CN105683427A - 高表面积纤维及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供有一种高表面积纤维及其制造方法。所述高表面积纤维包括沿纵向中心轴延伸的内部纤维。内部纤维具有多个腿，所述腿以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地纵向延伸。所述腿中的每一个都径向延伸远离中心轴至第一峰。第一通道以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地形成于相邻的腿之间。所述腿的至少其中一些具有从其横向向外延伸的突出物。所述突出物以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地纵向延伸。

Description

高表面积纤维及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2013年9月13日的美国临时专利申请序列No.61/877,727以及提交于2014年9月12日的美国实用申请序列No.14/484,369的优先权，其通过全文引用并入本申请。

背景技术

1.技术领域

本发明通常涉及具有高表面积的纤维以及涉及其制造方法。

2.相关技术

传统上，圆形纤维用于纺织领域中。圆形纤维的横截面形状为圆形的。因此，圆形纤维具有最小化的外表面积，为3.14*纤维直径*纤维长度，增大给定长度的圆形纤维的表面积的两种方法为增大其直径，因而会导致纤维占据更大的空间且具有增加的重量，或者在采用相同重量的同时通过采用许多小的圆形纤维增大表面积。这就是纳米纤维或静电纺丝技术的优势所在。在给定体积的情况下，纤维越小，表面积就越大，这进而又提供了更好的过滤效果。在许多应用中，空间和重量要严格控制，从而需要使用具有尽可能最高表面积的纤维。

已知相对于圆形纤维非圆纤维具有增大的表面积。这种纤维具有多个纵向延伸的腿(leg)，每个腿从纤维的中心轴径向向外延伸，形成纤维表面上的纵向延伸通道。尽管已知的腿为纤维提供了增大的表面积，改进了过滤、声音和流体吸收以及毛细管作用，根据本发明的进一步改进显著增大了纤维的表面积，从而显著提升了其过滤、声音和流体吸收特性。

小直径纤维通常为“海中岛屿(islandsinthesea)”设计。这是许多一种材料制成的小纤维在另一种牺牲材料(sacrificialmaterial)内挤出的位置，这样，一旦外部的牺牲材料被冲洗掉，留下的就是许多单个的小直径纤维。这实现了冷却时封装的多个待伸展纤维但仍然保持其内部形状，但是实现了制造较小直径的单个纤维。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供有一种高表面积纤维。所述高表面积纤维包括沿纵向中心轴延伸的内部纤维。内部纤维具有多个腿，所述腿以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地纵向延伸。所述腿中的每一个都径向延伸远离中心轴至第一峰。第一通道形成于相邻的腿之间。第一通道以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地纵向延伸。所述腿的至少其中一些具有从其横向向外延伸的突出物。所述突出物以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地纵向延伸。

根据本发明进一步的方面，每个腿具有相对的第一侧面，其中所述相对的第一侧面中的每一者都具有多个从其横向向外延伸的突出物。

根据本发明进一步的方面，每个腿的相对的侧面朝向其各自的峰收缩。

根据本发明进一步的方面，每个突出物延伸至第二峰，其中所述突出物的每一个具有相对的第二侧面，朝向其各自的第二峰收缩。

根据本发明进一步的方面，内部纤维采用第一材料形成，与中心轴重合延伸，外部护套与内部纤维分开，其采用第二材料形成，封装第一材料，其中第一和第二材料不同。

根据本发明进一步的方面，第二材料在溶剂中可溶解。

根据本发明进一步的方面，第二材料可提供为在水中溶解。

根据本发明进一步的方面，提供有一种制造高表面积纤维的方法。所述方法包括挤出内部纤维，所述内部纤维具有纵向中心轴和多个腿，所述腿以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地纵向延伸，所述腿中的每一个都径向延伸远离中心轴至第一峰。以在相邻的腿之间形成第一通道，其中第一通道以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地纵向延伸。所述方法进一步包括与腿同时挤出突出物，所述突出物从所述腿的至少其中一些横向向外延伸且以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地纵向延伸，以形成相邻的突出物之间的第二通道。所述方法进一步包括围绕内部纤维采用不同于第一材料的第二材料共同挤出外部护套，这样，外部护套至少部分填充第一和第二通道。

根据本发明进一步的方面，所述方法进一步包括挤出每个具有相对的第一侧面的腿，以及挤出多个从所述相对的第一侧面中的每一个向外延伸的突出物。

根据本发明进一步的方面，所述方法进一步包括挤出每个腿的相对的侧面，所述相对的侧面朝向峰收缩。

根据本发明进一步的方面，所述方法进一步包括挤出每个延伸至第二峰的突出物，以及挤出具有朝向第二峰收缩的相对的第二侧面的突出物中的每一个。

根据本发明进一步的方面，所述方法进一步包括提供在溶剂中可溶解的第二材料。

根据本发明进一步的方面，所述方法可进一步包括提供在水中可溶解的第二材料。

附图说明

当结合以下优选实施例及最佳方式、所附权利要求和附图的具体说明考虑时，本发明的这些和其它方面、特征以及优势将变得更容易理解，其中：

图1为根据本发明的一个实施例构造的一种高表面积纤维的透视视图；

图2A为通常沿图1中的直线2-2取的截面图；

图2B为类似于图2A的视图，其中挤出纤维的外部护套已溶解；

图3A为根据本发明的另一实施例构造的一种纤维的类似于图2A的截面图；

图3B为类似于图3A的视图，其中挤出纤维的外部护套已溶解；

图4为图2B的纤维的部分放大视图；

图5为图3B的纤维的部分放大视图；以及

图6为根据本发明的另一方面构造的多个高表面积纤维的部分透视图，所示为其在牺牲护套内共同挤出。

具体实施方式

更具体地参照附图，图1所示为根据本发明构造的一种高表面积单纤维，以下称为纤维10。纤维10可根据需要形成为具有任意合适的连续长度和直径。纤维10包括连续的内部纤维11，其沿纵向中心轴12纵向延伸。内部纤维11具有多个腿14，所述腿以通常相互之间平行的关系以及与中心轴12平行地纵向延伸。腿14中的每一个以分支的方式径向向外延伸远离内部纤维11的中心主体16，且从而远离中心轴12至第一峰18。在腿14以相互平行的关系延伸的情况下，多个连续的第一通道20由腿14形成，其中通道20中的每一个在相邻的腿14之间形成为连续的凹部。因此，第一通道20以通常相互之间平行的关系以及还与中心轴12平行地延伸。至少腿14中的一些，此处所示为腿14中的每一个，具有细长的脊部(ridge)，也称为凸角(lobe)、脊部、指状物、突出部或臂22，从腿14横向向外延伸出来。臂22中的每一个径向向外延伸至第二峰24。臂22以通常相互之间平行的关系以及与中心轴12平行地连续纵向地延伸，且因此在相邻的臂22之间形成连续的第二通道26。内部纤维11的纵向延伸的腿14和臂22为内部纤维11提供相较于圆柱形单纤维丝增大的表面积，这进而提升了当机织(woven)、针织(knit)、编织(braided)或以其它方式形成织物时纤维10过滤和吸收声音和/或流体的能力。因此，采用纤维10形成的织物，不论纤维10是通过机织、针织或编织进行交织的，也称为交织纱线或交织单纤维，或者不论织物形成为无纺材料，都具有形成为至少部分包括小纤维10的网，都能够以增大的能力过滤和/或吸收微粒、声音和流体。

纤维10首先形成为双组份共同挤出物，其内部纤维11采用具有以上所述几何特征的第一材料与中心轴12重合地挤出，以及其外部护套28采用第二材料围绕第一材料同时挤出，以下称为共同挤出。外部护套28可完全封装或部分封装内部纤维11，以完全填充或者至少部分填充第一和第二通道20、26，其中第一和第二材料为不同类型的材料。第一材料可采用标准热塑性树脂材料挤出，例如聚丙烯、聚酯、尼龙、聚乙烯、热塑性聚氨酯、共聚酯或液晶聚合物，以上仅为示例而不具有限制作用。第二材料采用牺牲的可溶解树脂热塑性塑料挤出，例如但不限于聚乳酸(PLA)、共聚聚酯(PETG)、聚乙烯醇(PVA)、乙烯醇共聚物(EVOH)或者水溶性热塑聚合树脂。因此，通过挤出双组份纤维10并使挤出纤维10固化，当需要时外部护套28能够容易溶解，包括就在挤出并固化之后，或者在形成所需最终产品(例如织物材料，不论是机织的、针织的、编织的或者无纺的)之后。因此，首先可将纤维10当做通常标准的单纤维进行处理，纤维10具有通常为圆形的横截面，或者包括通常为椭圆形或扁平的横截面，然后在形成最终产品之后，外部护套28可溶解暴露出封装的内部纤维11。因此，将内部纤维11处理成织物可变得容易，正如标准单纤维，之后，通过从内部纤维11上溶解掉外部护套28，能够暴露出内部纤维11更复杂的形状。为了溶解外部护套28，可使用任意合适的溶剂，取决于第二材料的材料组成，使用例如NaOH、酸，或者在水溶性聚合物例如Exceval的情况下，可采用水溶解外部护套28。

如图6所示，为了提高制造效率，多个纤维10可在单个牺牲外部护套28内共同挤出，因此，通过溶解外部护套28，多个单独的纤维10就暴露出来用于单独使用。

内部纤维11的中心主体16可形成为具有任意需要的横截面几何形状，包括圆形的、椭圆形的或者其它的。腿14沿中心主体16的整个长度从中心主体16径向向外延伸，且具有相对的侧面，以下称为第一侧面30。每个腿14的相对的第一侧面30朝向第一峰18收缩。相对的第一侧面30中的每一个具有至少一个臂22，所示为多个臂22，臂22从第一侧面30横向向外延伸。每个臂22从其延伸出来的位置沿腿14的整个长度延伸，且每个臂22具有相对的侧面，以下称为第二侧面32，朝向第二峰24收缩。因此，相较于腿不具有从其向外延伸出的臂，每个腿14的表面积由于从其向外延伸的每个臂22的侧面32所提供的额外的表面积而增大了。应当认识到，腿14和臂22可配置为具有任意需要的形状和轮廓，例如如图2A、2B中所示，其中腿14通常为弯曲的或者“之”字形的形状，由于臂22向外延伸的弯曲的形式，且如图3A、3B中所示，其中腿14通常为三角形的形状，且臂22通常相互之间为镜像关系地从相对的侧面30向外延伸。还应当认识到，腿14、臂22以及相关联的第一和第二通道20、26的数量可根据需要提供，且进一步，腿14、臂22以及相关联的第一和第二通道20、26的宽度和高度为纳米级别的尺寸，例如在约200-1000纳米之间，取决于其应用。

许多修改或变型根据以上教导都是有可能的。因此，需要理解，除了以上所述，本发明也可以其它方式实施，本发明的范围由最终许可的权利要求书限定。

Claims (11)

1.一种高表面积纤维，包括：

沿纵向中心轴延伸的细长内部纤维，所述内部纤维具有多个细长的腿，所述腿以通常相互之间平行的关系以及与所述中心轴平行地纵向延伸，所述腿中的每一个都从所述中心轴径向向外延伸至第一峰，所述腿相互之间通过形成于相邻的腿之间的第一通道周向间隔开，所述腿的至少其中一些具有从其横向向外延伸的突出物，所述突出物中的每一个都延伸至第二峰，所述突出物相互之间通过在相邻的突出物之间延伸的第二通道间隔开；以及

至少部分填充所述第一和第二通道的外部护套。

2.根据权利要求1所述的高表面积纤维，其中所述突出物以通常相互之间平行的关系以及与所述中心轴平行地纵向延伸。

3.根据权利要求1所述的高表面积纤维，其中每个腿具有相对的第一侧面，所述相对的第一侧面中的每一者都具有多个从其向外延伸的所述突出物。

4.根据权利要求3所述的高表面积纤维，其中每个腿的所述相对的侧面朝向所述第一峰收缩。

5.根据权利要求4所述的高表面积纤维，其中每个突出部具有朝向所述第二峰收缩的相对的第二侧面。

6.根据权利要求1所述的高表面积纤维，其中所述内部纤维采用第一材料形成，与所述中心轴重合延伸，所述外部护套采用第二材料形成，所述第一和第二材料不同。

7.根据权利要求6所述的高表面积纤维，其中所述第二材料为水溶性的。

8.一种制造高表面积纤维的方法，包括：

采用第一材料挤出内部纤维，内部纤维沿纵向中心轴延伸，具有多个腿，所述腿以通常相互之间平行的关系以及与中心轴平行地沿内部纤维纵向延伸，所述腿中的每一个都从中心轴径向向外延伸至第一峰，在相邻的腿之间形成第一通道，至少其中一些腿具有从其横向向外延伸的突出物，每一个突出物延伸至第二峰，第二通道形成于相邻的突出物之间；以及

围绕内部纤维挤出外部护套，外部护套采用不同于第一材料的第二材料形成，其中外部护套至少部分填充第一和第二通道。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括挤出每个具有相对的第一侧面的腿，以及挤出多个从所述相对的第一侧面中的每一个向外延伸的突出物。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括挤出每个腿的相对的侧面，所述相对的侧面朝向第一峰收缩。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括挤出具有相对的第二侧面的突出物，所述相对的第二侧面朝向第二峰收缩。