CZ2010164A3

CZ2010164A3 - Zpusob výroby nanovláken elektrostatickým zvláknováním polymerního roztoku a zarízení k provádení zpusobu

Info

Publication number: CZ2010164A3
Application number: CZ20100164A
Authority: CZ
Inventors: Šafár@Václav
Original assignee: Šafár@Václav
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2011-09-14
Also published as: CZ303024B6

Abstract

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

Description

Název vynálezu

Způsob výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním polymerního roztoku a zařízení k provádění způsobu

Oblast techniky

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

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

Dosavadní stav techniky

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

K výrobě nanovláken se také užívá mechanických sil proudícího plynného media, jak jsou na příklad popsány v patentech US 6 382 526 a US 6 520 425, kde se polymerní roztoky dávkují do zvlákňovací trysky ve tvaru mezikruží. Touto technikou se dosahují hrubší průměry nanovláken v rozmezí 200 až 3000 nanometrů s dosti vysokým výkonem.

Další postupy jsou popsány v patentových přihláškách WO 0 127 365,

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

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

Dalším principem pro vytváření nanovláken a pro jejich průmyslovou produkci je řešení podle vynálezu CZ 294 274 B 6, jehož podstata spočívá v tom, že se polymemí roztok do elektrického pole pro zvlákňování přivádí povrchem válcové otáčející se nabité elektrody, která je jen zčásti ponořena do polymerního roztoku. Při jejím otáčení se na části obvodu přivráceném k protielektrodě vytváří zvlákňovací plocha, na níž je polymer schopen za příznivých okolností vytvářet nanovlákna. Množství vznikajících nanovláken je závislé na velikosti zvlákňovací plochy a taje úměrná velikostí a tvaru nabité elektrody a protielektrody. Unášení nanovláken od nabité elektrody k protielektrodě je způsobeno elektrickým polem a je podporováno prouděním vzduchu, který nanovlákna unáší a suší. Podstatou tohoto zařízení je válcová horizontální otočně uložená nabitá elektroda, která částí svého obvodu zasahuje do polymerního roztoku a proti volné části obvodu je umístěna protielektroda, před níž je prostředek pro ukládání nanovláken.

Přehled obrázků na výkrese

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

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

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

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

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

Podstata vynálezu

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

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

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

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

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

Příklady provedení vynálezu

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

Na obr. 2 je polymerní roztok 3 přiváděn do trubky 2 z níž se vylévá soustavou výtoků uspořádaných v celé pracovní šíři na zvlákňovací elektrodu 1 napojenou na zdroj vysokého napětí 30, kde se vytváří zvlákňovací vrstva 4 z níž se emitují nanovlákna 6 a ta se elektrickými silami unášejí k uzemněné 31 sběrné elektrodě 8 před níž je sběrná plocha 70, na kterou se nanovlákna 6 ukládají do vrstvy 10, Sběrná plocha 70 je vytvořena pásem 12, který je veden vodícími válečky 20, 21 a je tažen neznázoměným pohonem a navíjen na obvyklý návin. Nespotřebovaný polymer 3 při emisi nanovláken 6 na spádové ploše 40 je usměrněn do žlábku 28 z něhož se odvádí zpět do zásobní nádoby 33 nebo k úpravě viskozity. Pás 12 je v emisní zóně veden vertikálně směrem V. Sběrná plocha 70 a sběrná elektroda 8 i stěna 11 odsávací skříně 16 jsou prodyšné a vzduch se odsává potrubím 17.

Na obr.3 je zvlákňovací elektroda 100 ve tvaru rádiusového oblouku a k ní v těsné blízkosti je výtok 32 polymemího roztoku 3, který se po ploše zvlákňovací elektrody 100 roztírá stěrkou 29 vratným pohybem otočného ramena 27. Polymerní roztok 3 je v uzavřené zásobní nádobě 33 a prostor 34 nad ním je trubkou 35 spojen s regulačním ventilem 36, jehož funkce je spojena s neznázoměným čidlem snímajícím stav vrstvy 4 polvmcrního roztoku 3. Jeho nespotřebovaný zbytek se sdružuje v žlábku 28 a odvádí se k úpravě viskozity. Proti zvlákňovací elektrodě 100 je v emisní vzdálenosti sběrná elektroda 80, na níž se nanovlákna 6 ukládají do vrstvy JO, která se nasává ústím 81 do trubky 82, kterou se odvádějí do neznázorněného sběrného prostoru nebo ke zpracování nebo se vrstva 10 navíjí na přepravní návin společně se sběrným pásem 12. Do emisní zóny směřuje přívod 39 sušícího vzduchu, který se nasává prodyšným povrchem sběrné elektrody 80 a odvádí se potrubím 17, které je vývodem 18 spojeno s odsávacím zařízením.

Na obr. 4 je zvlákňovací elektroda 100 ve tvaru oblouku. K. její horní části je upraven přívod polymemího roztoku 3 do trubky 2. Z ní se polymemí roztok ^usměrňuje štěrbinou, nebo hustě rozmístěnými malými otvory k vytváření zvlákňovací vrstvy 4, která je upravena do rovnoměrné vrstvy válečkem 5, který se neznázoměným mechanismem přemisťuje po zvlákňovací vrstvě 4 nahoru a dolů.Ze zvlákňovací vrstvy 4 se emitují nanovlákna 6, která jsou elektrickými sílami tažena k válcové sběrné elektrodě 800, která je opásána pásem 12, k vytváření sběrné plochy 700, na níž se nanovlákna 6 ukládají ve vrstvě 10 a s ní se odvádějí. Sběrná elektroda 800 i sběrná plocha 700 jsou prodyšné a vzduch se odsává z vnitřního válcového prostoru potrubím 17. který je spojen vývodem 18 s odsávacím zařízením.

Claims

Patentové nároky

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

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

3. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že se tloušťka zvlákňovací vrstvy /4/ na zvlákňovací elektrodě /1,100/ upravuje regulací výtoku polymerního roztoku /3/ ze zásobní nádoby /33/.

4. Způsob podle nároků 1 až 3 vyznačující se tím, že se tloušťka zvlákňovací vrstvy /4/ na zvlákňovací vrstvě /100/ vyrovnává válečkem /5/ přisazeným s mezerou ke zvlákňovací elektrodě /100/ nebo s výhodou s obvodovými drážkami na válečku /5/.

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

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

7. Zařízení k provádění způsobu výroby nanovláken /6/ podle nároků 1 až 6 obsahující elektrostatické zařízení ke zvlákňování polymerního roztoku /3/ zvlákňovací elektrodou /1,100/ a sběrnou elektrodou /8,80,800/ mezi nimiž vzniká elektrostatické pole a na zvlákňovací elektrodě /1,100/ se z polymerního roztoku /3/ vytváří zvlákňovací vrstva /4/ ze které se emitují nanovlákna /6/ a ukládají se ve vrstvě /10/ na sběrnou elektrodu /8,80,800/ nebo na sběrnou plochu /7,70,700/ vyznačující se tím, že ke zvlákňovací elektrodě /1,100/je proveden přívod /2,32/ polymerního roztoku /3/ z přidružené zásobní nádoby /33/ na spádovou plochu /40/ zvlákňovací elektrody /1,100/ kde se polymerní roztok /3/ upravuje do zvlákňovaci vrstvy /4/ z které se elektrostatickými silami emitují nanovlákna /6/ a ukládají sc do vrstvy /10/ na sběrné elektrodě /8,80,800/ nebo na sběrné ploše /7,70,700/.

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

9. Zařízení podle nároku 7 vyznačující se tím, že zvlákňovaci elektroda /1/je vertikální plocha a sběrná elektroda /8/je s ní rovnoběžná a k ní je přidružena rovnoběžná sběrná plocha /70/ pro nanovlákna /6/.

10. Zařízení podle nároku 7 vyznačující se tím, že sběrná elektroda /80/ je válcová s horizontální osou a k ní je v emisní vzdálenosti upravena zvlákňovaci elektroda /100/ s rádiusovým zakřivením, k níž se v těsné blízkosti přivádí výtokem /32/ polymerní roztok /3/, který se pohybem výtoku /32/ upravuje do zvlákňovaci vrstvy /4/ z které se emitují nanovlákna /6/ ke sběrné elektrodě /80/ u které je přisazeno ústí /81/ trubky /82/ k odvádění nanovláken /6/.

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