CZ2010221A3 - Zpusob a zarízení pro výrobu polymerních nanovláken z kapalné polymerní matrice - Google Patents

Abstract

Pri zpusobu výroby polymerních nanovláken z kapalné polymerní matrice (7) se kapalná polymerní matrice (7) dopravuje na povrch otácející se válcové zvláknovací elektrody (2), kde se pomocí roztíracího prostredku prirazeného zvláknovací elektrode (2) vytvárí vrstva polymerní matrice (7) predem dané tlouštky (w.sub.1.n., x.sub.1.n.). Ve zvláknovací zóne vytvárené mezi cástí obvodu zvláknovací elektrody (2) a proti ní usporádanou sbernou elektrodou (3) se silovým pusobením elektrického pole pretvárí polymerní matrice (7) na polymerní nanovlákna. Zarízení pro výrobu nanovláken obsahuje zvláknovací komoru (1), v níž jsou proti sobe usporádány otocná válcová zvláknovací elektroda (2) a sberná elektroda (3), z nichž každá je pripojena k rozdílnému elektrickému potenciálu.

Description

Způsob a zařízení pro výrobu polymemích nanovláken z kapalné polymemí matrice

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zařízení k výrobě polymemích nanovláken z kapalné polymemí matrice, u kterého se kapalná polymemí matrice dopravuje na povrchu otáčející se válcové zvlákňovací elektrody do zvlákňovací zóny vytvořené mezi částí obvodu zvlákňovací elektrody a proti ní uspořádanou sběrnou elektrodou.

Dosavadní stav techniky

Pro výrobu polymemích nanovláken z kapalných polymemích matric (roztoků nebo tavenin polymerů) elektrostatickým zvlákňováním se v současné době používá několik různých typů statických nebo rotačních zvlákňovacích elektrod.

Základním typem statické zvlákňovací elektrody je tryska či soustava trysek, ze kterých je polymemí matrice vytlačována do elektrického pole vytvořeného mezi zvlákňovací elektrodou a proti ní uspořádanou sběrnou elektrodou. Tyto trysky jsou použity např. u zařízeni popsaného v mezinárodní patentové přihlášce WO 03080905, či v novější WO 2005/090653. Nevýhodou tohoto typu zvlákňovací elektrody je jednak její vysoká poruchovost, kdy dochází vlivem ucpávání trysek zasychající polymemí matricí k přerušení procesu elektrostatického zvlákňování, a také faktická nemožnost regulace jejího výkonu. Kromě toho dochází při jakémkoliv jiném uspořádání než při umístění sběrné elektrody nad zvlákňovací elektrodou, tedy při zvlákňování směrem nahoru, k úkapu polymemí matrice z jednotlivých trysek, přičemž její kapky poškozují již vytvořenou vrstvu polymemích nanovláken a svým elektrickým nábojem narušují stabilitu elektrického pole a celého procesu elektrostatického zvlákňování. Přitom může dojít také k porušení bezpečnosti celého zařízení.

φφ · ΦΦ ···· • · · · Φ Φ • · · φ · Φ φ ······ · · • · · · · · ···· Φ Φ· Φ·

PS3672CZ

Stejné nevýhody vykazuje i zařízení popsané EP 0027777, u kterého polymerní tavenina stéká působením gravitace do elektrického pole štěrbinou.

Mezi rotační zvlákňovací elektrody patři tělesa různých, většinou rotačních tvarů, která se alespoň částečně brodí v polymerní matrici, a vynáší ji do elektrického pole na svém povrchu - viz např. EP 1673493, WO 2008028428, či WO 2007/111477. Tyto zvlákňovací elektrody sice odstraňuji nebo alespoň zmírňují většinu nevýhod statických zvlákňovacích elektrod, avšak stejně jako ony jsou vhodné zejména pro zvlákňování směrem nahoru, kdy je zvlákňovací elektroda uspořádaná pod sběrnou elektrodou, a v některých specifických případech pro zvlákňování šikmo nahoru nebo do boku. Při jiném uspořádání pak dochází, stejně jako u statických elektrod, k úkapu polymerní matrice, přičemž její kapky mechanicky porušují již vytvořenou vrstvu polymerních nanovláken, a narušuji stabilitu elektrického pole a celého procesu elektrostatického zvlákňování. Další nevýhodou je, že během rotace zvlákňovací elektrody se působením gravitační síly (a v případné vyšší rychlosti rotace zvlákňovací elektrody i vlivem odstředivých sil) mění množství polymerní matrice přiváděné zvlákňovací elektrodou do elektrického pole, což způsobuje nerovnoměrnost vyvářené vrstvy polymerních nanovláken.

Zvýše uvedeného dále také vyplývá, že stávající typy zvlákňovacích elektrod jsou použitelné pouze v kombinaci s podkladovým materiálem (na kterém se zachytávají připravená polymerní nanovlákna), který je v elektrickém poli umistěn/veden v podstatě v napnutém stavu nad zvlákňovací elektrodou nebo vedle ní. Tento požadavek omezuje skupinu použitelných podkladových materiálů pouze na materiály s dostatečnou podélnou pevností v tahu, a uložení vrstvy polymerních nanovláken na jiném podkladovém materiálu, např. na vlákenné pavučině pak představuje velmi složitý technologický problém. Přitom je z dosavadního výzkumu zřejmé, že kombinací vrstvy polymerních nanovláken s některými takovými materiály, zejména netkanými textiliemi, je možné vytvořit výrobky s lepšími vlastnostmi a širšími možnostmi využití, než při použití podkladových materiálů s vyšší podélnou pevností v tahu.

Cílem vynálezu je navrhnout způsob pro výrobu polymerních nanovláken z kapalné polymerní matrice a zařízení k provádění tohoto způsobu, které odstraní nevýhody dosavadního stavu techniky.

• to * ♦ · ··»♦· ·· ♦ to to · · to ·· ·· • · · · · · to β» to···*·· · · · ♦ ·♦ · ··» ·· · • ••to · ·· ·· ·····

PS3672CZ

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem pro výrobu polymerních nanovláken z kapalné polymerní matrice, u něhož se kapalná polymerní matrice dopravuje povrchu otáčející se válcové zvlákňovací elektrody do zvlákňovací zóny vytvořené mezi částí obvodu zvlákňovací elektrody a proti ní uspořádanou sběrnou elektrodou, v niž se kapalná polymerní matrice silovým působením elektrického pole vytvořeného rozdílem elektrických potenciálů zvlákňovací elektrody a proti ní uspořádané sběrné elektrody přetváří na polymerní nanovlákna. Podstata vynálezu pak spočívá v tom, že na povrch otáčející se zvlákňovací elektrody se před zvlákňovací zónou nanese kapalná polymerní matrice, z níž se na povrchu otáčející se zvlákňovací elektrody pomocí roztíracího prostředku přiřazeného zvlákňovací elektrodě vytváří vrstva předem dané tloušťky.

Pro aplikace určené pro zvlákňování směrem dolů, nebo šikmo dolů je výhodné, pokud je přitom síla působící mezi vrstvou kapalné polymerní matrice a povrchem zvlákňovací elektrody větší než součet gravitační síly a odstředivé sily působící na tuto vrstvu kapalné polymerní matrice. Tím se dosáhne nejen rovnoměrného přísunu předem daného množství kapalné polymerní matrice do zvlákňovací zóny mezi částí obvodu zvlákňovací elektrody a proti ní uspořádanou sběrnou elektrodou, takže výsledná vrstva polymerních nanovláken je díky tomu rovnoměrnější, ale současně se zabrání nežádoucímu úkapu polymerní matrice z povrchu zvlákňovací elektrody.

Dle použitého typu kapalné polymerní matrice a jejích fyzikálních vlastností leží šířka pracovní štěrbiny v intervalu od 0,1 mm do 1 mm, výhodněji pak v intervalu od 0,2 mm do 0,5 mm.

Vhodným roztíracím prostředkem přiřazeným zvlákňovací elektrodě je přitom buď statická lišta, nebo pomocná válcová zvlákňovací elektroda, na jejímž povrchu se rovněž vytváří vrstva kapalné polymerní matrice předem dané tloušťky. Vrstva polymerní matrice na povrchu pomocné zvlákňovací elektrody se přitom přivádí do zvlákňovací zóny mezi částí obvodu pomocné válcové zvlákňovací elektrody a proti ní uspořádané sběrné elektrody, kde se rovněž přetváří na polymerní nanovlákna.

PS3672CZ ·« ···

Cíle vynálezu je dále dosaženo zařízením pro výrobu polymerních nanovláken z kapalné polymerní matrice, které obsahuje zvlákňovaci komoru, v níž jsou proti sobě uspořádány otáčející se válcová zvlákňovaci elektroda a sběrná elektroda, z nichž každá je připojena k rozdílnému elektrickému potenciálu, přičemž mezi částí obvodu zvlákňovaci elektrody a proti ní uspořádanou sběrnou elektrodou je vytvořena zvlákňovaci zóna. Před vstupem otáčejícího se povrchu zvlákňovaci elektrody do zvlákňovaci zóny je povrchu zvlákňovaci elektrody přiřazen roztíraci prostředek, přičemž mezi ním a povrchem zvlákňovaci elektrody je vytvořena pracovní štěrbina konstantní šířky.

Nejvhodnějším roztíracím prostředkem je přitom statická lišta nebo pomocná válcová zvlákňovaci elektroda. Statická lišta přitom může svým tvarem snadněji kopírovat případné konstrukční zaoblení nebo zkosení válcové zvlákňovaci elektrody.

Dle použitého typu kapalné polymerní matrice, jejích fyzikálních vlastností a rychlosti otáčení zvlákňovaci elektrody leží šířka pracovní štěrbiny v intervalu od 0,1 mm do 1 mm, výhodněji pak v intervalu od 0,2 mm do 0,5 mm.

Pro možnost využití zařízení podle vynálezu pro elektrostatické zvlákňováni různých typů polymerní matrice při různých podmínkách v elektrickém poli je výhodné, pokud je šířka pracovní štěrbiny v těchto intervalech nastavitelná.

Přehled obrázků na výkrese

Na přiloženém výkrese jsou schematicky znázorněny dvě varianty zařízení k provádění způsobu pro výrobu polymerních nanovláken z kapalné polymerní matrice podle vynálezu určené pro zvlákňováni směrem dolů, přičemž na obr. 1 je znázorněn řez zvlákňovaci komorou tohoto zařizení se statickým prostředkem pro vytváření vrstvy kapalné polymerní matrice na zvlákňovaci elektrodě, na obr. 2 pohled shora na tuto variantu, na obr. 3 řez zvlákňovaci komorou tohoto zařízení s pohyblivým prostředkem pro vytváření vrstvy kapalné polymerní matrice na zvlákňovaci elektrodě, na obr. 4 pohled * · •PS3K72CZ

shora na tuto variantu, a na obr. 5 graf znázorňující závislost výkonu procesu elektrostatického zvláknování na rychlosti otáčeni zvlákňovací elektrody pro polymerní matrici PVA.

Příklady provedení vynálezu

Způsob pro výrobu polymerních nanovláken z kapalné polymerní matrice podle vynálezu bude vysvětlen na dvou variantách zařízeni k provádění tohoto způsobu, které jsou schematicky znázorněny na obr. 1 až obr. 4. Jedná se přitom o varianty, které jsou určeny pro zvláknování směrem dolů, případně šikmo dolů.

Na obr. 1 je znázorněn řez zvlákňovací komorou 1 zařízení k provádění způsobu podle vynálezu, v jejíž horní části je otočně uspořádaná válcová zvlákňovací elektroda 2, proti které je ve spodní části zvlákňovací komory 1 uspořádaná plošná sběrná elektroda 3. Zvlákňovací elektroda 2 a sběrná elektroda 3 jsou propojeny s opačnými póly zdroje 10 vysokého stejnosměrného napětí, který je umístěn mimo zvlákňovací komoru 1_, případně je jedna z nich uzemněna, přičemž rozdílem jejich elektrických potenciálů je mezi nimi vytvořeno elektrické pole o vysoké intenzitě. Zvlákňovací elektroda 2 je dále spřažena s neznázorněným pohonem pro otáčivý pohyb kolem podélné osy 21 ve směru naznačeném šipkou A.

V blízkosti horní části zvlákňovací elektrody 2 je po celé její délce rovnoběžně uspořádaná šikmá statická lišta 4, přičemž mezi touto statickou lištou 4 a povrchem zvlákňovací elektrody 2 je vytvořena pracovní štěrbina 24 konstantní šířky w. Jak je patrné z obr. 1 i obr. 2, který představuje pohled do zvlákňovací komory 1 shora, prostor mezi zvlákňovací elektrodou 2 a statickou lištou 4 je v oblasti čel zvlákňovací elektrody 2 uzavřen bočnicemi 5 přibližně trojúhelníkového tvaru. Tím je z tohoto prostoru vytvořen zásobní prostor 6 pro dočasné uložení kapalné polymerní matrice 7 určené ke zvláknování. Jako kapalnou polymerní matrici 7 přitom lze použít jak roztok, tak i taveninu polymeru.

PS3S72CZ

Shora zasahuje do zásobního prostoru 6 a ve znázorněném příkladu provedení i do v něm uložené polymerní matrice 7 přívod 8, který je propojený s neznázoměným zdrojem polymerní matrice 7 umístěným mimo zvlákňovací komoru 1_. Přívod 8 je ve znázorněném příkladu provedení uspořádán některým ze známých způsobů pohyblivě vratně podél zvlákňovací elektrody 2 mezi bočnicemi 4 a je spřažen se známým neznázoměným pohonem pro tento vratný pohyb.

Při provozu zařízení podle vynálezu se do zásobního prostoru 6 přivádí přívodem 8 polymerní matrice 7, která se během otáčení zvlákňovací elektrody 2 zachycuje na jejím povrchu, po celé její délce mezi bočnicemi 4. Následným průchodem pracovní štěrbinou 24 se na povrchu sběrné elektrody 2 vytváří vrstva polymerní matrice 7 předem dané tloušťky Wi, přičemž přebytečná polymerní matrice 7 se zachycuje v zásobním prostoru 6. Zde následně slouží jako zásoba polymerní matrice 7 pro další zvlákňováni a/nebo k vyrovnávání nerovnoměrnosti přísunu kapalné polymerní matrice 7 přívodem 8, apod.

Tloušťka wi vrstvy polymerní matrice 7 na povrchu zvlákňovací elektrody 2 se u varianty určené pro zvlákňováni směrem dolů, nebo šikmo dolů volí taková, při které je síla působící mezi polymerní matricí 7 a povrchem zvlákňovací elektrody 2 větší, než součet gravitační síly a odstředivé síly působící na tuto polymerní matrici 7. Tím se zajistí, že při otáčení zvlákňovací elektrody 2 nedojde k nežádoucímu úkapu polymerní matrice 7, ani k jejímu samovolnému roztěkání po povrchu zvlákňovací elektrody 2. Do zvlákňovací zóny vytvořené mezi části obvodu zvlákňovací elektrody 2 a proti němu uspořádanou sběrnou elektrodou 3 tak bude v každém okamžiku přiváděno přesné, předem stanovené množství polymerní matrice 7, které bude rovnoměrně rozloženo po celé délce zvlákňovací elektrody 2. Díky tomu se bude proces elektrostatického zvlákňováni inicializovat po celé délce zvlákňovací elektrody 2, nebo bude na celou délku zvlákňovací elektrody 2 poměrně rychle rozveden. Jeho výkon pak bude po celé délce zvlákňovací elektrody 2 a během celého pracovního cyklu konstantní, což se příznivě projeví na zvýšené rovnoměrnosti vytvářené vrstvy polymerních nanovláken jak v jejím příčném, tak í podélném směru. Zabránění úkapu polymerní matrice 7 • «

1^367202 z povrchu zvlákňovaci elektrody 2 současně umožňuje provádět zvlákňování v podstatě v libovolném požadovaném směru určeném vhodným umístěním sběrné elektrody 3 proti příslušné části povrchu zvlákňovaci elektrody 2 s výjimkou té části povrchu zvlákňovaci elektrody 2, která zasahuje do zásobního prostoru 6, a která se nachází proti statické liště 4. Díky tomu je mj. možné zvlákňovat směrem dolů a použít pro ukládání vytvořených polymerních nanovláken podkladové materiály s nízkou podélnou pevností v tahu, neboť tyto podkladové materiálu mohou být volně uloženy přímo na sběrné elektrodě 2, případně na vhodném statickém, nebo pohyblivém nosném prvku v její blízkosti, a nemusí tedy být zvlákňovaci komorou 1 vedeny v napnutém stavu, jako je tomu při zvlákňování směrem nahoru.

Z hlediska dalšího zvýšení rovnoměrnosti vytvářené vrstvy polymerních nanovláken je výhodné, pokud se polymerní matrice 7 vynáší do zvlákňovaci zóny ve vrstvě požadované tloušťky Wi po celé délce zvlákňovaci elektrody 2 již od začátku pracovního cyklu. Toho se dosáhne např. vytvořením zásoby polymerní matrice 7 v zásobním prostoru 6 před zahájením procesu elektrostatického zvlákňování, případně pohybem přívodu 8, kterým je přiváděna polymerní matrice podél zvlákňovaci elektrody 2 mezi bočnicemi 5.

Vzhledem ktomu, že většina polymerních matric 7 vhodných pro elektrostatické zvlákňování relativné rychle „stárne“ - vlivem odparu rozpouštědla houstne, přičemž se mění její chemické a fyzikální vlastnosti, je dále výhodné, pokud se řízením množství polymerní matrice 7 přiváděné přívodem 8 dosáhne toho, že celý objem polymerní matrice 7 zachycené v zásobním prostoru 6, nebo alespoň jeho podstatná část, se po určité době obmění. Další možností jak proces stárnutí eliminovat nebo alespoň omezit je přizpůsobit koncentraci rozpouštědla v nově přiváděné polymerní matrici 7 složení polymerní matrice 7 zachycené v zásobním prostoru 6 a polymerní případně matrici v zásobním prostoru promíchávat.

Polymerní matrice 7 na povrchu zvlákňovaci elektrody 2 se během jejího otáčení přivádí do zvlákňovaci zóny vytvořené mezi částí obvodu zvlákňovaci elektrody 2 a proti ní uspořádanou sběrnou elektrodou 3, v níž dochází vlivem silového působení elektrického pole k elektrostatickému zvlákňování. Pri něm *PS3672CZ se na vrstvě polymemí matrice 7 na povrchu zvlákňovací elektrody 2 vytváří tzv. Taylorovy kužely, z nichž jsou následně vydlužována polymemí nanovlákna. Ta se dále v důsledku silového působení elektrického pole postupně oddělují od vrstvy polymemí matrice 7 a pohybují se směrem ke sběrné elektrodě 3, přičemž se dle použité technologie ukládají buď přímo na ní, nebo na neznázorněném podkladovém materiálu, který je umístěn buď na povrchu sběrné elektrody 2, v prostoru mezi zvlákňovací elektrodou 2 a sběrnou elektrodou 3, nebo mimo tento prostor, přičemž polymemí nanovlákna jsou k němu přiváděna např. vhodně směrovaným proudem vzduchu, či jiným vhodným způsobem.

Zbytek polymemí matrice 7, který se nepřetvořil na polymemí nanovlákna se přitom vrací na povrchu zvlákňovací elektrody 2 zpět do zásobního prostoru 6, a může být dále zpracován. Pro některé typy polymemích matric 7 je však výhodnější, pokud se jejich zbytek ze zvlákňovací elektrody 2 odstraní ktomu určeným neznázorněným prostředkem, který je umístěn ve směru otáčení zvlákňovací elektrody 2 před zásobním prostorem 6. Jeho odstranění přitom může probíhat buď mechanicky, nebo chemicky, např. s využitím vhodného rozpouštědla.

Pohyb přívodu 8 v zásobním prostoru 6 podél zvlákňovací elektrody 2 způsobuje nejen rychlejší nanesení polymemí matrice 7 na celou délku zvlákňovací elektrody 2 mezi bočnicemi 4, ale současně promíchává nově přiváděnou polymemí matrici 7 s polymemí matrici 7 již uloženou v zásobním prostoru 6. To přispívá k zachování konstantních vlastností a chemického složení v celém objemu polymemí matrice 7, a oddaluje proces jejího „stárnutí“. Pro zvýšení efektivity rozmíchávání je přívod 8 v neznázorněném příkladu provedení opatřen alespoň na části svého povrchu vhodně tvarovanými výstupky a/nebo nástavbami. Tento efekt se ještě zvýší v případě použití několika pohyblivých přívodů 8, které jsou buď spřaženy a pohybují se společně, nebo se naopak pohybují navzájem nezávisle. V dalších neznázorněných variantách je možné v zásobním prostoru 6 k tomuto účelu uspořádat jiný vhodný pohyblivý prvek (prvky). Přívod 8 polymemí matrice 7 může být vytvořen i jako statický. Statický přívod 8 má své opodstatnění v • · , · B · · B ♦· _ ·

..................

případech, kdy je délka zvlákňovací elektrody 2 relativně malá a/nebo kdy má použitá polymemí matrice 7 nižší viskozitu a/nebo je dostatečně odolná proti „stárnutí“. Polymemí matrice 7 může být statickým přívodem 8 přiváděna na povrch zvlákňovací elektrody 2, na povrch statické lišty 4 nebo do prostoru mezi nimi, případné i na bočnici 5. V případě použití několika statických přívodů 8 je možné jimi polymemí matrici 7 přivádět na povrch libovolného z těchto prvků, na povrch několika těchto prvků současně a/nebo do prostoru mezi nimi. Při použití statického přívodu 8 přitom není nutné, aby zasahoval do polymemí matrice 7 v zásobním prostrou 6.

V dalších neznázorněných příkladech provedení je statická lišta 4 uspořádána proti zvlákňovací elektrodě 2 odlišným způsobem, než u varianty znázorněné na obr. 1, přičemž může být uspořádána např. vodorovně, nebo šikmo dolů, a může přitom představovat dno, stěnu, část dna, nebo část stěny zásobního prostoru 6, případně sloužit k odvedení přebytečné polymemí matrice 7 mimo kontakt se zvlákňovací elektrodou 2. Ve všech těchto variantách uspořádání přitom může být statická lišta 4 dále opatřena na části nejblíže zvlákňovací elektrodě 2 břitem nebo jiným podobným prostředkem či tvarovou úpravou, zabraňující úkapu polymemí matrice 7 a/nebo upravující rozložení polymemí matrice 7 na povrchu zvlákňovací elektrody 2. V prostoru pod statickou lištou 4 může být dále zařazen vhodný neznázornéný prvek pro záchyt případných kapek polymemí matrice 7.

V dalších konstrukčních variantách je pak statická lišta 4 propojená s bočnicemi 5 a tvoří s nimi jeden kus, který je s výhodou vyměnitelný, přičemž při použití různých typů a/nebo velikostí těchto prvků lze přizpůsobit délku zvlákňovací elektrody 2 mezi bočnicemi 5 a/nebo šířku w pracovní štěrbiny 24 různým typům polymemí matrice 7 a požadavkům na výslednou vrstvu polymerních nanovláken.

Statickou lištu 4 s příslušným tvarováním lze kromě válcové zvlákňovací elektrody 2 znázorněné na obr. 1 a obr. 2 použít i v dalších konstrukčních provedeních v kombinaci s válcovou zvlákňovací elektrodou 2 se zaoblenými nebo zkosenými okraji, případně v kombinaci se zvlákňovací elektrodou 2 konvexního tvaru popsanou ve W02006131081.

*« *

0S3672CZ

U varianty zařízení k prováděni způsobu podle vynálezu znázorněné na obr. 3 a 4 jsou všechny prvky zařízení v podstatě stejné jako u předchozí varianty, s tím rozdílem, že statická lišta 4 je zde nahrazena pomocnou válcovou zvlákňovací elektrodou 41. Ta je svou velikostí a tvarem shodná se zvlákňovací elektrodou 2, se kterou je současně rovnoběžná, přičemž mezi povrchem zvlákňovací elektrody 2 a pomocné zvlákňovací elektrody 41 je vytvořena pracovní štěrbina 241 konstantní tloušťky x. Pomocná zvlákňovací elektroda 41 je dále spřažena s neznázorněným pohonem pro otáčivý pohyb kolem podélné osy 411 ve směru naznačeném šipkou B, tedy proti směru otáčení zvlákňovací elektrody 2.

Jak je znázorněno na obr. 3 a obr. 4, který přestavuje pohled do zvlákňovací komory 1 shora, prostor mezi zvlákňovací elektrodou 2 a pomocnou zvlákňovací elektrodou 41 je v oblasti čel obou zvlákňovacich elektrod 2 a 41 uzavřen bočnicemi 5, čímž je z něj vytvořen zásobní prostor 6 pro dočasné uložení polymerní matrice 7 určené ke zvlákňování. Do zásobního prostoru 6, a ve znázorněném příkladu provedení i do v něm uložené polymerní matrice 7, přitom zasahuje přívod 8, který je propojený s neznázorněným zdrojem polymerní matrice 7 uloženým mimo zvlákňovací komoru. Přívod 8 je, stejně jako v předcházejícím příkladu provedeni, uspořádán pohyblivě vratně podél zvlákňovací elektrody 2 a je spřažen s neznázorněným pohonem pro tento vratný pohyb. Ve znázorněném příkladu provedeni je přívod 7 směrován do prostoru mezi zvlákňovací elektrodu 2 a pomocnou zvlákňovací elektrodu 41, avšak v dalších neznázorněných příkladech provedení je nasměrován proti povrchu kterékoliv z nich, či jiným vhodným způsobem. Při využití více přívodů 8, a to jak pohyblivých a/nebo statických, může být každý z nich směrován jinak, dle potřeby.

Během provozu se do zásobního prostoru 6 přivádí přívodem 8 polymerní matrice 7, která se během otáčení zvlákňovací elektrody 2 a pomocné zvlákňovací elektrody 41 zachytává na jejich površích, po celé jejich délce mezi bočnicemi 4. Následným průchodem pracovní štěrbinou 241 se pak na povrchu zvlákňovací elektrody 2 i pomocné zvlákňovací elektrody 41 vytváří

V4 •PS3K72CZ

vrstva polymerní matrice 7 předem stanovené tloušťky xi, přičemž přebytečná polymerní matrice 7 se zachycuje v zásobním prostoru 6

Tloušťka Xi polymerní matrice 7 na povrchu zvlákňovací elektrody 2 a pomocné zvlákňovací elektrody 41 se pro zvlákňování směrem dolů, nebo šikmo dolů volí taková, při které je síla působící mezi vrstvou polymerní matrice 7 a povrchem zvlákňovací elektrody 2, resp. pomocné zvlákňovací elektrody 41 větší než součet gravitační síly a odstředivé síly působící na tuto vrstvu kapalné polymerní matrice 7. Tím se, stejně jako v předchozí variantě zajistí, že při dalším otáčení zvlákňovací elektrody 2 a pomocné zvlákňovací elektrody 41. nedojde k nežádoucímu úkapu polymerní matrice 7, ani k jejímu samovolnému roztěkání po povrchu zvlákňovací elektrody 2 nebo pomocné zvlákňovací elektrody 41. Do zvlákňovacích zón vytvořených mezi částí povrchu zvlákňovací elektrody 2, resp. pomocné zvlákňovací elektrody 41 a proti němu uspořádanou sběrnou elektrodou 3, tak bude v každém okamžiku přiváděno přesné, předem stanovené množství polymerní matrice 7, které bude rovnoměrné rozloženo po celé délce zvlákňovací elektrody 2, resp. pomocné zvlákňovací elektrody 44. Díky tomu se bude proces elektrostatického zvlákňování inicializovat po celé délce zvlákňovací elektrody 2 i pomocné zvlákňovací elektrody 41, nebo na ni bude poměrně rychle rozveden, a jeho výkon bude po celé délce zvlákňovací elektrody 2 i pomocné zvlákňovací elektrody 41, a během celého pracovního cyklu konstantní. To se příznivě projeví na zvýšené rovnoměrnosti vytvářené vrstvy polymerních nanovláken jak v jejím příčném, tak i podélném směru.

Díky tomu, že elektrostatické zvlákňování probíhá současně z povrchu dvou stejných zvlákňovacích elektrod 2, 41 a ze dvou stejných, rovnoměrných vrstev polymerní matrice 7, je jeho celkový výkon téměř dvojnásobný oproti výkonu zařízeni s jednou zvlákňovací elektrodou 2.

Zabránění úkapu polymerní matrice 7 z povrchu zvlákňovací elektrody 2 nebo pomocné zvlákňovací elektrody 41 současně umožňuje provádět zvlákňování v podstatě v libovolném požadovaném směru, vhodným umístěním sběrné elektrody 3 proti příslušné části povrchu zvlákňovací elektrody 2 a/nebo • β v · ♦ · · · ·

......... *PŠ3672CZ pomocné zvlákňovaci elektrody 41, s výjimkou té části jejich povrchu, která zasahuje do zásobního prostoru 6.

Stejně jako v případě provedení znázorněném na obr. 1 a obr. 2 je i v tomto případě výhodné, pokud se polymerní matrice 7 vynáší do zvlákňovacich zón ve vrstvě požadované tloušťky xi po celé délce zvlákňovaci elektrody 2 i pomocné zvlákňovaci elektrody 41 již od začátku pracovního cyklu. Toho lze opět dosáhnout vytvořením zásoby polymerní matrice 7 v zásobním prostoru 6 před zahájením procesu elektrostatického zvlákňováni, případně pohybem přívodu 8, kterým je přiváděna polymerní matrice podél zvlákňovaci elektrody 2 a pomocné zvlákňovaci elektrody 41 mezi bočnicemi 5. Přitom lze dále použít také stejné prostředky pro eliminaci nebo alespoň zpomalení „stárnutí“ polymerní matrice 7.

Polymerní matrice 7 se na povrchu zvlákňovaci elektrody 2 a na povrchu pomocné zvlákňovaci elektrody 41 přivádí do aktivní zóny, vytvořené mezi částí obvodu zvlákňovaci elektrody 2, resp. pomocné zvlákňovaci elektrody 41, a proti němu uspořádanou sběrnou elektrodou 2, v níž dochází vlivem silového působení elektrického pole k elektrostatickému zvlákňováni.

Zbytek polymerní matrice 7, který se nepřetvořil na polymerní nanovlákna, se pak vrací na povrchu zvlákňovaci elektrody 2 a na povrchu pomocné zvlákňovaci elektrody 41 zpět do zásobního prostoru 6, a může být dále zpracován. V jiných neznázoměných variantách se zbytek polymerní matrice 7 z povrchu zvlákňovaci elektrody 2 a/nebo pomocné zvlákňovaci elektrody 41 odstraní ktomu určeným neznázorněným prostředkem, který je umístěn ve směru otáčení zvlákňovaci elektrody 2, 41 před zásobním prostorem 6. Odstraněni přitom může probíhat buď mechanicky nebo chemicky nebo kombinaci obou postupů.

Popisované zařízení může být dále vytvořeno v různých jiných variantách, které nejsou znázorněny, přičemž např. pomocná zvlákňovaci elektroda 41 může mit jiný tvar a/nebo velikost než zvlákňovaci elektroda 2, případě se může otáčet jinou rychlostí než zvlákňovaci elektroda 2. Kromě toho může být pomocná zvlákňovaci elektroda 41 nahrazena jiným vhodným pohyblivým nebo statickým prvkem, který se účastní, nebo naopak neúčastni

4 4

4 4 ·

4 4

4 · •PS3K72CZ

·

spoluvytváření elektrického pole a procesu elektrostatického zvlákňování, případně několika takovými prvky. V některých variantách je dále výhodné, pokud je v prostoru pod pracovní štěrbinou 241 zařazen neznázorněný vhodný prvek pro záchyt případných kapek polymemí matrice 7.

V dalších neznázorněných příkladech provedení je možné umístit sběrnou elektrodu 3 libovolného vhodného typu, případně větší počet sběrných elektrod 3, proti téměř jakékoliv části obvodu zvlákňovací elektrody 2 a pomocné zvlákňovací elektrody 41, s výjimkou té části, která zasahuje do zásobního prostoru 6, a tím téměř libovolně posunout jejich zvlákňovací zóny. Tím lze vytvořit prostorové uspořádání, při kterém probíhá proces elektrostatického zvlákňování polymemí matrice 7 z povrchu zvlákňovací elektrody 2 a pomocné zvlákňovací elektrody 41 dle požadavků souběžně nebo různoběžně. Přitom lze použít libovolnou ze známých sběrných elektrod 3, např. dle EP1673493, CZ PV 2006-477, CZ PV 2007-727 nebo analogické PCT/CZ2008/000123, nebo jiný typ sběrné elektrody 3, případně jejich libovolnou vhodnou kombinaci.

Všechny výše popsané varianty zařízení k provádění způsobu podle vynálezu tak umožňují využití otáčející se zvlákňovací elektrody 2 protáhlého rotačního tvaru, která při elektrostatickém zvlákňování kapalných polymemích matric 7 dosahuje nejlepších výsledků, i pro elektrostatické zvlákňování směrem svisle dolů a/nebo šikmo dolů, což při použití stávajících zařízení nebylo dosud možné. Při zvlákňování směrem dolů je odstraněna podmínka vedeni podkladového materiálu, na nějž se vytvořená polymemí nanovlákna ukládají, pres zvlákňovací komoru 1 v napnutém stavu, což rozšiřuje oblast použitelných podkladových materiálů i na materiály s nízkou podélnou pevností v tahu, které mohou být pro některé aplikace výhodnější než materiály s vysokou pevností v tahu.

Ve všech popisovaných variantách je dále výhodné, pokud je šířka x, w pracovní štěrbiny 24, 241 nastavitelná v určitém rozsahu hodnot, např. 0,1 až 1 mm, což umožňuje přizpůsobit její šířku x, w aktuálnímu typu polymerni matrice 7 a/nebo jejím aktuálním vlastnostem, případně rychlosti otáčení zvlákňovací elektrody 2, a to buď manuálně, nebo automaticky.

* · · » φ ·

Φ··Φ ťŠ3Š?2CZ

V následujících příkladech jsou pro konkrétnost uvedeny použitelné rozsahy šířky w pracovní štěrbiny 24 pro některé typy polymerních matric 7 pro zvlákňováni směrem dolů. Vzhledem ktomu, že je vždy nutno zabránit úkapu polymerní matrice 7 z pracovní štěrbiny, šířky w, x pracovních štěrbin 24, 241 jsou při použití statické lišty 4 i pomocné zvlákňovací elektrody 41 v podstatě stejné.

Během řady experimentů bylo současně zjištěno, že s rostoucí rychlostí otáčeni zvlákňovací elektrody 2 lze zvětšovat šířku pracovní štěrbiny 24, 241, aniž by se tím zvyšovalo nebezpečí úkapu polymerní matrice 7. V závislosti na konkrétním složení polymerní matrice 7, jejích fyzikálních vlastnostech, a rychlosti otáčení zvlákňovací elektrody 2 se použitelná šířka x pracovní štěrbiny 24 pohybuje v rozmezí 0,1 až 1 mm. Se zvyšováním rychlosti otáčení zvlákňovací elektrody 2 však poměrně strmě klesá výkon celého zařízení, jak je patrné z obr. 5, na kterém je znázorněna závislost výkonu na rychlosti otáčení zvlákňovací elektrody 2 při použití polymerní matrice 7 polyvinylalkoholu (PVA). Testována přitom byla polymerní matrice 7 obsahující v 1004 g 120 g PVA, 880 g demineralizované vody a 4 g H₃PO₄ s funkcí zvodivovaciho činidla, při rozdílu napětí mezi zvlákňovací elektrodou 2 a sběrnou elektrodou 3 tvořenou kovovou deskou 85 kV, relativní vlhkosti 42% a teplotě 24X3. Jak dále vyplývá z obr. 5, pro danou polymerní matrici 7 je výkon elektrostatického zvlákňováni nejvyšší při rychlosti otáčení zvlákňovací elektrody 2 2 ot/min, přičemž hodnota optimální šířky x pracovní štěrbiny 24 v tomto případě byla stanovena na 0,2 mm.

V dalším případě byla na stejném zařízení testována polymerní matrice 7 obsahující směs polyvinylalkoholu (PVA) a polyetylenoxidu (PEO) o složení

795,4 g 13% roztoku PVA, 132 g 5% roztoku PEO, 6,3 g H3PO4 s funkcí zvodivovaciho činidla, 6,4 g síťovacího činidla s obchodním označením „Sequarez“, a 60 g demineralizované vody na 1000 g hmotnosti polymerní matrice 7. Při použiti této polymerní matrice 7 se nejvyššího výkonu dosáhlo při rychlosti otáčení zvlákňovací elektrody 2 5 ot/min, pro kterou byla optimální šířka x pracovní štěrbiny 24 stanovena na 0,5 mm.

Viskozita obou polymerních matric 7 se přitom v závislosti na teplotě a dalších parametrem pohybuje v rozmezí 500 až 600 mPas.

*

• ♦ « • · · • « * ťŠ3S72CZ

Podstatu vynálezu, tedy vytváření vrstvy polymerní matrice 7 předem dané tloušťky Xj, Wj na povrchu válcové zvlákňovací elektrody 2, případně i na povrchu pomocné zvlákňovací elektrody 41. lze kromě popisovaných případů určených pro zvlákňování směrem dolů, nebo šikmo dolů, použít i v případech, 5 kdy se z otáčející válcové zvlákňovací elektrody 2, resp. z pomocné zvlákňovací elektrody 41 zvlákňuje směrem nahoru, šikmo nahoru, případně do boku. Vytváření vrstvy polymerní matrice 7 předem dané tloušťky Xi, Wj na povrchu zvlákňovací elektrody 2, resp. pomocné zvlákňovací elektrody 41 přitom v těchto případech zajišťuje rovnoměrný přívod přesného, předem 10 daného množství polymerní matrice 7 do zvlákňovací zóny, což má za následek nejen rovnoměrnější a snadnější inicializaci zvlákňovaciho procesu, ale také zvýšenou rovnoměrnost vytvářené vrstvy polymernich nanovláken. U variant určených pro zvlákňování směrem nahoru, šikmo nahoru, případně do boku přitom nemusí být ze zřejmých důvodů nutně splněna podmínka, že síla 15 působící mezi polymerní matricí 7 a povrchem zvlákňovací elektrody 2 je větší, než součet gravitační síly a odstředivé síly působící na tuto polymerní matrici 7.

7>ť ··· ·*···· · ♦· ♦ ·♦ · · · ·* · · ··« · · · ♦ · · * ···· · · * ·* · · · _v · · ·» · · ·

..................

Seznam vztahových značek

1	zvlákňovací komora
10	zdroj vysokého stejnosměrného napětí
2	zvlákňovací elektroda
21	podélná osa zvlákňovací elektrody
24, 241 3	pracovní štěrbina sběrná elektroda
4	statická lišta
41	pomocná zvlákňovací elektroda
411	podélná osa pomocné zvlákňovací elektrody
5	bočnice
6	zásobní prostor
7	polymerní matrice
8	přívod
w, X	šířka pracovní štěrbiny
W1, X1	tloušťka vrstvy polymerní matrice

• · * * • · · ě · · · · · ♦ • · · · » * • * * · · · · ♦ ♦

PS3672CZ

Claims (13)

1. PATENTOVÉ NÁROKY ··« *

   1. Způsob pro výrobu polymerních nanovláken z kapalné polymerní matrice (7), u něhož se kapalná polymerní matrice (7) dopravuje na povrchu otáčející se válcové zvlákňovací elektrody (2) do zvlákňovací zóny vytvořené mezi částí obvodu zvlákňovací elektrody (2) a proti ní uspořádanou sběrnou elektrodou (3), v níž se kapalná polymerní matrice (7) silovým působením elektrického pole vytvořeného rozdílem elektrických potenciálů zvlákňovací elektrody (2) a sběrné elektrody (3) přetváří na polymerní nanovlákna, vyznačující se tím, že na povrch otáčející se zvlákňovací elektrody (2) se před zvlákňovací zónou nanese kapalná polymerní matrice (7), z níž se na povrchu otáčející se zvlákňovací elektrody (2) pomocí roztíracího prostředku přiřazeného zvlákňovací elektrodě (2) vytváří vrstva polymerní matrice (7) předem dané tloušťky (w_1t x^.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že na povrchu zvlákňovací elektrody (2) se vytváří vrstva kapalné polymerní matrice (7) předem dané tloušťky (xi, Wi), při níž je síla působící mezi vrstvou kapalné polymerní matrice (7) a povrchem zvlákňovací elektrody (2) větší než součet gravitační síly a odstředivé sily působící na tuto vrstvu kapalné polymerní matrice (7).
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že šířka (x, w) pracovní štěrbiny (24, 241) leží v intervalu 0,1 až 1mm.
4. 4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že šířka (x, w) pracovní štěrbiny (24, 241) leží v intervalu 0,2 až 0,5mm.
5. 5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozstiracím prostředkem přiřazeným zvlákňovací elektrodě (2) je statická lišta (4).
6. 6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozstiracím prostředkem přiřazeným zvlákňovací elektrodě (2) je otáčející se pomocná válcová zvlákňovací elektroda (41), na jejímž povrchu se rovněž vytváří vrstva kapalné polymerní matrice (7) předem dané tloušťky (x₃), která se na povrchu • · Φ · · • · ·♦

   PS3672CZ pomocné válcové zvlákňovací elektrody (41) přivádí do zvlákňovací zóny vytvořené mezi částí obvodu pomocné válcové zvlákňovací elektrody (41) a proti ní uspořádané sběrné elektrody (3), přičemž kapalná polymerní matrice (7) se v této zvlákňovací zóně přetváří silovým působením elektrického pole vytvořeného rozdílem elektrických potenciálů pomocné válcové zvlákňovací elektrody (41) a sběrné elektrody (2) na polymerní nanovlákna.
7. 7. Zařízení pro výrobu polymerních nanovláken z kapalné polymerní matrice (7), které obsahuje zvlákňovací komoru (1), v níž jsou proti sobě uspořádány otočná válcová zvlákňovací elektroda (2) a sběrná elektroda (3), z nichž každá je připojena k rozdílnému elektrickému potenciálu, přičemž mezi části obvodu zvlákňovací elektrody (2) a proti ní uspořádanou sběrnou elektrodou (3) je vytvořena zvlákňovací zóna, vyznačující se tím, že před vstupem otáčejícího se povrchu zvlákňovací elektrody (2) do zvlákňovací zóny je povrchu zvlákňovací elektrody (2) přiřazen roztírací prostředek, přičemž mezi roztiracím prostředkem a povrchem zvlákňovací elektrody (2) je vytvořena pracovní štěrbina konstantní šířky (x, w).
8. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že roztiracím prostředkem je statická lišta (4) uspořádaná podél zvlákňovací elektrody (2).
9. 9. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že roztiracím prostředkem je pomocná válcová zvlákňovací elektroda (42).
10. 10. Zařízení podle libovolného z nároků 7 až 9, vyznačující se tím, že šířka (x, w) pracovní štěrbiny (24, 241) leží v intervalu 0,1 až 1mm.
11. 11. Zařízení podle libovolného z nároků 7 až 10, vyznačující se tím, že šířka (x, w) pracovní štěrbiny (24, 241) je nastavitelná intervalu 0,1 až 1mm.
12. 12. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že šířka (x, w) pracovní štěrbiny (24, 241) leží v intervalu 0,2 až 0,5mm.
13. 13. Zařízení podle libovolného z nároků 7 až 9 nebo 12, vyznačující se tím, že šířka (x, w) pracovní štěrbiny (24, 241) je nastavitelná v intervalu 0,2 až 0,5mm.