CZ303024B6

CZ303024B6 - Zpusob výroby nanovláken elektrostatickým zvláknováním polymerního roztoku a zarízení k provádení zpusobu

Info

Publication number: CZ303024B6
Application number: CZ20100164A
Authority: CZ
Inventors: Šafár@Václav
Original assignee: Šafár@Václav
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2012-02-29
Also published as: CZ2010164A3

Abstract

Zpusob výroby nanovláken (6) se provádí zvláknováním polymerního roztoku (3) elektrostatickými silami pri rozdílu potenciálu, napríklad 50 kV až 80 kV, mezi zvláknovací elektrodou (1, 100) pokrytou vrstvou (10) polymerního roztoku (3) a sbernou elektrodou (8, 80, 800), která je od ní v emisní vzdálenosti a má odlišný potenciál. Emisní vzdálenost je závislá na velikosti elektrického potenciálu, na druhu polymeru, jeho hustote, teplote a dalších provozních podmínkách. Polymerní roztok (3) se prívodem (2) privádí na horní cást plošné zvláknovací elektrody (1, 100), po které stéká a vytvárí na ní zvláknovací vrstvu (4). Ta se ke zvýšení její rovnomernosti upravuje napríklad pohybem válecku (5). Ze zvláknovací vrstvy (4) jsou nanovlákna (6) elektrickými silami tažena ke sberné elektrode (8, 80, 800), kde se ukládají do vrstvy (10) na prodyšné sberné ploše (7, 70, 700) transportního pásu (12), kde se suší a následne se odvádejí. Elektrody (1, 8, 80, 100, 800) mohou být rovinné, zakrivené nebo válcové plochy a nanovlákna (6) se mohou odvádet ve smeru horizontálním i vertikálním.

Description

(57) Anotace:

Způsob výroby nanovláken (6) se provádí zvlákňováním polymemího roztoku (3) elektrostatickými silami při rozdílu potenciálů, například 50 kV až 80 kV, mezi zvlákňovací elektrodou (I, 100) pokrytou vrstvou (10)polymemího roztoku (3) a sběrnou elektrodou (8,80, 800), která je od ní v emisní vzdálenosti a má odlišný potenciál. Emisní vzdálenost je závislá na velikosti elektrického potenciálu, na druhu polymeru, jeho hustotě, teplotě a dalších provozních podmínkách Polymemí roztok.(3) se přívodem (2) přivádí na horní část plošné zvlákňovací elektrody (1, 100), po které stéká a vytváří na ní zvlákňovací vrstvu (4). Ta se ke zvýšení její rovnoměrnosti upravuje například pohybem válečku (5). Ze zvlákňovací vrstvy (4) jsou nanovlákna (6) elektrickými silami tažena ke sběrné elektrodě (8, 80, 800), kde se ukládají do vrstvy (10) na prodyšné sběrné ploše (7, 70, 700) transportního pásu (12), kde se suší a následně se odvádějí. Elektrody (1, 8, 80, 100, 800) mohou být rovinné, zakřivené nebo válcové plochy a nanovlákna(ó) se mohou odvádět ve směru horizontálním i vertikálním.

Způsob výroby nanovláken elektrostatickým zvlákůováním polymemího roztoku a zařízení k provádění způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby nanovláken s průměrem v rozmezí 10 až 1000 nanometrů elektrostatickým zvlákňováním v elektrostatickém poli vytvořeném rozdílem potenciálů mezi nabitou zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou. Nanovlákna vznikají ve zvlákňovací vrstvě polymemího roztoku na zvlákňovací elektrodě a jsou tažena elektrickými silami ke sběrné elektrodě, kde se ukládají do vrstvy.

Dále se vynález týká zařízení k provádění tohoto způsobu, které obsahuje nabitou zvlákňovací elektrodu a sběrnou elektrodu s rozdílným potenciálem uspořádané ve vertikální poloze ve formě plochy, k níž se přivádí polymemí roztok ze zásobní nádoby na spádovou plochu zvlákňovací elektrody a proti ní v emisní vzdálenosti je sběrná elektroda k níž jsou nanovlákna elektrickými silami tažena. Emisní vzdálenost elektrod závisí na provozních podmínkách, zejména velikosti potenciálu a vlastností polymemího roztoku.

Dosavadní stav techniky

Nanovlákna představují nový typ materiálů, které díky extrémně malým rozměrům mají překvapivé vlastnosti. Vlákna se užívají k četným způsobům filtrace kapalin i plynů. Polymemí nanovlákna svými submikronovými rozměry umožňují dosahovat velmi vysokých filtračních účinků. Používají se v lékařství, kde umožňují zachytit viry a bakterie a uplatňují se i pro dopravu léčiv k těžko přístupným tkáním, nebo jako implantáty. Četnost použití nanovláken se v posledních letech rychleji rozšiřuje v souvislosti s vývojem této oblasti techniky. Nanovlákna se vyrábějí z Četných druhů polymerů s různou viskozitou i chemickým složením.

klad popsány v patentech US 6 382 526 a US 6 520 425, kde se polymemí roztoky dávkují do zvlákňovací trysky ve tvaru mezikruží. Touto technikou se dosahují hrubší průměry nanovláken v rozmezí 200 až 3000 nanometrů s dosti vysokým výkonem.

Další postupy jsou popsány v patentových přihláškách WO 0 127 365, WO 0 250 346, US 2002/0 175 449 a US 2002/084 178 Al, kde technické řešení spočívá v přivádění roztoku polymeru do válcových zvlákňovacích trysek s vnitřním průměrem 0,5 až 1,5 mm. Vytékající roztok je elektrostatickou silou přitahován k protielektrodě a touto silou je dále protahován do jemných fibril, které jsou následně dále štěpeny k dosažení vyšší jemnosti. Používá se jedné, nebo skupiny trysek k dosažení vyššího výkonu.

Nevýhodou uvedených způsobů a zařízení je závislost dosažitelného průměru vytvářených nanovláken na vzájemném poměru hmoty vzduchu a protékajícího polymeru zvlákňovací tryskou. U jejího ústí se musí vytvořit takzvaný Taylorův kužel, což je podmínkou pro vznik nanovláken, přičemž významnou roli hraje intenzita elektrického pole, která je však omezena elektrickou pevností či vodivostí vzduchu, která je závislá na jeho vlhkosti a ta se snadno mění v prostředí tryskajícího polymeru. Tato technická omezení ovlivňují dosažitelnou produkci a jemnost nanovláken.

Dalším principem pro vytváření nanovláken a pro jejich průmyslovou produkci je řešení podle vynálezu CZ294 274B6, jehož podstata spočívá v tom, že se polymemí roztok do elektrického pole pro zvlákňování přivádí povrchem válcové otáčející se nabité elektrody, která je jen zčásti ponořena do polymemího roztoku. Při jejím otáčení se na Části obvodu přivráceném k protielektrodě vytváří zvlákňovací plocha, na níž je polymer schopen za příznivých okolností vytvářet nanovlákna. Množství vznikajících nanovláken je závislé na velikosti zvlákňovací plochy a taje úměrná velikosti a tvaru nabité elektrody a protielektrody. Unášení nanovláken od nabité elektrody k proti elektrodě je způsobeno elektrickým polem aje podporováno prouděním vzduchu, který nanovlákna unáší a suší. Podstatou tohoto zařízení je válcová horizontální otočně uložená nabitá elektroda, která částí svého obvodu zasahuje do polymerního roztoku a proti volné části obvodu je umístěna protielektroda, před níž je prostředek pro ukládání nanovláken.

Přehled obrázků na výkresech

Příklady provedení zařízení podle vynálezu jsou schematicky znázorněny na přiložených výkresech, kde je:

na obr. 1 je zobrazeno zařízení k výrobě nanovláken, u něhož je polymemí roztok nanesen na svislou zvlákňovací rovinnou elektrodu a proti ní je rovnoběžná sběrná elektroda, k níž je uspořádána sběrná plocha ve formě pásu s horizontálním vedením.

Na obr. 2 je znázorněno uspořádání rovinných vertikálních ploch zvlákňovací a sběrné elektrody a sběrná plocha ve formě pásu s vedením vertikálním.

Na obr. 3 je zobrazena zvlákňovací elektroda ve tvaru rádiusového oblouku v jejíž těsné blízkosti je výtok polymemího roztoku na rameni s vratným pohybem a v emisní vzdálenosti je válcová horizontální sběrná elektroda.

Na obr. 4 je zobrazena zvlákňovací plocha ve tvaru oblouku, k jehož homí hraně je upraven přívod polymemího roztoku, který gravitací stéká a v emisní vzdálenosti je válcová otočná horizontální sběrná elektroda, která je prodyšná a vzduch je z ní odsáván.

Podstata vynálezu

Polymemí roztok se přivádí na zvlákňovací elektrodu z přidružené zásobní nádoby samospádem trubičkou s regulací průtoku, jak je například známé z medicínské praxe. Výtok na plochu zvlákňovací elektrody je upraven tak, aby se pokryla rovnoměrně celá její plocha. Přebytek polymeru se v dolní části jímá a použije k cirkulaci po kontrole a úpravě viskozity. Je možné provádět roztírání ke zrovnoměrnění polymemí vrstvy mechanickým pohybem podél zvlákňovací plochy například s valivým členem. Rovněž je proveditelné k zvýšení rovnoměrnosti vrstvy polymeru provést regulaci jeho výtoku s využitím měřicích čidel a pneumatické regulace.

Z polymemí vrstvy se elektrickými silami emitují nanovlákna, která pak elektrické síly táhnou ke sběrné elektrodě, kde se buď ukládají do vrstvy na sběrné elektrodě nebo na vodivé a prodyšné sběrné ploše těsně před sběrnou elektrodou, nebo se mohou příčným vzdušným proudem odklonit a uložit jiným způsobem. K úspěšnému procesuje potřebné sladit technické podmínky, zejména použité napětí, například 50 až 80 kV, viskozitu a elektrickou vodivost roztoku, druh polymeru, vlhkost vzduchu, velikost a tvar zvlákňovací plochy, způsob a výkon sušení nanovláken. Provedení technických podmínek je příkladně schematicky znázorněno na výkresech a popsáno v následujícím textu.

Emisní vzdáleností se zde rozumí vzdálenost mezi zvlákňovací a sběrnou elektrodou za optimálních zvolených podmínek výše uvedených.

Zobrazená zařízení na obr. 1 až 4 se od sebe odlišují způsobem odvádění nanovláken. Na obr. 1 je odvádění prováděno vertikálním pásem v horizontálním směru. Na obr. 2 je odvádění provedeno vertikálním pásem ve vertikálním směru. Na obr. 3 se nanovlákna odvádějí sběrnou elektrodou a z ní se pneumaticky odsávají a odvádějí. Na obr. 4 se nanovlákna odvádějí sběrnou ploCZ 303024 B6 chou ve formě transportního pásu. U zařízení podle obr. 4 je proveditelné i opakované vytváření silné vrstvy nanovláken při libovolném počtu cyklů, neboje možné nanášet nanovlákna na sběrnou plochu na pás, který se navíjí na návin obdobně jako u zařízení podle obr. 1 a obr. 2.

U všech typů zařízení je užívána prodyšná sběrná elektroda i sběrná plocha a k nim je přisazen prostor, který je napojen na zdroj podtlaku pro sušicí vzduch. K docílení jeho vyššího sušicího výkonu se připojuje tepelný zdroj.

Příklady provedení vynálezu

Zařízení k výrobě nanovláken z polymemího roztoku zvlákňováním v elektrickém poli při rozdílu potenciálů mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou znázorněné na obr. 1 má zásobní nádobu 33 s polymemím roztokem 3, která je spojena trubičkou s trubkou 2 opatřenou v celé pracovní délce soustavou výtoků orientovaných ke spádové ploše 40 zvlákňovací elektrody 1. Ke spádové ploše 40 je přisazen váleček 5, který je závěsem 51 napojen na neznázoměný zdroj pohonu k pohybu válečku 5 po spádové ploše 40 zvlákňovací elektrody 1 s cílem zrovnoměmění zvlákňovací vrstvy 4 polymemího roztoku 3. Zvlákňovací elektroda i je napojena na zdroj 30 vysokého napětí například pro 50 až 80 kV. Ze zvlákňovací vrstvy 4 jsou nanovlákna emitována k uzemněné 31 sběrné elektrodě 8 a ukládají se na sběrnou plochu 7, kde vytvářejí vrstvu 10. Sběrná plocha 7 ve tvaru pásuje opásána kolem vodicích válečků 20, 21 a je tažena směrem H pásem 27 opásající řemenici 26 na hřídeli 25. Ke sběrné elektrodě 8 je přisazena odsávací skříň 16, která je potrubím 17 napojena na neznázoměný zdroj podtlaku. Emitovaná nanovlákna 6 na sběrné ploše 7 pásu J_2 na něm vytvářejí vrstvu 10, která se spolu s pásem 12 odvádí směrem H.

Na obr. 2 je polymemí roztok 3 přiváděn do trubky 2 z níž se vylévá soustavou výtoků uspořádaných v celé pracovní šíři na zvlákňovací elektrodu I napojenou na zdroj 30 vysokého napětí, kde se vytváří zvlákňovací vrstva 4 z níž se emitují nanovlákna ó a iase elektiivkými silami unášejí k uzemněné 34 sběrné elektrodě 8 před níž je sběrná plocha 70, na kterou se nanovlákna 6 ukládají do vrstvy JO. Sběrná plocha 70 je tvořena pásem 12, který je veden vodícími válečky 20, 2J a je tažen neznázoměným pohonem a navíjen na obvyklý návin. Nespotřebovaný polymer 3 při emisi nanovláken 6 na spádové ploše 40 je usměrněn do žlábku 28 z něhož se odvádí zpět do zásobní nádoby 33 nebo k úpravě viskozity. Pás 12 je v emisní zóně veden vertikálně směrem V. Sběrná plocha 70 a sběrná elektroda 8 i stěna JJ odsávací skříně 16 jsou prodyšné a vzduch se odsává potrubím 17.

Na obr. 3 je zvlákňovací elektroda 100 ve tvaru rádiusového oblouku a k ní v těsné blízkosti je výtok 32 polymemího roztoku 3, který se po ploše zvlákňovací elektrody 100 roztírá stěrkou 29 vratným pohybem otočného ramena 27. Polymemí roztok 3 je v uzavřené zásobní nádobě 33 a prostor 34 nad ním je trubkou 35 spojen s regulačním ventilem 26, jehož funkce je spojena s neznázoměným čidlem snímajícím stav vrstvy 4 polymemího roztoku 3. Nespotřebovaný zbytek polymeru 3 se sdružuje ve žlábku 28 a odvádí se k úpravě viskozity. Proti zvlákňovací elektrodě 100 je v emisní vzdálenosti sběrná elektroda 80, na níž se nanovlákna 6 ukládají do vrstvy 10, která se nasává ústím 8J. do trubky 82, kterou se nanovlákna 6 odvádějí do neznázoměného sběrného prostoru nebo ke zpracování nebo se vrstva JO navíjí na přepravní návin společně se sběrným pásem 12. Do emisní zóny směřuje přívod 39 sušicího vzduchu, který se nasává prodyšným povrchem sběrné elektrody 80 a odvádí se potrubím 17, který je vývodem potrubí J_8 spojeno s odsávacím zařízením.

Na obr. 4 je zvlákňovací elektroda 100 ve tvaru oblouku. K její homí části je upraven přívod polymemího roztoku 3 do trubky 2. Z ní se polymemí roztok 3 usměrňuje štěrbinou, nebo hustě rozmístěnými malými otvory k vytváření zvlákňovací vrstvy 4, která je upravena do rovnoměrné vrstvy válečkem 5, který se neznázoměným mechanismem přemisťuje po zvlákňovací vrstvě 4 nahoru a dolů. Ze zvlákňovací vrstvy 4 se emitují nanovlákna 6, která jsou elektrickými silami

-3CZ 303024 B6 tažena k válcové sběrné elektrodě 800, která je opásána pásem 12, k vytváření sběrné plochy 700, na níž se nanovlákna 6 ukládají ve vrstvě 10 a s ní se odvádějí. Sběrná elektroda 800 i sběrná plocha 700 jsou prodyšné a vzduch se odsává z vnitřního válcového prostoru potrubím 17, který je spojen vývodem potrubí L8 s odsávacím zařízením.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním polymemího roztoku (3) při rozdílu potenciálů mezi zvlákňovací elektrodou (1, 100) a sběrnou elektrodou (8, 80, 800), přičemž zvláknovací elektroda (1, 100) je napojena na zdroj (30) vysokého napětí a její povrch pokrývá zvlákňovací vrstva (4) polymemího roztoku (3) a proti zvlákňovací elektrodě (1, 100) je v emisní vzdálenosti sběrná elektroda (8, 80, 800) $ odlišným potenciálem, vyznačující se tím, že se polymemí roztok (3) přivádí ze zásobní nádoby (33) na spádovou plochu (40) zvlákňovací elektrody (1, 100), kde se upravuje na přivrácené straně ke sběrné elektrodě (8, 80, 800) do zvlákňovací vrstvy (4), ze které jsou elektrickými silami emitována nanovlákna (6), která se dále unášejí ke sběrné elektrodě (8, 80, 800), na kterou se ukládají nebo se ukládají na představenou sběrnou plochu (7, 70, 700) do vrstvy (10), ve které se nanovlákna (6) suší a sběrnou elektrodou (8, 80, 800) nebo sběrným pásem (12) se vrstva (10) nanovláken (6) odvádí k uskladnění nebo ke zpracování a/nebo se vrstva (10) navíjí na přepravní návin společně se sběrným pásem (12).

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se nanovlákna (6) vytvářejí na vertikální nebo šikmé zvlákňovací elektrodě (1) a zvlákňovacími silami se unášejí ze zvlákňovací vrstvy (4) k rovnoběžné sběrné elektrodě (8), kde se ukládají do vrstvy (10) na pásu (12) taženém po sběrné ploše (70), kterým se odvádějí ve vertikálním směru (V) nebo v šikmém směru, rovnoběžným se zvlákňovací elektrodou (1).

3. Způsob podle nároků la2, vyznačující se tím, že se tloušťka zvlákňovací vrstvy (4) na zvlákňovací elektrodě (1, 100) upravuje regulací výtoku (32) polymemího roztoku (3) ze zásobní nádoby (33).

4. Způsob podle nároků laž3, vyznačující se tím, že tloušťka zvlákňovací vrstvy (4) na zvlákňovací vrstvě (10) se vyrovnává válečkem (5) přisazeným s mezerou ke zvlákňovací elektrodě (100) nebo přisazeným s obvodovými drážkami na válečku (5).

5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se polymemí roztok (3) přivádí ze zásobní nádoby (33) přívodem do výtoku (32), který se vratně ve směru (50) přemisťuje podél obloukové spádové plochy (40) zvlákňovací elektrody (100) a vypouštěním polymemího roztoku (3) z výtoku (32) se vytváří zvlákňovací vrstva (4), ze které jsou elektrickými silami emitována nanovlákna (6).

6. Způsob podle nároku 1 a kteréhokoliv z nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že se vytvářená vrstva (10) nanovláken (6) suší prouděním vzduchu podél obvodu sběrné elektrody (8, 80, 800) i prouděním jejím prodyšným povrchem do jejího vnitřního prostoru, z něhož se vzduch odsává potrubím (17, 18).

7. Zařízení k provádění způsobu výroby nanovláken (6) podle nároků 1 až 6 obsahuje nabitou zvlákňovací elektrodu (1, 100) a sběrnou elektrodu (8, 80, 800) s odlišným potenciálem, mezi nimiž vzniká elektrické pole a na zvlákňovací elektrodě (1, 100) je zvlákňovací vrstva (4) polymemího roztoku (3), vyznačující se tím, že ke zvlákňovací elektrodě (1, 100) je upravena trubka (2) nebo výtok (32) pro přívod polymemího roztoku (3) ze zásobní nádoby (33) na spádovou plochu (40) k níž je s mezerou přisazen váleček (5) nebo upravena stěrka (29) pro

-4CZ 303024 Β6 rozetření polymemího roztoku (3) ke zrovnoměmění zvlákňovací vrstvy (4), proti které je v emisní vzdálenosti umístěna sběrná elektroda (8, 80, 800) nebo ke sběrné elektrodě (8, 80, 800) přidružená sběrná plocha (7, 70, 700).

8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že ke sběrné elektrodě (8, 80, 800) je v těsné blízkosti přidružená sběrná plocha (7, 70, 700) pro nanovlákna (6) ve formě prodyšného transportního pásu (12).

9. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda (1) je vertikální plocha a sběrná elektroda (8) je s ní rovnoběžná, přičemž ke sběrné elektrodě (8) je přidružena rovnoběžná sběrná plocha (70) pro nanovlákna (6).

10. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že sběrná elektroda (80) je válcová s horizontální osou a k ní je v emisní vzdálenosti upravena zvlákňovací elektroda (100) s rádiusovým zakřivením, k níž je v těsné blízkosti umístěn výtok (32) polymemího roztoku (3), přičemž ke sběrné elektrodě (80) je přisazeno ústí (81) trubky (82) k odvádění nanovláken (6).

11. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že sběrná elektroda (800) je válcová s horizontální osou a je opásána sběrnou plochou (700) ve formě vodivého prodyšného transportního sběrného pásu (12), k němuž je v emisní vzdálenosti upravena zvlákňovací elektroda (100), ke které je trubkou (2) přiveden polymerní roztok (3), který je přitlačován do zvlákňovací vrstvy (4) válečkem (5) přisazeným ke zvlákňovací elektrodě (100).