CZ20032844A3 - Mikroporézní vlákna s velkým povrchem získávaná z roztoků polymerů - Google Patents

Description

Předmět techniky

Tento vynález se týká mikroporézních vláken s velkým povrchem získávaných z roztoků polymerů, zvláště vláken s velkým povrchem pro použití pro filtraci, která máji na povrchu mikroskopické prohlubně, obsahující pevné a/nebo kapalné látky sloužící ke snížení obsahu určitých látek v kouři jejich selektivní filtrací.

Dosavadní stav techniky

Běžná vlákna z acetátu celulózy (CA) používaná v cigaretových filtrech jsou vyráběna zvlákňováním za sucha, při kterém se roztok CA v acetonu o koncentraci 20 až 25% vytlačuje zvlákňovacími tryskami a odpařováním acetonu se vzniklé vlákno ponechá pomalu smršťovat, takže po úplným odstraněním acetonu vznikne ve zvlákňovací koloně vlákno dlouhé 5 až 10 metrů. V závislosti na tvaru zvlákňovacích trysek, přes které jsou vlákna vytlačována, vznikají v této koloně vysušením proudem tlakového horkého vzduchu vlákna s příčnými řezy tvaru písmen R, T, Y nebo X, která zachovávají po celé délce tento tvar příčného řezu a jejichž povrch je vzhledem k použitému tepelnému režimu relativně nízký.

Seznam obrázků na výkrese

Nové vlastnosti a výhody tohoto vynálezu budou osobám obeznámeným s příslušným oborem zřejmé z následujícího podrobného popisu ve spojení s připojenými vyobrazeními, na kterých podobné symboly odpovídají podobným částem.

Obr. IA je mikroskopický snímek povrchu vlákna vyrobeného postupem podle příkladu 1;

Obr. 1B je mikroskopický snímek příčný řezu vlákna vyrobeného postupem podle příkladu 1;

Obr. 2 je mikroskopický snímek povrchu vlákna vyrobeného postupem podle příkladu 2;

Obr. 3 je mikroskopický snímek povrchu vlákna vyrobeného postupem podle příkladu 3;

Obr. 4 je mikroskopický snímek povrchu částečně vysušeného vlákna vyrobeného postupem podle příkladu 4;

Obr. 5 je mikroskopický snímek povrchu vlákna vyrobeného postupem podle příkladu 4 a vysušeného při teplotě přibližně 65 °C;

Obr. 6A je mikroskopický snímek povrchu vlákna vyrobeného postupem podle příkladu 4 a vysušeného při teplotě 45 až 55°C; a

Obr. 6B je mikroskopický snímek příčný řezu téhož vlákna jako na obr. 6A.

Obr. 7 jsou mikroskopické snímky povrchu vlákna a příčného řezu vlákna po úplném vysušení při 59 až 62°C ve vakuové sušárně .

• ·

Podstata vynálezu

Předmětem tohoto vynálezu je zvýšení povrchu určitých typů vláken získávaných z roztoků polymerů tvorbou mikroskopických prohlubní schopných zadržovat pevné a/nebo kapalné látky, schopné způsobovat snížení obsahu určitých složek v kouři tabákových výrobků jako jsou cigarety jejich selektivní filtrací .

Jiným předmětem tohoto vynálezu je způsob výroby vláken s velkým povrchem pro filtraci kouře tabákových výrobků jako jsou cigarety.

Ještě jiným předmětem tohoto vynálezu je způsob výroby vláken s velkým povrchem z roztoků polymerů, u kterých mikroskopické prohlubně na jejich povrchu jsou schopny zadržovat pevné a/nebo kapalné látky vhodné pro selektivní filtraci určitých složek kouře tabákových výrobků.

Při postupech podle tohoto vynálezu je roztok polymeru protlačován zvlákňovacími tryskami zařízení pro zvlákňování za sucha. V určitém stadiu sušení ve vzduchových zvlákňovacích kolonách se vznikající vlákno o určitém tvaru podrobí rychlému vypařování za sníženého tlaku, čímž se na povrchu vlákna vytvoří povlak vysušeného polymeru. Rozpouštědlo nebo nadouvadlo zbylé pod tímto povrchem rychle uniká mikropóry a vytváří bubliny, které praskají, čímž vznikají vlákna s velkým povrchem, s mikroskopickými prohlubněmi a s dutinami uvnitř těchto vláken. U vláken z acetátu celulózy má podstatný význam, aby odpařování probíhalo při teplotě pod 60°C, a tím aby byly mikropóry vytvořené na povrchu vláken zachovány.

Tento postup může být rozšířen na i na jiné polymerní materiály než acetát celulózy, jakož i na jiná rozpouštědla a nadouvadla než aceton. Vhodná jsou rovněž vlákna vytvářená ze směsi taveniny polymeru se vzduchem uzavřeným v pevném povrchu vlákna _vytyořeiíém ochlazením. Vypařování při nízké teplotě může být prováděno kontinuálně nebo šaržovým způsobem.

Příklady provedení vynálezu

Dále jsou uvedeny postupy podle tohoto vynálezu a příklady jeho provedení.

A. Příprava roztoku CA v acetonu

Do 100-ml tříhrdlé zábrusové varné baňky opatřené mechanickým míchadlem se za mírného míchání přidá 50 ml acetonu (Fisher Scientific, 99.6%) a 11,88 g vláken z CA. Baňka se uzavře a vlákna se přes noc rozpustí za vzniku homogenního bílého viskózního roztoku.

B. Výroba vlákna zvlákňováním za sucha

Asi 10 ml shora uvedeného roztoku bylo pomocí injekční stříkačky z plastu opatřené plastovou hadičkou pomalu převedeno do 10 ml válcovité vytlačovací nádobky. Vytlačovací nádobka byla potom vložena do 9 mm pístového extrudéru DAČA Model 40000 s tryskou s jedním kruhovým otvorem o průměru 0,75 mm a vytlačování bylo prováděno při teplotě místnosti a rychlosti posunu 20 mm/min. Vytlačené vlákno klesalo svislým směrem po dráze o délce 21 cm na hliníkovou misku a při tom se rozpouštědlo odpařovalo vzduchem přiváděným dvěma tryskami a odváděným odvětrávacím zařízením. Zbývající rozpouštědlo bylo dále rychle odpařeno buď za sníženého tlaku ve vakuové sušárně, nebo intenzivním proudem vzduchu v odvětrávacím zařízení.

Příklad 1

Příprava vláken sušením při 60°C za sníženého tlaku

Při postupu podle tohoto příkladu se vlákno připravené shora uvedeným postupem shromáždí na kovové misce a potom vloží do vakuové sušárny, ve které probíhá sušení při 60°C. Snížený tlak v této sušárně je vytvářen mechanickou vývěvou, která odsává plyny a páry přes vymrazovací prst chlazený suchým ledem. Zachycená rozpouštědla se z vlákna rychle odpařují a vytvářejí na povrchu vlákna mikropóry. Na obrázcích IA a 1B jsou mikroskopické snímky povrchu a příčného řezu vytvořeného vlákna po jeho sušení za sníženého tlaku při teplotě 60°C po dobu 20 minut. Je zřejmé, že takto vznikly póry o průměrech přibližně 1 pm. Tyto póry jsou tak malé, že mohou být zachyceny výhradně na snímcích s tisícinásobným zvětšením (1 dílek = 1 pm) a nikoli při čtyřsetnásobném zvětšení (1 dílek =2,5 pm). Bylo zjištěno, že tato porézní struktura je stálá při skladování po dobu delší než 3 měsíce.

Jak je zřejmé z obrázků IA a 1B, neudržely si vzorky vláken vyrobených postupem podle tohoto příkladu jejich kruhový příčný řez, protože byly vysoušeny ve vodorovné poloze. Jejich smršťováním, které probíhalo nerovnoměrně, se vytvořily ploché tvary, u průměry kterých příčného řezu jsou 25 až 150 pm. Smršťováním je však možno získat vlákna s kruhovými příčnými řezy, pokud se vlákna při tomto procesu nacházejí ve vertikální poloze a visí volně bez doteku s dalšími předměty. Účelem tohoto a následujících příkladů je výhradně ukázat princip modifikace porosity povrchu vláken z acetátu celulózy, nikoli omezení předmětu tohoto vynálezu. Výsledné porézní vlákno může mít jakýkoliv tvar příčného řezu.

4» · · · · »

• ·

Příklad 2

Příprava porézních vláken, při které je odpařování prováděno při nižší teplotě

Při postupech podle tohoto příkladu bylo vlákno získané shora uvedeným postupem dále vysoušeno zahřívání. Zbývající rozpouštědlo bylo odstraněno intenzivní evakuací ve vakuové sušárně bez zahřívání nebo ve výkonném odvětrávacím zařízení při teplotě místnosti po dobu 25 minut. Snímek typického povrchu vzniklých vzorků je uveden na obrázku 2. Větší póry s průměry až 3 pm jsou viditelné dokonce na snímcích se čtyřsetnásobným zvětšením. Je zřejmé, že teplota a tlak mají významný vliv na konečnou formu porosity povrchu vláken.

Příklad 3

Pokusy s pevným hydrogenuhličitanem amonným (AHC)

Hydrogenuhličitan amonný (NH4HCO3, Ammonium Hydrogen Carbonate - AHC) je znám jako nadouvadlo při výrobě porézních plastů. Při přibližně 60°C se rozkládá za vzniku C0₂, NH₃. a H₂0. V tomto příkladu byla použita pro přípravu velkých pórů ve vláknech pevná forma této látky. Příprava zvlákňovacího roztoku a zvlákňování byly provedeny stejným způsobem jako v příkladu 1. Pokus byl zahájen smícháním 2,0 g práškovítého AHC (Aldrich,

99%) se 40 ml roztoku acetátu celulózy v acetonu popsaného v příkladu 1. Mícháním přes noc byly všechny pevné částice vmíchány do roztoku. 10 ml této směsi bylo potom zvlákňováno pomocí pístového extrudéru DAČA. Při použití trysek o průměru 1,25 nebylo možno připravit souvislé vlákno. Byla-li použita tryska s kruhovým průřezem 0,5 mm při rychlosti 30,4 mm/min., získalo se kontinuální vlákno, které bylo v úsecích dlouhých • · ··· ·

130 cm manuálně navíjeno na cívku o průměru 80 mm. Na dně nádobky extrudéru však byl nalezen nános velkých pevných částic, které neprošly tryskou. Je možné, že v tomto případě tryskou prošlo a do vláken bylo zabudováno jen malé množství činidla. Jak je zřejmé z obrázku 3, byly na povrch vlákna po rozložení AHC a odstranění zbývajícího rozpouštědla za sníženého tlaku zahřátím na 60°C po dobu 25 minut, pozorovány póry s průměry do 2,5 pm. V důsledku přítomnosti malého množství nadouvadla byly póry vytvořené v tomto případě značně větší než póry vytvořené v příkladu 1. Aby bylo dosaženo ještě výraznějšího efektu, přidané nadouvadlo musí projít tryskou, aniž by přerušilo vlákno. Toho může být dosaženo použitím práškovitých nadouvadel o velikosti částic menší než 1 pm nebo nadouvadel v rozpuštěné formě, jak je uvedeno v následujícím příkladu.

Příklad 4

Pokusy s rozpuštěným hydrogenuhličitanem amonným (AHC)

A. Příprava roztoku NH4HCO3/H2O

2,0 g AHC bylo při teplotě místnosti pomalu přidáváno do kádinky obsahující 10,0 g destilované vody za míchání na magnetické míchačce. Poté, co došlo k rozpuštění pevných částic, byl vytvořený roztok přechováván za snížené teploty v uzavřené lahvičce.

B. Příprava roztoku CA v acetonu obsahujícího NH4HCO3/H2O

Do zábrusové 100 ml tříhrdlé varné baňky opatřené mechanickým míchadlem bylo přidáno 50 ml acetonu (Fisher Scientific 99,6%) a následně za mírného míchání 12,5 g vláken z acetátu celulózy. Baňka byla uzavřena a vlákno bylo přes noc rozpuštěno na homogenní bílý viskózní roztok. Potom byl do tohoto roztoku za intenzivního míchání přidán 1 ml roztoku AHC, jehož φ · ΦΦΦΦ

příprava byla popsána shora. Před použitím byla takto získaná směs nadále alespoň po dobu jedné hodiny bez přerušování míchána .

C. Příprava vlákna s velkými póry zvlákňováním za sucha ml shora uvedeného roztoku bylo pomocí injekční stříkačky z plastu a umělohmotné hadičky přemístěno do válcovité vytlačovací nádobky. Tato nádobka byla potom vložena do 9 mm pístového extrudéru DAČA Model 40000 s kruhovou tryskou o jednom otvoru s průměrem 1,5 mm a vytlačování při teplotě místnosti bylo prováděno při rychlosti posunu 20 mm/min. Vytlačené vlákno klesalo svislým směrem po dráze o délce 130 cm na hliníkovou misku a při tom bylo předsušováno vzduchem přiváděným dvěma tryskami a odváděným odvětrávacím zařízením. Jak je ukázáno na obrázku 4, byla v důsledku rozkladu AHC ve směsi pozorována na povrchu těchto částečně vysušených vzorků tvorba velkých pórů s průměry 5 až 10 pm. Tato struktura však nebyla stálá v důsledku přítomnosti zbývajícího rozpouštědla ve vláknech. Přechováváním při teplotě místnosti a za atmosférického tlaku docházelo k přeměně této struktury na strukturu stálejší, která obsahovala menší póry, znázorněnou na obrázku 2.

Aby bylo zbývající rozpouštědlo zcela odstraněno, bylo 105,6 mg shora uvedeného vlákna dále sušeno ve vakuové sušárně při teplotě 60 až 65°C po dobu 30 minut a odstraněním asi 6% zbývajícího rozpouštědlo bylo získáno 99,6 mg suchého vlákna. Povrch tohoto vlákna je znázorněn na obrázku 5. Zahřátím došlo v důsledku pohybu polymerních řetězců k zániku části původních velkých pórů a jejich zpětné přeměně na menší póry s průměry blízkými 1 pm, podobně jako v příkladu 1. Pozoruhodné je, že některé značně velké póry s průměry 10 až 15 pm zůstaly po tomto kroku zachovány.

Aby byla vytvořená porézní struktura zachována, je třeba úpravu vlákna provádět při nižší teplotě a po kratší dobu za sníženého tlaku. Zbývající rozpouštědla (asi 5 až 7%) mohou ·· ···· ·· · ·· ·· být během 5 minut efektivně odstraněna ve vakuové sušárně při teplotách kolem 50°C. Tak bylo například dalším sušením 1,7580 g shora uvedeného částečně vysušeného vlákna ve vakuové sušárně po dobu pouze 5 minut při 45 až 55°C získáno 1,6333 g vysušeného vlákna. Jak je znázorněno na obrázcích 6A a 6B, vytvořily se na suchém povrchu vlákna velké póry s průměry 3 až 5 pm. Bylo zjištěno, že tato porézní struktura je při teplotě místnosti dlouhodobě stálá. Na obrázku 7 je znázorněno vlákno po úplném vysušení při 59 až 62°C ve vakuové sušárně.

Celkově lze konstatovat, že shora uvedené příklady ukazují, že póry s průměry 1 až 15 pm je možno vytvořit rychlým odpařením zbývajícího rozpouštědla nebo odfoukáním plynů difunduj 1cích povlakem na povrchu vlákna během zvlákňování za sucha nebo po jeho ukončení. Tyto póry způsobují, že povrch vlákna je přístupnější pro adsorbovatelné součásti obsažené v plynné fázi a rovněž vytvářejí prostor uvnitř vlákna, ve kterém je možno umístit dodatečné adsorbenty nebo látky s filtračním účinkem. Aby byly zachovány vytvořené póry o větším průměru než 1 pm, je výhodné provádět odpařování za sníženého tlaku a nízkých teplot.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Vlákna z acetátu celulózy, na jejichž povrchu se nachází velké množství mikroporézních prohlubní zasahujících z povrchu vláken do jejich vnitřku, a tato vlákna, jejichž vnitřek je z části dutý.
2. 2. Součást cigaretového filtru tvořená vlákny z acetátu celulózy, na povrchu každého z nichž se nachází velké množství mikroporézních prohlubní zasahujících z povrchu vlákna do jeho vnitřku, pevná a/nebo kapalná látka, obsažená v těchto prohlubních, sloužící k selektivní filtraci tabákového kouře.
3. 3. Způsob přípravy vláken z acetátu celulózy sestávající z kroků, kterými jsou tvorba vláken průchodem roztoku acetátu celulózy v acetonu zvlákňovací tryskou, částečné vysušení vytvořených vláken za vzniku povlaku na jejich povrchu, vystavení těchto vláken působení sníženého tlaku poté, co byl předem dosažen určený stupeň vysušení, jehož účinkem se aceton obsažený uvnitř vytvořených vláken explozivním způsobem odpaří a unikne z těchto vláken přes zmíněný povlak mikroporéporézními dutinkami, čímž se na povrchu těchto vláken vytvoří mikroporézní prohlubně, zasahující do vnitřku těchto vláken.

   ·· · ♦ ·· ·· • · · · • · · » · • · · · ··· ···· ··· ··· ·· ···· a povrchu .(obr. 1B) vlákna z acetátu celulóz vysušeného za Sníženého tlaku při 60°C (CÁ 9598Měřítko: Obr.ÍA ldílek = 2,5 pm, obr.lB 1 dílek = 1