CZ2008442A3 - Zpusob, zarízení a zvláknovací elektroda pro výrobu nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvláknováním polymerní matrice - Google Patents

Abstract

Zpusob výroby nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvláknováním polymerní matrice (51) probíhá v elektrostatickém poli vytvoreném mezi sbernou elektrodou (2) a polymerní matricí (51), pricemž nanovlákna se vytvárejí z hladiny polymerní matrice (51). Zarízení obsahuje zvláknovací komoru (1), sbernou elektrodu (2) a zvláknovací elektrodu. Zvláknovací elektroda je tvorena polymerní matricí (51) uloženou v zásobníku (5).

Description

Způsob, zařízení a zvlákňovací elektroda pro výrobu nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvlákňováním polymerní matrice

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvlákňováním polymerní matrice v elektrostatickém poli vytvořeném mezi sběrnou elektrodou a zvlákňovací elektrodou.

Dále se vynález týká zařízení pro výrobu nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvlákňováním polymemích matric v elektrostatickém poli vytvořeném mezi sběrnou elektrodou a zvlákňovací elektrodou.

Vynález se týká také zvlákňovací elektrody pro výrobu nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvlákňováním polymerní matrice.

Dosavadní stav techniky

Pro výrobu nanovláken z polymemích matric, jako jsou polymerní roztoky či polymerní taveniny, se v současné době používá několik způsobů založených na různých chemických a/nebo fyzikálních principech, přičemž většina z nich je díky své náročnosti a nespolehlivosti omezena pouze na laboratorní využiti. Jediným dosud známým způsobem, který je využitelný v průmyslovém měřítku je elektrostatické zvlákňováni, při kterém je polymerní matrice přivedena do elektrostatického zvlákňovacího pole o vysoké intenzitě, a jeho silovým působením přetvořena na množství nanovláken. Tato nanovlákna jsou pak obvykle ukládána na podkladovém materiálu, jehož typ je dán konkrétní technologií elektrostatického zvlákňováni a uvažovanou aplikací.

Elektrostatické zvlákňovací pole je vytvářeno mezi sběrnou elektrodou a zvlákňovací elektrodou, na které je přivedeno vysoké napětí opačné polarity, případně je jedna z elektrod uzemněna. Zvlákňovací elektroda přitom kromě spoluvytváření elektrostatického zvlákňovacího pole slouží obvykle také pro přivedení polymerní matrice do něj.

φφφ • φ φ φ « φ «φ φ φ φ

·· PS3580CZ φ

φ φ ···

Jedním ze základních typů zvlákňovací elektrody je tryska či soustava trysek, ze kterých je polymemí matrice do elektrostatického zvlákňovacího pole vytlačována. Nevýhodou těchto řešení však je poměrně velká poruchovost, neboť často dochází k ucpání trysek zasychající polymemí matricí a k přerušení procesu elektrostatického zvlákňování.

Dalším typem zvlákňovací elektrody, který odstraňuje nevýhody výše uvedeného typu, je zvlákňovací elektroda tvořená podlouhlým rotujícím tělesem, obvykle válcového tvaru, které se alespoň částečně brodí v polymemí matrici, a do elektrostatického zvlákňovacího pole ji vynáší na svém povrchu. Nevýhodou zvlákňovacích elektrod tohoto typu je především nutnost použití poměrně velkých objemů polymemích matric a stím spojené vypařování velkého množství rozpouštědla, které může být v některých případech zdravotně či ekologicky závadné. S tím souvisí také poměrně rychlé tuhnutí polymemí matrice v zásobníku či na povrchu zvlákňovací elektrody, které podstatně snižuje výkon celého zařízení. Spolehlivost těchto typů zvlákňovacích elektrod snižují také mechanické prvky použité pro jejich rotační pohyb.

Cílem vynálezu je navrhnout zvlákňovací elektrodu, zařízení pro výrobu nanovláken a způsoby výroby nanovláken, které odstraní nevýhody dosavadního stavu techniky.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že elektrostatické pole se vytvoří mezi sběrnou elektrodou a polymemí matricí uloženou v zásobníku, přičemž nanovlákna se vytvářejí z hladiny polymemí matrice. Způsob významně zvyšuje produktivitu a snižuje nároky na údržbu zvlákňovací elektrody i celého zařízení.

Tvorba nanovláken se iniciuje v místech zakřivení hladiny polymemí matrice v zásobníku a následně se rozšiřuje na celou hladinu. Zakřiveni hladiny polymemí matrice může být při tom konvexní nebo konkávní.

Podstata zařízení pro výrobu nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvlákňováním polymemích matric v elektrostatickém poli • · • ·

PS3580ÚZ*** vytvořeném mezi sběrnou elektrodou a zvlákňovací elektrodou spočívá v tom, že zvlákňovací elektroda je tvořena polymerní matricí uloženou v zásobníku. Zařízení využívá menší volnou hladinu polymerní matrice a menší objem polymerní matrice než dosud známá zařízeni, takže nedochází k odpařování zbytečně velkých objemů rozpouštědel a tuhnutí matrice. Současně není výkonnost zařízení snižována pomalým přívodem polymerní matrice do elektrostatického pole, takže zařízení dosahuje vyšších výkonů než zařízení známá ze stavu techniky.

Ještě vyšších výkonů je dosaženo, pokud je polymerní matrice s volnou hladinou uložena v alespoň dvou částech zásobníku, ze kterých probíhá její zvlákňování.

Zvětšení zakřivené plochy volné hladiny polymerní matrice, které způsobuje snadnější a rychlejší iniciaci procesu elektrostatického zvlákňování, lze dosáhnout alespoň částečným ponořením tělesa do polymerní matrice.

Podobných výsledků je dosaženo, i pokud je toto těleso v polymerní matrici ponořeno úplně, přičemž toto uspořádání navíc zabraňuje vzniku koron na povrchu ponořeného tělesa.

Největšího zakřivení volné hladiny polymerní matrice se dosáhne, pokud je ponořené těleso uspořádáno po celé délce zásobníku resp. po celé délce jeho části.

Dalším způsobem jak dosáhnout zakřivení co největšího podílu plochy volné hladiny polymerní matrice je vytvoření zásobníku nebo jeho Části jako štěrbiny o šířce do 100mm, přičemž nejlepších výsledků u běžně používaných polymerních matric se dosahuje při šířce štěrbiny v rozmezí 1 až 20mm.

Kromě zařízení pro výrobu nanovláken je cílů vynálezu dosaženo také zvlákňovací elektrodou, jejíž podstata spočívá v tom, že je tvořena polymerní matricí uloženou v zásobníku.

Pro dosažení vyšších výkonů je výhodné, pokud je polymerní matrice uložena v alespoň dvou částech zásobníku s volnou hladinou.

................ ··

Přitom lze pro zvětšení zakřivené plochy volné hladiny polymerní matrice do ní částečně nebo zcela ponořit těleso. To je s výhodou uspořádáno po celé délce zásobníku nebo po celé délce jeho části.

Jako nejvýhodnější se jeví vytvoření zásobníku nebo jeho části jako štěrbiny o šířce do 100mm, přičemž pro běžně používané polymemí matrice je to 1 až 20mm.

Podstata zvlákňovací elektrody podle vynálezu spočívá vtom, že je tvořena polymerní matricí uloženou v zásobníku. Zvlákňovací elektroda má ve srovnání s ostatními dosud známými zmenšenou volnou hladinu a objem polymerní matrice, čímž se snižuje odpařování rozpouštědel a tuhnutí matrice.

Výhodná provedení zvlákňovací elektrody popisuji nároky 11 až 16.

Přehled obrázků na výkrese

Příkladné provedení zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním a některé varianty provedení zvlákňovací elektrody podle vynálezu jsou schematicky znázorněny na přiloženém výkrese, kde obr. 1 představuje řez zařízením pro výrobu nanovláken, obr. 2 řez jednou z variant zvlákňovací elektrody a obr. 3 pohled na jinou variantu zvlákňovací elektrody.

Příklady provedení vynálezu

Vynález a jeho podstata budou popsány na příkladu provedení zařízení pro výrobu nanovláken, které je schematicky znázorněno na obr. 1, a na několika příkladech provedení zvlákňovací elektrody znázorněných na obr. 2 a obr. 3. Pro zvýšení přehlednosti a srozumitelnosti těchto obrázků jsou prvky zařízení a zvlákňovací elektrody znázorněny pouze zjednodušeně bez ohledu na jejich skutečnou konstrukci či proporce, přičemž některé další prvky, které nejsou pro pochopení podstaty vynálezu nezbytné, a jejichž konstrukce či vzájemné uspořádání jsou zřejmé každému odborníkovi v oboru, nejsou znázorněny vůbec.

; * ; * * · * · ·

........ PS3580CZ ·’

Zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním polymerní matrice znázorněné na obr. 1 obsahuje zvlákňovací komoru 1 vymezující zvlákňovací prostor. V horní části zvlákňovací komory 1 je vodorovně upevněna válcová sběrná elektroda 2 dle CZ PV 2006-477, která je elektricky vodivě spojena s jedním pólem zdroje 3 vysokého napětí, umístěného mimo zvlákňovací komoru 1. Pod sběrnou elektrodou 2 je s použitím známých neznázoměných prostředků pohyblivě veden podklad 4, kterým je ve znázorněném přikladu provedení textilie.

Ve spodní části zvlákňovací komory 1 je uspořádán zásobník 5 polymerní matrice 51 vytvořený z elektricky vodivého materiálu, který je směrem ke sběrné elektrodě 2 otevřený. Zásobník 5 je opatřen přívodem 52 a odvodem 53 polymerní matrice 51 a je propojen $ opačným pólem zdroje 3 vysokého napětí než sběrná elektroda 2.

Hladina polymemí matrice 51 v zásobníku 5 je v blízkosti jeho stěn konvexně zakřivena, což je způsobeno povrchovým napětím polymerní matrice 51 a nesmáčivostí vnitřního povrchu zásobníku 5.

Po přivedení vysokého napětí, obvykle 10 až 100 kV, na sběrnou elektrodu 2 a vysokého napětí opačné polarity prostřednictvím zásobníku 5 do polymerní matrice 51, se mezi nimi vytváří intenzivní elektrostatické zvlákňovací pole. To lze v jiných neznázoměných příkladech provedení vytvořit přivedením vysokého napětí pouze na sběrnou elektrodu 2 nebo do polymerní matrice 51 a uzemněním druhé z nich. Toto zvlákňovací pole působí silově na volnou hladinu polymerní matrice 51, a v místech jejího největšího zakřiveni iniciuje proces elektrostatického zvlákňování. Během něj jsou zakřivené části volné hladiny polymerní matrice 51 dále deformovány a přetvářeny na tzv. Talyorovy kužely, z nichž pak známým způsobem vznikají nanovlákna, která jsou působením elektrostatického pole unášena ke sběrné elektrodě 2 a ukládají se na podkladu

4. Tvorba Taylorových kuželů postupně deformuje další části volné hladiny polymerní matrice 51, a proces elektrostatického zvlákňování se tak postupně rozvádí na celou plochu hladiny polymerní matrice nebo alespoň na její podstatnou část. Toto rozvedení, které probíhá nejrychleji při zvlákňování vodných či alkoholových roztoků polymerů, má za následek, že se na podklad 4 « · · ·· * * * »» «

PS3580ÚZ ** φ· · • ··· *«··· * · • φ « φ •Φ ukládá souvislá a rovnoměrná vrstva nanovláken. Při elektrostatickém zvlákňování z relativně velké plochy volné hladiny polymerní matrice 51 lze dosáhnout dokonce většího měrného výkonu než u dosud známých typů zvlákňovacích elektrod, neboť u nich je plocha, na které dochází ke zvlákňování, podstatně menší. Současně není výkon zařízení omezen rychlostí přivádění polymerní matrice 51 na tuto plochu.

Z výše uvedeného je zřejmé, že čím větší plocha volné hladiny polymerní matrice 51 je zakřivená a čím větší je její zakřivení, tím snáze a rychleji dochází k iniciaci procesu elektrostatického zvlákňování a jeho rozvedení na celou plochu volné hladiny. Zvětšení zakřivené plochy volné hladiny lze, vedle zvětšování plochy volné hladiny, dosáhnout také zvětšením délky styku polymerní matrice 51 se stěnami zásobníku 5 (obr. 2) nebo vložením tělesa 6 do zásobníku 5 (obr. 3), přičemž v žádném z těchto případů neroste použitý objem polymerní matrice 51 ani rychlost vypařování rozpouštědla.

Na obr. 2 je v pohledu shora znázorněn zásobník 5, který obsahuje dvě podlouhlé a rovnoběžné části 55 a 56, v nichž je uložena polymerní matrice 51 pro zvlákňování. Rozdělení objemu polymerní matrice 51 do dvou částí zvětšuje délku jejího styku se stěnami zásobníku 5, a tím také plochu hladiny, která je díky povrchovým silám a nesmáčivosti vnitřních stěn částí 55 a 56 zásobníku 5 konvexně zakřivená. Jednotlivé části 55 a 56 zásobníku 5 jsou pro zjednodušené doplňování polymerní matrice 51 nebo její odebírání navzájem neznázoměným způsobem propojeny. Pokud jsou propojeny například drážkou v horní části zásobníku 5 proti sběrné elektrodě 2, je tato drážka s výhodou odstíněna od elektrostatického zvlákňovacího pole krytem, neboť zvlákňování polymerní matrice 51 v ní, by mohlo způsobovat nerovnoměrnosti při ukládání vrstvy nanovláken na podkladu 4. V jiném příkladu provedení je ze stejného důvodu propojení částí 55 a 56 zásobníku 5 vytvořeno uzavřeným potrubím v tělese zásobníku 5.

V dalších neznázorněných příkladech provedení obsahuje zásobník 5 polymerní matrice 51 více části, jejichž vzájemné uspořádání, propojení a orientace vůči sběrné elektrodě 2 jsou v podstatě libovolné. Jako nejvýhodnější se však jeví zásobník 5 obsahující více stejných, podlouhlých a rovnoběžných ·· · · · ····· • ··» · » · * * *····* ’»psífc80CŽ··*'·/ částí, uspořádaných kolmo k podélné ose sběrné elektrody 2. Při neznázorněném použití více sběrných elektrod 2 je naopak výhodné, pokud jsou tyto části zásobníku 5 uspořádány rovnoběžně s jejich podélnými osami, případně pokud s nimi svírají libovolný ostrý úhel.

Kterékoliv z těchto uspořádání současně umožňuje rovnoměrné zvlákňování několika různých typů polymerních matric 51, kdy může být z nepropojených částí 55 a 56 zásobníku 5, zvlákňován jiný typ polymerní matrice 51. K tomuto účelu může být v dalších neznázorněných příkladech provedení užito několik oddělených zásobníků 5.

Kromě toho lze dále zvětšit velikost zakřivené plochy volné hladiny polymerní matrice 51 vytvořením zásobníku 5 nebo jeho části 55, 56, jako štěrbiny, jejíž relativně malá šířka ve spojení s povrchovými silami způsobuje zakřivení celé plochy volné hladiny, která tak má tvar části povrchu válce. To má za následek ještě rychlejší iniciaci procesu elektrostatického zvlákňování, která nastává téměř současně na celé ploše volné hladiny polymerní matrice 61. V závislosti na fyzikálních vlastnostech konkrétního použitého typu polymerní matrice 51 se šířka štěrbiny pohybuje v rozmezí cca 1 až 100 mm, přičemž větší hodnoty jsou určeny zejména pro zvlákňování vodných, či alkoholových roztoků polymerů, menší pak pro ostatní rozpouštědla. Kromě toho je možné použít i štěrbiny s šířkou pod 1mm, avšak ty vykazují podobné nevýhody jako trysky známé ze stavu techniky a jejich průmyslová využitelnost je velmi malá.

Jiným způsobem zvětšení zakřivení plochy hladiny polymerní matrice 51 je vložení tělesa 6 částečně ponořeného do polymerní matrice 51, jak je znázorněno na obr. 3. Přitom dochází k zakřivení plochy hladiny polymerní matrice 51 nejen v blízkosti stěn zásobníku 5, ale také po obvodu tohoto tělesa 6, a k podstatnému zvětšení oblasti, ve které dojde k prvotní inicializaci procesu elektrostatického zvlákňování. Tím se také výrazně zjednoduší a urychlí rozvedení tohoto procesu na volnou hladinu polymerní matrice 51 Takovým tělesem 6 může být také přepážka, která rozdělí hladinu polymerní matrice na několik navzájem oddělených částí, která však nezasahuje do zásobníku 5 po • · · · · · · · · · • ··· · · * · · ·· celé jeho hloubce, čímž je usnadněno rovnoměrné doplňování polymerní matrice 51.

Dostatečného zakřivení hladiny polymerní matrice 51 lze dosáhnout také vložením smáčivého tělesa 6, které bude zcela ponořeno pod hladinou polymerní matrice 51, která bude jeho tvar alespoň částečně kopírovat. V takovém případě je navíc těleso 6 v podstatě odděleno od elektrostatického zvlákňovacího pole, takže může být, bez negativního zásahu do něj, vytvořeno z elektricky vodivého materiálu a sloužit pro přivedení vysokého napětí do polymerní matrice 51 v zásobníku 5. Zásobník 5 pak může být naopak vytvořen z elektricky nevodivého materiálu, což dále snižuje nežádoucí ovlivnění elektrostatického zvlákňovacího pole. Umístění tělesa 6 pod hladinu polymerní matrice 51 současně vylučuje nebezpečí vzniku koron na jeho ostrých hranách.

V dalších neznázoměných příkladech provedení je vhodného zakřivení hladiny polymerní matrice 51 dosaženo použitím několika zcela a/nebo částečně ponořených těles 6 různých tvarů.

Podobně probíhá zvlákňování také při konkávním zakřivení hladiny polymerní matrice 51, které nastává v případech, kdy jsou vnitřní stěny zásobníku 5 pro polymerní matrici 51 smáčivé,

Podstata vynálezu tedy spočívá vtom, že polymerní matrice 51 v zásobníku 5 slouží jako zviákňovací elektroda, přičemž dochází ke zvlákňování přímo z její volné hladiny, která je konvexně a/nebo konkávně zakřivená. Zakřivené části volné hladiny pak představuji vhodná místa pro inicializaci procesu elektrostatického zvlákňování, který je následně rozveden na celou její plochu, nebo alespoň její podstatnou část.

Claims (16)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvlákňováním polymerní matrice (51) v elektrostatickém poli vytvořeném mezi sběrnou elektrodou (2) a zvlákňovací elektrodou, vyznačující se tim, že elektrostatické pole se vytvoří mezi sběrnou elektrodou (2) a polymerní matricí (51) uloženou v zásobníku (5), přičemž nanovlákna se vytvářejí z hladiny polymerní matrice (51).
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že tvorba nanovláken se iniciuje v místech zakřiveni hladiny polymemi matrice (51) v zásobníku (5).
3. 3. Zařízení pro výrobu nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvlákňováním polymemích matric (51) v elektrostatickém poli vytvořeném mezi sběrnou elektrodou (2) a zvlákňovací elektrodou, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda je tvořena polymerní matricí (51) uloženou v zásobníku (5).
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že polymemi matrice (51) je uložena v alespoň dvou částech (55, 56) zásobníku (5) s volnou hladinou.
5. 5. Zařízeni podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že v polymerní matrici (51) je alespoň částečně ponořeno těleso (6).
6. 6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že těleso (6) je zcela ponořeno v polymerní matrici (51).
7. 7. Zařízení podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že těleso (6) je uspořádáno po celé délce zásobníku (5) nebo po celé délce části (55, 56) zásobníku (5).
8. 8. Zařízení podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že zásobník (5) nebo část (55,56) zásobníku (5) je tvořena štěrbinou o šířce do 100mm.
9. 9. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tim, že zásobník (5) nebo část (55,56) zásobníku (5) je tvořena štěrbinou o šířce v rozmezí 1 až 20mm.

   • · · φ φφφ • ΦΦ • · .1..,.* Vs&80CŽ·** *··’
10. 10. Zvlákňovací elektroda pro výrobu nanovláken a nanovlákenných struktur elektrostatickým zvlákňováním polymerni matrice, vyznačující se tím, že je tvořena polymemí matricí (51) uloženou v zásobníku (5).
11. 11. Zvlákňovací elektroda podle nároku 10, vyznačující se tím, že

    5 polymerni matrice je uložena v alespoň dvou částech (55, 56) zásobníku (5) s volnou hladinou.
12. 12. Zvlákňovací elektroda podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že v polymerni matrici (51) je alespoň částečně ponořeno těleso (6).
13. 13. Zvlákňovací elektroda podle nároku 12, vyznačující se tím, že těleso

    10 (6) je zcela ponořeno v polymemí matrici (51).
14. 14. Zvlákňovací elektroda podle nároku 13, vyznačující se tím, že těleso (6) je uspořádáno po celé délce zásobníku (5) nebo po celé délce části (55,56) zásobníku (5).
15. 15. Zvlákňovací elektroda podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím,

    15 že zásobník (5) nebo část (55,56) zásobníku (5) je tvořena štěrbinou o šířce do

    100 mm.
16. 16. Zvlákňovací elektroda podle nároku 15, vyznačující se tím, že zásobník (5) nebo část (55, 56) zásobníku (5) je tvořena štěrbinou o Šířce v rozmezí 1 až 20mm.