CZ2007653A3 - Zpusob a zarízení k výrobe lineárního nanovlákenného útvaru - Google Patents

Abstract

Vynález se týká zpusobu výroby lineárního nanovlákenného útvaru (6) elektrostatickým zvláknováním taveniny nebo roztoku polymeru v elektrostatickém poli o vysoké intenzite vytvoreném mezi alespon jednou zvláknovací elektrodou (1) a sbernou elektrodou (2). Do elektrostatického pole o vysoké intenzite se alespon jednou zvláknovací elektrodou (1) privádí zvláknovaná tavenina nebo roztok polymeru, z nehož se elektrostatickým zvláknováním vytvárejí nanovlákna (61), která jsou pusobením elektrostatického pole unášena ke sberné elektrode (2) prostorem mezi alespon jednou zvláknovací elektrodou (1) a sbernou elektrodou (2), do nehož se privádí alespon jeden vzduchový proud (411), do kterého zasahuje volný konec lineárního nanovlákenného útvaru (6), který se z prostoru mezi alespon jednou zvláknovací elektrodou (1) a sbernou elektrodou (2) alespon cástecne proti smeru proudení vzduchového proudu (411) odtahuje a mimo vzduchový proud (411) a mimo prostor mezi alespon jednou zvláknovací elektrodou (1) a sbernou elektrodou (2) se navíjí na cívku (81). Ve vzduchovém proudu se nanovlákna na koncové cásti lineárního nanovlákenného útvaru zachycují a pri odtahování lineárního nanovlákenného útvaru vytvárejí nový lineární nanovlákenný útvar. V zarízení je do prostoru mezi alespon jednou zvláknovací elektrodou (1) a sbernou elektrodou (2) nasmerováno ústí (41) alespon jedné vzduchové trysky (4) spražené se zdrojem tlakového vzduchu k vytvárení alespon jednoho vzduchového proudu (411). Ve vzduchovém proudu (411) se nachází volný konec lineárního nanovlákenného útvaru (6) a mimo prostor mezi alespon jednou zvláknovací elektrodou (1) a sbernou elektrodou (2)

Description

Způsob a zařízení k výrobě lineárního nanovlákenného útvaru

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby lineárního nanovlákenného útvaru elektrostatickým zvlákňováním taveniny nebo roztoku polymeru v elektrostatickém poli o vysoké intenzitě vytvořeném mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou.

Dále se vynález týká zařízení k výrobě lineárního nanovlákenného útvaru elektrostatickým zvlákňováním taveniny nebo roztoku polymeru v elektrostatickém poli o vysoké intenzitě, vytvořeném ve zvlákňovacím prostoru mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou připojenou k jednomu pólu zdroje vysokého napětí a sběrnou elektrodou připojenou k opačnému pólu zdroje vysokého napětí nebo uzemněnou.

Dosavadní stav techniky

Nanovlákna jsou vlákna s průměry menšími než jeden mikrometr a vyrábějí se například elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů.

Elektrostatické zvlákňování roztoků polymerů lze provádět například podle CZ patentu 294274 pomocí otáčející se zvlákňovací elektrody protáhlého tvaru připojené k jednomu pólu zdroje vysokého napětí a s ní rovnoběžné sběrné elektrody, která je spojena s opačným pólem zdroje vysokého napětí a vznikající nanovlákna jsou k ní unášena a ukládají se do vrstvy nanovláken na podkladovém materiálu, který je veden mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou. Vznikají tak typicky plošné útvary tvořené spletí vzájemně propojených nanovláken. Podle tvaru sběrné elektrody lze vyrábět i tvarované nanovlákenné vrstvy, například podle US2003/0207638 nebo pokrývat povrch rotujících válcových útvarů podle US2003/0034408 nebo vytvářet trubičky na rotujících trnech podle US2004/0053553.

• ««··· · ··· · · · * • · · · *»·* * · · · · · · «· · · ·

Lineární útvary lze připravit některými výše uvedenými postupy nebo stáčením úzkých plošných útvarů a podobné. Nevýhodou takto připravených lineárních nanovlákenných útvarů je náročný a pomalý postup jejich přípravy a složitost zařízení k výrobě takových útvarů.

Z US 4.143.196 je známé zařízení pro elektrostatické zvlákňování roztoků nebo tavenin polymerů, které obsahuje rotační zviákňovací elektrodu tvořenou prstencem, který dolní částí svého povrchu zasahuje do roztoku polymeru a svým obvodem vynáší roztok polymeru do elektrostatického pole mezi prstencovou rotující zviákňovací elektrodou a dvěma sběrnými elektrodami, na nichž se nanovlákna ukládají do vrstev, které jsou ze sběrných elektrod snímány a odváděny mimo zařízení.

Z EP 1 059106 B1 je známé zařízení pro elektrostatické zvlákňování roztoků polymerů, u něhož je zviákňovací elektroda tvořena soustavou kotoučů, které jsou na obvodu opatřeny radiálním ozubením směřujícím ven. Kotouče zasahují dolní části svého obvodu do roztoku polymeru v zásobníku a rotací vynášejí polymer na svém obvodu do elektrostatického pole, vytvořeného mezi zviákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou, která je tvořena nekonečným pásem, na který se vytvářená nanovlákna ukládají do vrstvy nanovláken a tato vrstva se z pásu následně snímá a odvádí mimo zařízení.

Cílem vynálezu je navrhnout způsoby výroby a zařízení k výrobě lineárního nanovlákenného útvaru, které by odstranilo nedostatky stavu techniky.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem výroby lineárního nanovlákenného útvaru podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do elektrostatického pole o vysoké intenzitě se alespoň jednou zviákňovací elektrodou přivádí zvlákňovaná tavenina nebo roztok polymeru, z něhož se elektrostatickým zvlákňováním vytvářejí nanovlákna, která jsou působením elektrostatického pole unášena ke sběrné elektrodě prostorem mezi alespoň jednou zviákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou, do něhož se přivádí alespoň jeden vzduchový proud, do kterého zasahuje volný konec lineárního nanovlákenného útvaru, který se z prostoru mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou alespoň částečně proti směru proudění vzduchového proudu odtahuje a mimo vzduchový proud a mimo prostor mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou se navíjí na cívku, přičemž ve vzduchovém proudu se nanovlákna na koncové části lineárního nanovlákenného útvaru zachycují a při odtahování lineárního nanovlákenného útvaru vytvářejí nový lineární nanovlákenný útvar. Způsobem podle vynálezu se přímo vyrobí lineární nanovlákenný útvar obsahující v podstatě pouze nanovlákna, která jsou převážně podélně orientovaná. Takto vyrobený lineární nanovlákenný útvar lze dále užívat v oblastech, v nichž se využije podélná orientace nanovláken, například v lékařství.

Při uskutečňování způsobu podle vynálezu je výhodné, je-li vzduchový proud plochý, neboť plochý proud lépe unáší volný konec lineárního nanovlákenného útvaru v prostoru mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou rovněž lépe vychyluje nanovlákna z jejich dráhy a umožňuje dlouhodobé zachycování vyráběných nanovláken na volném konci odtahovaného lineárního nanovlákenného útvaru.

Pro kvalitu vyráběných nanovláken a jejich spojení do lineárního nanovlákenného útvaru je výhodné, je-li vzduchovým proudem laminární vzduchový proud.

Podstata zařízení k výrobě lineárního nanovlákenného útvaru podle vynálezu spočívá v tom, že do prostoru mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou je nasměrováno ústí alespoň jedné vzduchové trysky spřažené se zdrojem tlakového vzduchu k vytváření alespoň jednoho vzduchového proudu v prostoru mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou, přičemž ve vzduchovém proudu se nachází volný konec lineárního nanovlákeného útvaru a mimo prostor mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou je uspořádáno odtahové ústrojí sloužící k odtahování lineárního nanovlákenného útvaru alespoň částečně proti směru proudění vzduchového proudu. Výhodou zařízení je, že umožňuje přímou výrobu lineárního nanovlákenného útvaru v jednom zařízení.

Pro vytvoření dostatečného vzduchové proudu je výhodné, obsahuje-li zařízení jednu plochou vzduchovou trysku.

K zajištění plynulé výroby lineárního nanovlákenného útvaru je podle nároku 6 výhodné, je-li odtahovému ústrojí lineárního nanovlákenného útvaru přiřazeno navíjecí ústrojí lineárního nanovlákenného útvaru.

V zařízení podle vynálezu lze k výrobě nanovláken použít více druhů zvlákňovacích elektrod. Podle nároku 7 je zvlákňovací elektroda tvořena zvlákňovací tryskou, která je schopná přivádět do prostoru mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou tenký proud taveniny nebo roztoku polymeru, který je v tomto prostoru elektrostaticky zvlákňován.

Podle nároku 8 je zvlákňovací elektroda tvořena otáčejícím se válcovým tělesem, které částí svého obvodu zasahuje do roztoku nebo taveniny polymeru, který je obvodem válcového tělesa vynášen do elektrostatického pole mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou a v tomto prostoru je zvlákňován, přičemž vytvářená nanovlákna jsou unášena ke sběrné elektrodě a ve výše popsaném vzduchovém proudu jsou průběžně zachycována na koncovou část lineárního nanovlákenného útvaru.

Pro dosažení dostatečné intenzity elektrického pole mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou je výhodné, když se rotující válcové těleso směrem ke svému obvodu zužuje.

V některých případech je výhodné, je-li rotující válcové těleso tvořeno prstencem nebo kotoučem, přičemž ve všech provedeních může být rotující válcové těleso opatřeno na obvodu výstupky nebo hroty.

Ke stabilitě zvlákňovacího procesu i zachycování vyrobených nanovláken přispívá, jeli ve směru proudění vzduchového proudu za prostorem mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou uspořádána přepážka zasahující do vzduchového proudu.

φ • * * φ · · ·

Přehled obrázků na výkrese

Příkladné provedení zařízení podle vynálezu je schematicky znázorněno na přiložených výkresech, kde značí obr. 1 boční pohled na variantu zařízení se zvlákňovací elektrodou tvořenou zvlákňovací tryskou, obr. 2 pohled na zařízení podle obr. 1 shora bez znázornění zvlákňovací elektrody, obr. 3 boční pohled na variantu zařízení se zvlákňovací elektrodou tvořenou otočným válcovým tělesem a obr. 4 boční pohled na variantu zařízení se dvěma zvlákňovacími tryskami.

Příklady provedeni vynálezu

Příkladné provedení zařízení k výrobě lineárního nanovlákenného útvaru znázorněné na obr. 1 obsahuje zvlákňovací elektrodu 1., která je u znázorněného provedení tvořena zvlákňovací tryskou 11 připojenou k jednomu pólu zdroje vysokého napětí, například kladnému. Přivedení vysokého napětí na zvlákňovací trysku může být provedeno buď připojením tělesa zvlákňovací trysky k příslušnému pólu vysokého napětí nebo přivedením vysokého napětí do roztoku nebo taveniny polymeru některým ze známých způsobů. Proti zvlákňovací elektrodě 1^ je situována sběrná elektroda 2, která je připojena k opačnému pólu zdroje vysokého napětí než zvlákňovací elektroda 1 nebo je, jako je tomu u znázorněného příkladu provedení, uzemněna. Tím vzniká mezi zvlákňovací elektrodou 1. a sběrnou elektrodou 2 elektrostatické pole o vysoké intenzitě. Sběrná elektroda 2 je u znázorněného provedení uspořádána dole a zvlákňovací elektroda 1_ je uspořádána v prostoru nad sběrnou elektrodou 2.

Zvlákňovací tryska 11 je přívodem zvlákňovaného materiálu propojena s neznázorněným zásobníkem taveniny polymeru nebo roztoku polymeru.

Zařízení k výrobě lineárního vlákenného útvaru je dále opatřeno alespoň jednou vzduchovou tryskou 4, která je spřažena s neznázorněným zdrojem tlakového vzduchu a jejíž ústí 41 směruje do prostoru mezi zvlákňovací elektrodou 1. a sběrnou elektrodou 2. Vzduchová tryska 4 slouží k vytváření vzduchového proudu v prostoru mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 2. Ve znázorněném příkladu provedení je ústí 41 vzduchové trysky ploché, takže z něho vychází plochý vzduchový proud 411.

V neznázorněném provedení je použito více vzduchových trysek, například tři nebo pět, přičemž tyto vzduchové trysky jsou uspořádány vedle sebe a slouží k vytváření složeného plochého vzduchového proudu 411 o potřebné šířce. Další neznázorněné provedení obsahuje jednu běžnou vzduchovou trysku. U všech provedení vzduchové trysky 4. je výhodné, je-li tryska upravena k vytváření laminárního proudění vystupujícího vzduchu nebo proudění, které se laminárnímu co nevíce blíží.

Ve znázorněném příkladu provedení zařízení podle vynálezu je proti ústí 41 vzduchové trysky za prostorem mezi zvlákňovací elektrodou 1. a sběrnou elektrodou 2 uspořádána stabilizační přepážka 5. U jiných provedení však stabilizační přepážka nemusí být použita.

Zvlákňovací tryskou 11 se do elektrostatického pole o vysoké intenzitě přivádí zvlákňovaná tavenina nebo roztok polymeru, z něhož se na známým způsobem vytvářejí nanovlákna 61., která jsou působením elektrostatického pole unášena prostorem mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 2 ke sběrné elektrodě 2. Do prostoru mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 2 se přivádí vzduchový proud vytvářený vzduchovou tryskou 4. Do vzduchového proudu 411 zasahuje volný konec lineárního nanovlákenného útvaru 6, na který se nanovlákna 61 zachycují a při odtahování lineárního nanovlákenného útvaru 6 ve směru alespoň částečně proti směru proudění vzduchového proudu 411 se na jeho koncové části zachycují a vytvářejí tak nový lineární nanovlákenný útvare.

Ve znázorněném provedení je vzduchový proud 411 a v něm se nacházející volný konec lineárního nanovlákenného útvaru 6 stabilizován stabilizační přepážkou 5 Užití stabilizační přepážky 5 však není pro zařízení podle vynálezu nezbytné.

Zařízení k výrobě lineárního nanovlákenného útvaru 6 je dále opatřeno odtahovým ústrojím 7 a navíjecím ústrojím 8 lineárního nanovlákeného útvaru 6, který vzniká shromažďováním nanovláken 61 ve vzduchovém proudu 411 v prostoru mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 2 a jejich v « «· · · · ····· · · « » · · · · · ··*«* ·· · · ·· * vzájemným splétáním/spojováním do průběžně odtahovaného lineárního nanovlákenného útvaru 6. V navíjecím ústrojí 8 je lineární vlákenný útvar 6 mimo prostor mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 2 navíjen na cívku 81. Odtahové ústrojí 7. a navíjecí ústrojí 8 je vytvořeno některým ze známých způsobů a umístěno na vhodném místě zařízení mimo vzduchový proud 411, přičemž lineární nanovlákenný útvar 6 je ze vzduchového proudu 411 odtahován alespoň částečně proti směru proudění vzduchového proudu 411. Lineární nanovlákenný útvar 6 může být při odtahování a navíjení na vhodných místech stabilizován vedením, tvořeným vhodným vodičem.

V provedení podle obr. 4 obsahuje zařízení k výrobě lineárního nanovlákenného útvaru 6 elektrostatickým zvlákňováním dvě zvlákňovací elektrody 1. tvořené zvlákňovacími tryskami 1_1.

V provedení podle obr. 3 je zvlákňovací elektroda 1 tvořena rotujícím plochým válcovým tělesem 12 které zasahuje částí svého obvodu do roztoku nebo taveniny polymeru umístěného v zásobníku a svým obvodem vynáší roztok nebo taveninu polymeru do elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou 1. a sběrnou elektrodou 2. Zvlákňovací elektroda 1 je u tohoto provedení umístěna v dolní části zařízení pod vzduchovým proudem 411 a sběrná elektroda 2 je umístěna v horní části zařízení nad vzduchovým proudem 411. Ostatní části zařízení jsou uspořádány stejně jako u výše popisovaných provedení podle obr. 1, 2 a 4. Také funkce zařízení je stejná. Rotující ploché válcové těleso tvořící zvlákňovací elektrodu 1_ podle tohoto provedení může být tvořeno prstencem, kotoučem a může být na obvodu opatřeno hroty nebo výstupky. Při tom je pro některé zvlákňované materiály výhodné, když se rotující ploché válcové těleso směrem ke svému obvodu zužuje.

Claims (13)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby lineárního nanovlákenného útvaru (6) elektrostatickým zvlákňováním taveniny nebo roztoku polymeru v elektrostatickém poli o vysoké intenzitě vytvořeném mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (2), vyznačující se tím, že do elektrostatického pole o vysoké intenzitě se alespoň jednou zvlákňovací elektrodou přivádí zvlákňovaná tavenina nebo roztok polymeru, z něhož se elektrostatickým zvlákňováním vytvářejí nanovlákna (61), která jsou působením elektrostatického pole unášena ke sběrné elektrodě (2) prostorem mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (2), do něhož se přivádí alespoň jeden vzduchový proud (411), do kterého zasahuje volný konec lineárního nanovlákenného útvaru (6), který se z prostoru mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (2) alespoň částečně proti směru proudění vzduchového proudu (411) odtahuje a mimo vzduchový proud (411) a mimo prostor mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (2) se navíjí na cívku (81), přičemž ve vzduchovém proudu (411) se nanovlákna (61) na koncové části lineárního nanovlákenného útvaru (6) zachycují a při odtahování lineárního nanovlákenného útvaru (6) vytvářejí nový lineární nanovlákenný útvar (6).
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vzduchový proud (411) je plochý.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vzduchovým proudem (411) je laminární vzduchový proud.
4. 4. Zařízení k výrobě lineárního nanovlákenného útvaru elektrostatickým zvlákňováním taveniny nebo roztoku polymeru v elektrostatickém poli o vysoké intenzitě, vytvořeném v prostoru mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou připojenou k jednomu pólu zdroje vysokého napětí a sběrnou elektrodou připojenou k opačnému pólu zdroje vysokého napětí nebo uzemněnou, vyznačující se tím, že do prostoru mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (2) je nasměrováno ústí (41) alespoň jedné vzduchové • · · · ♦ · · ··««· · · · · · 9 9 trysky (4) spražené se zdrojem tlakového vzduchu k vytváření alespoň jednoho vzduchového proudu (411) v prostoru mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (2), přičemž ve vzduchovém proudu (411) se nachází volný konec lineárního nanovlákeného útvaru (6) a mimo prostor mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (2) je uspořádáno odtahové ústrojí (7) sloužící k odtahování lineárního nanovlákenného útvaru (6) alespoň částečně proti směru proudění vzduchového proudu (411).
5. 5. Zařízeni podle nároku 4, vyznačující se tím, že obsahuje jednu plochou vzduchovou trysku.
6. 6. Zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že odtahovému ústrojí (7) lineárního nanovlákenného útvaru (6) je přiřazeno navíjecí ústrojí (8) lineárního nanovlákenného útvaru (6).
7. 7. Zařízení podle libovolného z nároků 4 až 6, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda je tvořena zvlákňovací tryskou (11).
8. 8. Zařízení podle libovolného z nároků 4 až 6, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda je tvořena rotujícím válcovým tělesem (12) zasahujícím částí svého obvodu do roztoku nebo taveniny polymeru.
9. 9. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že rotující válcové těleso (12) se směrem ke svému obvodu zužuje.
10. 10. Zařízení podle nároku 8 nebo 9, vyznačující se tím, že rotující válcové těleso je tvořeno prstencem.
11. 11. Zařízení podle nároku 8 nebo 9, vyznačující se tím, že rotující válcové těleso je tvořeno kotoučem.
12. 12. Zařízení podle některého z nároků 8 až 11, vyznačující se tím, že rotující válcové těleso je na obvodu opatřeno výstupky nebo hroty.
13. 13. Zařízeni podle libovolného z nároků 4 až 12, vyznačující se tím, že ve směru proudění vzduchového proudu (411) za prostorem mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou (1) a sběrnou elektrodou (2) je uspořádána přepážka (5) zasahující do vzduchového proudu (411).