CZ2009149A3

CZ2009149A3 - Zpusob ukládání funkcní vrstvy polymerních nanovláken na povrch podkladu

Info

Publication number: CZ2009149A3
Application number: CZ20090149A
Authority: CZ
Inventors: Mareš@Ladislav
Original assignee: Elmarco S.R.O.
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-22
Also published as: WO2010102593A3; WO2010102593A2

Abstract

Pri ukládání funkcní vrstvy polymerních nanovláken se na povrch podkladu elektrostaticky nanese pomocná vrstva polymerního materiálu ve forme nanovláken a/nebo nanocástic a/nebo mikrovláken a/nebo mikrocástic. Nanovlákna a/nebo nanocástice a/nebo mikrovlákna a/nebo mikrocástice pomocné vrstvy polymerního materiálu se behem nanášení a/nebo po nanesení na podklad povrchove rozpustí, címž dobre prilnou k podkladu. Následne se na povrchove rozpuštená nanovlákna a/nebo cástice pomocné vrstvy polymerního materiálu nanese funkcní vrstva polymerních nanovláken, která k pomocné vrstve polymerního materiálu dobre prilne.

Description

Způsob ukládání funkční vrstvy polymemích nanovláken na povrch podkladu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu ukládání funkční vrstvy polymemích nanovláken na povrch podkladu, při němž se na povrch podkladu elektrostaticky nanese pomocná vrstva polymerního materiálu ve formě nanovláken a/nebo nanočástic a/nebo mikrovláken a/nebo mikročástic.

Dosavadní stav techniky

Jedním z největších problémů bránících dosud v plnohodnotném využití polymemích nanovláken v průmyslovém měřítku je jejich nízká přilnavost k podkladovým materiálům, na který jsou tato nanovlákna během své výroby elektrostatickým zvlákňováním ukládána, a v kombinaci se kterým mají být využívána. Mezi tyto podkladové materiály patří v závislosti na požadavcích a uvažovanému způsobu využití např. filtrační papíry různých typů, textilie typu spunbond, meltblown, scrim, reemay, apod., ale i jakékoliv jiné materiály, nejen s hladkým, ale i s členitým povrchem.

Z mezinárodni patentové přihlášky WO 03045875 je znám kompozit obsahující podkladový materiál, na kterém je prostřednictvím chemické vazby připevněna vrstva nanovláken. Tato chemická vazba vzniká tak, že povrch podkladového materiálu je před nanesením vrstvy nanovláken částečně naleptán vhodným rozpouštědlem, které následně částečně rozpustí i nanesená nanovlákna. Po odpaření rozpouštědla je zajištěno relativně pevné a odolné spojeni vrstvy nanovláken s podkladem. Nejpodstatnější nevýhodou tohoto řešení je velmi omezený okruh využitelných podkladů a polymerů pro výrobu nanovláken, neboť jejich spojení je podmíněno využitím rozpouštědla, které je schopno rozpouštět jak materiál podkladu, tak i materiál na podklad nanesených nebo nanášených polymemích nanovláken. Řešení dle WO ·♦··

P53596CZ

03045875 se díky těmto nevýhodám, s výjimkou malého počtu určitých kombinaci materiálu podkladu a nanovláken, nehodí pro průmyslové využití.

Z US 2005/0192622 je dále známo několik dalších způsobů zvýšení přilnavosti vrstvy polymerních nanovláken na podklad. Jeden žních spočívá v tom, že se na podklad nejdříve elektrostatickým nástřikem nanese primární vrstva polymerního materiálu ve formě kapiček, na kterou se následně elektrostatickým zvlákňováním nanese krycí vrstva polymerních nanovláken. Primární vrstva se před jejím nanesením krycí vrstvy, během něj nebo po něm vhodným způsobem, například ponořením do rozpouštědla nebo vystavením zvýšené teplotě rozpustí, přičemž po svém zaschnutí spojí krycí vrstvu nanovláken s podkladem. Tento postup však vykazuje celou řadu nevýhod, z nichž nejpodstatnějši spočívá v tom, že materiál krycí vrstvy nanovláken musí mít vždy vyšší bod taveni nebo vyšší odolnost vůči použitému rozpouštědlu než materiál primární vrstvy, aby aplikací zvýšené teploty nebo rozpouštědla docházelo skutečně pouze k rozpuštění materiálu primární vrstvy, a nikoliv k rozpuštění materiálu krycí vrstvy, a tím k poškozeni její nanovlákenné morfologie. Tento požadavek, podobně jako u WO 03045875 velmi výrazně omezuje použitelné materiály a jejich kombinace, a v reálné praxi snižuje použitelnost tohoto postupu. Při ponořeni do rozpouštědla navíc nelze nijak sledovat ani řídit podíl rozpuštěného materiálu primární vrstvy, což vede buď k nedostatečnému rozpuštění materiálu primární vrstvy a jejímu příliš rychlému zaschnutí, nebo naopak k nadměrnému rozpuštění materiálu primární vrstvy a jejího přetvoření na více či méně souvislý film, a tím ke zhoršení prodyšnosti a dalších charakteristik připraveného kompozitu. To samozřejmě dále omezuje jeho praktickou využitelnost. Během tohoto postupu navíc nelze zajistit, aby nedošlo k oddělení primární i krycí vrstvy polymerního materiálu od podkladu.

Z důvodu rychlého zasychání navíc není ani jedno z výše uvedených řešeni vhodné pro využití při elektrostatickém zvlákňování tavenin polymerů.

Cílem vynálezu je navrhnout způsob ukládání vrstvy polymerních nanovláken na povrch libovolného podkladu, který by odstranil, či alespoň zmírnil nevýhody stavu techniky, zaručil dostatečnou přilnavost vrstvy

V. Ull

P53596CZ nanovláken k podkladu, a který by byl využitelný i při elektrostatickém zvlákftování tavenin polymerů.

Podstata vynálezu

Cílů vynálezu je dosaženo způsobem ukládání funkční vrstvy polymerních nanovláken na povrch podkladu, při němž se na povrch podkladu elektrostaticky nanese pomocná vrstva polymerního materiálu ve formě nanovláken a/nebo nanočástic a/nebo mikrovláken a/nebo mikročástic, jehož podstata spočívá v tom, že nanovlákna a/nebo nanočástíce a/nebo mikrovlákna a/nebo mikročástice pomocné vrstvy polymerního materiálu se během nanášení a/nebo po nanesení na podklad povrchově rozpustí, čímž dobře přilnou k podkladu. Následně se na povrchově rozpuštěná nanovlákna a/nebo nanočástíce a/nebo mikrovlákna a/nebo mikročástice nanese funkční vrstva polymerních nanovláken, která k pomocné vrstvě polymerního materiálu dobře přilne. Tím je zajištěna vysoká přilnavost funkční vrstvy nanovláken v podstatě jakémukoliv povrchu a materiálu.

Při malém množství polymerního materiálu v pomocné vrstvě je výhodné použít k povrchovému rozpuštění nanovláken a/nebo nanočástic a/nebo mikrovláken a/nebo mikročástic pomocné vrstvy polymerního materiálu páry rozpouštědla. Při jeho větším množství lze použít aerosol rozpouštědla.

Pro určité typy polymerního materiálu je výhodnější, či dokonce jedinou variantou, použít pro povrchové rozpuštění nanovláken a/nebo nanočástic a/nebo mikrovláken a/nebo mikročástic zvýšenou teplotu. Přitom je možné pro dosažení co nejlepšího výsledku a rychlejšího rozpuštění kombinovat zvýšenou teplotu s přívodem par nebo aerosolu rozpouštědla.

Po uložení polymerních nanovláken funkční vrstvy na povrchově rozpuštěná nanovlákna a/nebo nanočástíce a/nebo mikrovlákna a/nebo mikročástice pomocné vrstvy polymerního materiálu přitom může dojít také k jejich povrchovému rozpuštění, čímž je zajištěna ještě větší pevnost spojeni funkční vrstvy s pomocnou vrstvou a podkladem. Polymerní nanovlákna funkční • ·

r. un

P53596CZ vrstvy jsou přitom povrchově rozpuštěna zbytky rozpouštědla v nanovláknech a/nebo nanočásticích a/nebo mikrovláknech a/nebo mikročásticích pomocné vrstvy polymerního materiálu nebo jejich zvýšenou teplotou.

Příklady provedení vynálezu

K provádění způsobu ukládání funkční vrstvy polymerních nanovláken na povrch libovolného podkladu dle vynálezu lze po jednoduché konstrukční úpravě využít zařízení pro elektrostatické zvlákňování polymerních roztoků, pracující na kterémkoliv ze známých principů. Podstata vynálezu bude dále vysvětlena na příkladu zařízeni dle CZ PV 2006-243, které obsahuje v jedné zvlákňovací komoře dvě zvlákňovací elektrody protáhlého válcového tvaru, a proti nim uspořádanou sběrnou elektrodu, která s každou ze zvlákňovacích elektrod vytváří právě jedno elektrostatické zvlákňovací pole. Tato elektrostatická zvlákňovací pole jsou přitom vzájemně oddělena izolačními deskami, přičemž přes obě se pohybuje podkladový materiál, například plošná textilie, na jehož povrch se v každém elektrostatickém poli ukládá vrstva polymerních nanovláken. Toto uspořádání umožňuje zvlákňovat v každém z elektrostatických poli libovolnou polymemí matrici s libovolnými požadovanými parametry plošné hmotnosti, průměru nanovláken aj.

Při provádění způsobu dle vynálezu se v prvním elektrostatickém zvlákňovacím poli na podkladovou textilii rovnoměrně nanese pomocná vrstva polymerního materiálu jako vrstva polymerních nanovláken, jejíž plošná hmotnost se pohybuje v závislosti na typu polymemí matrice, obsahu rozpouštědla v ní, rychlosti pohybu podkladové textilie a požadavcích na výsledný produkt v rozmezí přibližně od 0,05 až do 1 g/m², obvykle v rozmezí od 0,1 do 0,7 g/m², avšak ve specifických příkladech provedení se může plošná hmotnost pomocné vrstvy zvýšit i nad 1 g/m². Elektrostatické zvlákňování při použiti otáčející se válcové zvlákňovací elektrody přitom zajišťuje rovnoměrné rozmístění polymerního materiálu pomocné vrstvy na podkladové textilii. Účelem pomocné vrstvy je přitom zvýšení přilnavosti mezi podkladovou textilii a funkční vrstvou nanovláken.

τι—

P53596CZ

Následně jsou nanovlákna pomocné vrstvy polymerního materiálu v závislosti na typu polymerní matrice a jejím množství v pomocné vrstvě rozpuštěna na svém povrchu parami rozpouštědla, aerosolem rozpouštědla, zvýšenou teplotou, či kombinací kterýchkoliv z těchto faktorů. Snadným nastavením množství rozpouštědla přivedeného do kontaktu s pomocnou vrstvou polymerního materiálu a/nebo nastavením zvýšené teploty, případně i průběhu jejího dosažení, lze snadno řídit také množství rozpuštěného materiálu pomocné vrstvy polymerního materiálu. Při pouze povrchovém rozpuštění si nanovlákna pomocné vrstvy polymerního materiálu zachovávají svůj původní tvar a rovnoměrné rozmístění na podkladové textilii, avšak těsněji se k ní přimykají, pňčemž část polymerního materiálu pomocné vrstvy přitom může vniknout i do vnitřní struktury podkladové textilie. Tím je zajištěna vysoká pňlnavost pomocné vrstvy polymerního materiálu k podkladové textilii, bez výrazného vlivu na charakteristiky takto vytvořeného kompozitu, neboť relativně malé množství polymerního materiálu v pomocné vrstvě a pouze povrchové rozpuštěni nanovláken zajišťuje, že se na povrchu podkladové textilie nevytvoří souvislý neprodyšný film, a že si podkladová textilie i po nanesení a povrchovém rozpuštěni nanovláken pomocné vrstvy polymerního materiálu v podstatě zachová svoje parametry, zejména co se týká její prodyšnosti a tlakové ztráty. Při větším množství polymerního materiálu v pomocné vrstvě lze pro zabráněni vzniku polymerního filmu využít proudu vzduchu či jiného vhodného plynu. Ten může současně napomáhat i povrchovému rozpouštění polymerních nanovláken pomocné vrstvy, neboť může být předehřátý na požadovanou teploty a/nebo může sloužit k nesení a/nebo usměrněni par a/nebo aerosolu rozpouštědla.

Prostředky pro pňvedení par a/nebo aerosolu rozpouštědla na pomocnou vrstvu polymerního materiálu tvořenou nanovlákny a/nebo prostředky pro zvýšeni její teploty jsou přitom s výhodou instalovány v blízkosti výstupu podkladové textilie z prvního elektrostatického zvlákňovacího pole a/nebo vstupu podkladové textilie do druhého elektrostatického zvlákňovacího pole a/nebo mezi nimi, případně pro části dráhy podkladové textilie. Každý z nich je pak s výhodou řiditelný nezávisle na ostatních, aby bylo v každém okamžiku •· »···

P53596CZ dosaženo právě požadovaného množství par a/nebo aerosolu a/nebo tepelně energie přivedené na podkladovou textilii a na pomocnou vrstvu polymerního materiálu.

V dalších případech, kdy je k povrchovému rozpuštění nanovláken pomocné vrstvy polymerního materiálu použito par a/nebo aerosolu rozpouštědla, může dojít k jejich nanesení na podkladovou textilii ještě před uložením pomocné vrstvy polymerního materiálu takže nanovlákna pomocné vrstvy po uložení na podkladovou textilii nezasychají nebo se okamžitě po uložení povrchově rozpouštějí.

Kromě toho lze nanovlákna pomocné vrstvy povrchově rozpustit parami a/nebo aerosolem rozpouštědla a/nebo zvýšenou teplotou ještě před jejich nanesením na podkladovou textilii, v průběhu jejich nanášení. To je výhodné zejména v případech, kdy použitý polymerní materiál pomocné vrstvy v důsledku svých chemických vlastnosti a/nebo podmínek v elektrostatickém zvlákňovacím poli rychle zasychá, takže by se na podkladovou textilii ukládala již zcela nebo téměř zcela zatuhlá nanovlákna.

Bezprostředně po povrchovém rozpuštění nanovláken pomocné vrstvy polymerního materiálu je podkladová textilie s pomocnou vrstvou přivedena do druhého elektrostatického pole, kde je na ně uložena funkční vrstva polymerních nanovláken s parametry, které jsou dány uvažovaným využitím konečného produktu. Zbytky rozpouštědla v pomocné vrstvě polymerního materiálu a/nebo její zvýšená teplota dále způsobuje částečné rozpuštěni polymerních nanovláken funkční vrstvy na jejich povrchu, v důsledku čehož funkční vrstva dobře přilne k pomocné vrstvě polymerního materiálu a k podkladové textilii, takže po odpaření rozpouštědla a/nebo snížení teploty je mezi podkladovou textilií, pomocnou vrstvou polymerního materiálu a funkční vrstvou dosaženo dostatečně velké přilnavosti. Ta umožňuje využití konečného produktu v aplikacích, kde funkční vrstva nanovláken zvyšuje či zlepšuje vlastnosti podkladové textilie a je mechanicky namáhána, například ve filtraci tekutin, v povrchové úpravě výrobků apod.

* · · ϊ ·

F^35^CZ

V jiné variantě způsobu podle vynálezu je podkladová textilie s povrchově rozpuštěnými nanovlákny pomocné vrstvy polymerního materiálu přivedena do druhého elektrostatického pole až po snížení teploty podkladové textilie s pomocnou vrstvou a/nebo sníženi koncentrace zbytků rozpouštědla v ní, čímž je zcela odstraněno nebo v požadovaném poměru sníženo rozpuštění polymemích nanovláken funkční vrstvy.

Tomu lze kromě toho také zabránit například použitím rozdílných polymerních materiálů s rozdílnými chemickými a/nebo fyzikálními vlastnostmi pro přípravu nanovláken pomocné vrstvy a nanovláken funkční vrstvy.

Nanášeni pomocné vrstvy ve formě polymerních nanovláken elektrostatickým zvlákňováním zajišťuje její rovnoměrnost po celé ploše podkladové textilie a tedy i rovnoměrnou přilnavost funkční vrstvy nanovláken kní. Toto řešení je současně konstrukčně i provozně nejjednodušší, neboť nevyžaduje instalaci a provozování jiných prvků než dvou stejných zvlákňovacich elektrod, v kombinaci s nimiž může být využita i jen jedna sběrná elektroda.

Množství polymerního materiálu v pomocné vrstvě je tak malé, že v podstatě nezáleží na tom, v jakých formacích se nachází. Proto lze pro vytvoření a nanesení pomocné vrstvy polymerního materiálu použít i jiné způsoby elektrostatického zvlákňování než ty využívající některou zvýše uvedených zvlákňovacich elektrod, či obecně i jiné principy než je elektrostatické zvlákňování. Pomocná vrstva polymerního materiálu tak může být vedle elektrostatického zvlákňování vytvořena např. elektrostatických nástřikem, kdy se polymerní materiál pohybuje směrem k podkladové textilii ve formě nanokapiček a/nebo mikrokapiček polymerní matrice, které se postupným tuhnutím přetváří na nanočástice a/nebo mikročástice polymerního materiálu, ale i jakýmkoliv jiným postupem, který zajistí umístění požadovaného množství polymerního materiálu na povrchu podkladové textilie a to buď ve formě nanovláken, mikrovláken, nanočástic, mikročástic nebo jejich směsi.

Funkční vrstva nanovláken může být vytvořena také libovolnou technikou elektrostatického zvlákňování, např. zvlákňováním z trysky (trysek) avšak jako

P53596CZ nejvýkonnější se v současné době jeví elektrostatické zvlákňování za použití podlouhlé válcové elektrody popsané např. v CZ patentu 294274. Použití této zvlákňovací elektrody, případně otáčející se strunové zvlákňovací elektrody dle WO 2008028428, statické strunové zvlákňovací elektrody dle CZ PV 2007 - 485 nebo zvlákňovací elektrody tvořené podle CZ PV 2008 - 442 přímo zvlákňovanou polymemi matricí s volnou hladinou, přitom zajišťuje, že funkční vrstva nanovláken bude po celé své ploše rovnoměrná. Z tohoto důvodu je výhodné použít kteroukoliv z těchto zvlákňovacích elektrod také pro vytváření pomocné vrstvy polymerního materiálu. Pro obě zvlákňovací elektrody pak může být použita jedna společná sběrná elektroda, případně může být pro každou z nich použito libovolné množství libovolného známého typu sběrných elektrod, dle požadavků na vlastnosti a parametry daného elektrostatického zvlákňovacího pole.

Funkční vrstva nanovláken může být vytvořena z polymerních nanovláken libovolného elektrostaticky zvláknitelného polymeru ve formě roztoku nebo taveniny polymeru, případně mohou nanovlákna funkční vrstvy obsahovat různé aktivní látky, jako např. částice fotodynamických senzitizerů dle CZ PV 2006-432, částice nízkomolekulární látky, či kovové nanočástice dle CZ PV 2005-225, apod., což rozšiřuje možnosti jejich využití i v dalších aplikacích mimo filtraci.

Při použiti vynálezu lze s dobrými výsledky uložit vrstvu funkční nanovláken v podstatě na libovolný podklad, nikoliv pouze na textilii popisovanou v přikladu provedení. Pomocná vrstva nanovláken a jejich povrchové rozpuštění, případně v kombinaci s povrchovým rozpuštěním nanovláken funkční vrstvy, zajišťuje dostatečnou přilnavost funkční vrstvy v podstatě jakémukoliv povrchu a materiálu. Funkční vrstva nanovláken tak může být ukládána nejen na plošné útvary jako je filtrační papír nebo filtrační textilie, ale také na plochy v podstatě jakýchkoliv výrobků z libovolného materiálu, ať již hotových nebo určených pro další zpracování.

Popisovaný postup odstraňuje nevýhody stavu techniky tím, že umožňuje libovolnou kombinaci polymerního materiálu pomocné vrstvy s materiálem φ« «··· φφ » · φ » • · · φ φ φ φφφ φ φ « φφ φφ ρώ&όζ funkční vrstvy nanovláken a současně zajišťuje ihned po nanesení pomocné vrstvy nebo během něj vysokou přilnavost pomocné vrstvy k podkladu. Pomocná vrstva i funkční vrstva nanovláken přitom mohou být připraveny jak ze stejného polymemího materiálu, tak i z různých polymerních materiálů, bez 5 nutnosti hledání vhodných kombinací jejích vlastností, zejména jejich odolnosti vůči danému rozpouštědlu či bodu tavení. Tím je samozřejmě nejen v podstatě neomezeně rozšířeno portfolio použitelných polymerních materiálů, ale také výrazně snížena finanční i technologická náročnost celého procesu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob ukládáni funkční vrstvy polymerních nanovláken na povrch podkladu, při němž se na povrch podkladu elektrostaticky nanese pomocná vrstva polymerního materiálu ve formě nanovláken a/nebo nanočástic a/nebo mikrovláken a/nebo mikročástic, vyznačující se tím, že nanovlákna a/nebo nanočástice a/nebo mikrovlákna a/nebo mikročástice pomocné vrstvy polymerního materiálu se během nanášení a/nebo po nanesení na podklad povrchově rozpustí, čímž dobře přilnou k podkladu, načež se na povrchově rozpuštěná nanovlákna a/nebo nanočástice a/nebo mikrovlákna a/nebo mikročástice pomocné vrstvy polymerního materiálu nanese funkční vrstva polymerních nanovláken, která k pomocné vrstvě polymerního materiálu dobře přilne,
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že nanovlákna a/nebo nanočástice a/nebo mikrovlákna a/nebo mikročástice pomocné vrstvy polymerního materiálu se povrchově rozpustí parami rozpouštědla.
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že nanovlákna a/nebo nanočástice a/nebo mikrovlákna a/nebo mikročástice pomocné vrstvy polymerního materiálu se povrchově rozpustí aerosolem rozpouštědla.
4. Způsob podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že nanovlákna a/nebo nanočástice a/nebo mikrovlákna a/nebo mikročástice pomocné vrstvy polymerního materiálu se povrchově rozpustí zvýšenou teplotou.
5. Způsob podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že nanovlákna funkční vrstvy polymerních nanovláken se při styku s nanovlákny a/nebo nanočásticemí a/nebo mikrovlákny a/nebo mikročásticemi pomocné vrstvy polymerního materiálu povrchově rozpustí rozpouštědlem obsaženým v nanovláknech a/nebo nanočásticích a/nebo mikrovláknech a/nebo mikročásticích pomocné vrstvy polymerního materiálu.

φ» »···

P53596CZ
6. Způsob podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že nanovlákna funkční vrstvy polymemích nanovláken se při styku s nanovlákny a/nebo nanočásticemi a/nebo mikrovlákny a/nebo mikročásticemi pomocné vrstvy polymemího materiálu povrchově rozpustí zvýšenou 5 teplotou nanovláken a/nebo nanočástic a/nebo mikrovláken a/nebo mikročástic pomocné vrstvy polymemího materiálu.