CZ201874A3 - Elektroda pro hladinové elektrostatické zpracovávání polymerních materiálů - Google Patents

Abstract

Předkládané řešení se týká elektrody pro hladinové elektrostatické zpracování polymerních materiálů, která je tvořená zvlákňovací lištou a nanášecím elementem, kterým je přiváděný a roztíraný zvlákňovaný roztok tak, že působením elektromagnetického pole generovaného napěťovým zdrojem s potenciálovým rozdílem dochází k tvorbě vlákenných nebo částicových nanosystémů. Působením elektrostatických sil dochází k tvorbě materiálů vhodných pro použití zejména v oblastech kosmetiky, medicíny, biologie, elektrotechniky, potravinářství a chemie.

Description

Metody elektrostatického zvlákňování a sprej ování jsou známou metodikou přípravy materiálu s funkcí v oblasti medicíny a biotechnologie. Technické řešení je založeno na využití hladinového zvlákňování pomocí nové elektrody pro elektrostatické zvlákňování a sprej ování zvyšujícím produkční kapacitu a efektivitu stávajících řešení. Technické řešení se zabývá i popisem technologického využití předkládané elektrody.

Dosavadní stav techniky

V současné době je majorita nanovlákenných substrátů připravovaná pomocí jehlových zvlákňovacích systémů. Dochází při nich k tvorbě vláken z kapaliny nebo taveniny přivedené kapilárou (jehlou) a vystavené působení silného elektrického pole. Nevýhodami dosavadních řešení je zejména nízká produkční kapacita eliminující komerční uplatnitelnost produktů. Příkladem je řešení popsané v EP 1709218, EP 2045375, EP 2447396, JP 2008248422, US 67535454, US 7575707, US 8088324, US 2014353882.

Řešením je tvorba tzv. hladinových elektrod, kde dochází k tvorbě nanovláken samoorganizací z povrchu tenké polymemí vrstvy. Hladinové elektrody vykazují různorodost konstrukčních řešení z pohledu řešení homogenity elektrického pole, způsobu nánosu kapaliny, eliminace mrtvého objemu polymemích roztoků a odstraňování přebytečných roztoků.

Nejjednodušším řešením je aplikace tyčových elektrod, které umožňují zvlákňování z kapky polymemí kapaliny přivedení na tyčovitý element. Příkladem může být elektroda popsaná například v patentu CZ 304097. Toto řešení jsou vhodné zejména pro tvorbu malých množství polymemích částic nebo vláken. Důvodem je omezení plochy volné hladiny, které tudíž umožňuje samoorganizací jen omezeného počtu polymemích trysek a tím i omezenou produkci. Příkladem je i tvorba vláken z polymemího roztoku ve formě pěny. Při tvorbě bublin dochází na jejich povrchu k samoorganizací vlákenných trysek a tím i procesu zvlákňování. Řešení je popsáno například v EP 2142687.

Problém omezené efektivní zvlákňovací plochy tyčových elektrod je řešen elektrodami lineárními. Typicky, lineární elektrody jsou tvořené soustavou dvou lišt, mezi kterými proudí polymemí kapalina. Polymemí kapalina je do aktivní zvlákňovací zóny přiváděna štěrbinou (tzv. štěrbinové elektrody).

Štěrbinová elektroda se segmentací kanálů je popsána v patentu CN 2037754858. Štěrbinovou elektrodu s alternativním působením stlačeného vzduchu popisuje patent CZ 2012514, US 20151522572 a EP 2617879. Podobné řešení, s rozdílem v oddělení tlakových vzduchových štěrbinových difůzorů a štěrbinových zvlákňovacích elektrod do samostatných elementů, je popsáno vpatentu JP 5383937 a JP 2013124426. Řešení popsané vpatentu CZ 302876 je založené na tvorbě nanovláken z elektrody, která obsahuje jednu nebo několik štěrbin, které přivádějí materiál na zvodivěnou lištu, přes kterou kapalina přetéká. Při přepadu dochází k zahájení zvlákňování a tvorbě vláken. Obdobné řešení s kruhově uspořádanou přepadovou hranou je popsáno vpatentu CN 103572388. Řešení s přepadem skrz lištu s trojúhelníkovým průřezem je popsáno vpatentu JP 201548540. Podobné řešení s přepadem skrz elektrodu strojúhelníkovým průřezem je uvedeno i vpatentu US8968626, které umožňuje i současné zpracování několika kapalin. Patent US 9034240 rozvíjí technologii štěrbinových elektrod o další tvary od lineárních, přes konkávně anebo konvexně tvarované.

Řešení popsané vprihlášce EP2173930, WO 2012139533, CN 103603065 a CZ20110212 pojednává o způsobu výroby nanovláken pomocí nanášení polymemího roztoku na stranu.

- 1 CZ 2018 - 74 A3

Řešení popisuje elektrodu v podobě drátu stacionárního nebo s pohyblivou zvlákňovací zónou, na který je nanášený polymer.

Námi předkládané technické řešení se principielně liší od výše uvedených zařízení a to ve způsobu nanášení na lištu, která odstraňuje riziko přetrhnutí struny Dále polymemí roztok není nanášený na elektrodu ze všech stran jako v dokumentu CZ 20110212 a WO 20122139533, ale dochází kjeho nanášení jenom na vrchní stranu lišty Dochází tak k eliminaci okapávaní a dosažení homogennější vrstvy jako u daného řešení. Dále předkládané řešení se zabývá řešením okrajových jevů díky nelineárnímu tvaru elektrody. Na rozdíl od pasivního způsobu nanášení ve WO 2012139533 a CZ 20110212, kde je zvlákňovací struně nanesen jenom materiál adherující ke struně a množství je definováno velikostí průvlaku dávkovacího elementu, tj. rozdílem průsečíků příčné plochy struny a příčné plochy otvoru v nanášecím zařízení. Dochází tak k omezené možnosti regulace tloušťky vrstvy a množství naneseného polymeru. V našem řešení dochází k definovanému objemu nanesenému na povrch lišty To umožňuje zvýšení dávkovaného objemu i pro viskózní a slabě adherující kapaliny a vyšší kontrolu nad objemem nanesené kapaliny v čase. Zařízení umožňuje změnu množství naneseného materiálu bez nutnosti hardwarového zásahu do aparatury. Dále, předkládané technické řešení umožňuje stírání přebytečného polymeru a jeho uspořádání do definovaného tvaru na povrchu zvlákňovací lišty

Dokument CZ 2007485 popisuje zařízení k zvlákňování pomocí elektrod se strunou umístněnou rovnoběžně se směrem ukládání vláken na podkladovou textilii. Zvlákňování je dosaženo dopravením polymemího roztoku na strunu. Struny jsou umístněné ve stálé poloze vůči sběrné elektrodě. Posuvné nanášecí zařízení napomáhá distribuci kapaliny na struně, stírání kapaliny vystavené působení environmentálních podmínek a umožňuje optimalizaci zvlákňovacího procesu. Technické řešení popsané v předkládané přihlášce vynálezu navíc zvyšuje stabilitu elektrody díky použití pevné lišty, která se na rozdíl od struny pohybem nanášecího elementu nerozvibrovává ani neprohýbá.

DE 10136255 popisuje zařízení pro výrobu vláken pomocí elektrody tvořené soustavou rovnoběžných drátů uložených na dvojici nekonečných pásů kolem dvou vodících válců, přičemž v dolní části dochází k nanesení polymeru na dráty a po vynesení drátů do elektrického pole dochází k procesu zvlákňování. Popsané řešení v dokumentu DE 10136255 má nevýhodu v otevřené zásobní nádobě způsobující odpař rozpouštědel a změny polymemích roztoků.

Dokument US 7967588 popisuje zvlákňování z pásové elektrody, která se točí v nekonečném páse mezi nádobou na zvlákňovací roztok a aktivní zónou elektrostatického zvlákňování. Obdobné řešení je prezentováno v dokumentu US 8366986. Nevýhodou je rozdílná kvalita vláken na začátku a konci aktivní zóny z důvodu vyvláčení a odpaření rozpouštědel na elektrodě. Řešení popsané v této přihlášce překonává technologii díky stabilnějšímu zvlákňovacímu procesu a homogenní zvlákňovacím vlastnostem po celé délce aktivní zvlákňovací zóny elektrody.

Podobné nedostatky vykazují i dokumenty CZ 20032421, EP 1673493, CZ 2006545, US 20140302245, KR 1020110078016 a WO 2007111477, které pojednávají o hladinovém zvlákňování z válcové elektrody rotující v zásobníku polymemího roztoku. Nevýhodou řešení je nízká fokusace elektrického pole a nedostatky zásobníků polymerů. Jelikož se zvlákňovací válcová elektroda musí před vstupem do aktivní zvlákňovací zóny dostat do kontaktu s polymemím roztokem, dochází u těkavých roztoků k odpaření rozpouštědla ještě před vstupem do aktivní zvlákňovací zóny. Dále z konstrukčního pohledu dochází i k zvýšení mrtvého obejmu ve srovnání s předkládaným řešením, což snižuje užitnou hodnotu řešení. Obdobné řešení, s elektrodou, která obsahuje místo rotačních válců rotační prstence, resp. disky, popisuje dokument CN 102828259 a CN 103484953. Dokument CZ 305037 popisuje zvlákňovací elektrodu válcového tvaru vyrobenou z nevodivých materiálů. Dokument JP 2015132028 popisuje zvlákňování z dvou vzájemně se posouvajících válců, kde jeden válec je namáčen ve zvlákňovací kapalině a rotací nanáší kapalinu na druhý válec, která ji vynáší do zvlákňovací zóny Dokument US 8545207 popisuje elektrodu koulového nebo polygonního tvaru rotující

-2CZ 2018 - 74 A3 v polymemí kapalině.

Dokument CZ 2010648 se věnuje prostorové optimalizaci umístnění elektrod protáhlého tvaru. Zařízení se skládá z elektrod protáhlého tvaru s umístněným pod sebou, tak že každé z nich je z obou stran a ve stejné vzdálenosti přirazena sběrná elektroda. Dochází tak ke zvlákňováni mezi zvlákňovací elektrodou a alespoň dvěma jí přirazenými sběrnými elektrodami. Dochází tak ke zvýšení účinnosti procesu a současnému povlákňování obou elektrod. Technické řešení nárokované touto přihláškou umožňuje kombinaci s jedním kolektorem válcovitého, deskového, děrovaného deskového nebo strunového tvaru.

Podstata vynálezu

Podstatou předkládaného technického řešení je nová konstrukce elektrody pro elektrostatické zvlákňováni a sprejování zvyšujícím produkční kapacitu a efektivitu stávajících řešení.

Systém se skládá ze dvou základních částí, zvlákňovací lišty 2, na kterou je nanášen polymer a dochází z něho k procesu zvlákňováni nebo sprejování a nanášecího zařízení 1 pro přívod polymeru na zvlákňovací lištu.

Elektroda pracuje na principu jedné nebo několika zvodivěných lišt 2 na které je nanášen polymer, pomoci pohyblivého nanášecího mechanizmu. Lišta 2 je vyrobená z vodivých (zejména slitiny Fe, Ni, Zn, Sn, Cr, AI anebo Cu) nebo nevodivých materiálů (zejména sklo, plasty polyoxymetylen, polyethylen, polyetherketon). Lišta 2 poskytuje výhodu oproti stávajícím řešením mechanické zlepšení stability elektrody a minimalizaci opotřebení při dlouhodobém provozu. Lišta 2 je uspořádaná do radiálního tvaru tak, aby docházelo k minimalizaci okrajových efektů. V případě plného zakřivení zvlákňovací lišty 2 dochází k tvorbě kruhového nebo elipsoidního elementu (Obr. 2 A, B). Element může mít i neuzavřený zakřivený tvar v podobě jednoho nebo několika panelů (Obr. 2 C). Element může mít lineární neuzavřený tvar v podobě lineární lišty 2 bez zakřivení pro depozici lineárních vrstev vláken (Obr. 2 D). Díky optimálnímu rozložení elektrického pole na zvlákňovací liště 2 dochází k zvýšení homogenity produkce a zvýšení produkční kapacity.

Lišta 2 může mít v průřezu tvar skládající se z kombinace tvarů:

- Obdélník nebo čtverec (Obr. 3 A) definovaný jeho šířkou a v rozsahu 0,1 mm - 1000 mm. Výška tvaru může být 1 mm - 10 000 mm;

- Mnohoúhelník tvořený n vrcholy, kde n se rovná 2-50 a spojnice vrcholů vytváří plochy s průměrem 0,1-1000 mm (Obr. 3 B);

- Konkávní nebo konvexní radiální plocha s průměrem 0,1 mm - 10 000 mm (Obr. 3 C);

- Kombinace dílčích tvarů v podobě mnohoúhelníků, konkávních a dalších tvarů. (Obr. 3 D).

Polymer je na lišty 2 nanášen zeshora, zespodu nebo z boku pomocí mechanického členu propojeného se zásobníkem polymemího roztoku. Nanášení polymeru na povrch lišty 2 je zajištěný vzájemným posunem lišty a nanášecího elementu. Nanášecí element je tvořený zpolymemích materiálů (např. polyoxymetylen, polyethylen, polyetherketon), skla, keramiky nebo kovových materiálů (zejména slitiny Fe, Ni, Zn, Sn, Cr, AI anebo Cu). Nanášecí element je propojen se zdrojem polymeru a umožňuje zejména v konfiguraci s dávkovacím čerpadlem přesnou regulaci množství polymeru naneseného na elektrodu. Systém se vyznačuje tím, že umožňuje na metalickou lištu 2 nanášet přesnou vrstvu polymeru pomocí přímého dávkování a tím ovlivňovat tloušťku nanesené polymemí vrstvy. Dávkovacím zařízením může pracovat na principu toku kapaliny díky gravitaci nebo mechanickým silám (např. injekční, peristaltické,

-3 CZ 2018 - 74 A3 piezoelektrické, centrifúgační nebo tlakové). Díky vzájemnému periodickému pohybu po elektrodě umožňuje taky její čištění od zbývajícího polymeru a prodlužuje zvlákňovací časy ve srovnání s metodou nánosu bez pohyblivých částí (např. jehlová elektroda).

Elektroda je integrovaná do zařízení pro elektrostatické zvlákňování a sprej ování. Zvodivění elektrody je dosaženo propojením se zdrojem stejnosměrného nebo střídavého proudu schopného vytvořit napětí 0-250 kV. Nabitá elektroda, na kterou je nanesený polymemí roztok umožňuje atomizaci roztoku nebo taveniny do podoby částic nebo vláken. Pohyb mechanických částí je zajištěný pomocí odstíněného pohybového ústrojí typicky tvořeného motorem. Pohybové ústrojí pohání rotační mechanické části rychlostí 0-20,000 rpm a lineární části s frekvencí 0-100 Hz. Pohyblivou mechanickou částí je myšlena vzájemně se pohybující lišta 2 elektrody a/nebo nanášecí element.

Elektroda umožňuje zpracování polymemích (zejména lipidy, polyestery, polyuretany, polyalkoholy, deriváty polyvinylu, fluorované polymery, polyamidy, polyakryláty, biopolymery, lipidy), organických (zejména roztoky léčiv, vitaminů, kosmetických aditiv) nebo anorganických (zejména soli, oxidy, sulfidy, karbidy, fosforečnany, uhličitany nebo křemičitany) roztoků nebo tavenin. Elektroda je uzpůsobena pro zpracovávání směsí těchto roztoků nebo tavenin. Elektroda je uzpůsobena pro zpracovávání koloidních roztoků ve formě emulze (např. emulze typu voda/olej, olej/voda, voda/olej/voda, olej/voda/olej) a disperze (např. disperze nano a mikročástic). Metodika umožňuje převod složek z podoby roztoků do pevného nebo semifluidního skupenství. Elektroda je uzpůsobena pro enkapsulaci živých systémů jako jsou buňky, bakterie, kvasinky, trombocyty nebo jejich subčásti (organely, lyzáty, sekretované části).

Příklad uskutečnění vynálezu

Uzavřená kruhová nebo elipsoidní lišta 2. Provedení, ve kterém je elektroda tvořená uzavřenou kruhovou nebo elipsoidní lištou 2 (Obr. 4). Lišta 2 je uchycená v zařízení tak, aby umožňoval průtok vzduchu zařízením. Lišta 2 je spojena se zdrojem vysokého napětí a dochází k indukci vysokého napětí. Oproti liště je typicky umístněná sběrná elektroda nabitá opačným nábojem. Roztok je na elektrodu nanášený pomocí pohyblivého nanášecího elementu. Nanášecí element přivádí roztok z rezervoáru tvořeného například tlakovou pumpou. Při aplikaci roztoku dochází k toku materiálu od lištové elektrody ke sběrné elektrodě v důsledku působení elektrostatických sil. Soustava elektrod je umístněná v komoře s Faradayovou klecí. V podobném provedení obsahuje zařízení sérii paralelně nebo radiálně uspořádaných elektrod pro zvýšení produkce systému.

Průmyslová využitelnost

Připravené vlákna a částice si můžou najít rozsáhlé uplatnění v různých oblastech. Nej důležitější jsou medicínské aplikace, jako například mikro nebo nanonosiče pro řízené dodávaní léčiv, proteinů a nukleových kyselin. Další oblasti zahrnuje potravinářský a farmaceutický průmysl.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (8)

1. Elektroda a soustava elektrod (2 až 50 elektrod), vyznačující se tím, že je tvořená lištou (2) a nanášecím elementem (1).

2. Elektroda podle nároku 1, kde je lišta tvořená jedním nebo několika elementy kruhového, elipsoidního, neuzavřeného kruhového, neuzavřeného elipsoidního tvaru s průměrem 20 cm až 1000 cm.

-4CZ 2018 - 74 A3

3. Elektroda podle nároku 1, kde je lišta (2) tvořená lineárním elementem s délkou 10 cm až 1000 cm.

4. Lišta (2) podle nároků 1, 2 a 3, se sestává z kovového (zejména slitiny Fe, Mg, Cu, Cr,Al, Ni, Sn) anebo nekovového materiálu (sklo, PEEK, POM, PE, PP, keramika) s průřezem tvořeným obdélníkem, mnohoúhelníkem (n > 2, délka stran 0,lmm až 10 OOOmm), konkávním nebo konvexním elementem (průměr 0,lmm až 10 OOOmm) nebo jejich libovolnou kombinací.

5. Nanášecí zařízení (1) pro elektrodu podle nároku 1, doručující materiál pro atomizaci, tak že k nanášení dochází seshora, zespodu nebo z boční strany lišty (2). Nanášení probíhá vzájemným posunem lišty (2) a nanášecího elementu.

6. Zařízení podle nároku 5, pracující na principu statické lišty (2) a pohyblivého nanášecího zařízení 1 (0 rpm až 20 000 rpm).

7. Zařízení podle nároku 5, pracující na principu pohyblivé lišty (2) a statického nanášecího zařízení (1) (0 rpm až 20 000 rpm).

8. Zařízení využívající k funkci elektrody k výrobě vláken nebo částic s aplikací v oblasti medicíny, povrchové úpravy, chemické analýzy, kosmetiky a potravinářském průmyslu.