CZ2005360A3 - Method and apparatus for producing nanofibers from polymeric solution using electrostatic spinning - Google Patents

Abstract

Způsob výroby nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním v elektrickém poli vytvořeném rozdílem potenciálů mezi sběrnou elektrodou (4) a otočně uloženou zvlákňovací elektrodou (1) protáhlého tvaru, zasahující částí svého obvodu do polymerního roztoku (3), přičemž rotací zvlákňovací elektrody (1) se alespoň částmi jejího povrchu vynáší polymerní roztok (3) do elektrického pole v němž se na povrchu sběrné elektrody (4) vytvářejí nanovlákna, která jsou unášena ke sběrné elektrodě (4) a ukládána na povrch podkladového materiálu (5) vedeného mezi zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (4) v blízkosti sběrné elektrody (4). Na polymerní roztok (3) na povrchu zvlákňovací elektrody (1) v místě průsečnice povrchu zvlákňovací elektrody (1) s rovinou proloženou osou zvlákňovací elektrody (1) a kolmou na rovinu podkladového materiálu (5) se po celé délce zvlákňovací elektrody(1) působí elektrickým polem maximální a stejné intenzity, čímž se dosáhne vysokého a rovnoměrného zvlákňovacího účinku po celé délce zvlákňovací elektrody (1). Vynález se týká také zařízení k výrobě nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním.A method of producing nanofibers from a polymer solution by electrostatic spinning in an electric field formed by the potential difference between the collecting electrode (4) and a rotatably supported spinning electrode (1) of elongated shape, extending part of its periphery into the polymer solution (3), wherein the spinning electrode (1) is rotated at least parts of its surface, the polymer solution (3) discharges into an electric field in which nanofibres are formed on the surface of the collecting electrode (4) and are carried to the collecting electrode (4) and deposited on the surface of the substrate (5) guided between the spinning electrode (1) ) and a collecting electrode (4) near the collecting electrode (4). The entire length of the spinning electrode (1) is applied to the polymer solution (3) on the surface of the spinning electrode (1) at the point of intersection of the surface of the spinning electrode (1) with the plane of the spinning electrode (1) and perpendicular to the plane of the base material (5). an electric field of maximum and equal intensity, thereby achieving a high and uniform spinning effect over the entire length of the spinning electrode (1). The invention also relates to an apparatus for producing nanofibers from a polymer solution by electrostatic spinning.

Description

Ing. Dobroslav Musil, patentová kancelář, Ing.Ing. Dobroslav Musil, patent office, Ing.

Dobroslav Musil, Cejl 38, Brno, 60200 (54) Název přihlášky vynálezu:Dobroslav Musil, Cejl 38, Brno, Czech Republic, 60200 (54)

Způsob a zařízení k výrobě nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním (57) Anotace:Method and device for production of nanofibres from polymer solution by electrostatic spinning (57)

Způsob výroby nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním v elektrickém poli vytvořeném rozdílem potenciálů mezi sběrnou elektrodou (4) a otočně uloženou zvlákňovací elektrodou (1) protáhlého tvaru, zasahující částí svého obvodu do polymerního roztoku (3), přičemž rotací zvlákňovací elektrody (1) se alespoň částmi jejího povrchu vynáší polymerní roztok (3) do elektrického pole v němž se na povrchu sběrné elektrody (4) vytvářejí nanovlákna, která jsou unášena ke sběrné elektrodě (4) a ukládána na povrch podkladového materiálu (5) vedeného mezi zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (4) v blízkosti sběrné elektrody (4). Na polymerní roztok (3) na povrchu zvlákňovací elektrody (1) v místě průsečnice povrchu zvlákňovací elektrody (1) s rovinou proloženou osou zvlákňovací elektrody (1) a kolmou na rovinu podkladového materiálu (5) se po celé délce zvlákňovací elektrody (1) působí elektrickým polem maximální a stejné intenzity, čímž se dosáhne vysokého a rovnoměrného zvlákňovacího účinku po celé délce zvlákňovací elektrody (1). Vynález se týká také zařízení k výrobě nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním.Method for production of nanofibres from polymer solution by electrospinning in electric field created by potential difference between collecting electrode (4) and rotatable spinning electrode (1) of elongated shape, reaching part of its perimeter into polymer solution (3), at least a part of its surface brings the polymer solution (3) into the electric field in which nanofibres are formed on the surface of the collecting electrode (4), which are entrained to the collecting electrode (4) and deposited on the surface of the substrate (5) guided between the spinning electrode (1) ) and a collecting electrode (4) near the collecting electrode (4). The polymer solution (3) on the surface of the spinning electrode (1) at the point of intersection of the surface of the spinning electrode (1) with the plane intersected by the axis of the spinning electrode (1) and perpendicular to the plane of the substrate (5) an electric field of maximum and equal intensity, thereby achieving a high and uniform spinning effect over the entire length of the spinning electrode (1). The invention also relates to a device for producing nanofibres from a polymer solution by electrostatic spinning.

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.20057.6.2005

Způsob a zařízení k výrobě nanovláken z elektrostatickým zvlákňováním : ···.. P>s54*4Tgz. 1:Method and apparatus for producing nanofibers from electrostatic spinning: ··· P> s54 * 4Tgz. 1:

• · · · · — · · · · ··»··· ·· 12.*3.2006 ·· ·· polymerního roztoku z polymerního roztoku vytvořeném rozdílem12. * 3.2006 ·· · polymer solution from polymer solution formed by difference

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká způsobu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním v elektrickém poli potenciálů mezi sběrnou elektrodou a otočně uloženou zvlákňovací elektrodou protáhlého tvaru, zasahující částí svého obvodu do polymerního roztoku, 10 přičemž rotací zvlákňovací elektrody se alespoň částmi jejího povrchu vynáší polymerní roztok do elektrického pole v němž se na povrchu sběrné elektrody vytvářejí nanovlákna, která jsou unášena ke sběrné elektrodě a ukládána na povrch podkladového materiálu vedeného mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou v blízkosti sběrné elektrody.The present invention relates to a method for producing nanofibers by electrostatic spinning in the electric field of potentials between a collecting electrode and a rotatably mounted spinning electrode of elongated shape extending part of its circumference into a polymer solution 10, rotating the spinning electrode with at least parts of its surface. on the surface of the collecting electrode they form nanofibres, which are entrained to the collecting electrode and deposited on the surface of the substrate material guided between the spinning electrode and the collecting electrode in the vicinity of the collecting electrode.

Dále se vynález týká zařízení k výrobě nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním v elektrickém poli vytvořeném rozdílem potenciálů mezi sběrnou elektrodou a otočně uloženou zvlákňovací elektrodou protáhlého tvaru spřaženou s pohonem a zasahující alespoň částmi svého povrchu do polymerního roztoku s cílem vynášení polymerního roztoku těmito částmi povrchu do elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou přičemž mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou je vytvořena dráha pro průchod podkladového materiálu, jehož povrch ze strany zvlákňovací elektrody slouží k ukládání vytvářených nanovláken.The invention also relates to an apparatus for producing nanofibres from a polymer solution by electrospinning in an electric field created by a potential difference between a collecting electrode and a rotatably mounted spinning electrode of an elongated shape coupled to a drive and extending at least parts of its surface into a polymer solution to bring the polymer solution to these parts an electric field between the spinning electrode and the collecting electrode, and between the spinning electrode and the collecting electrode, a path is formed for the passage of the substrate material, the surface of which the spinning electrode serves to deposit the produced nanofibres.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Nanovlákna se připravují ze široké škály polymerů a směsí polymerů a to bud’ z roztoků za použití rozpouštědel na vodné nebo nevodné bázi. Do roztoků se podle potřeby mohou i nemusí přidávat různá nízkomolekulární aditiva, která pak regulují některé důležité fyzikální vlastnosti zvlákňovaného roztoku nebo přináší do výsledného polymeru nové chemické, fyzikální, biologické nebo jiné. vlastnosti. Současně lze nanovlákna připravovat i ztavenin polymerů, ale naNanofibres are prepared from a wide range of polymers and polymer blends, either from solutions using aqueous or non-aqueous solvents. Various low molecular weight additives may or may not be added to the solutions as desired, which in turn regulate some important physical properties of the spinning solution or bring new chemical, physical, biological or other into the resulting polymer. Properties. At the same time, nanofibres can be prepared also by melting polymers, but on

PV 2005-360 * ’”· . PS&čffcZij: ί í”.PV 2005-360 * ’” ·. PS & cffcZij: ί í ”.

7.6.2005 *··*12?&.5θθβ··* *··* rozdíl od principiálně podobných procesů formování polymerních tavenin se při zpracování roztoků dosahuje menších průměrů vláken díky nižším viskozitám roztoků oproti taveninám. K formování roztoků se využívá mechanických sil proudícího plynného média nebo coulombovských sil v elektrostatickém poli, tak zvané elektrostatické zvlákňování, které vede k vláknům s menšími průměry.In contrast to the essentially similar polymer melt forming processes, smaller fiber diameters are achieved in solution processing due to lower solution viscosities compared to melt. The mechanical forces of the flowing gaseous medium or Coulomb forces in the electrostatic field, the so-called electrostatic spinning, which leads to fibers with smaller diameters, are used to form the solutions.

Příkladem přípravy nanovláken z polymerních roztoků proudem vzduchu jsou například patenty US 6 382 526 a US 6 520 425. Průměry nanovláken získaných touto technologií jsou 200 až 3000 nanometrů.Examples of preparation of nanofibres from polymeric solutions by air stream are for example patents US 6 382 526 and US 6 520 425. The diameters of nanofibres obtained by this technology are 200 to 3000 nanometers.

Příklady přípravy nanovláken z polymerních roztoků za účinku elektrostatického pole o průměrné intenzitě 50.000 až 500.000 V/m jsou popsány v patentových přihláškách WO 0127365, WO 0250346, US 2002/0175449 A1, US 2002/084178 A1 a WO 2005/024101 A1. První čtyři reprezentují řešení, které částečně připomíná řešení citované v patentech využívajících mechanických sil proudu plynu. Jsou zde opět trysky kruhového průřezu a vnitřního průměru 0,5 až 1,5 mm), na které je přivedeno stejnosměrné napětí. Proti trysce, z které je polymerní roztok vytlačován, je umístěna nejčastěji uzemněná elektroda (sběrná elektroda). Důsledkem takového uspořádání je vytahování tenkého a dále se štěpícího paprsku roztoku polymeru, který pak v konečném důsledku poskytuje nanovlákna. Největším problémem tohoto způsobu je nízký výkon. Na jedné zvlákňovací trysce lze zpracovat 0,1 až 1 gram polymeru za hodinu, což z pohledu průmyslového využití činí výrobu nanovláken podle těchto řešení velmi problematickou. Ve prospěch výkonu a také homogenity nanesené vrstvy na sběrnou elektrodu nebo na podklad, který je umístěn mezi tryskou a sběrnou elektrodou v její blízkosti, lze sestavit skupinu statických nebo pohybujících se trysek. Bohužel nelze zvyšovat počet trysek neomezeně a stejně tak existují i limity na vzdálenost trysek mezi sebou, což je dáno vlastním elektrickým polem, takže ani tato řešení nepřináší zlomový obrat ve výkonnosti. Dále zůstávají další limity plynoucí z obecných fyzikálních zákonitostí, jako je nemožnost zvyšování napětí nad mez elektrické pevnosti vzduchu v prostoru zvlákňování, neopodstatněnost tomu úměrného zvyšování vzdálenosti elektrod apod.Examples of preparation of nanofibres from polymer solutions under the effect of electrostatic field with an average intensity of 50,000 to 500,000 V / m are described in patent applications WO 0127365, WO 0250346, US 2002/0175449 A1, US 2002/084178 A1 and WO 2005/024101 A1. The first four represent a solution that partially resembles that cited in patents using the mechanical forces of a gas stream. There are again nozzles of circular cross-section and internal diameter (0.5 to 1.5 mm), to which DC voltage is applied. The most commonly grounded electrode (collecting electrode) is placed opposite the nozzle from which the polymer solution is extruded. The consequence of such an arrangement is to draw out a thin and further splitting beam of polymer solution, which then ultimately provides nanofibers. The biggest problem with this method is low performance. 0.1 to 1 gram of polymer per hour can be processed on one spinneret, which makes the production of nanofibres according to these solutions very problematic from the industrial point of view. A plurality of static or moving nozzles may be assembled in order to provide power and homogeneity of the deposited layer on the collecting electrode or on a substrate that is located between the nozzle and the collecting electrode in its vicinity. Unfortunately, the number of nozzles cannot be increased indefinitely, and there are limits to the distance between the nozzles, which is determined by the electric field itself, so that these solutions do not bring a break in performance. Furthermore, there are other limits resulting from general physical laws, such as the impossibility of increasing voltages above the limit of the electrical strength of the air in the spinning space, the unjustified proportional increase in electrode spacing, etc.

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.2005 psswzj:7.6.2005 psswzj:

•..Ι2,&2θθσ..· ·..·• ..Ι2, & 2θθσ .. · · .. ·

Z GB 1 346 231 je známé zařízení na elektrostatické zvlákňování polymerních roztoků obsahující prstencovou zvlákňovací elektrodu otočně uloženou ve svislé rovině dolní částí v polymerním roztoku a horní částí mezi dvěma svisle uloženými sběrnými elektrodami. Zvlákňovaný roztok je vynášen povrchem prstence zvlákňovací elektrody, přičemž zvlákňovací proces probíhá v horní části prstencové zvlákňovací elektrody nacházející se mezi sběrnými elektrodami v místech, která jsou těmto plochým elektrodám nejbližší. Zařízení je průmyslově velmi obtížně využitelné, neboť je složité, neproduktivní a případná elektrostatickým zvlákňováním vyrobená vrstva vláken respektive netkaná textilie by měla velmi nerovnoměrnou tloušťku a strukturu.GB 1 346 231 discloses a device for electrostatic spinning of polymer solutions comprising an annular spinning electrode rotatably mounted in a vertical plane by a lower portion in the polymer solution and an upper portion between two vertically disposed collecting electrodes. The spinning solution is discharged by the surface of the spinning electrode ring, the spinning process taking place at the top of the annular spinning electrode located between the collecting electrodes at the locations closest to the flat electrodes. The device is very difficult to use industrially because it is a complicated, unproductive and possible fiber layer or nonwoven fabric produced by electrostatic spinning would have a very uneven thickness and structure.

Dále je známé řešení podle EP 1059106 A2, které popisuje zařízení pro přeměnu roztoku nebo taveniny polymeru do vlákenné struktury zahrnující v podstatě rovinnou sběrnou elektrodu a zvlákňovací elektrodu mezi nimiž je vytvořeno elektrické pole. Zvlákňovací elektroda slouží k dopravě roztoku nebo taveniny polymeru (dále jen roztoku) do elektrického pole, přičemž je nezbytné, aby se na ní vytvářely vrstvy roztoku polymeru o dostatečně vysokém zakřivení, na němž dochází ke koncentraci náboje elektrického pole, až dojede k vytváření nanovláken z vrstvy roztoku nebo taveniny. Vytvořená nanovlákna jsou vlivem Coulombovských sil unášena ke sběrné elektrodě. V jedné z popisovaných variant je zvlákňovací elektrody tvořena otočně uloženým kotoučem opatřeným na obvodu výstupky, který je částí svého obvodu ponořen do roztoku polymeru a vynáší zkapalněný polymer do elektrického pole. Povrch kotouče je smáčitelný roztokem polymeru, takže tento na něm vytváří povlak. Jak kotouč rotuje, je každý výstupek postupně potažen vrstvou polymerního roztoku, který postupně získává náboj elektrody, tedy záporný) a díky vysokému zakřivení na něm dochází ke vzniku nanovláken. Roztok polymeru, který se nespotřebuje se vrací zpět do nádrže. Kotouč je uložen osou otáčení rovnoběžně se směrem pohybu podkladové textilie. Nevýhodou tohoto řešení je malá účinnost, neboť do elektrostatického pole se dostane malé množství zvlákňovaného polymerního roztoku a z něho se podaří přeměnit na vlákna jen část. Další nevýhodou je nerovnoměrnost tloušťky vrstev nanovláken po šířce.Further, a solution according to EP 1059106 A2 is known which describes a device for converting a polymer solution or melt into a fiber structure comprising a substantially planar collecting electrode and a spinning electrode between which an electric field is formed. The spinning electrode is used to transport a polymer solution or melt (hereinafter referred to as solution) into an electric field, it being necessary to form layers of a polymer solution with a sufficiently high curvature on which a charge of the electric field is concentrated until nanofibres are formed. of a solution or melt layer. The created nanofibers are carried by the Coulomb forces to the collecting electrode. In one embodiment, the spinning electrode comprises a rotatably mounted disc provided with a projection on the periphery, which is immersed in a portion of its periphery in the polymer solution and brings the liquefied polymer into the electric field. The surface of the disc is wettable with a polymer solution so that it forms a coating on it. As the disk rotates, each projection is gradually coated with a layer of polymer solution, which gradually acquires the electrode charge (negative) and due to the high curvature, nanofibres are formed on it. The polymer solution that is not consumed is returned to the tank. The disc is supported by an axis of rotation parallel to the direction of movement of the underlying fabric. The disadvantage of this solution is its low efficiency, since a small amount of the spun polymer solution gets into the electrostatic field and only a part of it is converted into fibers. Another disadvantage is the uneven thickness of the nanofiber layers across the width.

• 4• 4

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.2005 řSWHSZJÍ7.6.2005 ŘSWHSZJÍ

\.Ί2.&2οοσ..\ .Ί2. & 2οοσ ..

• 4• 4

Dále je popisováno šikmé uložení většího množství kotoučů opatřených na obvodě výstupky, které mohou být uloženy šikmo vzhledem k vylučovací elektrodě. Přitom je podle vynálezu výhodné, jsou-li jádra kotoučů z izolačního materiálu, aby se zabránilo efektům superponujícím elektrické pole. Řešení má přinášet výhodu v rovnoměrnějším nanášení vrstvy vláken na podkladový materiál. Řešení je velmi složité vzhledem k rotačnímu pohonu šikmo uložených kotoučů a zvýšení rovnoměrnosti nanášené vrstvy nanovláken je možné jen ve směru pohybu podkladového materiálu a nelze je ani předpokládat ve směru šířky podkladového materiálu.Further, an inclined arrangement of a plurality of discs provided with protrusions on the circumference is described which can be arranged obliquely with respect to the deposition electrode. According to the invention, it is advantageous if the cores of the disks are made of insulating material in order to avoid effects superimposing on the electric field. The solution is to have the advantage of more evenly applying the fiber layer to the substrate. The solution is very complicated due to the rotational drive of the inclined discs and increasing the uniformity of the deposited layer of nanofibres is possible only in the direction of movement of the base material and it is not even supposed in the direction of the width of the base material.

V dalším provedení jsou popisovány kotouče znázorněné na obr. 14, na jejichž obvodu jsou vytvořeny tvarové výstupky a pod nimi sběrné dutiny pro polymerní roztok pro usnadnění odměřování množství polymerního roztoku a jeho výhoda má spočívat v tom, že se do elektrostatického pole pro zvlákňování opakovaně dopravuje vždy stejné množství polymerního roztoku. Nevýhodou tohoto provedení je, že zvlákňování probíhá na vrcholech výstupků, kde je největší koncentrace náboje, zatímco sběrné dutiny jsou uspořádány na menším průměru než vrcholy výstupků, takže je problematické dopravit odměřené množství polymerního roztoku k příslušnému vrcholu. Kromě toho při směru otáčení kotouče ve směru šipky znázorněné na obr. 14 šipkou se do sběrných dutin (151) nenabere žádný polymerní roztok, pouze by bylo možné, aby do nich stekl roztok, který ulpěl na povrchu výstupků při jejich rotaci směrem vzhůru. Při tom je velmi nepravděpodobné, že by se do sběrných dutin odměřilo vždy stejné množství polymerního roztoku.In another embodiment, the disks shown in FIG. 14 are described, having circumferentially shaped shaped projections and collecting cavities therein for the polymer solution to facilitate metering of the amount of polymer solution, and has the advantage of being repeatedly transported into the electrospinning field always the same amount of polymer solution. A disadvantage of this embodiment is that the spinning takes place at the peaks of the protrusions where the charge concentration is greatest, while the collecting cavities are arranged at a smaller diameter than the peaks of the protrusions, so that it is difficult to deliver a measured amount of polymer solution to the respective peak. In addition, when the disc is rotated in the direction of the arrow shown in the arrow shown in FIG. 14, no polymer solution is taken into the collecting cavities (151), but only the solution that adheres to the surface of the protrusions as they rotate upwards would flow. It is very unlikely that the same amount of polymer solution is always metered into the collecting cavities.

Problém s výkonem a další problémy výše popsaných řešení se úspěšně snaží vyřešit technologie uvedená v patentu WO 2005/024101 A1. Zde je zvlákňovací elektroda tvořena elektrodou ve tvaru válce, který se podle své hlavní osy otáčí a dolní částí povrchu se namáčí do roztoku polymeru. Osa válce je přitom uložena v rovině rovnoběžné s rovinou podkladového materiálu a kolmo na směr pohybu podkladového materiálu. Na povrchu válce se vynáší tenký film, z kterého se za současné tvorby tzv. Taylorových kuželů vytahují výše zmíněné paprsky roztoku, které pak vytvářejí na sběrné protielektrodě nebo na vhodné podkladové vrstvě před ní vrstvu nanovláken. Uvedená ♦ ···· ·· ···· ·· ··The technology disclosed in WO 2005/024101 A1 successfully attempts to solve the performance problem and other problems of the solutions described above. Here, the spinning electrode is formed by a cylinder-shaped electrode which rotates along its major axis and is dipped into the polymer solution by its lower surface. In this case, the axis of the roller is disposed in a plane parallel to the plane of the substrate and perpendicular to the direction of movement of the substrate. On the surface of the roll a thin film is discharged, from which the above-mentioned solution rays are extracted while forming so-called Taylor cones, which then form a layer of nanofibres on the collecting counterelectrode or on a suitable substrate layer in front of it. Listed ♦ ···· ·· ···· ·· ··

PV 2005-36Ó ” *: ’··. . í J.PV 2005-36O ”*:’ ··. . í J.

7.6.2005 \.’126.2OO6..··..· technologie velmi dobře funguje pro roztoky polymerů na vodné bázi. Pro roztoky na nevodné bázi problém zvlákňování neřeší. Je to spojeno se zásadně rozdílným charakterem vodných a nevodných roztoků, který je především dán přítomností silného dipólového momentu v malé molekule vody. To předurčuje zcela rozdílné vlastnosti vodných a nevodných roztoků polymerů z hlediska účinků vnějšího elektrického pole. Ani u vodných roztoků polymerů není však vytvořená vrstva nanovláken zcela rovnoměrná po celé délce zvlákňovací elektrody.7.6.2005 \. '126.2OO6 .. ·· .. · technology works very well for water-based polymer solutions. For non-aqueous solutions, the spinning problem does not solve the problem. This is associated with the fundamentally different nature of aqueous and non-aqueous solutions, which is mainly due to the presence of a strong dipole moment in a small water molecule. This predetermines completely different properties of aqueous and non-aqueous polymer solutions in terms of external electric field effects. Even in the case of aqueous polymer solutions, however, the formed layer of nanofibres is not completely uniform along the length of the spinning electrode.

Z výše uvedeného je patrné, že podstatou dosud zkonstruovaných zařízení na přípravu kvalitních nanovláken a vrstev z nanovláken je vždy dvojice elektrod na rozdílném elektrickém potenciálu. Bez nadsázky jsou elektrody a jejich konstrukce srdcem celého zařízení a předurčují podstatným způsobem úspěch či neúspěch celého zařízení v produkci nanovláken.It is obvious from the above that the essence of the devices designed for the preparation of high-quality nanofibres and nanofiber layers is always a pair of electrodes with different electric potential. Without exaggeration, the electrodes and their construction are the heart of the whole device and predetermine the success or failure of the whole device in the production of nanofibres.

Cílem vynálezu je vytvořit způsob a zařízení, které by bylo průmyslově využitelné i pro zvlákňování roztoků polymeru v rozpouštědlech na nevodné bázi a dosahovalo vysokého zvlákňovacího výkonu a u vodných i nevodných roztoků polymerů dále zvyšovalo rovnoměrnost vytvářené vrstvy nanovláken.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus which can be industrially utilized for spinning polymer solutions in non-aqueous solvents and achieve high spinning performance and further increase the uniformity of the nanofiber layer formed in both aqueous and non-aqueous polymer solutions.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem výroby nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním v elektrickém poli podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na polymerní roztok na povrchu zvlákňovací elektrody v místě průsečnice povrchu zvlákňovací elektrody s rovinou proloženou osou zvlákňovací elektrody a kolmou na rovinu podkladového materiálu se po celé délce zvlákňovací elektrody působí elektrickým polem maximální a stejné intenzity, čímž se dosáhne stejného a rovnoměrného zvlákňovacího účinku po celé délce zvlákňovací elektrody a v důsledku toho také rovnoměrné tloušťky vrstvy nanovláken uložené na podkladovém materiálu.The object of the invention is achieved by a method of production of nanofibres from a polymer solution by electrospinning in an electric field according to the invention, which is based on the polymer solution on the spinning electrode surface at the intersection point of the spinning electrode surface with a plane intersected by the spinning axis and perpendicular to the plane of the substrate is applied along the entire length of the spinning electrode with an electric field of maximum and equal intensity, thus achieving the same and uniform spinning effect along the entire length of the spinning electrode and consequently also uniform thickness of the layer of nanofibres deposited on the substrate material.

Je výhodné, když se polymerní roztok do elektrického pole přivádí v množství stejných od sebe oddělených dávek pohybujících se po kruhových • ···· ·· ···· ·· ·φ . pv2005-36Ó ’ : “·. . řs&ňiúz.-i:Advantageously, the polymer solution is fed to the electric field in a plurality of equal spaced doses moving in a circular manner. pv2005-36O ’:“ ·. . c & i:

7.6.2005 .ί....* *··ΐ2.6·2θθ^··* *··* drahách v elektrickém poli, přičemž vzájemná poloha dávek se nemění a dávky jsou uspořádány ve skupinách dávek, situovaných po délce zvlákňovací elektrody v rovině procházející osou zvlákňovací elektrody a kolmé na rovinu podkladového materiálu vzhledem ke sběrné elektrodě na ekvipotenciále o nejvyšší intenzitě elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou. Rozdělení polymerního roztoku do dávek a umístění každé dávky v době kdy je nejblíže sběrné elektrodě v místě s nejvyšší intenzitou elektrického pole.7.6.2005 .ί .... * * ·· ΐ2.6 · 2θθ ^ ·· * * ·· * paths in the electric field, with the relative position of the batches unchanged and the batches arranged in batches situated along the length of the spinning electrode in a plane passing through the axis of the spinning electrode and perpendicular to the plane of the substrate with respect to the collecting electrode at the equipotential potential of the highest electric field intensity between the spinning electrode and the collecting electrode. Dividing the polymer solution into batches and placing each batch at the time closest to the collecting electrode at the location with the highest electric field strength.

Směr přivádění od sebe oddělených dávek polymerního roztoku je s výhodou obrácený vzhledem ke smyslu pohybu podkladového materiálu, čímž se dosáhne větší rovnoměrnosti vytvářené vrstvy nanovláken.The direction of feeding the separated doses of polymer solution is preferably reversed with respect to the direction of movement of the substrate material, thereby achieving greater uniformity of the formed layer of nanofibres.

Podstata zařízení k výrobě nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním v elektrickém poli spočívá vtom, že obalová plocha částí povrchu zvlákňovací elektrody sloužících k vynášení polymerního roztoku do elektrického pole má v rovině procházející osou zvlákňovací elektrody a kolmé na rovinu podkladového materiálu tvar tvořený ekvipotenciálou elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou o nejvyšší intenzitě.The principle of the device for production of nanofibres from polymer solution by electrospinning in electric field consists in that the surface area of the surface of the spinning electrode serving for bringing the polymer solution into electric field has a shape formed by equipotential potential of electric field between plane of spinning electrode and perpendicular to plane of substrate. spinning electrode and collecting electrode of the highest intensity.

Pro zvlákňování vodných roztoků polymerů je dostačující, je-li obalová plocha plná, což zjednodušuje konstrukci těchto zařízení.For the spinning of aqueous polymer solutions, it is sufficient that the packaging surface is full, which simplifies the construction of these devices.

Pro zvlákňování vodných i nevodných roztoků polymerů obsahuje zvlákňovací elektroda soustavu vlnitě tvarovaných lamel z plochého elektricky vodivého materiálu, které jsou vzhledem k ose rotace uloženy svým zvlněním tangenciálně, přičemž v rovině kolmé na rovinu podkladového materiálu a procházející osou rotace zvlákňovací elektrody a středem vlnitě tvarované lamely jsou vytvarovány do tvaru ekvipotenciály o nejvyšší intenzitě elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou. Taková zvlákňovací elektroda je schopna vynášet dostatečné množství polymerního roztoku do nejvhodnějších míst elektrického pole mezi zvlákňovací a sběrnou elektrodou a zároveň dobře zvlákňovat i nevodné roztoky polymerů.For the spinning of both aqueous and non-aqueous polymer solutions, the spinning electrode comprises a system of corrugated lamellas of flat electrically conductive material, which are tangential to the axis of rotation with respect to the axis of rotation, in a plane perpendicular to the plane of the substrate. they are formed into equipotentials with the highest electric field strength between the spinning electrode and the collecting electrode. Such a spinning electrode is capable of delivering a sufficient amount of polymer solution to the most convenient locations in the electric field between the spinning and collecting electrodes, while also well spinning non-aqueous polymer solutions.

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.20057.6.2005

Přitom je výhodné zejména pro rychlejší zahájení zvlákňování a udržení stálého zvlákňovacího procesu, jsou-li lamely na vnější straně opatřeny výstupky.In this connection, it is particularly advantageous if the lamellas are provided with protrusions on the outside for a faster start of spinning and to maintain a stable spinning process.

Zvlákňovací elektroda obsahuje soustavu lamel uspořádaných radiálně a 5 podélně kolem osy rotace zvlákňovací elektrody rovnoměrně po jejím obvodu a opatřených směrem ven směřujícími hroty, přičemž v poloze, kdy se hroty zvlákňovací elektrody nacházejí v rovině kolmé na rovinu podkladového materiálu, vrcholy těchto hrotů leží na ekvipotenciále o nejvyšší intenzitě elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou.The spinning electrode comprises a plurality of lamellas arranged radially and 5 longitudinally about the spinning axis of rotation of the spinning electrode evenly around its periphery and provided with outwardly directed spikes, wherein in the position where the spinning electrode tips are in a plane perpendicular to the plane of the substrate with the highest electric field strength between the spinning electrode and the collecting electrode.

Lamely jsou podle nároku 9vytvořeny z tenkého plochého elektricky vodivého materiálu společně s hroty a jejich vrcholy. Toto provedení je jednoduché a nezvyšuje příliš cenu zvlákňovací elektrody.The slats according to claim 9 are formed from a thin flat electrically conductive material together with the spikes and their peaks. This embodiment is simple and does not greatly increase the cost of the spinning electrode.

Přitom je pro dobré nastartování zvlákňovacího procesu výhodné, jsou-li vrcholy hrotů tvarovány do oblouku nebo do špičky.In this case, it is advantageous if the tips of the tips are curved or tip-shaped for a good start of the spinning process.

Podle nároku 12 jsou lamely vytvořeny z plochého elektricky vodivého materiálu a směrem ven jsou opatřeny hroty hranolovitého tvaru zakončenými tvarovými vrcholy.According to claim 12, the slats are formed from a flat electrically conductive material and outwardly provided with prism-shaped spikes terminated by shaped peaks.

Tyto hroty jsou podle nároku 13 válcové a jsou zakončeny tvarovými vrcholy.These prongs are cylindrical in accordance with claim 13 and are terminated by shaped peaks.

Tvarové vrcholy jsou podle nároku 14 tvořeny zkosenou plochou orientovanou ve směru rotace zvlákňovací elektrody.The shaped peaks according to claim 14 are formed by a tapered surface oriented in the direction of rotation of the spinning electrode.

Tvarové vrcholy jsou podle dalšího provedení tvořeny zkosenou plochou orientovanou ve směru rotace zvlákňovací elektrody, přičemž ve zkosené ploše je vytvořeno vybrání sloužící pro odměření vždy stejného množství nabíraného polymemího roztoku a vystavení dávky polymemího roztoku působení elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou.According to a further embodiment, the shaped peaks are formed by a tapered surface oriented in the direction of rotation of the spinning electrode, wherein a recess is provided in the tapered surface for metering the same amount of polymer solution to be collected and exposing the polymer solution to the electric field between the spinner and the collecting electrode.

Tvarové vrcholy jsou podle nároku 16 tvořeny sedýlkem, které s výhodou obsahuje horní prohnutou plochu orientovanou ve směru délky lamely a vzhledem ke směru otáčení zvlákňovací elektrody orientovanou přední prohnutou plochu a zadní prohnutou plochu a umožňuje ideální vystavení dávky * ···· ·· ···· · ··The shaped peaks according to claim 16 are formed by a saddle which preferably comprises an upper curved surface oriented in the direction of the lamella length and a front curved surface and a rear curved surface oriented relative to the direction of rotation of the spinning electrode and allows ideal dose exposition. ·· · ··

PV 2005-360* Ί ^:··. .BS3&41CZJ: ί ♦··.PV 2005-360 * Ί ^: ··. .BS3 & 41EN: ί ♦ ··.

7.6.2005 ··· ···* *.·Τ2«5<2006’».* *..* polymerního roztoku nacházejícího se na sedýlku působení elektrického pole, které na dávku působí rovnoměrně ze všech stran.7.6.2005 ··· ··· * *. · «2 «5 <2006’ ». * * .. * polymer solution located on the cot of the electric field, which acts uniformly on the dose from all sides.

Pro dosažení větších šířek vyráběné vrstvy nanovláken jsou alespoň dvě vedle sebe zvlákňovací elektrody uspořádány na jedné ose.To achieve larger widths of the produced nanofiber layer, at least two spinning electrodes are arranged on one axis.

Pro dosažení větší tloušťky vyráběné vrstvy nanovláken jsou zvlákňovací elektrody uspořádány alespoň dvě za sebou vzhledem ke směru pohybu podkladového materiálu.To achieve a greater thickness of the produced nanofiber layer, the spinning electrodes are arranged at least two in succession with respect to the direction of movement of the substrate material.

Pro dosažení velkých šířek vyrobené vrstvy nanovláken jsou zvlákňovací elektrody uspořádány alespoň dvě vedle sebe na jedné ose a alespoň ve dvou řadách za sebou, přičemž zvlákňovací elektrody následující řady jsou situovány v místech mezer mezi zvlákňovacími elektrodami předcházející řady.To achieve large widths of the produced nanofiber layer, the spinning electrodes are arranged at least two side by side on one axis and in at least two rows in succession, the spinning electrodes of the following row are situated at the spacing points between the spinning electrodes of the previous row.

Přitom jsou řady zvlákňovacích elektrod uloženy kolmo na směr pohybu podkladového materiálu nebo jsou uloženy šikmo ke směru pohybu podkladového materiálu.The rows of spinning electrodes are arranged perpendicularly to the direction of movement of the substrate material or are inclined to the direction of movement of the substrate material.

Přehled obrázků na výkreseOverview of the drawings

Příklady provedení zařízení podle vynálezu jsou schematicky znázorněny na přiložených výkresech, kde značí obr. 1 příčný řez zařízením s lamelovou zvlákňovací elektrodou s lamelami opatřenými hroty s tvarovými vrcholy, obr. 2 podélný řez zařízením se zvlákňovací elektrodou s plnou obalovou plochou, obr. 3a a 3b pohled na lamelovou zvlákňovací elektrodu s plochými lamelami, obr. 4a a 4b pohled na vínkovou lamelovou zvlákňovací elektrodu, obr. 5a pohled na lamelovou zvlákňovací elektrodu s lamelami opatřenými válcovými hroty s tvarovými vrcholy, 5b pohled na lamelu s hroty uspořádanými ve vzájemném odstupu, obr. 6 pohled na lamelovou zvlákňovací elektrodu s lamelami opatřenými hroty ve tvaru hranolu, obr. 7a detail tvarových vrcholů ploché lamely lamelové zvlákňovací elektrody, obr. 7b vrcholy hrotů lamelové zvlákňovací elektrody s jednoduchou zkosenou ploškou upravenou do jamky, obr. 7c vrcholy hrotů lamelové zvlákňovací elektrody s jednoduchou zkosenou ploškou upravenou do jamky, obr. 7d vrcholy hrotů lamelové zvlákňovací elektrody se sedýlkem, obr. 8a sériové uspořádání zvlákňovacích elektrod,1 is a cross-sectional view of a lamellar spinning electrode apparatus with lamellas having shaped peaks; FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of a spinning electrode apparatus with a full envelope; FIG. 3a and FIG. Fig. 3b a view of a lamella spinning electrode with flat lamellae, Figs. 4a and 4b a view of a wobble lamella spinning electrode; Fig. 6 is a view of a lamella spinning electrode with prism-shaped lamellae, Fig. 7a detail of the shape peaks of a flat lamella spinning electrode, Fig. 7b apexes of lamella spinning electrode tips with a single chamfered flat surface, spinning electrodes with a single tapered surface adapted to the well, fig. 7d tops of tips of lamellar spinning electrode with seat, fig. 8a serial arrangement of spinning electrodes,

PV 2005-36ÓPV 2005-36Ó

7.6.2005 • · · · • · ·7.6.2005 • · · · · · ·

obr. 8b paralelní uspořádání zvlákňovacích elektrod, obr. 8c sériové a paralelní uspořádání zvlákňovacích elektrod v kombinaci a s posunem o polovinu délky zvlákňovacích elektrody a obr. 8d uspořádání podle obr. 8c s osou rotace zvlákňovacích elektrod různoběžnou se směrem posunu podkladové vrstvy.Fig. 8b shows the parallel spinning electrode arrangement, Fig. 8c shows the serial and parallel spinning electrode arrangement in combination and with a half-length displacement of the spinning electrode, and Fig. 8d the arrangement according to Fig. 8c with the spinning electrode rotation axis different to the feed direction.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Zařízení k výrobě nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním znázorněné na obr. 1, 3 až 7 obsahuje zvlákňovací elektrodu 1 tvořenou lamelami 11 radiálně a podélně uspořádanými kolem osy 12. která je známým neznázorněným způsobem otočně uložena v tělese zařízení. Jednotlivé lamely 11 zvlákňovací elektrody 1 nebo celá zvlákňovací elektroda 1 jsou známým neznázorněným způsobem propojeny s neznázorněným zdrojem vysokého napětí nebo uzemněny. Lamely 11 se prostírají po celé délce zvlákňovací elektrodyj. a jsou rovnoměrně rozděleny po jejím obvodu. Osa 12 zvlákňovací elektrody je ve znázorněném provedení tvořena hřídelem 121, který je známým neznázorněným způsobem spřažen s pohonem zajišťujícím jeho rotační pohyb.The device for producing nanofibres from polymer solution by electrostatic spinning shown in Figs. 1, 3 to 7 comprises a spinning electrode 1 formed by lamellas 11 radially and longitudinally arranged about an axis 12, which is rotatably mounted in a body of the device in a known manner. The individual lamellas 11 of the spinning electrode 1 or the entire spinning electrode 1 are connected in a known manner (not shown) to a medium voltage source (not shown) or grounded. The slats 11 extend along the entire length of the spinning electrode. and are evenly distributed over its circumference. In the illustrated embodiment, the spinning electrode axis 12 is formed by a shaft 121 which is coupled to a drive to rotate it in a known manner (not shown).

Pod zvlákňovací elektrodou 1 je uložena nádoba 2 s polymerním roztokem 3. Lamely 11 v dolní části zvlákňovací elektrody 1 jsou ponořeny v polymerním roztoku 3. Každá lamela obsahuje množství hrotů 111, na jejichž koncích jsou vytvořeny tvarové vrcholy 1111, které jsou nosnými plochami pro kapky 31 polymerního roztoku 3, jak je znázorněno na obr. 1.Under the spinning electrode 1 there is a container 2 with a polymer solution 3. The slats 11 at the bottom of the spinning electrode 1 are immersed in the polymer solution 3. Each lamella comprises a plurality of spikes 111, at their ends formed shaped peaks 1111 31 of the polymer solution 3 as shown in FIG. 1.

Nad zvlákňovací elektrodou 1 je uspořádána sběrná elektroda 4 připojená známým neznázorněným způsobem ke zdroji vysokého napětí opačné polarity než zvlákňovací elektroda 1 nebo uzemněná. Osa 12 zvlákňovací elektrody je uložena rovnoběžně se sběrnou elektrodou 4, respektive s rovinou sběrné elektrody 4. Mezi sběrnou elektrodou 4 a zvlákňovací elektrodou 1 se po přivedení vysokého napětí alespoň na jednu z nich a uzemnění druhé elektrody nebo připojení druhé elektrody na vysoké napětí opačné polarity vytvoří intenzivní elektrické pole, které zajistí vytváření Taylorových kuželů na vrcholech 1111 hrotů 111 lamel 11 a vytahování paprskuAbove the spinning electrode 1 there is arranged a collecting electrode 4 connected in a known manner (not shown) to a source of high voltage of opposite polarity than the spinning electrode 1 or grounded. The spinning electrode axis 12 is arranged parallel to the collecting electrode 4 and the collecting electrode plane 4, respectively. Between the collecting electrode 4 and the spinning electrode 1, after applying a high voltage to at least one of them and grounding the other electrode or creates an intense electric field that ensures the formation of Taylor cones at the tops 1111 of the tips 111 of the slats 11 and the beam retraction

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.2005 • ···· ·· ···· tt «· *: ^:··.. éswi^zj· :···. .ί....· *..1215.2006..··..· polymerního roztoku 3 z vrcholů 1111 hrotů 111 směrem ke sběrné elektrodě 4.June 7, 2005 • ···· ···· ·· TT «· ^*:: .. ·· ESWI ^ zi ·: ···. Polymer solution 3 from the tips 1111 of the tips 111 toward the collecting electrode 4.

Mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 4, obvykle v blízkosti sběrné elektrody 4, je vytvořeno vedení pro podkladový materiál 5, tvořený podkladovou textilií nebo jiným vhodným materiálem podle požadavků na užití vyráběné textilie obsahující vrstvu nanovláken nebo textilie nanovlákennou vrstvou tvořené. Vedení obsahuje ve znázorněném provedení dvě dvojice válců - podávači válce 61 a odváděči válce 62. Nebo může být podkladový materiál tvořen nekonečným pásem uloženým na dvojici válců, z nichž alespoň jeden je hnaný, přičemž vrstva nanovláken se z nekonečného pásu známým způsobem snímá a ukládá do návinu. Směr pohybu podkladového materiálu 5 je obvykle souhlasný se směrem rotace zvlákňovací elektrody 1. Pro zvýšení rovnoměrnosti nanášené vrstvy 33 nanovláken je však výhodné směr otáčení zvlákňovací elektrody 1 obrátit a zvlákňovací elektrodouBetween the spinning electrode 1 and the collecting electrode 4, usually in the vicinity of the collecting electrode 4, a guide is provided for the backing material 5 formed by the backing fabric or other suitable material according to the requirements for use of the manufactured fabric containing nanofiber layer or nanofibrous layer. In the embodiment shown, the guide comprises two pairs of rollers - the feed roll 61 and the discharge roll 62. Alternatively, the backing material may be formed by an endless belt deposited on a pair of rollers, at least one of which is driven. winding. The direction of movement of the base material 5 is usually consistent with the spinning direction of the spinning electrode 1. However, to increase the uniformity of the deposited layer of nanofibres, it is advantageous to reverse the spinning direction of the spinning electrode 1 and spinning electrode.

1 otáčet proti smyslu pohybu podkladového materiálu 5.1 rotate against the sense of movement of the underlying material 5.

Tvarové vrcholy 1111 jsou tvořeny malými plochami tvarovanými k optimalizaci tvaru kapky 31 polymerního roztoku 3 na tvarovém vrcholu v elektrickém poli po vynesení polymerního roztoku z nádoby lamelou 11. Každá taková kapka 31, představuje dávku polymerního roztoku 3 přivedenou do elektrického pole pro zvlákňování.The shaped peaks 1111 are formed by small areas shaped to optimize the shape of the drop 31 of the polymer solution 3 on the shaped peak in the electric field after the polymer solution is discharged from the container through the lamella 11. Each such drop 31 represents a dose of polymer solution 3 applied to the spinning electric field.

Na obr. 2 je znázorněna alternativa provedení zařízení k výrobě nanovláken z vodného polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním podle vynálezu. V tomto případě je ve srovnání s WO 2005/024101 A1 válcové těleso tvořící zvlákňovací elektrodu 1 vytvarováno v rovině procházející osou 12 rotace zvlákňovací elektrody 1 a kolmé na rovinu podkladového materiálu 5 do tvaru ekvipotenciály elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou 1. a sběrnou elektrodou 3 o nejvyšší intenzitě pro zvolený potenciál elektrického pole. Obalová plocha zvlákňovací elektrody 1 je plná a není tedy tvořena lamelami uspořádanými po délce zvlákňovací elektrody 1, jako je tomu u výše popsaných provedení. U provedení zvlákňovací elektrody 1 podle obr. 2 je možné vnější plochu tvarovat například pomocí radiálních výstupků ve tvaru nákružků nebo • · ·Fig. 2 shows an alternative embodiment of the device for production of nanofibres from aqueous polymer solution by electrostatic spinning according to the invention. In this case, in comparison with WO 2005/024101 A1, the cylindrical body forming the spinning electrode 1 is shaped in a plane passing through the rotation axis 12 of the spinning electrode 1 and perpendicular to the plane of the backing material 5 to form the equipotential potential of electric field between the spinning electrode 1 and the collecting electrode 3 o the highest intensity for the selected electric field potential. The casing surface of the spinning electrode 1 is full and thus not formed by lamellas arranged along the length of the spinning electrode 1, as in the above-described embodiments. In the embodiment of the spinning electrode 1 of FIG. 2, the outer surface can be shaped, for example, by radial projections in the form of flanges or

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.20057.6.2005

*. psfcčffcz. t • •..WM..··..· hrotů, výstupků ve tvaru spirály nebo axiálních výstupků podobně jako u WO 2005/024101 A1.*. psfcčffcz. spikes, spiral-shaped protrusions or axial protrusions similar to WO 2005/024101 A1.

V dalším alternativním provedení, které není znázorněno, může být pro výrobu nanovláken zejména z vodných roztoků polymerů zvlákňovací elektroda tvořena soustavou kol uspořádaných souose vedle sebe na společném hřídeli, přičemž obalová plocha takové soustavy je v rovině procházející osou zvlákňovací elektrody a kolmé na rovinu podkladového materiálu tvořena ekvipotenciálou elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou o nejvyšší intenzitě pro zvolený potenciál elektrického pole. Kola přitom mohou být uspořádána těsně vedle sebe nebo s určitým rozestupem a na obvodě mohou být opatřena výstupky různých tvarů.In another alternative embodiment, which is not shown, for the production of nanofibres, in particular from aqueous polymer solutions, the spinning electrode can be formed by a set of wheels arranged coaxially side by side on a common shaft, the envelope surface of such a system being in a plane passing through the axis of the spinning electrode and perpendicular formed by the equipotential potential of the electric field between the spinning electrode and the collecting electrode of the highest intensity for the selected electric field potential. The wheels can be arranged close to each other or at a certain distance, and can be provided with protrusions of different shapes on the periphery.

Provedení zvlákňovací elektrody 1 pro zvlákňování polymerů z nevodných i vodných roztoků je znázorněno na obr. 3a v celkovém pohledu a na obr. 3b v detailu části elektrody. Zvlákňovací elektroda 1 obsahuje hřídel 12, na němž jsou upevněna čela 122 a v nich jsou radiálně uloženy ploché podlouhlé lamely 11, na nichž jsou vytvořeny směrem ven směřující ploché hroty 111 zakončené tvarovými vrcholy 1111, které jsou vytvarovány do oblouku. Hroty 111 jednotlivých lamel 11. mají rozdílnou délku, přičemž jejich obalová křivka je ekvipotenciálou elektrického pole vytvořeného mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 4 v rovině procházející osou 12 zvlákňovací elektrody a kolmé na rovinu podkladového materiálu 5.An embodiment of the spinning electrode 1 for spinning polymers from both aqueous and non-aqueous solutions is shown in Fig. 3a in an overall view and Fig. 3b in detail of a portion of the electrode. The spinning electrode 1 comprises a shaft 12, on which the faces 122 are fixed, and there are radially mounted flat elongated lamellas 11, on which are formed outwardly facing flat tips 111 terminated by shaped peaks 1111, which are formed into an arc. The tips 111 of the individual slats 11 have different lengths, their envelope being the equipotential potential of the electric field formed between the spinning electrode 1 and the collecting electrode 4 in a plane passing through the spinning electrode axis 12 and perpendicular to the plane of the substrate 5.

Další příkladné provedení zvlákňovací elektrody 1 pro zvlákňování polymerů z vodných i nevodných roztoků je znázorněno na obr. 4a v pohledu proti ose elektrody a na obr. 4b je znázorněno uspořádání lamel vzhledem k hřídeli v axonometrickém pohledu. Lamely 11 jsou u tohoto provedení tvořeny vlnitě vytvarovaným plochým elektricky vodivým materiálem a jsou svými konci uloženy v čelech 122 upevněných na hřídeli 121, přičemž vzhledem k hřídeli 121 jsou lamely 11 uloženy svým zvlněním tangenciálně. Směrem vně ze zvlákňovací elektrody 1 tedy směřuje tenká plocha vlnovky lamely 11, která je v radiálním směru v rovině kolmé na rovinu podkladového materiálu a procházející středem vlnitě tvarované lamely 11 tvarována do tvaru ekvipotenciály o nejvyšší intenzitě pro zvolený potenciál elektrického poleAnother exemplary embodiment of a spinning electrode 1 for spinning polymers from both aqueous and non-aqueous solutions is shown in Fig. 4a in a view opposite the axis of the electrode and Fig. 4b shows the arrangement of the slats relative to the shaft in axonometric view. The lamellas 11 in this embodiment are formed by a corrugated flat electrically conductive material and are supported at their ends in faces 122 attached to the shaft 121, wherein the lamellas 11 are mounted tangentially with respect to the shaft 121. Thus, outwardly from the spinning electrode 1, a thin surface of the wobble of the lamella 11, which in the radial direction in a plane perpendicular to the plane of the underlying material and passing through the center of the wavy shaped lamella 11, is shaped into the equipotential potential of maximum intensity for the selected electric field potential.

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.2005 • ··* · «V ··· · · » « ·7.6.2005 • ·· * · «In ··· · ·» «·

Ί *··.. rs3»4igz.i: · :··.S * ·· .. rs3 »4igz.i: ·: ··.

*··ί2·.6»2006’«·* ·..· vytvořeného mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 4.Formed between the spinning electrode 1 and the collecting electrode 4.

V neznázorněném příkladu provedení jsou jednotlivé lamely 11 opatřeny na vnější straně výstupky.In the embodiment (not shown), the individual slats 11 are provided with protrusions on the outside.

V příkladu provedení podle obr. 5a je znázorněna zvlákňovací elektroda 5 1 pro zvlákňování polymerů z vodných i nevodných polymerních roztoků_3, která obsahuje na hřídeli 121 upevněná čela 122, mezi nimiž jsou radiálně uloženy lamely 11 opatřené směrem ven směřujícími hroty 111, které jsou zakončeny tvarovými vrcholy 1111. Obalová křivka vrcholů 1111 hrotů lamely je ekvipotenciálou o nejvyšší intenzitě elektrického pole vytvořeného mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 4 v poloze, kdy se hroty 111 zvlákňovací elektrody nacházejí v rovině kolmé na rovinu podkladového materiálu 5.In the embodiment of Fig. 5a, a spinning electrode 51 is shown for spinning polymers from both aqueous and non-aqueous polymeric solutions 3, which comprises on the shaft 121 fixed faces 122 between which lamellas 11 are provided with radially outwardly directed spikes 111 terminating The peak curve 1111 of the lamella tip tips 1111 is the equipotential potential of the highest electric field generated between the spinning electrode 1 and the collecting electrode 4 in a position where the spinning electrode tips 111 are in a plane perpendicular to the plane of the substrate 5.

U provedení podle obr. 5a jsou hroty 111 válcové, jsou uspořádány těsně vedle sebe a jejich tvarové vrcholy 1111, znázorněné v detailním pohledu na obr. 7c, obsahují zkosenou plochu 1111a, v níž je vytvořeno vybrání 1111b, které je s výhodou kulového nebo kuželového tvaru. Tvarový vrchol 111 lamely zvlákňovací elektrody je v jiném provedení tvořen pouze zkosenou plochou 1111a, jak je znázorněno na obr. 7b, nebo sedýlkem 1111c, znázorněným na obr. 7d. Sedýlko obsahuje horní prohnutou plochu SI orientovanou ve směru délky lamely H a přední prohnutou plochu S2 orientovanou vzhledem ke směru otáčení zvlákňovací elektrody dopředu a zadní prohnutou plochu S3 orientovanou vzhledem ke směru otáčení zvlákňovací elektrody dozadu.In the embodiment of Fig. 5a, the tips 111 are cylindrical, are arranged adjacent to each other and their shaped peaks 1111, shown in detail in Fig. 7c, comprise a tapered surface 1111a in which a recess 1111b is formed, which is preferably spherical or conical shape. In another embodiment, the spinning electrode lamella top 111 is formed only by the tapered surface 1111a as shown in FIG. 7b, or the seat 1111c shown in FIG. 7d. The seat comprises an upper curved surface S1 oriented in the direction of the length of the lamella H and a front curved surface S2 oriented with respect to the direction of rotation of the spinning electrode forwards and a rear curved surface S3 oriented with respect to the direction of rotation of the spinning electrode rear.

V neznázorněném provedení mohou být přední a zadní plochy sedýlek 1111c tvořeny rovinnými zkosenými plochami. V jiném neznázorněném provedení může být v horní prohnuté ploše sedýlka 1111c vytvořeno vybrání nebo jamka.In an embodiment not shown, the front and rear surfaces of the seats 1111c may be formed by planar tapered surfaces. In another embodiment, not shown, a recess or well may be formed in the upper curved surface of the cushion 1111c.

Na obr. 5b je znázorněno příkladné provedení lamely zvlákňovací elektrody podle obr. 5a, u níž jsou hroty 111 na lamele 11 uspořádány s určitým odstupem. Tvarové vrcholy 1111 obsahují zkosenou plochu 1111a, v níž je vytvořeno vybrání 1111b. Obalová křivka vrcholů 1111 hrotů lamely je ekvipotenciálou elektrického pole vytvořeného mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 4.FIG. 5b shows an exemplary embodiment of the spinning electrode lamella of FIG. 5a, wherein the spikes 111 on the lamella 11 are spaced apart. The shaped peaks 1111 comprise a tapered surface 1111a in which a recess 1111b is formed. The envelope curve of the tips 1111 of the lamella tips is the equipotential potential of the electric field formed between the spinning electrode 1 and the collecting electrode 4.

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.2005 »* · · 0June 7, 2005 »* · · 0

0 0 •0 0000 00 00 ps&íw-Qzj: π.. \.12£Σ00β„··..·0 0 • 0 0000 00 00 ps & íw-Qzj: π .. \ .12 £ Σ00β "·· .. ·

Zvlákňovací elektroda podle obr. 6 obsahuje ploché lamely 11_ určité tloušťky, které jsou obdobně jako u předchozích provedení uloženy na hřídeli a směrem ven jsou opatřeny výstupky hranolovitého tvaru uspořádanými odděleně od sebe a zakončenými na koncích tvarovými vrcholy 1111, které jsou tvořeny zkosenou plochou 1111a. Tvarové vrcholy 1111 lamel mohou být vytvořeny i jiným, zejména výše popsaným způsobem, tedy například vybráními 1111b nebo sedýlky 1111c.The spinning electrode of Fig. 6 comprises flat lamellae 11 of a certain thickness, which, like the previous embodiments, are mounted on a shaft and outwardly provided with prismatic protrusions arranged separately from each other and terminated at their ends by shaped peaks 1111 formed by a tapered surface 1111a. The shaped lamella tops 1111 may also be formed in another manner, especially as described above, for example by recesses 1111b or seats 1111c.

Zvlákňovací elektrody i mohou být pro dosažení větší šířky a popřípadě i větší rovnoměrnosti a/nebo větší tloušťky vyráběné vrstvy 33 nanovláken uspořádány různým způsobem, jak je znázorněno na obr. 8a až 8d.The spinning electrodes 1 can be arranged in different ways, as shown in Figs. 8a to 8d, in order to achieve a greater width and possibly even more uniformity and / or greater thickness of the produced nanofiber layer 33.

V provedení podle obr. 8a jsou na jedné ose 12 s určitým odstupem od sebe uloženy alespoň dvě zvlákňovací elektrody i, ve znázorněném příkladu provedení tři zvlákňovací elektrody i. Vzdálenost mezi zvlákňovacími elektrodami 1 je volena tak, aby se vrstva 33 nanovláken vytvářela na podkladovém materiálu 5 i mezi elektrodami.In the embodiment according to FIG. 8a, at least two spinning electrodes 1 are arranged on one axis 12 with a certain distance from each other, in the illustrated embodiment three spinning electrodes i. The distance between the spinning electrodes 1 is selected so that the nanofiber layer 33 is formed on the substrate 5 between the electrodes.

U provedení podle obr. 8b jsou uspořádány tři zvlákňovací elektrody 1 ve třech řadách 1210, 1220, 1230 za sebou vzhledem ke směru pohybu podkladového materiálu 5. Toto provedení je určeno k dosažení vyšší tloušťky vrstvy 33 a musí obsahovat alespoň dvě zvlákňovací elektrody 1 ve dvou řadách za sebou.In the embodiment of Fig. 8b, three spinning electrodes 1 are arranged in three rows 1210, 1220, 1230 in succession relative to the direction of movement of the backing material 5. This embodiment is intended to achieve a higher layer thickness 33 and must comprise at least two spinning electrodes 1 in two rows in a row.

Pro dosažení větší šířky vyráběné vrstvy 33 nanovláken a větší rovnoměrnosti vrstvy 33 nanovláken jsou zvlákňovací elektrody 1 uspořádány alespoň dvě vedle sebe na jedné ose 12 a alespoň ve dvou řadách za sebou, přičemž zvlákňovací elektrody 1 druhé řady 1220 jsou situovány v místech mezer mezi zvlákňovacími elektrodami 1 první řady 1210.In order to achieve a greater width of the produced nanofiber layer 33 and greater uniformity of the nanofiber layer 33, the spinning electrodes 1 are arranged at least two side by side on one axis 12 and at least two rows in succession, while the spinning electrodes 1 of the second row 1220 are situated at spots between spinning electrodes. 1 of the first row 1210.

Řady 1210, 1220, 1230 a 1240 zvlákňovacích elektrod i jsou v provedení podle obr. 8c uloženy kolmo na směr pohybu podkladového materiálu 5.The rows 1210, 1220, 1230 and 1240 of the spinning electrodes 1 are arranged perpendicular to the direction of movement of the substrate 5 in the embodiment of Fig. 8c.

Řady 1210, 1220, 1230 a 1240 zvlákňovacích elektrod 1 jsou uloženy 30 šikmo ke směru pohybu podkladového materiálu 5.The rows 1210, 1220, 1230 and 1240 of the spinning electrodes 1 are disposed 30 at an angle to the direction of movement of the substrate 5.

PV 2005-36ÓPV 2005-36Ó

7.6.2005 ♦ * · · · · 11 117.6.2005 · 11 11

’..Ί2Λ2008..· ♦.,· vynášen do 11, které se «*«· • · ·´ ..Ί2Λ2008 .. · ♦., · Taken up to 11, which «*« · • · ·

111111

Roztok 3 polymeru je v podobě definovaných kapek elektrického pole na vrcholech hrotů 111 speciálních lamel v uspořádání radiálně a podélně kolem osy 12 rotace otáčejí na společné ose. Výška hrotů 111 zaručuje, že vrcholy 1111 těchto hrotů jsou při průchodu 5 rovinou kolmou na rovinu podkladového materiálu 5 a procházející osou 12 rotace zvlákňovací elektrody 1 v ekvipotenciálách elektrického pole. Současně malá plocha na vrcholech hrotů 111, která se pohybuje řádově kolem 1 mm², zajišťuje lokální nárůst elektrického pole v místě kapek, což dodá optimální podmínky pro zahájení procesu zvlákňování. Vrcholy 1111 hrotů 111 pak 10 mohou mít různé úpravy, které více nebo méně optimalizují tvar kapky. V nejjednodušším uspořádání to může být rovná ploška 1111a nebo jamka 1111b a ve složitější variantě např. sedýlko 1111c, jehož použití je velmi výhodné. Sedýlko 1111c zaručí, že kapka bude elektrickému poli vystavována symetricky a současně zásobní polymerní roztok 3 bude lépe vymývat vrcholy 15 od zbytků polymemího roztoku 3, který již prošel procesem.The polymer solution 3 is rotated on a common axis in the form of defined electric field drops at the apexes of the special blade tips 111 in a radial and longitudinal configuration about the axis of rotation 12. The height of the tines 111 ensures that the peaks 1111 of these tines are, when passing 5, a plane perpendicular to the plane of the substrate 5 and passing through the rotation axis 12 of the spinning electrode 1 at the equipotential potentials of the electric field. At the same time, the small area at the tips of the tips 111, which is of the order of about 1 mm ² , provides a local increase in the electric field at the droplet location, providing optimum conditions for initiating the spinning process. The tips 1111 of the tips 111 can then have various treatments that more or less optimize the shape of the droplet. In the simplest configuration, it may be a flat pad 1111a or a well 1111b and, in a more complex variant, a saddle 1111c, the use of which is very advantageous. The seat 1111c ensures that the droplet will be exposed to the electric field symmetrically and at the same time the stock polymer solution 3 will better wash the peaks 15 from the remnants of the polymer solution 3 that has already passed the process.

Jak už bylo řečeno výše, tak k nastartování procesu zvlákňování je nutné, aby se polymerní roztok 3 (optimálně malá část jeho objemu) dostal do intenzivního elektrického pole. Experimentálně bylo ověřeno, že vodné polymerní roztoky 3 se od nevodných polymerních roztoků 3 ve smyslu zvlákňování pomocí elektrostatických sil zásadně liší. Výsledek tolik nepřekvapuje, protože molekula vody je svým malým rozměrem a silným dipólovým momentem ve výjimečném postavení vůči všem ostatním běžným rozpouštědlům, které mají molekuly větší a s nižším nebo vůbec žádným dipólovým momentem. O diametrálně rozdílném charakteru vody vypovídají i hodnoty statické relativní permetivity ε_Γ, kdy voda má 81, aceton 21,4, ethanol 25,1 atd. Rozpouštědlo je v roztocích hlavní hmotou (běžně kolem 80% hm.) a definuje tak zásadní měrou vlastnosti polymemího roztoku. Polymerní roztok, který je tvořen převahou nebo zcela molekulami nepolárními zaujme vůči vnějšímu elektrickému poli jiný postoj než polymerní roztok obsahující množství polárních molekul. Je známé, že dipól podobně jako magnetická střelka v magnetickém poli zaujme vůči vnějšímu elektrickému poli jasné postavení a to tak, že vektor dipólu je rovnoběžný s vektorem elektrického pole. Molekulám, u kterých předtím převládal chaotický pohyb, je tak vnuceno pevnější vnitřníAs mentioned above, to start the spinning process, it is necessary for the polymer solution 3 (optimally a small part of its volume) to enter an intense electric field. It has been experimentally verified that aqueous polymeric solutions 3 differ substantially from non-aqueous polymeric solutions 3 in terms of electrospinning. The result is not so surprising, because the water molecule is in its small size and strong dipole moment in an exceptional position relative to all other common solvents that have larger molecules and with little or no dipole moment. The diametrically different character of the water is also confirmed by the values of static relative permetivity ε _Γ , where the water has 81, acetone 21.4, ethanol 25.1 etc. of a polymeric solution. The polymer solution, which is predominantly or entirely non-polar, takes a different attitude to the external electric field than the polymer solution containing a number of polar molecules. It is known that a dipole, like a magnetic latch in a magnetic field, assumes a clear position relative to an external electric field, so that the dipole vector is parallel to the electric field vector. Molecules, which were previously dominated by chaotic movement, are forced into a firmer inner

PV 2005-36ÓPV 2005-36Ó

7.6.20057.6.2005

ΦΦ * · φΦΦ * · φ

φφφφφφ

ΦΦ ΦΦΦΦ 44 4444 ΦΦΦΦ 43 44

*..Ί2Λ2009..« ·..· uspořádáni v rámci roztoku. Vodné polymerní roztoky jsou tak schopny vnitřního rozvrstvení na polarizované vrstvičky a to v konečném důsledku vede k přítomnosti intenzivního elektrického pole i celého povrchu kapaliny. Polymerní roztoky z téměř nepolárních nebo nepolárních rozpouštědel jsou vůči vnějšímu elektrickému poli prakticky imunní a pole tak na vnitřní přeuspořádání molekul nemá vliv. U povrchu takových polymerních roztoků nedojde k vytvoření silného elektrického a naopak je zde původní pole oslabeno a míra oslabení je pak dána rozměry kapalinového tělesa (velký povrch a tloušťka notně zeslabují intenzitu elektrického pole), které tak hraje roli prostého izolantu. Vytvoření pole o vysoké intenzitě je nutné zajistit jiným způsobem a slouží k tomu výše zmíněná konstrukce zvlákňovací elektrody 1. Vrcholy 1111 hrotů lamel v podobě malých plošek (cca 1-4 mm²) zaručují pro kapku, která na nich ulpí to, že se dostává do elektrického pole takové intenzity, které je zejména v místech kontaktu kapky s hranou hrotu 111 (tzv. trojný bod - místo styku tří dielektrický rozdílných prostředí) lamely a následně zahájí tvorbu Taylorových kuželů, vytahování paprsku polymerního roztoku 3 proti sběrné elektrodě 4. Taylorovy kužele jsou obecným jevem, jsou výsledkem sil, kterým je polymerní roztok vystaven a jejich tvorba nastává, když vnější síla (zde coulombovská) jejíž vektor je kolmý k tečné rovině k povrchu kapaliny v místě působení, začne převládat nad silami vyvolanými vnitřní soudružností molekul kapaliny a silami povrchového napětí.* .. Λ2Λ2009 .. «· .. · arrangement within the solution. Thus, aqueous polymer solutions are capable of internal stratification on polarized layers and ultimately lead to the presence of an intense electric field and the entire surface of the liquid. Polymeric solutions of almost non-polar or non-polar solvents are virtually immune to the external electric field, and thus the field does not affect the internal rearrangement of molecules. The surface of such polymer solutions does not produce a strong electric field, and vice versa, the original field is attenuated and the degree of attenuation is given by the dimensions of the liquid body (large surface and thickness greatly attenuates the electric field intensity). The formation of a field of high intensity has to be ensured in a different way and the spinning electrode 1 mentioned above serves for this purpose. The peaks 1111 of the tips of the lamellas in the form of small flats (approx. 1-4 mm ² ) guarantee into the electric field of intensity, which is especially at the point of contact of the drop with the edge of the tip 111 (the so-called triple point - the point of contact of three dielectric different environments) of the lamella and subsequently initiates formation of Taylor cones; they are a general phenomenon, are the result of the forces to which the polymer solution is exposed and their formation occurs when the external force (here Coulomb) whose vector is perpendicular to the tangential plane to the surface of the liquid at the site surface tension.

Mezi polymerní roztoky s minimální šancí na vnitřní změnu v prostředí elektrického pole patří prakticky všechny roztoky polymerů v nevodných rozpouštědlech. Nutno zmínit, že polymerní roztok jako takový musí pro nastartování procesu zvlákňování splňovat i další parametry jako je viskozita roztoku daná molekulovou hmotností polymeru, jeho koncentrací a teplotou, vhodné povrchové napětí dané typem polymeru a přítomností či nepřítomností povrchově aktivní látky a vhodná hodnota elektrické vodivosti roztoku, kterou lze v případě potřeby zvýšit přídavkem nízkomolekulárního elektrolytu.Polymer solutions with minimal chance of internal change in the electric field environment include virtually all polymer solutions in non-aqueous solvents. It should be noted that the polymer solution as such must also meet other parameters such as solution viscosity given by the molecular weight of the polymer, its concentration and temperature, the appropriate surface tension given by the polymer type and the presence or absence of surfactant, and the appropriate electrical conductivity of the solution. , which can be increased if necessary by adding a low molecular weight electrolyte.

Množství zvlákňovaného polymerního roztoku 3 a tudíž celkový výkon lze ovlivňovat velikostí zvlákňovací elektrody 1. Velikost zvlákňovací elektrody se však do výkonu nepromítá přímo úměrně a to dokonce tak, že od určité délky • · • ···The amount of the spinning polymer solution 3 and hence the total power can be influenced by the size of the spinning electrode 1. However, the size of the spinning electrode does not translate proportionally into the power, even so that from a certain length.

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.20057.6.2005

• * to · zvlákňovací elektrody 3 začne být krajně nevýhodné dále délku zvětšovat, neboť výkon je pak na jednotku délky zvlákňovací elektrody podstatně nižší se současným zvýšením nerovnoměrnosti. Toto je dáno obecnými fyzikálními zákony provázející problematiku elektrického pole. Řešení přichází v podobě různých kombinací většího množství „menších“ zvlákňovacích elektrod 1, kdy jednotlivé zvlákňovací elektrody 1 jsou v paralelním nebo sériovém uspořádání nebo v kombinaci obojího a současně hlavní osy 12 zvlákňovacích elektrod 1 nemusí být kolmé na směr posunu podkladového materiálu 5 při systému kontinuální výroby. Dále mohou být zvlákňovací elektrody vůči sobě v paralelním uspořádání posunuty o polovinu své délky, což dále přispívá k rovnoměrnosti nanesené nanovlákenné vrstvy 33. Konečné uspořádání je vždy dáno konkrétním požadavkem na výkon stroje (šíře a rychlost).It is extremely disadvantageous to further increase the length of the spinning electrode 3, since the power is then substantially lower per unit of spinning electrode length while increasing the unevenness. This is given by the general laws of physics accompanying the field of electric field. The solution comes in the form of various combinations of a plurality of &quot; smaller &quot; spinning electrodes 1, wherein the individual spinning electrodes 1 are in parallel or series configuration or a combination of both and simultaneously the major axes 12 of the spinning electrodes 1 need not be perpendicular to the feed direction production. Furthermore, the spinning electrodes can be displaced in a parallel arrangement by half their length, which further contributes to the uniformity of the deposited nanofibrous layer 33. The final configuration is always determined by the specific demand for machine performance (width and speed).

Další modifikací je rotace zvlákňovací elektrody i vůči posunu podkladového materiálu 5 během kontinuálního procesu. Nerovnoměrnost ve formě diagonálních rozdílů v naneseném množství nanovlákenné vrstvy 33 na posouvajícím se podkladovém materiálu 5, může u některých roztoků 3 polymerů vznikat tím, že proces nastartovává postupně a odděleně z každé lamely li Účinnou kompenzací je rychlost a směr rotace zvlákňovací elektrodyAnother modification is the spinning electrode rotation 1 relative to the displacement of the substrate 5 during the continuous process. Unevenness in the form of diagonal differences in the applied amount of nanofibrous layer 33 on the shifting substrate 5 can occur in some polymer solutions 3 by starting the process successively and separately from each lamella. The effective compensation is the speed and direction of spinning of the spinning electrode.

1. V případě rychlosti je optimální, když je obvodová rychlost otáčející se zvlákňovací elektrody 1 patnácti až dvacetinásobkem rychlosti posunu podkladového materiálu 5. Dále je důležitý smysl rotace zvlákňovací elektrody 1 vzhledem ke směru pohybu podkladového materiálu 5. K rovnoměrnějším výsledkům vede obrácená - retrográdní rotace zvlákňovací elektrody vůči posunu podkladového materiálu 5, přičemž rychlost rotace již nemusí v takovém násobku převyšovat rychlost posunu podkladového materiálu 5 jako v případě rotace souhlasné s posunem.In the case of speed, it is optimal that the peripheral speed of the spinning electrode 1 is 15 to 20 times the feed rate of the substrate 5. Furthermore, the sense of rotation of the spinning electrode 1 relative to the direction of movement of the substrate 5 is important. the spinning electrodes with respect to the displacement of the substrate 5, whereby the rotation speed no longer has to exceed that of the substrate 5 as in the case of a rotation consistent with the displacement.

Další modifikací, kterou vynález přináší, je použití různých hodnot napětí na elektrodách. Je totiž výhodné vytvářet potřebný potenciál tak, že se na obě elektrody (zvlákňovací a sběrnou) přivedou napětí opačných polarit. Elektrické pole je tak daleko definovanější a kontrolovatelnější než v případě, kdy bylo napětí přivedeno pouze na jednu z elektrod a zpravidla se jednalo o elektrodu zvlákňovací a na druhou elektrodu (sběrnou) byl umístěn nulový potenciál.Another modification brought by the invention is the use of different voltage values on the electrodes. In fact, it is advantageous to generate the necessary potential by applying a voltage of opposite polarity to both electrodes (spinning and collecting). The electric field is thus far more defined and controllable than when the voltage was applied to only one of the electrodes and was usually a spinning electrode and the other (collecting) electrode was placed at zero potential.

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.2005 ···.. esswqzj;7.6.2005 ··· .. esswqzj;

...· \.U5.2ooe\.’ ·..·... · \ .U5.2ooe \. ´ · .. ·

Nulový potenciál a zvláště na sběrné elektrodě přináší řadu nevýhod, které plynou z toho, že v blízkosti zvlákňovacího prostoru a tedy i elektrod se vyskytují další části zařízení, které jsou také na nulovém potenciálu a mohou nedefinovaně modifikovat elektrické pole a strhávat vynášená vlákna do nežádoucích míst. Vzhledem k malým proudům (řádově stovky μΑ), které jsou nabitou hmotou polymerního roztoku přenášeny, může k uzavření proudového okruhu dojít i přes jinak značné izolanty, jakou jsou třeba plastové součásti zařízení apod. Toto odstraňuje právě opačný potenciál na sběrné elektrodě, kdy je tím elektroda „zviditelněna“ pro zvlákňovaný materiál. Konečným výsledkem této změny je definovanější dopad nanovláken na podkladový materiál 5.The zero potential, and especially the collecting electrode, brings a number of disadvantages that arise from the fact that there are other parts of the device near the spinning space and hence the electrodes, which are also at zero potential and can indefinitely modify the electric field and pull entrained fibers into undesirable locations. . Due to the small currents (of the order of hundreds of μΑ) carried by the charged mass of the polymer solution, the current circuit can be closed despite otherwise significant insulators such as the plastic parts of the device, etc. This removes the opposite potential on the collecting electrode. electrode "visualized" for spinning material. The end result of this change is a more defined impact of nanofibers on the base material 5.

Příklad 1Example 1

Zvlákňovací lamelová elektroda podle obr. 3 se otáčí v zásobníku 15 roztoku polyamidu PA 612 (konc. 20 % hm., Mr 2800 g/mol) v kyselině. Ponor lamely je právě takový, že jsou smáčeny pouze plošky hrotů. Elektroda se otáčí retrográdně vůči posunu nevodivé spunbondové podkladové textilie.The spinning electrode of Fig. 3 is rotated in a reservoir 15 of a solution of polyamide PA 612 (conc. 20 wt.%, Mr 2800 g / mol) in acid. The draft is such that only the tips of the tips are wetted. The electrode rotates retrograde to displacement of the non-conductive spunbond backing fabric.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Způsob a zařízení podle vynálezu jsou využitelné pro přípravu vrstev z nanovláken zejména z polymerů rozpustných v rozpouštědlech na nevodné bázi o průměrech nanovláken 100 až 500 nanometrů, ale také pro zvlákňování polymerů z vodných roztoků. Tyto vrstvy lze využít k filtraci, jako bateriové separátory, k tvorbě speciálních kompozitu, k výrobě ochranných oděvů, v medicíně a dalších oblastech.The method and the device according to the invention are useful for the preparation of nanofiber layers especially from non-aqueous solvent-soluble polymers with nanofiber diameters of 100 to 500 nanometers, but also for spinning of polymers from aqueous solutions. These layers can be used for filtration, as battery separators, for the creation of special composites, for the production of protective clothing, in medicine and other areas.

PV 2005-360PV 2005-360

7.6.20057.6.2005

Ί ^Σ·\ . ·;··.\ ^Σ · \. ·; ··.

\.Ί2.5.200β..· ·.,·\ .Ί2.5.200β .. · ·., ·

Seznam vztahových značekList of reference marks

I zvlákňovací elektrodaI spinning electrode

II lamely zvlákňovací elektrodySpinning electrode lamellae

111 hroty lamely zvlákňovací elektrody111 tips of spinning electrode lamella

1111 vrcholy hrotů lamely zvlákňovací elektrody1111 apex tips of spinning electrode lamella

1111a zkosená plocha1111a chamfer

1111b vybrání1111b recess

1111c sedýlko1111c sedýlko

S1 horní prohnutá plocha přední prohnutá plocha zadní prohnutá plocha osa zvlákňovací elektrodyS1 upper curved surface front curved surface rear curved surface axis of the spinning electrode

121 hřídel zvlákňovací elektrody121 spinning electrode shaft

122 čelo zvlákňovací elektrody122 spinning electrode face

1210 první řada zvlákňovacích elektrod1210 first spinning electrode series

1220 druhá řada zvlákňovacích elektrod1220 second spinning electrode row

1230 třetí řada zvlákňovacích elektrod1230 third row of spinning electrodes

1240 čtvrtá řada zvlákňovacích elektrod1240 fourth row of spinning electrodes

2 nádoba s polymemím roztokem polymerní roztok kapka polymerního roztoku kapka polymerního roztoku vrstva nanovláken2 container with polymer solution polymer solution drop of polymer solution drop of polymer solution layer of nanofibres

4 sběrná elektroda podkladový materiál podávači válce odváděči válce4, the collecting electrode supports the feed rollers of the discharge rollers

Γ φ ·»»· ·« ···· · ··Φ φ · »» · · · ·

PV2005-36Ó ’ *; ···. . PS^4ÍM^ZJ; j ....PV2005-36O *; ···. . PS ^ 4µM ^ ZJ; j ....

7.6.2005 .ί....· '..125,2009.,· ·„· ¹⁹ 7.6.2005 .ί .... · '..125,2009., · · · · ¹⁹

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS

Claims (6)

1. Způsob výroby nanovláken z polymerního roztoku (3) elektrostatickým zvlákňováním v elektrickém poli vytvořeném rozdílem potenciálů mezi sběrnouMethod for production of nanofibres from polymer solution (3) by electrostatic spinning in electric field created by difference of potentials between collecting 5 elektrodou (4) a otočně uloženou zvlákňovací elektrodou (1) protáhlého tvaru, zasahující částí svého obvodu do polymerního roztoku (3), přičemž rotací zvlákňovací elektrody (1) se alespoň částmi jejího povrchu vynáší polymerní roztok (3) do elektrického pole, v němž se na povrchu sběrné elektrody (3) vytvářejí nanovlákna, která jsou unášena ke sběrné elektrodě (3) a ukládána na5 with an electrode (4) and a rotatably mounted spinning electrode (1) of elongated shape extending part of its perimeter into the polymer solution (3), wherein by rotation of the spinning electrode (1) at least parts of its surface wherein nanofibres are formed on the surface of the collecting electrode (3), which are entrained to the collecting electrode (3) and deposited on 10 povrch podkladového materiálu (5) vedeného mezi zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (3) v blízkosti sběrné elektrody (3), vyznačující se tím, že na polymerní roztok (3) na povrchu zvlákňovací elektrody (1) v místě průsečnice povrchu zvlákňovací elektrody (1) s rovinou proloženou osou zvlákňovací elektrody (1) a kolmou na rovinu podkladového materiálu (5) se po10 a surface of a substrate material (5) guided between the spinning electrode (1) and the collecting electrode (3) near the collecting electrode (3), characterized in that the polymer solution (3) on the surface of the spinning electrode (1) at the intersection point The spinning electrodes (1) with the plane intersected by the axis of the spinning electrode (1) and perpendicular to the plane of the base material (5) are 15 celé délce zvlákňovací elektrody (1) působí elektrickým polem maximální a stejné intenzity, čímž se dosáhne vysokého a rovnoměrného zvlákňovacího účinku po celé délce zvlákňovací elektrody (1).15 the entire length of the spinning electrode (1) acts with an electric field of maximum and equal intensity, thereby achieving a high and uniform spinning effect over the entire length of the spinning electrode (1). 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že polymerní roztok se do elektrického pole přivádí v množství stejných od sebe oddělených dávekMethod according to claim 1, characterized in that the polymer solution is fed into the electric field in a number of equal doses separated from each other. 20 pohybujících se po kruhových drahách v elektrickém poli, přičemž vzájemná poloha dávek se nemění a dávky jsou uspořádány ve skupinách dávek, situovaných po délce zvlákňovací elektrody (1) v rovině procházející osou zvlákňovací elektrody (1) a kolmé na rovinu podkladového materiálu (5) vzhledem ke sběrné elektrodě (3) na ekvipotenciále o nejvyšší intenzitě20 moving along circular paths in the electric field, wherein the relative positions of the batches do not change and the batches are arranged in batches situated along the length of the spinning electrode (1) in a plane passing through the axis of the spinning electrode (1) and perpendicular to the plane of the substrate (5). with respect to the collecting electrode (3), at the equipotential potential of the highest intensity 25 elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (3).25 of an electric field between the spinning electrode (1) and the collecting electrode (3). 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že směr přivádění od sebe oddělených dávek polymerního roztoku (3) je obrácený vzhledem ke smyslu pohybu podkladového materiálu (5).Method according to claim 2, characterized in that the direction of feeding the separated doses of polymer solution (3) is reversed with respect to the direction of movement of the substrate material (5). 4. Zařízení k výrobě nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým 30 zvlákňováním v elektrickém poli vytvořeném rozdílem potenciálů mezi sběrnou elektrodou a otočně uloženou zvlákňovací elektrodou protáhlého tvaru spřaženou s pohonem a zasahující alespoň částmi svého povrchu do4. Apparatus for producing nanofibres from polymer solution by electrostatic spinning in an electric field created by a potential difference between a collecting electrode and a rotatably mounted spinning electrode of an elongated shape coupled with a drive and reaching at least parts of its surface into PV 2005-360PV 2005-360 7.6.2005 ···· polymerního roztoku s cílem vynášení polymerního roztoku těmito částmi povrchu do elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou přičemž mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou je vytvořena dráha pro průchod podkladového materiálu, jehož povrch ze strany zvlákňovací7.6.2005 ···· polymer solution to bring the polymer solution through these parts of the surface to the electric field between the spinning electrode and the collecting electrode, wherein a path is formed between the spinning electrode and the collecting electrode for the passage of a substrate material whose surface from the spinning side 5 elektrody slouží k ukládání vytvářených nanovláken, vyznačující se tím, že obalová plocha částí povrchu zvlákňovací elektrody (1) sloužících k vynášení polymerního roztoku (3) do elektrického pole má v rovině procházející osou (12) zvlákňovací elektrody a kolmé na rovinu podkladového materiálu (5) tvar tvořený ekvipotenciálou elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou (1) a5 electrodes are used for depositing the produced nanofibres, characterized in that the surface area of the surface of the spinning electrode (1) serving for bringing the polymer solution (3) into the electric field has a spinning electrode axis (12) perpendicular to the plane of the substrate ( A shape formed by the equipotential potential of the electric field between the spinning electrode (1); and 10 sběrnou elektrodou (3) o nejvyšší intenzitě.10 with a collecting electrode (3) of the highest intensity. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že obalová plocha je plná.Device according to claim 4, characterized in that the packaging surface is solid. 6. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda (1) obsahuje soustavu vlnitě tvarovaných lamel (11) z plochého elektrickyDevice according to claim 4, characterized in that the spinning electrode (1) comprises a set of corrugated lamellae (11) of flat electrically 15 vodivého materiálu, které jsou vzhledem kose rotace uloženy svým zvlněním tangenciálně, přičemž v rovině kolmé na rovinu podkladového materiálu (5) a procházející osou rotace zvlákňovací elektrody a středem vlnitě tvarované15 of the conductive material, which are tangentially disposed with respect to the axis of rotation, in a plane perpendicular to the plane of the substrate (5) and passing through the axis of rotation of the spinning electrode and in the center of the corrugated