTFE (политетрафторэтилен), с использованием одностадийной технологии без применения растворителя. Смесь PTFE (порошок PTFE 601А или 7А от фирмы DuPont) и газа под высоким давлением, такого как азот и аргон (до 40%), вдували через нагретое (от 260°С до 360°С) сопло из нержавеющей стали. Результатом процесса было небольшое количество волокнистого материала из чистого PTFE, где наблюдалось минимальное число волокон с диаметрами не менее 30-40 нм и длинами не более 3-4 мм, погруженных внутрь прочих структур. Степень фибриллирования была более высокой в полученных струйным раздувом волокнах, обработанных при температуре выше температуры плавления материала (например, 350°С для порошка PTFE 601А или 7А). Краевой угол смачивания в контакте с водой полученных волокон наблюдался при 147°.

Электропрядение представляет собой общеизвестный способ получения микро- и нановолокон. Первая попытка провести электропрядение PTFE была предпринята в условиях электропрядения водной дисперсии PTFE в дистиллированной воде с неионным смачивающим агентом и стабилизатором. Полученный электропрядением материал осаждали на предметное стекло, покрытое проводящим оксидом олова, легированным фтором, закрепленное на горячей плитке с температурой 150°С. Результатом процесса стало распыление материала вместо формирования непрерывных волокон. Полученный электрораспылением материал PTFE дополнительно нагрели для удаления воды и смачивающего агента. PTFE-покрытие немедленно после напыления было гидрофильным вследствие присутствия смачивающего агента, который затем был удален нагреванием при температуре 265°С на воздухе или 190°С в вакууме. После этого процесса покрытие показало краевой угол смачивания в контакте с водой не выше 167° с углом соскальзывания капли 2°.

В еще одном способе формирования фторполимерных волокон смесь расходной матрицы и желательного фторполимера используют в процессе электропрядения для получения смешанных волокон. Затем удаляют расходную матрицу, оставляя волокна, которые главным образом состоят из фторполимера. Например, электропрядению подвергали эмульсию смеси поливинилового спирта («PVA») и PTFE в деминерализованной воде. PVA удалили спеканием полученного электропрядением материала с образованием фторполимерных волокон. Электропрядение дало некоторые тонкие волокна (300 нм), но в основном неоднородные волокна из PVA/PTFE при массовом соотношении в эмульсии 30:70. Повышение содержания PVA привело к однородным волокнам, но с увеличенным диаметром волокон. Исследования методами DSC (дифференциальной сканирующей калориметрии) и ATR-FTIR (инфракрасной спектрометрии ослабления общего отражения с преобразованием Фурье) до и после спекания подтвердили полное удаление расходного полимера, PVA, из полученного электропрядением материала. Однако после спекания композитные волокна сплавились в местах пересечений, сформировав пористую мембрану. В общем же этим способом волокна как конечный материал не получены.

В еще одном способе фторполимерные волокна могут быть получены в процессе, в котором непрерывно наносят покрытие из фторполимера на пригодный к электропрядению сердцевинный полимерный материал. Например, фторполимер (например, Teflon AF) может быть непрерывно нанесен на пригодный к электропрядению полимер (например, поликапролактон, «PCL»), который используют в качестве сердцевинного материала, с образованием супергидрофобных коаксиальных волокон. В качестве оболочечного материала использовали Teflon AF 2400, 1%-ный раствор в растворителе Fluorinert FC-75 (400-S1-100-1, продаваемый фирмой DuPont), и PCL, растворенный в 2,2,2-трифторэтаноле (TFE, чистота 99,8%), применяли в качестве сердцевинного материала. Однородные коаксиальные волокна с диаметром в пределах ~1-2 мкм были сформированы с 10% по весу PCL в качестве сердцевины при величине расхода подачи 1,5 мл/час и 1% оболочки из Teflon при величине расхода подачи 1 мл/час. Коаксиальное волокно из PCL/Teflon AF проявляло краевой угол смачивания при контакте с водой 158, и краевой угол смачивания при контакте с додеканом около 130, тогда как в таких же условиях значения для волокна только из PCL составляли 125 и 0, соответственно. В качестве сердцевинного материала могут быть использованы другие материалы (например, поливинилиденфторид или полиакрилонитрил).

С методами коаксиального электропрядения связаны многочисленные проблемы. Способы коаксиального электропрядения, как правило, проявляют отсутствие однородности среди наблюдаемых волокон. В дополнение, сердцевина не всегда присутствует как сердцевина, и оболочка в основном не представляет собой однородное покрытие на сердцевинном материале. В дополнение, способ формирования коаксиальных волокон является сложным и расходует значительные количества растворителей. В то время как некоторые немногие попытки были предприняты для получения волокон из чистого фторполимера, ввиду вышеуказанных недостатков нет сведений о попытках простого масштабирования до промышленного применения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения волокон включает стадию, в которой композицию, которая включает один или более фторполимеров, помещают в корпус устройства для получения волокна. Устройство для получения волокна включает корпус, имеющий одно или более отверстий и соединительный элемент. В корпус устройства для получения волокна поступает материал, перерабатываемый в волокно. Устройство для получения волокна может быть соединено с приводным устройством с помощью соединительного элемента. Для изготовления волокна устройство для получения волокна приводят во вращение со скоростью по меньшей мере около 500 об/мин. Вращение устройства для получения волокна заставляет композицию в корпусе проходить через одно или более отверстий для формирования микроволокон и/или нановолокон, содержащих один или более фторполимеров. Полученные микроволокна и/или нановолокна могут быть собраны и использованы для разнообразных вариантов применения. В отличие от других способов формирования микроволокон и/или нановолокон, содержащих один или более фторполимеров, микроволокна и/или нановолокна создаются без подвергания волокон во время их создания воздействию приложенного извне электрического поля.

В некоторых вариантах исполнения один или более фторполимеров смешивают с растворителем для получения композиции в виде смеси одного или более фторполимеров в растворителе, и помещают композицию в устройство для получения волокна. Один или более фторполимеров могут представлять собой политетрафторэтиленовый полимер. Фторполимеры могут быть, по меньшей мере частично, растворены в растворителе (например, фторированном растворителе).

Микроволокна и/или нановолокна могут быть получены при комнатной температуре. В отличие от других способов формирования фторполимерных волокон, волокна могут быть сформированы из композиции, которая состоит по существу из одного или более фторполимеров в растворителе (например, не включает сердцевинного или расходного полимера). Микроволокна и/или нановолокна, выполненные из фторполимеров, могут быть использованы для формирования тканей или в качестве гидрофобного покрытия.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Преимущества настоящего изобретения станут очевидными квалифицированным специалистам в этой области технологии, имеющим благоприятную возможность располагать нижеследующим подробным описанием вариантов исполнения и с привлечением сопроводительных чертежей, в которых:

Фиг.1А изображает вид сверху одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает одиночную тарелку с многочисленными периферийными отверстиями;

Фиг.1В изображает вид сбоку одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает одиночную тарелку с многочисленными периферийными отверстиями;

Фиг.1С изображает перспективный вид одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает одиночную тарелку с многочисленными периферийными отверстиями;

Фиг.2 изображает один вариант исполнения устройства для сбора волокна;

Фиг.3А показывает вид сверху установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, изображенное в фиг.1, и накопительную стенку;

Фиг.3В показывает перспективный вид установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, изображенное в фиг.1, и накопительную стенку;

Фиг.4 изображает один вариант исполнения стержня для сбора волокна;

Фиг.5А показывает вид сверху установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, изображенное в фиг.1, накопительную стенку и сборные стержни;

Фиг.5В показывает перспективный вид установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, изображенное в фиг.1, накопительную стенку и сборные стержни;

Фиг.6А показывает, частично в разрезе, перспективный вид одного варианта исполнения системы для получения волокна;

Фиг.6В изображает вид в разрезе системы для получения волокна;

Фиг.7А показывает, частично в разрезе, перспективный вид одного варианта исполнения герметизированной системы для получения волокна;

Фиг.7В изображает вид в разрезе герметизированной системы для получения волокна;

Фиг.8А показывает, частично в разрезе, перспективный вид одного варианта исполнения системы для получения волокна, имеющей клапаны, размещенные во впускных/выпускных отверстиях;

Фиг.8В изображает вид в разрезе системы для получения волокна, имеющей клапаны, размещенные во впускных/выпускных отверстиях;

Фиг.9А показывает, частично в разрезе, перспективный вид одного варианта исполнения системы для получения волокна, имеющей клапаны, которая включает термоэлектрический охладитель;

Фиг.9В изображает вид в разрезе системы для получения волокна, имеющей клапаны, которая включает термоэлектрический охладитель;

Фиг.10А показывает, частично в разрезе, перспективный вид одного варианта исполнения системы для получения волокна, имеющей сборные устройства;

Фиг.10В изображает вид в разрезе системы для получения волокна, имеющей сборные устройства;

Фиг.11А показывает перспективный вид одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает три тарелки с многочисленными периферийными отверстиями;

Фиг.11В показывает вид сверху одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает три тарелки с многочисленными периферийными отверстиями;

Фиг.11С показывает вид сбоку одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает три тарелки с многочисленными периферийными отверстиями;

Фиг.12А показывает вид сверху установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, как изображенное в фиг.11, и накопительную стенку;

Фиг.12В показывает перспективный вид установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, как изображенное в фиг.11, и накопительную стенку;

Фиг.13 изображает один вариант исполнения устройства для получения волокна, которое включает шприц, поршень и разнообразные иглы, а также опорное устройство шприца;

Фиг.14А изображает перспективный вид одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает шприц, закрепленный на опорном устройстве шприца, где шприц оснащен иглой и поршнем;

Фиг.14В изображает вид снизу одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает шприц, закрепленный на опорном устройстве шприца, где шприц оснащен иглой и поршнем;

Фиг.15А изображает перспективный вид одного варианта исполнения опорного устройства шприца;

Фиг.15В изображает вид снизу одного варианта исполнения опорного устройства шприца;

Фиг.16 изображает один вариант исполнения, который включает шприц, закрепленный на опорном устройстве шприца, где шприц оснащен иглой и поршнем;

Фиг.17 изображает альтернативный вариант исполнения опорного устройства шприца;

Фиг.18А показывает вид сверху установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна на основе шприца и накопительную стенку;

Фиг.18В показывает перспективный вид установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна на основе шприца и накопительную стенку;

Фиг.19А показывает, частично в разрезе, перспективный вид одного варианта исполнения системы для получения волокна, имеющей устройство для получения волокна на основе шприца;

Фиг.19В изображает вид в разрезе системы для получения волокна, имеющей устройство для получения волокна на основе шприца;

Фиг.20А изображает перспективный вид одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает вогнутый резервуар;

Фиг.20В изображает вид сверху одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает вогнутый резервуар;

Фиг.20С изображает вид сбоку одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает вогнутый резервуар;

Фиг.21А показывает вид сверху установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, имеющее вогнутый резервуар;

Фиг.21В изображает перспективный вид установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, имеющее вогнутый резервуар;

Фиг.22А изображает перспективный вид одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает верхнюю тарелку и нижнюю тарелку, где верхняя и нижняя тарелки разделены микросетчатым материалом;

Фиг.22В изображает вид сверху одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает верхнюю тарелку и нижнюю тарелку, где верхняя и нижняя тарелки разделены сетчатым материалом;

Фиг.22С изображает вид сбоку одного варианта исполнения устройства для получения волокна, которое включает верхнюю тарелку и нижнюю тарелку, где верхняя и нижняя тарелки разделены сетчатым материалом;

Фиг.23А показывает вид сверху установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, имеющее сетчатый материал;

Фиг.23В показывает перспективный вид установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, имеющее сетчатый материал;

Фиг.24 изображает альтернативный вариант устройства для получения волокна на основе шприца;

Фиг.25 изображает устройство для получения волокна, которое включает многочисленные концы шприцов;

Фиг.26А-26D показывают полученные с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM) изображения наноразмерных PTFE-волокон, изготовленных центрифугальным прядением;

Фиг.27А показывает капли воды на предметном стекле, покрытом PTFE-нановолоконным матом;

Фиг.27В показывает увеличенное изображение водяных капель из фиг.25А;

Фиг.27С показывает замороженные водяные капли на предметных стеклах с PTFE-нановолоконным матом; и

Фиг.28 изображает установку для сбора волокна в пряжу.

В то время как изобретение может быть восприимчиво к разнообразным модификациям и альтернативным формам, конкретные варианты его осуществления показаны в качестве примера в чертежах и будут здесь подробно описаны. Чертежи могут быть не в масштабе. Однако должно быть понятно, что чертежи и подробное описание их не предполагают ограничения изобретения конкретными раскрытыми формами, но, напротив, изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативные варианты, попадающие в пределы смысла и области изобретения, как определяемых пунктами прилагаемой патентной формулы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Должно быть понятно, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными устройствами или способами, которые, конечно, могут варьировать. Также должно быть понятно, что используемая здесь терминология предназначена только для цели описания конкретных вариантов исполнения, и не предполагается быть ограничивающей. Как применяемые в этом описании и пунктах прилагаемой патентной формулы, формы единственного числа «a», «an» и «the» включают объекты в единственном и множественном числе, если содержание конкретно не оговаривает иного. Кроме того, слово «может» используется на всем протяжении настоящей заявки в рекомендательном смысле (то есть, имеющим потенциал в отношении чего-то, способным на что-то), но не в обязательном смысле (то есть, «должен»). Термин «включать», и его производные, означает «включающий, но не ограничивающийся». Термин «связанный» означает непосредственно или косвенно соединенный.

Термины «заключать в себе» (и любая форма слова «заключать в себе», такая как «заключает в себе» и «заключающий в себе»), «иметь» (и любая форма слова «иметь», такая как «имеет» и «имеющий»), «включать» (и любая форма слова «включать», такая как «включает» и «включающий»), и «содержать» (и любая форма слова «содержать», такая как «содержит» и «содержащий»), являются неограничивающими глаголами-связками. В качестве способа или устройства, который(-ое) «заключает в себе», «имеет», «включает» или «содержит» одну или более стадий или один или более элементов, располагает этими одной или более стадиями или одним или более элементами, но не ограничивается обладанием только этими одной или более стадиями или одним или более элементами. Подобным образом, один элемент устройства, который «заключает в себе», «имеет», «включает» или «содержит» один или более признаков, обладает этими одним или более признаками, но не ограничивается обладанием только этими одним или более признаками.

Здесь описаны устройства и способы создания фторполимерных волокон, таких как микроволокна и нановолокна. В обсуждаемых здесь способах обработки фторполимеров используются центробежные силы. Также описаны устройства, которые могут быть применены для создания фторполимерных волокон. Некоторые подробности относительно создания волокон с использованием центробежных сил можно найти в следующих опубликованных Патентных Заявках США: 2009/0280325; 2009/0269429; 2009/0232920; и 2009/0280207, все из которых включены здесь ссылкой.

Один вариант исполнения устройства для получения волокна показан в фиг.1. Устройство 100 для получения волокна включает верхнюю тарелку 101, которая связана с нижней тарелкой 103. Нижняя тарелка 103 действует как резервуар, в который может быть помещен материал. Покровная тарелка 105 резервуара может быть размещена поверх нижней тарелки 103 для регулирования разбрызгивания, и также для создания отверстий 106, чтобы текучая среда вытекала из резервуара. Покровная тарелка 105 резервуара имеет круглое отверстие, чтобы обеспечить возможность введения предназначенного для прядения материала. В этом типе устройства для получения волокна типичные количества материала варьируют от 50-100 мл, но могут быть использованы количества меньше этих, а также количества больше этих, так как размер резервуара и устройства для получения волокна в каждом случае может варьировать. Облицовка периметра нижней тарелки 103 представляет собой канал 104 для выхода материала. В то время как устройство для получения волокна находится в быстром вращении, материал будет в основном следовать по этому каналу. Материал выходит из устройства для получения волокна через одно или более отверстий 106 и покидает устройство для получения волокна вдоль канала 104. Иначе говоря, верхняя тарелка 101 и/или нижняя тарелка 103 имеют одно или более периферийных отверстий 106 вдоль периметра резервуара, как показано. В некоторых вариантах исполнения одно или более периферийных отверстий 106 включают многочисленные периферийные отверстия.

В одном альтернативном варианте исполнения между верхней тарелкой 101 и нижней тарелкой 103 может присутствовать периферийный зазор, через который вытекает материал в нижней тарелке. Размер периферийного зазора может быть отрегулирован изменением расстояния между верхней тарелкой 101 и нижней тарелкой 103. Этим путем, когда устройство 100 для получения волокна вращается, материал может проходить через периферийный зазор и перемещаться вдоль канала 104, через который материал может выходить из устройства для получения волокна.

Отверстие 107 конфигурировано для присоединения к приводному устройству, такого как посредством универсального резьбового соединения. Подходящие приводные устройства включают имеющиеся в продаже на рынке электрические двигатели с регулируемым числом оборотов, такие как бесколлекторный двигатель постоянного тока. Ось 108 вращения устройства 100 для получения волокна проходит по центру и вертикально через отверстие 107, перпендикулярно верхней тарелке 101. Устройство 100 для получения волокна может быть использовано для прядения из расплава или прядения из раствора. В определенных вариантах исполнения устройство 100 для получения волокна вращается в течение 300-2000 секунд для формирования микроволокон и/или нановолокон. Устройство 100 для получения волокна также может работать в непрерывном режиме в течение более длительных периодов времени.

Волокна, созданные с использованием описываемых здесь устройств для получения волокна, могут быть собраны с помощью разнообразных устройств для сбора волокон. Разнообразные примерные устройства для сбора волокон обсуждаются ниже, и каждое из этих устройств может быть скомбинировано с еще одним устройством.

Простейшим способом сбора волокон является сбор волокон на внутренней поверхности накопительной стенки, которая окружает устройство для получения волокна (например, см. накопительную стенку 200, показанную в фиг.2). Волокна обычно собирают с накопительных стенок, подобных накопительной стенке 200, в виде несотканных волокон.

Конструкция устройства для получения волокна определяется аэродинамическими условиями течения внутри камеры (например, высота накопительной стенки или стержня; их местоположение). Аэродинамические условия потока могут быть проанализированы, например, с помощью компьютерного моделирования, такого как Вычислительная Динамика Текучих Сред (CFD). Вращающееся устройство для получения волокна создает аэродинамическое течение, локализованное внутри описываемых здесь устройств. Это течение может обусловливаться, например, скоростью, размером и формой устройства для получения волокна, а также местоположением, формой и величиной устройства для сбора волокна. Промежуточная стенка, размещенная снаружи накопительной стенки, также может оказывать влияние на аэродинамические условия течения. Промежуточная стенка может влиять на аэродинамические условия течения, например, созданием турбулентности в потоке. Размещение промежуточной стенки может быть необходимым, чтобы обеспечивать накопление волокон на устройстве для сбора волокна. В определенных вариантах исполнения расположение промежуточной стенки может быть определено экспериментальным путем. В одном варианте исполнения устройство для получения волокна действует в присутствии устройства для сбора волокна и промежуточной стенки, под наблюдением, собираются ли или нет волокна на устройстве для сбора волокна. Если волокна не собираются надлежащим образом на устройстве для сбора волокна, положение промежуточной стенки перемещают (например, делая ее диаметр меньшим или бульшим, или делая промежуточную стенку более длинной или более короткой), и опять проводят эксперимент, чтобы увидеть, достигнут ли надлежащий сбор волокон. Этот процесс может быть повторен до тех пор, пока волокна не будут надлежащим образом собираться на устройстве для сбора волокна.

Застойная зона может возникать, например, в месте вращения устройства для получения волокна (таком как центральная часть вращающегося устройства для получения волокна). Устройство для получения волокна обычно конструируют таким образом, чтобы не нарушалась застойная зона. Если устройство для получения волокна не сконструировано правильно в отношении застойной зоны, то, как правило, волокна с желательными характеристиками не образуются.

Обычно волокна собираются на накопительной стенке или оседают на другой(-гих) предназначенной(-ных) для этого структуре(-рах) в застойной зоне. Температура также играет роль в отношении размера и морфологии сформированных волокон. Если, например, накопительная стенка является относительно более горячей, чем температура окружающей среды, то волокна, собранные на накопительной стенке, могут объединяться, приводя к образованию пучков и/или свариванию отдельных волокон. В некоторых вариантах исполнения температуру промежуточной стенки можно регулировать, например, таким путем, как продувание газа (например, воздуха, азота, аргона, гелия) между промежуточной стенкой и накопительной стенкой. Путем регулирования величины расхода потока, типа и температуры этого продувочного газа можно контролировать температуру и морфологию волокон. Параметры стенки (например, высота, местоположение, и т.д.) также могут влиять на морфологию волокон.

Промежуточная стенка также может быть использована для регулирования, корректирования и/или влияния на аэродинамические условия течения внутри устройства. Аэродинамический поток обычно направляет волокна для оседания их на одном или более устройствах для сбора волокна. Если при формировании несвязанные волокна плавают в установке (вследствие своей очень маленькой массы) без оседания на одно или более устройств для сбора волокна, есть вероятность того, что, например, промежуточная стенка позиционирована неправильно, или расположено(-ны) неправильно устройство(-ва) для сбора волокна, и/или аэродинамические условия течения неправильно поняты. Промежуточная стенка обычно является более высокой, чем любая накопительная стенка, которая может быть применена (например, на величину от около 1,1 до около 3 раз выше, чем накопительная стенка). Промежуточная стенка может окружать накопительную стенку на расстоянии от около 1 дюйма до около 5 дюймов (25,4-127 мм), или от около 2 дюймов до около 4 дюймов (50,8-101,6 мм), или около 3 дюймов (76,2 мм). Промежуточная стенка может быть больше на величину от около 10% до около 30% (например, больше на 20%), чем накопительная стенка. Промежуточная стенка может быть сегментированной, и может иметь одно или более отверстий в ней.

Фиг.3А показывает вид сверху установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, как изображенное в фиг.1, и накопительную стенку 200. Фиг.3В показывает перспективный вид установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, как изображенное в фиг.1, и накопительную стенку 200. Как изображено, устройство 100 для получения волокна вращается по часовой стрелке вокруг оси вращения, и материал выходит из отверстий 106 устройства для получения волокна в виде волокон 320 по разнообразным траекториям 310. Волокна собираются на внутренней стороне окружающей накопительной стенки 200.

Если цель состоит в сборе однонаправленных и длинных волокон, на надлежащем расстоянии от устройства для получения волокна может быть предусмотрен и размещен сборный стержень. Одним примером тому является сборный стержень 400, как показанный в фиг.4. Один или более сборных стержней (подобных стержню 400) обычно размещают на расстоянии от около 1 дюйма до около 10 дюймов (25,4-254 мм), или от около 5 дюймов до около 7 дюймов (127-177,8 мм), или около 6 дюймов (152,4 мм) от центра устройства для получения волокна. Один или более сборных стержней могут быть позиционированы вдоль периметра внутренней стороны накопительной стенки. Сборный стержень может быть неподвижным во время сбора волокон, или может вращаться во время сбора. Стержни такой природы могут быть выполнены из любого подходящего материала, который будет придавать им значительную жесткость, такого как жесткие полимеры (например, поликарбонаты) или металлы (например, алюминий или нержавеющая сталь). В некоторых вариантах исполнения, где сборный стержень или стержни должны вращаться, стержни могут быть закреплены на конструкции типа пластины, которая, вместе с устройством для получения волокна, присоединена к приводному устройству. Несущая стержни пластина и устройство для получения волокна могут быть сопряжены друг с другом таким образом, чтобы обеспечивать возможность вращения в одном и том же направлении или в противоположных направлениях, в результате вращения единственного приводного устройства. Диаметр стержня может составлять от около 0,1 дюйма до около 1 дюйма (2,54-25,4 мм), или от около 0,2 дюйма до около 0,5 дюйма (5,08-12,7 мм), или может составлять около 0,25 дюйма (6,35 мм), но могут быть использованы многочисленные другие размеры, в зависимости от конфигурации устройства для получения волокна. Например, стержень может вращаться со скоростью от около 50 до около 250 об/мин. Сборные стержни могут быть использованы в сочетании с накопительными стенками и промежуточными стенками для максимизации сбора волокон.

Фиг.5А показывает вид сверху установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, как изображенное в фиг.1, накопительную стенку и сборные стержни. фиг.5В показывает перспективный вид установки для получения волокна, которая включает устройство для получения волокна, как изображенное в фиг.1, накопительную стенку и сборные стержни. Как изображено, устройство 100 для получения волокна вращается по часовой стрелке вокруг оси вращения, и материал выходит из отверстий 106 устройства для получения волокна в виде волокон 510 по разнообразным траекториям 520. Волокна собираются на внутренней стороне окружающей накопительной стенки 200 и на сборных стержнях 400.

Условия среды, в которой создаются волокна, могут оказывать влияние на разнообразные свойства этих волокон. Например, некоторые металлические волокна, такие как железные волокна, реагируют с окружающим воздухом (становясь покрытыми оксидами железа). Для таких вариантов применения является предпочтительным замещение окружающего воздуха инертным газом (например, азотом, гелием, аргоном). Условия влажной среды могут оказывать вредное влияние на поверхности многих полимерных волокон, таких как волокна из полиэтиленоксида (РЕО). Поэтому для обработки некоторых материалов является предпочтительным снижение уровней влажности. Подобным образом, для разработки лекарственных средств могут потребоваться стерильные условия, которое не поддерживаются в условиях окружающей среды, поэтому в таких ситуациях предпочтительна стерильная среда.

«Среда» имеет отношение к внутреннему пространству, определяемому корпусом, которой окружает компоненты устройства для получения волокна. Для определенных вариантов применения среда может представлять собой просто атмосферный воздух. При желании воздух может вдуваться в среду. Для других вариантов применения в среде могут быть созданы условия низкого давления, такие как от около 1 мм рт.ст. до около 760 мм рт.ст. (133,3 Па - 101,3 кПа), или с давлением в любом производном из этого диапазоне, с использованием, например, вакуумного насоса. В альтернативном варианте, в среде может быть создано высокое давление, такое как условия, варьирующие от 761 мм рт.ст. (101,46 кПа) до 4 атм (0,405 МПа) или выше, с использованием, например, высоконапорного насоса. Температура среды может быть снижена или повышена, как желательно, применением систем нагревания и/или охлаждения, которые описываются ниже. Уровень влажности среды может быть изменен с использованием увлажнителя, и может варьировать от 0% до 100%-ной влажности. Для определенных вариантов применения, таких как разработка лекарственного препарата, среда может быть сделана стерильной. Если каждый из компонентов устройства изготовлен, например, из нержавеющей стали, то все детали могут быть стерилизованы по отдельности и собраны, например, в чистом помещении в условиях, которые обеспечивают стерильность устройства.

Некоторые типы источников нагревания и охлаждения могут быть использованы в устройствах и способах, как обсуждаемых здесь, для независимого контроля температуры, например, устройства для получения волокна, накопительной стенки, промежуточной стенки, материала и/или среды внутри установки. Примеры источников тепла, которые могут быть использованы, включают резистивные нагреватели, индукционные нагреватели и ИК-нагреватели (инфракрасные). Для целей нагревания и/или охлаждения могут быть применены устройства на основе эффекта Пельтье, или Т