CZ2010138A3

CZ2010138A3 - Zpusob úpravy organických polymerních vláken a vlákenných útvaru obsahujících tato vlákna, zpusob úpravy vláken obsahujících minerální jádro a plášt z organického materiálu a vlákenných útvaru obsahujících tato vlákna a zpusob úpravy vlákenného útvar

Info

Publication number: CZ2010138A3
Application number: CZ20100138A
Authority: CZ
Inventors: Wiener@Jakub; Štepánková@Marie
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-08-31

Abstract

Rešení se týká zpusobu úpravy organických polymerních vláken konecné délky, jehož podstata spocívá v tom, že organická polymerní vlákna se na cásti své délky a alespon na cásti svého obvodu karbonizují laserem, pricemž na jiné cásti své délky zustávají beze zmeny. Rešení se dále týká zpusobu úpravy vláken obsahujících minerální jádro a plášt z organického materiálu, jehož podstata spocívá v tom, že plášt se alespon na cásti své délky a alespon na cásti svého obvodu karbonizuje laserem. Rešení se také týká zpusobu úpravy vlákenných útvaru obsahujících organická polymerní vlákna konecné délky, a vlákenného útvaru obsahujícího vlákna tvorená minerálním jádrem, na kterém je uložený plášt z organického materiálu. Rešení se také týká zpusobu úpravy vlákenného útvaru obsahujícího minerální vlákna a organický materiál usporádaný alespon v cásti objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny a/nebo alespon na povrchu vlákenného útvaru, jehož podstata spocívá v tom, že alespon cást organického materiálu se karbonizuje laserem. Krome toho se rešení týká vláken a vlákenných útvaru pripravených tímto zpusobem.

Description

Způsob úpravy organických polymemích vláken a vlákenných útvarů obsahujících tato vlákna, způsob úpravy vláken obsahujících minerální jádro a plášť z organického materiálu a vlákenných útvarů obsahujících tato vlákna a způsob úpravy vlákenného útvaru obsahujícího minerální vlákna a organický materiál a tento vlákenný útvar

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu úpravy organických polymemích vláken konečné délky, a tímto způsobem upravených vláken, která obsahují organický polymerní materiál.

Vynález se také týká způsobu úpravy vlákenného útvaru obsahujícího organická polymerní vlákna.

Vynález se dále týká vlákenného útvaru, který obsahuje vlákna obsahující organický polymerní materiál.

Kromě toho se vynález také týká způsobu úpravy vláken obsahujících minerální jádro a plášť z organického materiálu a vláken konečné délky upravených tímto způsobem.

Vynález se dále týká způsobu úpravy vlákenného útvaru obsahujícího vlákna tvořená minerálním jádrem, na kterém je uložený plášť z organického materiálu.

Vynález se také týká vlákenného útvaru, který obsahuje vlákna tvořená minerálním jádrem, na kterém je uložen plášť.

Kromě toho se vynález dále také týká způsobu úpravy vlákenného útvaru obsahujícího minerální vlákna a organický materiál uspořádaný alespoň v části objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny a/nebo alespoň na povrchu vlákenného útvaru, a také vlákenných útvarů upravených tímto způsobem.

Dosavadní stav techniky

Karbonizovaná nebo také uhlíková vlákna mají v dnešní době díky svým specifickým mechanickým vlastnostem ceiou řadu využití v mnoha různých • ♦·♦« ·«· · · ♦ · · .:.. : ·..·Ršsgestz aplikacích včetně výroby sportovních potřeb, namáhaných části dopravních prostředků, energetických zařízení atd. Příprava těchto vláken standardně spočívá v ohřevu předpřipravených vláken vhodného prekurzoru, nejčastěji organického polymeru, např. polyakrylonitrilu (PAN), v karbonizační peci bez přístupu kyslíku na teplotu v rozsahu cca 1000 až 3000 O. Během tohoto ohřevu se materiál prekurzoru mění v celém objemu vláken na uhlík, jehož mikroskopické řetězce jsou orientovány převážně ve směru podélné osy vláken. Právě díky této orientaci uhlíkových řetězců pak mají karbonizovaná vlákna i při relativně malém průměru vysokou pevnost v tahu a poměrně vysoký modul pružnosti.

V patentové přihlášce GB 1241937 byla navržena náhrada karbonizační pece laserem, který odstraňuje některé z jejích nevýhod, neboť je energeticky méně náročný, a současně přesnější a rychlejší z hlediska dosažení požadované teploty karbonizace, případně z hlediska její regulace. Obdobný postup byl navržen i v novější patentové přihlášce US 2004025261.

Jak použití karbonizační pece, tak i laseru však společně vykazují další velmi podstatný nedostatek, a to průběh karbonizace v celém objemu vláken prekurzoru. Díky tomu ztrácí výsledná karbonizovaná vlákna z velké části původní vlastnosti vláken prekurzoru, zejména výhodnou pružnost, elasticitu, či další typické textilní vlastnosti, což omezuje jejich využití v některých oblastech, zejména při výrobě technických či netechnických textilií, konstrukci filtrů, apod.

Cílem vynálezu je odstranit nebo alespoň eliminovat nevýhody stavu techniky.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem úpravy organických polymerních vláken konečné délky, jehož podstata spočívá vtom, že organická polymemí vlákna se na části své délky a alespoň na části svého obvodu karbonizují laserem, přičemž na jiné části své délky zůstávají beze změny. Výsledné vlákno tak v sobě kombinuje jak vlastnosti uhlíkových vláken, tak i vlastnosti původního textilního vlákna.

♦ ···♦ ··* « * · · · .:.. : ·..*.:.. pSeSes’cz

Dle požadavků se organická polymerní vlákna karbonizují na celém svém obvodu, přičemž uvnitř svého příčného průřezu zůstávají beze změny, nebo se karbonizují v celém svém příčném průřezu.

Ke karbonizaci je s výhodou použit IR laser, přičemž je dále výhodné, pokud karbonizace probíhá v atmosféře inertního plynu.

Cíle vynálezu je také dosaženo vláknem konečné délky, které obsahuje organický polymerní materiál, jehož podstata spočívá vtom, že část délky vlákna je alespoň na části svého obvodu tvořena karbonizovaným organickým polymerním materiálem, přičemž jiná část délky vlákna je v celém svém příčném průřezu tvořena organickým polymerním materiálem. Ve výhodné variantě je část délky vlákna tvořena karbonizovaným organickým polymerním materiálem v celém svém příčném průřezu.

Cíle vynálezu je také dosaženo způsobem úpravy vlákenného útvaru obsahujícího organická polymerní vlákna, jehož podstata spočívá v tom, že organická polymerní vlákna se alespoň na části své délky na povrchu vlákenného útvaru a alespoň na části svého obvodu směřujícího ven z vlákenného útvaru karbonizují laserem, přičemž na části své délky pod povrchem vlákenného útvaru zůstávají beze změny.

Dle konkrétních požadavků se přitom organická polymerní vlákna karbonizují na celé své délce, nebo v celém svém příčném průřezu na povrchu vlákenného útvaru.

Ke karbonizaci se s výhodou používá IR laser, přičemž je dále výhodné, pokud karbonizace probíhá v atmosféře inertního plynu.

Kromě toho je cíle vynálezu také dosaženo vlákenným útvarem, který obsahuje vlákna obsahující organický polymerní materiál, jehož podstata spočívá v tom, že tato vlákna jsou na části své délky v celém svém příčném průřezu tvořena organickým polymerním materiálem, a na jiné část své délky jsou alespoň na části svého obvodu tvořena karbonizovaným organickým polymerním materiálem. Ve výhodné variantě jsou tato vlákna na části své délky tvořena karbonizovaným organickým materiálem v celém svém příčném průřezu.

PS3669CZ

Cíle vynálezu je také dosaženo způsobem úpravy vláken obsahujících minerální jádro a plášť z organického materiálu, jehož podstata spočívá vtom, že plášť se alespoň na části své délky a alespoň na části svého obvodu karbonizuje laserem. Plášť se s výhodou karbonizuje alespoň na části své délky v celém svém příčném průřezu, přičemž je dále výhodné, pokud se po karbonizaci z pláště vláken odstraní zbývající organický materiál.

Pro některé aplikace je výhodnější, když se plášť vláken karbonizuje v celém svém objemu. Ke karbonizaci se s výhodou používá IR laser, přičemž je dále výhodné, pokud karbonizace probíhá v atmosféře inertního plynu.

Při karbonizaci je dále možné roztavit alespoň část povrchu minerálního jádra, která se následně spojí s karbonizovaným organickým materiálem pláště, čímž se zvýší odolnost uložení pláště na jádru.

Cíle vynálezu je dále dosaženo vláknem konečné délky, které obsahuje minerální jádro, na kterém je uložen plášť, jehož podstata spočívá v tom, že plášť je alespoň na části své délky a alespoň na části svého obvodu tvořen karbonizovaným organickým materiálem, a na jiné části své délky je v celém svém příčném průřezu tvořen organickým materiálem. Dle požadavků je přitom plášť tvořen karbonizovaným organickým materiálem alespoň na části své délky v celém svém příčném průřezu, případně v celém svém objemu. Přitom je výhodné, pokud je alespoň část pláště tvořená karbonizovaným organickým materiálem, v místech, kde byl povrch minerálního jádra během karbonizace roztaven, zakomponována do minerálního jádra, což zaručuje jejich pevné a odolné spojení.

Kromě toho je cíle vynálezu dosaženo také způsobem úpravy vlákenného útvaru obsahujícího vlákna tvořená minerálním jádrem, na kterém je uložený plášť z organického materiálu, jehož podstata spočívá vtom, že plášť se alespoň na části délky vlákna na povrchu vlákenného útvaru a alespoň na části jeho obvodu směřujícího ven z vlákenného útvaru karbonizuje laserem. Plášť přitom zůstává na části délky vlákna pod povrchem vlákenného útvaru beze změny, nebo se naopak karbonizuje po celé své délce, případně v celém svém objemu.

.:.. : páséescz

Pokud v plášti zbývá i po karbonizaci organický materiál, je z hlediska dalšího využití vlákenného útvaru výhodné, pokud je následné odstraněn.

Cíle vynálezu je také dosaženo vlákenným útvarem, který obsahuje vlákna tvořená minerálním jádrem na kterém je uložen plášť, jehož podstata spočívá v tom, že plášť je alespoň na části délky vlákna na povrchu vlákenného útvaru a alespoň na části jeho obvodu tvořený karbonizovaným organickým materiálem, případně je plášť tvořen karbonizovaným organickým materiálem v celém svém objemu. Přitom je dále výhodné, pokud je alespoň část pláště tvořená karbonizovaným organickým materiálem zakomponována do minerálního jádra.

Cíle vynálezu je dále dosaženo způsobem úpravy vlákenného útvaru obsahujícího minerální vlákna a organický materiál uspořádaný alespoň v části objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny a/nebo alespoň na povrchu vlákenného útvaru, jehož podstata spočívá v tom, že alespoň část organického materiálu se karbonizuje laserem a propůjčuje tak vlákennému útvaru určité specifické vlastnosti.

K dosažení požadovaného výsledku může postačovat karbonizace pouze části organického materiálu, takže zbývající část organického materiálu v objemu vlákenného útvaru a/nebo na povrchu vlákenného útvaru tak může zůstat beze změny. Pro některé aplikace je však výhodnější zbývající organický materiál následně odstranit.

Jiné aplikace naopak vyžaduji karbonizaci veškerého organického materiálu na povrchu vlákenného útvaru a/nebo v jeho vnitřní struktuře.

Díky jeho vlastnostem je pro karbonizaci výhodné použití IR laseru, přičemž karbonizace může probíhat v atmosféře inertního plynu. Přitom je dále výhodné, pokud se při karbonizaci roztaví alespoň část povrchu minerálního jádra, která se následně spoji s karbonizovaným organickým materiálem pláště, čímž se zvýší odolnost uložení pláště na jádru.

Cíle vynálezu je také dosaženo vlákenným útvarem, který obsahuje minerální vlákna, a organický materiál uspořádaný alespoň v části objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny a/nebo alespoň na části jeho povrchu, jehož podstata spočívá v tom, že alespoň v části objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny a/nebo alespoň na části povrchu vlákenného útvaru je uložen karbonizovaný organický materiál. Ve výhodné variantě je pak karbonizován veškerý organický materiál alespoň v části objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny a/nebo alespoň na povrchu vlákenného útvaru.

Přitom je dále výhodné, pokud alespoň část karbonizovaného organického materiálu zakomponována alespoň do některých minerálních vláken, která jsou s nim v kontaktu.

Přehled obrázků na výkrese

Výkres ukazuje na obr. 1a SEM snímek výchozího vlákenného útvaru, na obr. 1b SEM snímek tohoto vlákenného útvaru po karbonizaci, na obr. 2a SEM snímek stejného výchozího vlákenného útvaru, na obr. 2b SEM snímek tohoto vlákenného útvaru po karbonizaci v atmosféře dusíku, na obr. 3a SEM snímek jiného výchozího vlákenného útvaru, a na obr. 3b SEM snímek toho vlákenného útvaru po karbonizaci.

Příklady provedení vynálezu

Podstata vynálezu bude v dalším vysvětlena na třech odlišných variantách provedení. V první se jedná o úpravu vlákna připraveného z organického polymeru, a vlákenného útvaru obsahujícího tato vlákna, ve druhé o úpravu vláken typu jádro-plášť, která obsahují minerální jádro, na němž je uložen plášť z organického materiálu, a vlákenného útvaru obsahujícího tato vlákna, a ve třetí o úpravu vlákenného útvaru obsahujícího minerální vlákna, na jehož povrchu a/nebo v jehož struktuře se nachází karbonizovatrlný organický materiál ve formě částic a/nebo vláken a/nebo filmu.

.:.. : .PS3669cz

V prvním případě je vlákno z organického polymeru, např. aramidu, které je připraveno libovolným ze známých způsobů pro přípravu vláken, bez další úpravy vystaveno působení laseru. Laserový paprsek přitom proniká do objemu aramidového vlákna, přičemž se jeho energie mění na teplo, které vyvolává karbonizaci, při níž se aramid přeměňuje na uhlík. Volbou vlnové délky laserového paprsku přitom lze řídit hloubku jeho průniku do vlákna, a tím i dosažený podíl karbonizovaného materiálu v jeho příčném průřezu. Pohybem laserového paprsku po délce aramidového vlákna pak lze regulovat podíl karbonizovaného materiálu na jeho délce, resp. podíl délky vlákna na které karbonizace probíhá, a na které zůstává původní materiál beze změny. Relativní pohyb laserového paprsku po délce vlákna se přitom dosáhne buď pohybem laserového paprsku (např. prostřednictvím vhodných optických prostředků) a/nebo pohybem zdroje laserového paprsku a/nebo pohybem aramidového vlákna. Dle požadavků na rozloženi karbonizovaného materiálu (uhlíku) ve struktuře se přitom může jednat o přímočarý, rotační, případně složený pohyb. Relativně malá tepelná vodivost aramidu, ale obecně i jiných organických polymerů, a současně velmi krátká doba působeni laseru potřebná pro karbonizaci (řádově milisekundy) brání nežádoucímu přenosu tepla a průběhu karbonizace v částech vlákna, které záměrně nebyly vystaveny laserovému paprsku. Mezi částí vlákna, na které probíhá karbonizace a částí, která zůstává beze změny, se přitom vytváří krátký úsek, ve kterém je materiál vlákna karbonizován pouze částečně, tzn., že karbonizace zde proběhla jen na povrchu vlákna, resp. na menší části jeho příčného průřezu, než u části vlákna, která byla vystavena laserovému paprsku, nebo neproběhla chemicky úplně.

Dle volby vlnové délky použitého laserového paprsku přitom může karbonizace organického polymerního materiálu vlákna probíhat pouze na povrchu požadované části délky vlákna, na části jeho příčném průřezu nebo v celém jeho příčném průřezu.

Tímto způsobem se připravuje částečně karbonizované vlákno, které je na požadované části své délky a alespoň na části svého obvodu tvořeno karbonizovaným organickým polymerním materiálem, a vždy je alespoň na části své délky tvořeno v ceiém příčném průřezu původním organickým polymerním a ····· λ 9 v * · a .:.. t ·..·.pssůsscz materiálem beze změny. Toto vlákno pak v sobě vhodně kombinuje výhodné vlastnosti uhlíkových (karbonizovaných) vláken, jako je např. vysoká pevnost v tahu, velmi dobrá sorpce, či elektrická a tepelná vodivost, s původními textilními vlastnostmi vláken organického polymeru, zejména s jejich výhodnou pružností, elasticitou, nasákavostí, barvitelností, atd.

V podstatě stejný postup lze použít i pro úpravu vlákenných útvarů tvořených organickými polymerními vlákny, a to jak lineárních vlákenných útvarů (např. příze), tak i plošných vlákenných útvarů (např. netkaná textilie, ale i jakákoliv tkaná, či jinak vyrobená textilie). Volbou vlnové délky použitého laserového paprsku se opět řídi hloubka jeho průniku do vlákenného útvaru a jeho vláken, a tím podíl karbonizovaného organického polymemího materiálu v nich. Přitom může ke karbonizaci docházet na celém povrchu tohoto textilního útvaru, nebo jen na jeho volitelné části. V obou případech karbonizace probíhá pouze v povrchové vrstvě vláken, případné v několika povrchových vrstvách, takže vlákenný útvar si díky relativně velkému podílu nekarbonizovaných vláken z velké části zachová původní textilní vlastnosti. Karbonizace přitom probíhá alespoň na části délky vlákna na povrchu vlákenného útvaru a alespoň na části jeho obvodu směřujícího ven z vlákenného útvaru, přičemž na části své délky pod povrchem vlákenného útvaru zůstávají vlákna beze změny.

Dle požadavků, nebo při karbonizaci celého povrchu vlákenného útvaru se organický polymerní materiál vláken karbonizuje na celé délce vláken na povrchu vlákenného útvaru, případně v celém jejich příčném průřezu.

Postup úpravy vlákenných útvarů obsahujících organická polymerní vlákna lze s výhodou použít např. pro vytváření elektricky vodivých drah v lineárních nebo plošných vlákenných útvarech, aniž by tyto útvary ztratily svoje výhodné textilní vlastnosti. Změnu barvy polymerního organického materiálu, ke které při karbonizaci dochází lze také využít ke značení vlákenných útvarů.

Obdobný vlákenný útvar (lineární či plošný) lze kromě přímé aplikace laserového paprsku vytvořit také zpracováním výše popsaných částečně karbonizovaných polymerních organických vláken, neboť jejich část tvořená nekarbonizovaným organickým polymerním materiálem umožňuje jejich <«*····· · · · * · · zpracovávání většinou z běžných technik pro zpracovávání textilních vláken. Vlákenný útvar tak lze vytvořit buď výhradně z částečně karbonizovaných polymerních organických vláken, nebo ze směsi těchto vláken s libovolnými jinými vlákny.

Popisované postupy lze použít v podstatě pro jakákoliv vlákna, nebo vlákenné útvary, vytvořené z téměř libovolného organického polymerního materiálu, jež je netavitelný (resp. jehož teplota rozkladu je vyšší než teplota karbonizace) a karbonizovatelný. Typickými organickými polymery, které vyhovují těmto požadavkům, jsou např. aromatické polyamidy, bavlna, akryl, atd.

Během řady experimentů se pro karbonizaci organických polymerních vláken nejlépe osvědčil IR laser, avšak s dobrými výsledky jsou použitelné i jiné typy laserů emitujících záření v infračervené oblasti, jejichž paprsek pronikne do požadované hloubky použitých vláken.

K zabránění nežádoucího zahoření organických polymerních vláken je výhodné, pokud jejich karbonizace probíhá v atmosféře inertního plynu. Ta navíc umožňuje zvýšit teplotu, při které karbonizace probíhá, a tím zvýšit její efektivitu a zkrátit potřebný čas. Použití této atmosféry přitom není nutnou podmínkou.

Příklad 1

Jako vlákenný útvar byla použita tkaná textilie tloušťky 0,6 mm vytvořená z vláken Kevlaru (aromatický polyamid) typu 49 T 968, s jemností osnovy a útku 240 tex, dostavou osnovy a útku 6,8 nití/1 cm, a s plošnou hmotností 335 g/m². Tento textilní útvar byl po celé své ploše ozařován pulzním CO₂ laserem emitujícím záření v infračervené oblasti. Nastavení laseru se pohybovalo v rozsahu duty cycle (výkon) 10 až 50%, pixel time (čas pro značení obrazového prvku) 50 až 800 ps, přičemž pro daný textilní útvar se jako optimální ukázalo duty cycle 20% a pixel time 600ps, při níž byla hloubka průniku laserového paprsku do vláken na povrchu textilního útvaru 0,2mm.

*··*··* · 4 · V* · .:,. : ·..·,řs3669cz

SEM snímky vlákenného útvaru před provedením karbonizace a po něm představuji obr. 1a a obr. 1b.

Příklad 2

Jako vlákenný útvar byla použita stejná tkaná textilie jako v příkladu 1, stejné bylo i nastavení laseru. Karbonizace probíhala v atmosféře dusíku. Při tomto uspořádání se jako optimální nastavení laseru duty cycle 20% a pixel time 300 ps, přičemž SEM snímky vlákenného útvaru před provedením karbonizace a po něm představují obr. 2a a obr. 2b.

Obdobný princip lze použít i pro úpravu vláken typu jádro-plášť, která obsahují minerální, např. skleněné jádro, a plášť vytvořený z organického materiálu. Díky tomu, že skleněné jádro je pro laserový paprsek v podstatě průchozí, resp. jeho pohltivost vůči laserovému paprsku je minimální, může karbonizace organického pláště při vhodně volené vlnové délce laserového paprsku probíhat prostřednictvím jednoho laserového paprsku současně na odvrácených stranách vlákna, aniž by přitom došlo k porušeni či strukturální změně jádra.

Minerální jádro je současně nositelem základních mechanických vlastností celého vlákna, takže je možné karbonizovat plášť vlákna v celém jeho objemu, aniž by tím došlo k nežádoucí modifikaci mechanických vlastností vlákna. Naopak, vlákno získává díky plášti obsahujícímu karbonizovaný organický materiál výbornou elektrickou a tepelnou vodivost, a dobré sorpční vlastnosti, což rozšiřuje možnosti jeho využití. Minerální jádro navíc během karbonizace zajišťuje zachování původního tvaru vlákna, takže pro vytvoření pláště je možné použít v podstatě libovolný karbonizovatelný organický materiál, i když je jeho teplota tavení nižší než teplota, při které probíhá jeho karbonizace. Příkladem vhodného organického materiálu jsou např. sacharidy, jako je např. glukóza, sacharóza, škrob, celulóza, nebo jejich směsi, organické polymery, atd. Jako minerální jádro je pak využitelné zejména jádro skleněné, čedičové, či azbestové.

*·**·«· * * · · · * .:.. : ·..*.:.. .PS3s69cz

Dle požadavků se organický plášť vlákna karbonizuje alespoň na části své délky a alespoň na části svého obvodu, případně alespoň na části své délky v celém svém příčném průřezu, nebo v celém svém objemu. V případech, kdy po karbonizaci zůstává v plášti vlákna zbytkový organický materiál, je pro některé aplikace (zvýšená teplota, kontakt s agresivní chemickou látkou), výhodnější, pokud je tento organický materiál z pláště po karbonizaci odstraněn, např. použitím vhodného rozpouštědla, či jiným vhodným způsobem.

Delším působení laseru a/nebo modifikace jeho vlnové délky dále umožňuje během karbonizace natavit alespoň na části povrchu skleněné jádro vlákna, přičemž roztavený materiál jádra se spojuje s karbonizovaným organickým materiálem pláště. Tím se po jeho zatuhnutí dosáhne pevnějšího a odolnějšího spojeni jádra s pláštěm.

Popsanými způsoby se tedy připraví vlákno, které obsahuje minerální jádro, na němž je uložen plášť, který je alespoň na části své délky a alespoň na části svého obvodu tvořen karbonizovaným organickým materiálem. Alespoň část pláště přitom může být dle potřeby během karbonizace zakomponována do minerálního jádra.

V podstatě stejné postupy lze dále použít také k povrchové úpravě vlákenného útvaru (jak plošného, tak i lineárního), který obsahuje vlákna tvořená minerálním jádrem, na kterém je uložen plášť z organického materiálu. Tento plášť je pak dle požadavků karbonizován laserovým paprskem alespoň na části své délky a alespoň na části svého obvodu směrujícího ven z vlákenného útvaru. Podíl karbonizované části pláště přitom lze úpravou vlnové délky laserového paprsku a jeho pohybem vůči vlákennému útvaru a/nebo pohybem vlákenného útvaru během karbonizace přizpůsobit konkrétním požadavkům a uvažovaným aplikacím. Přitom je možné, aby byl plášť karbonizován pouze na části své délky a na části svého povrchu, na části své délky v celém příčném průřezu, či v celém svém objemu. Stejně jako v případě úpravy samostatného vlákna typu jádro-plášť, lze při úpravě vlákenného útvaru natavením alespoň části jádra vlákna během karbonizace do něj zakomponovat část pláště, a tím dosáhnout jejich pevnějšího a odolnějšího spojení.

••••a*· « · * * · · .:.. ! .PS3669CZ

Dle požadavků probíhá karbonizace na celém povrchu vlákenného útvaru, případné pouze v jeho zvolené části. Výsledkem pak je vlákenný útvar (plošný nebo lineární), který na svém povrchu obsahuje vlákna tvořená minerálním jádrem na kterém je uložen plášť, který je alespoň na části své délky a alespoň na části svého obvodu tvořen karbonizovaným organickým materiálem. Díky tomu, že laserový paprsek prochází minerálními jádry vláken v podstatě beze ztrát, může dle volby vlnové délky použitého laserového paprsku, karbonizace probíhat i relativně hluboko pod povrchem vlákenného útvaru.

Při zvláštních požadavcích na umístění vláken s minerálním jádrem, na kterém je uložen plášť, který je alespoň na části své délky a alespoň na části svého povrchu tvořen karbonizovaným organickým materiálem ve vnitrní struktuře vlákenného útvaru, je možné tato vlákna zpracovat samostatně nebo v kombinaci s vlákny jiného typu vhodnou technikou do požadovaného vlákenného útvaru.

Také pro karbonizaci organického pláště vláken typu jádro-plášť se nejlépe osvědčil IR laser. S dobrými výsledky jsou použitelné i jiné typy laserů emitujících záření v infračervené oblasti, jejichž paprsek pronikne do požadované hloubky použitých vláken.

K zabráněni nežádoucímu zahoření organického materiálu pláště vláken, je výhodné, pokud jeho karbonizace probíhá v atmosféře inertního plynu, která současně umožňuje zvýšit teplotu, při které karbonizace probíhá, a tím zvýšit její efektivitu a zkrátit potřebný čas, případně požadovaným způsobem natavit část minerálního jádra. Použití této atmosféry však není podmínkou.

Jak bylo uvedeno výše, požadovaného stupně karbonizace se dosahuje během jednotek milisekund, díky čemuž lze i pro úpravu vlákenných útvarů s relativně velkým povrchem použít pouze jeden laserový paprsek. Tím se dosáhne nejen snížení nákladů, ale také podstatná úspora prostoru, při zachováni, či dokonce zvýšení výkonu.

V další variantě lze laserovým paprskem karbonizovat organický, karbonizovatelný materiál, který je např. ve formě částic (prášku), filmu, vláken, jejich kombinací, atd., uložen na povrchu a/nebo ve vnitřní struktuře vlákenného .:1. ’T *.:1. ’ .pešeďscz útvaru (plošného i lineárního) tvořeného minerálními vlákny. Vzhledem k tomu, že minerální vlákna jsou pro laserový paprsek v podstatě průchozí a karbonizace se sama neúčastní (s výjimkou řízeného natavení jejich povrchu), nedochází během karbonizace ke ztrátě vlákenné morfologie vlákenného útvaru, a jeho původních vlastností. Karbonizovaný organický materiál navíc tomuto vlákennému útvaru, nebo jeho částem, propůjčuje specifické vlastnosti, mj. velmi dobré sorpční schopnosti, atd.

Výsledný vlákenný útvar je pak s výhodou použitelný pro přípravu filtrů nebo částí filtrů, které mají díky karbonizovanému organickému materiálu velmi dobré sorpční a antimikrobiální vlastnosti, a současně jsou díky minerálním vláknům dostatečně odolné i při poměrné vysokém namáhání.

Karbonizace organického materiálu přitom může probíhat v celém objemu vlákenného útvaru (laserový paprsek proniká minerálními vlákny téměř beze ztrát), případě dle požadavků pouze v části objemu - volbou vlnové délky laseru a/nebo pohybem laserového paprsku vůči vlákennému útvaru a/nebo pohybem vlákenného útvaru vůči statickému laserovému paprsku. Volitelný podíl organického materiálu na povrchu vlákenného útvaru a/nebo v jeho vnitřní struktuře tak může dle požadavků zůstat beze změny.

V případech, kdy po karbonizaci zůstává ve vlákenném útvaru zbytkový organický materiál, je pro některé specifické aplikace (zvýšená teplota, kontakt s agresivní chemickou látkou, atd.) výhodnější, pokud je tento organický materiál z vlákenného útvaru po karbonizaci odstraněn, např. použitím vhodného rozpouštědla, Či jiným vhodným způsobem.

Pro dosažení pevného spojení mezi minerálními vlákny a karbonizovaným organickým materiálem je možné, stejně jako ve výše popsaných variantách, působením laseru dosáhnout natavení alespoň části povrchu alespoň některých minerálních vláken, přičemž roztavený materiál jádra se spojuje s karbonizovaným organickým materiálem pláště.

Dle konkrétních požadavků a podílu organického materiálu, který je karbonizován tak lze připravit vlákenný útvar, který obsahuje minerální vlákna, a alespoň v části svého objemu mezi minerálními vlákny a/nebo alespoň na části povrchu útvaru karbonizovaný organický materiál, nebo směs organického .:.. : ·..·.řeSo^Ocz materiálu a karbonizovaného organického materiálu. Zejména pro použiti ve filtračních aplikacích je výhodnější, pokud je v celém objemu vlákenného útvaru uložen karbonizovaný organický materiál.

Také u této varianty lze dosáhnout pevnějšího spojení minerálních vláken s karbonizovaným organickým materiálem zakomponováním organického materiálu do povrchu alespoň některých minerálních vláken, natavením alespoň části jejich povrchu během karbonizace.

I pro popsanou úpravu vlákenných útvarů obsahujících minerální vlákna a organický karbonizovatelný materiál se nejlépe osvědčil IR laser. S dobrými výsledky jsou však použitelné i jiné typy laserů emitujících záření v infračervené oblasti, jejichž paprsek pronikne do požadované hloubky tohoto vlákenného útvaru.

K zabránění nežádoucímu zahoření organického materiálu, je dále výhodné, pokud jeho karbonizace probíhá v atmosféře inertního plynu, která současně umožňuje zvýšit teplotu, při které karbonizace probíhá, a tím zvýšit její efektivitu a zkrátit potřebný čas, případně požadovaným způsobem natavit část minerálního jádra. Použití této atmosféry však není podmínkou.

Příklad 3

Výchozí vlákenný útvar byl připraven nanesením roztoku sacharózy v koncentraci 300 g.l·¹ na filtrační textilii ze skleněných vláken s plošnou hmotností 75 g.m’² klocováním na fuláru, Přítlak fuláru přitom byl 2x10⁵ Pa, rychlost průchodu textilie fulárem 1 m/min¹. Takto připravený vlákenný útvar byl dále zasušen při 80 Ό po dobu 5 minut.

Vlákenný útvar byl následně ozařován po celé své ploše infračerveným CO₂ laserem, jehož nastavení se postupně měnilo v rozsahu duty cycle od 5 do 20%, pixel time 50 až 800 ps, Jako optimální se ukázalo nastavení laseru duty cycle 10% a pixel time 700 ps. SEM snímky vlákenného útvaru před provedením karbonizace a po něm představují obr. 3a a obr. 3b.

P63669CZ

Jak bylo uvedeno výše, požadovaného stupně karbonizace se dosahuje během jednotek milisekund, díky čemuž lze i pro povrchovou úpravu vlákenných útvarů s relativně velkým povrchem použít pouze jeden laserový paprsek. Tím se dosáhne nejen sníženi nákladů, ale také podstatná úspora 5 prostoru, při zachováni, či dokonce zvýšení výkonu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob úpravy organických polymernich vláken konečné délky, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna se na části své délky a alespoň na části svého obvodu karbonizují laserem, přičemž na jiné části své délky zůstávají beze změny.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna se karbonizují na celém svém obvodu, přičemž uvnitř svého příčného průřezu zůstávají beze změny.
3. Způsob podle libovolného z nároků 1, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna se karbonizují v celém svém příčném průřezu.
4. Způsob podle libovolného z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna se karbonizují IR laserem.
5. Způsob podle libovolného z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna se karbonizují v atmosféře inertního plynu.
6. Vlákno konečné délky obsahující organický polymerní materiál, vyznačující se tím, že část délky vlákna je alespoň na části svého obvodu tvořena karbonizovaným organickým polymerním materiálem, přičemž jiná část délky vlákna je v celém svém příčném průřezu tvořena organickým polymerním materiálem.
7. Vlákno podle nároku 6, vyznačující se tím, že část délky vlákna je tvořena karbonizovaným organickým polymerním materiálem v celém svém příčném průřezu.
8. Způsob úpravy vlákenného útvaru obsahujícího organická polymerní vlákna, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna se alespoň na části své délky na povrchu vlákenného útvaru a alespoň na části svého obvodu směřujícího ven z vlákenného útvaru karbonizují laserem, přičemž na části své délky pod povrchem vlákenného útvaru zůstávají beze změny.

·*···&« · 4 · ·· ♦ .:.. : ·..·Rtóeedtz
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna se karbonizují na celé své délce na povrchu vlákenného útvaru.
10. Způsob podle nároku 8 nebo 9, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna vlákenného útvaru se karbonizují v celém svém příčném průřezu.
11. Způsob podle libovolného z nároků 8 až 10, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna vlákenného útvaru se karbonizují IR laserem.
12. Způsob podle libovolného z nároků 8 až 11, vyznačující se tím, že organická polymerní vlákna vlákenného útvaru se karbonizují v atmosféře inertního plynu.
13. Vlákenný útvar, který obsahuje vlákna obsahující organický polymerní materiál, vyznačující se tím, že vlákna obsahující organický polymerní materiál jsou na části své délky v celém svém příčném průřezu tvořena organickým polymemim materiálem, a na jiné část své délky jsou alespoň na části svého obvodu tvořena karbonizováným organickým polymerním materiálem.
14. Vlákenný útvar podle nároku 13, vyznačující se tím, že vlákna obsahující organický polymerní materiál jsou na části své délky tvořena karbonizovaným organickým polymerním materiálem v celém svém příčném průřezu.
15. Způsob úpravy vláken obsahujících minerální jádro a plášť z organického materiálu, vyznačující se tím, že plášť se alespoň na části své délky a alespoň na části svého obvodu karbonizuje laserem.
16. Způsob podle nároku 15, vyznačující se tím, že plášť se karbonizuje alespoň na části své délky v celém svém příčném průřezu.
17. Způsob podle nároku 15 nebo 16, vyznačující se tím, že po karbonizaci se z pláště odstraní zbývající organický materiál.

······« · · · · · * .:.. : ρδβδβθ’οζ
18. Způsob podle nároku 15 nebo 16, vyznačující se tím, že plášť se karbonizuje v celém svém objemu.
19. Způsob podle libovolného z nároků 15 až 18, vyznačující se tím, že plášť se karbonizuje IR laserem.
20. Způsob podle libovolného z nároků 15 až 19, vyznačující se tím, že plášť se karbonizuje v atmosféře inertního plynu.
21. Způsob podle libovolného z nároků 15 až 20, vyznačující se tím, že béhem karbonizace se roztaví alespoň část povrchu minerálního jádra, která se následné spojí s karbonizovaným organickým materiálem pláště.
22. Vlákno konečné délky obsahující minerální jádro, na kterém je uložen plášť, vyznačující se tím, že plášť je alespoň na části své délky a alespoň na části svého obvodu tvořen karbonizovaným organickým materiálem, a na jiné části své délky je v celém svém příčném průřezu tvořen organickým materiálem.
23. Vlákno podle nároku 22, vyznačující se tím, že plášť je tvořen karbonizovaným organickým materiálem alespoň na části své délky v celém svém příčném průřezu.
24. Vlákno podle nároku 23, vyznačující se tím, že plášť je tvořen karbonizovaným organickým materiálem v celém svém objemu.
25. Vlákno podle libovolného z nároků 22 až 24, vyznačující se tím, že alespoň část pláště tvořená karbonizovaným organickým materiálem je zakomponována do minerálního jádra, v místech, kde byl povrch minerálního jádra během karbonizace roztaven.
26. Způsob úpravy vlákenného útvaru obsahujícího vlákna tvořená minerálním jádrem, na kterém je uložený plášť z organického materiálu, vyznačující se tím, že plášť se alespoň na části délky vlákna na povrchu vlákenného útvaru a alespoň na části jeho obvodu směřujícího ven z vlákenného útvaru karbonizuje laserem.

·····<♦ · · · · · * .:.. : ·..·.:.. pfeeWcz
27. Způsob podle nároku 26, vyznačující se tím, že plášť zůstává na částí délky vlákna pod povrchem vlákenného útvaru beze změny.
28. Způsob podle nároku 26 nebo 27, vyznačující se tím, že plášť se na povrchu vlákenného útvaru karbonizuje na celé své délce.
29. Způsob podle nároku 28, vyznačující se tím, že plášť se karbonizuje v celém svém příčném průřezu.
30. Způsob podle nároku 26, vyznačující se tím, že plášť se karbonizuje alespoň na části svého obvodu na celé své délce.
31. Způsob podle libovolného z nároků 26 až 29, vyznačující se tím, že z pláště vláken vlákenného útvaru se následně odstraní zbývající organický materiál.
32. Způsob podle nároku 31, vyznačující se tím, že plášť se karbonizuje v celém svém objemu.
33. Způsob podle nároku libovolného z nároků 26 až 32, vyznačující se tím, že plášť se karbonizuje IR laserem.
34. Způsob podle libovolného z nároků 26 až 33, vyznačující se tím, že plášť se karbonizuje v atmosféře inertního plynu.
35. Způsob podle libovolného z nároků 26 až 34, vyznačující se tím, že během karbonizace se roztaví alespoň část povrchu minerálního jádra, která se následně spoji s karbonizovaným organickým materiálem pláště.
36. Vlákenný útvar, který obsahuje vlákna tvořená minerálním jádrem na kterém je uložen plášť, vyznačující se tím, že plášť je alespoň na části délky vlákna na povrchu vlákenného útvaru a alespoň na části jeho obvodu tvořený karbonizovaným organickým materiálem.
37. Vlákenný útvar podle nároku 36, vyznačující se tím, že plášť je tvořený karbonizovaným organickým materiálem v celém svém objemu.

• ·**· «·* · * ♦ ♦ ·
38. Vlákenný útvar podle nároku 36 nebo 37, vyznačující se tím, že alespoň část pláště tvořená karbonizovaným organickým materiálem je zakomponována do minerálního jádra.
39. Způsob úpravy vlákenného útvaru obsahujícího minerální vlákna a organický materiál uspořádaný alespoň v části objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny a/nebo alespoň na povrchu vlákenného útvaru, vyznačující se tím, že alespoň část organického materiálu se karbonizuje laserem.
40. Způsob podle nároku 39, vyznačující se tím, že část organického materiálu v objemu vlákenného útvaru zůstává beze změny.
41. Způsob podle nároku 39 nebo 40, vyznačující se tím, že část organického materiálu na povrchu vlákenného útvaru zůstává beze změny.
42. Způsob podle nároku 39 nebo 40, vyznačující se tím, že organický materiál na povrchu vlákenného útvaru se karbonizuje v celém svém objemu.
43. Způsob podle libovolného z nároků 39 až 42, vyznačující se tím, že z vlákenného útvaru se následně odstraní zbývající organický materiál.
44. Způsob podle nároku 39, vyznačující se tím, že organický materiál se karbonizuje v celém objemu vlákenného útvaru.
45. Způsob podle nároku libovolného z nároků 39 až 44, vyznačující se tím, že organický materiál se karbonizuje IR laserem.
46. Způsob podle libovolného z nároků 39 až 45, vyznačující se tím, že organický materiál se karbonizuje v atmosféře inertního plynu.
47. Způsob podle libovolného z nároků 39 až 46, vyznačující se tím, že během karbonizace se roztaví alespoň část povrchu alespoň některých minerálních vláken vlákenného útvaru, která jsou v kontaktu s karbonizovaným organickým materiálem, a spojí se s ním.
48. Vlákenný útvar, který obsahuje minerální vlákna, a organický materiál uspořádaný alespoň v části objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny * ···· * * · · * ··· .:.. : ·..*.:.. rbswcz a/nebo alespoň na části povrchu vlákenného útvaru, vyznačující se tím, že alespoň v části objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny a/nebo alespoň na části povrchu vlákenného útvaru je uložen karbonizovaný organický materiál.

5
49. Vlákenný útvar, který obsahuje minerální vlákna, vyznačující se tím, že alespoň v části objemu vlákenného útvaru mezi minerálními vlákny a/nebo alespoň na povrchu vlákenného útvaru je uložen karbonizovaný organický materiál.
50. Vlákenný útvar podle nároku 49, vyznačující se tím, že 10 karbonizovaný organický materiál je uložen v celém objemu vlákenného útvaru.
51. Vlákenný útvar podle libovolného z nároků 48 až 50, vyznačující se tím, že alespoň část karbonizovaného organického materiálu je zakomponována alespoň do některých minerálních vláken, která jsou s ním v kontaktu.