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公開番号2024138180
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-07
出願番号2024123651,2021540413
出願日2024-07-30,2020-01-14
発明の名称集束回転噴射紡績デバイスおよびそれらの使用の方法
出願人プレジデントアンドフェローズオブハーバードカレッジ
代理人個人,個人
主分類D01D 5/18 20060101AFI20240927BHJP(天然または人造の糸または繊維;紡績)
要約【課題】集束回転噴射紡績デバイスおよびそれらの使用の方法の提供。
【解決手段】ミクロンまたはナノメートル寸法の高分子繊維の集束方向堆積のためのシステムおよび方法、およびそのような繊維の材料が、本明細書に説明される。システムおよび方法は、1つ以上のガス流を採用し、回転噴射紡績システムによって生成された繊維を取り込み、偏向させ、集束繊維流れを形成する。いくつかの実施形態は、比較的に高い繊維処理能力を用いて繊維の整列および分布の制御を可能にする。
【選択図】図2A
特許請求の範囲【請求項１】
本願明細書に記載の発明。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、その全内容が参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる２０１９年１月１４日に出願された米国仮出願第６２／７９２，０３６号の利益および優先権を主張する。
続きを表示（約 2,700 文字）【０００２】
（政府の支援）
本発明は、米国科学財団によって与えられた認可番号ＤＭＲ－１４２０５７０に基づいて政府の支援を受けて作製された。政府は、本発明においてある権利を有する。
【０００３】
（技術分野）
本開示の実施形態は、空気流収束を使用して繊維の運動を操作するための方向性回転噴射紡績システムに関する。
【背景技術】
【０００４】
繊維状構造は、以下の多くの機能のために自然および技師によって使用されている：繊維補強、濾過、熱絶縁、作動制御等。これらの機能の実現は、繊維の直径および３Ｄ編成の両方に大いに依拠する。多くの生物学的組織は、複雑な３次元整列において配置された小さい直径の繊維（例えば、ミクロンスケールまたはナノスケール直径の繊維）から成る。例えば、人体の運動を制御する筋線維は、直径が約１０μｍ～約１００μｍであり、作動の方向に沿って線維束に束ねられている。別の例として、細胞外マトリクスの主要な成分であるコラーゲン細線維は、直径が約１０ｎｍ～約１００ｎｍであり、異なる組織の異なる機械的特性のための多種多様な構造に編成されている。人間は、約１００μｍ以上の直径を伴う厚い繊維状構造を工学設計することに成功した歴史を有しているが、従来の技術を用いて繊維整列および編成を制御して約１０μｍ以下の直径を伴う微細な繊維状構造を工学設計することは、課題のままである。課題のうちの１つは、図１Ａ－１Ｃに示されるように、２つの主要な繊維製造技法であるランダム繊維堆積（ランダムＦＤ）および押し出し３Ｄ印刷（押し出し３ＤＰ）の比較によって図示されるように、微細な繊維直径、複雑な３次元（３Ｄ）構造、および高処理能力の同時実現にある。例えば、メルトブローおよびエレクトロスピニング等のランダムＦＤ技法では、繊維は、ランダムに配置された群において標的に接近し、繊維整列および３Ｄ幾何学形状に対する不良な制御を示し得る。群の内側の空間分布も、繊維の向きも、調整されていない。繊維群に対する不良な制御は、堆積に対する不良な制御につながる。対照的に、押し出し３ＤＰは、繊維の各部分の堆積の場所および整列を精密に制御する可動ノズルを通して繊維を押し出す。しかしながら、押し出し３ＤＰは、低い処理能力を有する。両方の技法は、広い範囲の直径にわたる繊維を生成することが可能であるが、押し出し３ＤＰのみが、複雑な３Ｄ構造を生成することができる一方、ランダムＦＤは、微細な繊維に関する処理能力において桁違いに有利である。処理能力の限界は、固有であり、同じ体積を満たすために、要求される繊維の長さは、繊維直径が減少するにつれて急速に増加する。押し出し３ＤＰは、繊維の長さ（例えば、いくつかの用途に関して長さが＞１００ｋｍ）を辿る必要性がある一方、繊維堆積は、そうではない。
【０００５】
故に、高処理能力を伴う小さい直径の繊維（例えば、１０ミクロン未満の直径を有する繊維）の複雑な３Ｄ構造の生成を可能にする改良されたシステムの必要性が、当技術分野に存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のいくつかの実施形態は、外部から与えられたガス（例えば、空気流）を通して繊維運動を操作し、繊維の方向性流れを形成するように構成された回転噴射紡績システムを含む。いくつかの実施形態は、繊維整列の制御を可能にし、比較的に高い処理能力を有する。
【０００７】
いくつかの実施形態は、１本以上のミクロンまたはナノメートル寸法の高分子繊維の集束方向性堆積のためのシステムを提供する。システムは、ポリマーを含む材料を保持するように構成され、回転軸まわりに回転可能であるリザーバを含む。リザーバは、第１の端部と、第１の端部と反対側の第２の端部と、第１の端部から第２の端部まで延びている外側側壁であって、リザーバの形状は、ガスが、リザーバを通して第１の端部から第２の端部に移動することを可能にするように構成されたリザーバの外側側壁から半径方向に内側に配置された１つ以上の開口を含む外側側壁と、外側側壁内に形成された１つ以上のオリフィスであって、１つ以上のオリフィスの各々は、リザーバの回転中の射出された噴射としてのオリフィスを通した半径方向に外向きの材料の射出のために構成された１つ以上のオリフィスとを含む。システムは、各々が、リザーバの回転中、リザーバの第１の端部の上流からリザーバの１つ以上の開口を通して、リザーバの第１の端部から第２の端部に、リザーバの第２の端部の下流にガスの流動を方向付けるように構成された１つ以上のガス流源であって、１つ以上のガス流源は、１つ以上の射出された噴射を取り込み、偏向させる、リザーバの第２の端部の下流の第１の方向における組み合わせられたガス流を集合的に形成し、第１の方向における１本以上のミクロンまたはナノメートル寸法の高分子繊維の集束流れを形成し、第１の方向は、リザーバの回転軸の５度以内である向きを有する、１つ以上のガス流源を含む。
【０００８】
いくつかの実施形態において、１つ以上のガス流源は、第１の方向における組み合わせられたガス流を形成するための収束している向きを有する複数のガス流源を備えている。いくつかの実施形態において、ガス流源のうちの他のものに対する複数のガス流源のうちの少なくとも一部のガス流量は、平衡した組み合わせられたガス流を達成するために制御可能である。いくつかの実施形態において、複数のガス流源の数および複数のガス流源の配置は、リザーバの回転中の任意の単一の時点において、複数のガス流源の全てからのガス流がリザーバの１つ以上の開口のうちのある開口を通して流動するか、または、複数のガス流源の全てからのガス流がリザーバによって遮断されるように構成される。いくつかの実施形態において、複数のガス流源は、３つのガス流源を備えている。
【０００９】
いくつかの実施形態において、１つ以上のガス流源からの合計ガス流量は、ミクロンまたはナノメートル寸法の高分子繊維の流れが最もきつい焦点を有するリザーバからの距離を変化させるために制御可能である。
【００１０】
いくつかの実施形態において、第１の方向は、回転の軸の２度以内である。いくつかの実施形態において、第１の方向は、回転の軸に実質的に平行である。
（【００１１】以降は省略されています）

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