CZ201233A3

CZ201233A3 - Zvláknovací kombinovaná tryska pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálu

Info

Publication number: CZ201233A3
Application number: CZ20120033A
Authority: CZ
Inventors: Pokorný@Marek; Suková@Lada; Rebícek@Jirí; Velebný@Vladimír
Original assignee: Contipro Biotech S.R.O.
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-10-16
Also published as: RU2013101752A; CN103215659A; SI2617879T1; RU2614393C2; JP6112873B2; BR102013001427A2; DK2617879T3; TW201341606A; IL224284A; CZ304097B6; EP2617879B1; KR20130085384A; US20140030370A1; HUE025193T2; JP2013147786A; ES2535133T3; US8727756B2; AR089745A1; PT2617879E; CA2800407A1

Abstract

Zvláknovací kombinovaná tryska pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálu obsahuje tenkostennou elektrodu (1), k jejíz první stene priléhá první teleso (2) z nevodivého materiálu, v nemz je na jeho stene privrácené k tenkostenné elektrode (1) vytvorena soustava drázek (5) vedoucích k distálnímu konci (6) zvláknovací kombinované trysky, které jsou u svého proximálního konce napojeny k prívodu zvláknovací smesi. Tenkostenná elektroda (1) i první teleso (2) z nevodivého materiálu mají deskovitý nebo válcovitý tvar. U druhé steny tenkostenné elektrody (1) muze být usporádáno druhé teleso (4) z nevodivého materiálu pro vedení plynu ve smeru od proximálního konce zvláknovací kombinované trysky k jejímu distálnímu konci (6). Zvláknovací kombinovaná tryska je rozebíratelná a snadno cistitelná, ponevadz zvláknovací kapiláry mají tvar drázek (5) na povrchu prvního nebo tretího telesa (2 nebo 7) z nevodivého materiálu.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro výrobu nano- nebo mikrovlákenných materiálů, obsahující zvlákňovací kombinovanou trysku připojenou k jednomu z elektrických potenciálů vysokonapěťového zdroje a pomocí distribučních kanálů k zařízení pro dávkování polymemí směsi, přičemž kolem této trysky, v těsném okolí vhodně vytvarované polymemí směsi, proudí vzduch.

Dosavadní stav techniky

V metodě elektrostatického zvlákňování pro tvorbu nano- nebo mikrovlákenných materiálů se využívá dvou elektrod připojených k opačnému elektrickému potenciálu. Jedna z těchto elektrod slouží k dávkování polymerního roztoku a k jeho tvarování do zakřivených tvarů s malým poloměrem křivosti.Při působení sil vysokého elektrického pole dochází ke vzniku tzv. Taylorova kužele a zároveň k tvorbě vlákna, které je elektrostatickými silami přitahováno k druhé protilehlé a opačně nabité elektrodě sloužící právě k záchytu letících vláken. Vlákna na této druhé elektrodě pak vytvářejí souvislou vrstvu složenou z náhodně uspořádaných vláken o malém průměru (obecně desítek nanometrů až několik mikrometrů). Aby k samotné tvorbě vlákna v silném elektrickém poli vůbec došlo, je nutné dodržet několik podmínek týkajících se fyzikálně chemických vlastností polymerního roztoku, okolních podmínek a geometrie elektrod.

Při metodě elektrostatického zvlákňování se jednotlivá vlákna tvoří z hladiny polymemí směsi působením elektrostatických sil. V kapalině nebo viskózním roztoku působí síly kohézní a síly kapilární. Kapilární síly přímo úměrně závisejí na povrchovém napětí a velikosti plošného elementu hladiny a nepřímo na jejím poloměru zakřivení. Pokud je poloměr křivosti zmenšen,

D3045;

12. 1.2012-.·

-2vzrostou v kapalině síly působící mimo jiné také na povrchovou vrstvu kapaliny a úměrně vzroste tlak uvnitř kapaliny, resp. viskózní polymemí směsi. Redukce poloměru křivosti nastává například v tenkých kapilárách, kde dochází k jevům kapilární elevace nebo deprese. Těchto jevů (zejména kapilární deprese) se s výhodou využívá pro tvarové přizpůsobení polymemí směsi před samotným spuštěním procesu vláknění. Aby došlo ke vzniku Taylorova kužele a vytrysknutí polymeru, musí být vnější elektrostatické síly větší než síly kohézní a kapilární. Vznik Taylorova kužele je podpořen právě zakřivením hladiny polymemí směsi pomocí tvaru trysky (menší poloměr zakřivení hladiny způsobí vznik větších kapilárních sil, které zvyšují tlak v kapce a mají snahu rozbít její povrchovou vrstvu a tím pádem i kapku samotnou). Z tohoto hlediska je nej výhodnější pro elektrostatické zvlákňování použít tenkou kapiláru, do které je vtlačována polymemí směs. V ústí kapiláry se polymemí směs formuje do velmi malé kapky. K vytrysknutí směsi dojde při působení slabších elektrostatických sil (a vůbec k nastartování procesu u těžce vláknitelných polymerních směsí), než kdyby byla polymemí směs volně uložena do větší kapky (s větším poloměrem křivosti jejího povrchu). Základním a nejčastěji využívaným principem zvlákňovací trysky je proto tenká dutá jehla v kombinaci s kontinuálním dávkováním polymemí směsi, která je právě do trysky silou vtlačována. Z výše uvedených důvodů bylo vyvinuto více principiálně odlišných typů zvlákňovacích trysek. Jedná se o využití následujících základních uspořádání:

První známou zvlákňovací tryskou je tenká kapilární jehla. Jedná se pravděpodobně o nej rozšířenější typ při přípravě nano- nebo mikro vláken v laboratorních podmínkách. Mezi výhody patří její jednoduchost, relativně snadné dávkování, tvarování polymemí směsi do tvaru malé kapky s velmi malým poloměrem křivosti, který přispívá k snazší tvorbě Taylorova kužele a následně i vlákna, což je podpořeno také výrazným gradientem elektrostatického

D3045;

12. 1.2012.

-3pole vznikajícího na špičce jehly (lokální elektrostatické síly se násobí, což usnadňuje vznik vlákna). Kapilární tryska se často využívá pro laboratorní zařízení, ale pro větší průmyslovou výrobu je málo efektivní. Obdobné řešení je předvedeno již v původních patentech z let 1900 a 1902 pro disperzi kapalin USQ705691 a US0692631, který využívá stejných principů jako dnešní metoda

Λ Λ · ‘ Λ elektrostatického zvlákňování.

Druhou známou zvlákňovací tryskou je pohyblivá kapilární jehla. Kapilární jehla koná příčný pohyb (obdobně jako hlava tiskárny) z důvodu pokrytí větší plochy nanášených vláken na protilehlé elektrodě. Principiálně však vychází z předešlého typu, a přestože lze tímto způsobem vyrobit vlákenný materiál větších rozměrů, produktivita samotné jehly je velice nízká.

Dále jsou známy i vícenásobné trysky. Vycházejí také z prvního typu s tím, že kapilární jehly jsou kladeny ve větším počtu do společných celků za účelem zvýšení produktivity vláknícího procesu, viz např. patentové přihlášky W02007035011(A1), W02004016839(A1), W0200706116O(A1). Hlavní . i i nevýhodou takových multitrysek jsou problémy pro dosažení rovnoměrné distribuce vláknícího roztoku, jejich snadné zanesení (ucpání) a následné složité čistění, tj. celkově náročná údržba.

Další známou zvlákňovací tryskou je koaxiální tryska. Do tenkých kapilárních dvojitých koaxiálních trysek jsou přiváděny dva typy polymemích směsí. Výsledná vlákna mají jádro a plášť z jiného materiálu.

Jsou známy i bezjehlové zvlákňovací elektrody. Ty využívají přirozeného zvlnění (zakřivení) volné hladiny nebo tenké vrstvy polymerní směsi, z které pak silami elektrostatického pole vzniká vlákno. U tohoto typu trysek se předpokládá větší produktivita procesu, která vychází z předpokladu, že Taylorovy kužele mohou vznikat na více místech volné hladiny. Ovšem tento předpoklad nebyl doposud experimentálně dokázán. Navíc jsou tyto systémy

D3045^

12. 1.2012 t . · * « » 8 4 >

a » » · « « a ? <

_ 4 - * * 5 7 S Φ '·· · 8 · ΐ Λ ♦ · 1 t Λ « * ♦ omezeny pouze na úzkou oblast velmi snadno vláknitelných polymerů. Hlavní, a pro větší produkci zásadní, nevýhodou je změna vlastností roztoku během vláknícího procesu, neboť ten se provádí v otevřených klimatických podmínkách, kde dochází k přirozenému odpařování složek roztoku a k neřízeným změnám jeho fyzikálně chemických parametrů.

V těchto případech vzniká Taylorův kužel přímo na volné hladině polymerní směsi, nebo z větší kapky, která zaujme přirozený tvar na menší plošce zvlákňovací elektrody. Základem těchto bezjehlových (nebo také beztryskových, anglicky „needleless“, apod.) systémů jsou bezpochyby původní patenty US, 1,975504 a US2p4^651(z roku 1934 a 1936) spojované s dnešní metodou ES- pro přípravu nano- a mikrovláken. Tyto trysky jsou například ve tvaru nádobky s náplní polymerní směsi, do které je částečně ponořen rotující válec. Při otáčení válce dochází k nabírání polymerní směsi na jeho povrch, z kterého se pak na odvrácené straně vytvářejí Taylorovy kužele a dochází k tvorbě vláken. Novější patentové spisy popisující velmi podobné beztryskové ,·,/ 'J řešení pracující na tomto principu, např. EPT409í775’(Al), W02005024101(A1), WÓ2009156822, US2008150197(Al). Hlavní nevýhodou těchto rotujících bezjehlových trysek jsou změny parametrů polymerní směsi během vláknícího procesu. V nádobce a na rozlehlém povrchu válce dochází k neustálým povrchovým reakcím a odpařování složek vláknící směsi, která při procesu podléhá výrazným změnám (zvyšuje se koncentrace roztoku, viskozita, chemické složení, atd.). Z tohoto důvodu se také mění vlastnosti nanesených vláken, které nelze řízené ovlivnit (průměr vláken, chemické složení, morfologie, atd.). V mnoha případech se po několika minutách vláknící proces samovolně zastaví a musí dojít k výměně celé vláknící směsi. Výroba je tak neefektivní a nákladná, neboť nezvlákněná směs má naprosto neznámé složení a její rekuperace není možná. Z námi provedených numerických simulací rozložení elektrostatického pole vyplývá další nevýhoda, tj. větší aktivní plocha,

D3045/

12. 1. 2012<

-5na které mohou vzniknout Taylorovy kužele (v porovnání s kapilární tryskou). Na povrchu bez jehlové trysky je výrazně menší gradient elektrostatického pole a vnější elektrostatické síly jsou příliš slabé na to, aby byl nastartován proces vláknění. Obtížně zvláknitelné materiály nelze touto technologií zpracovat.

Do této kategorie lze zařadit také tzv. přeplavovací elektrodu, z které se tvoří vlákna v oblastech proudící (přetékající) polymerní směsi přes vypouklé těleso (PPVCZ2009-0425A3). Tento způsob však spotřebovává značné množství polymerní směsi bez možnosti jakékoliv vhodné rekuperace a na vypouklém vodivém tělese nevzniká dostatečný gradient elektrického pole, čímž je vláknění těžko zvláknitelných polymerních směsí nemožné.

Zvláštní skupinou jsou zvlákňovací mechanismy, které více podporují vznik Taylorova kužele a dalšími podpůrnými principy přispívají ke spuštění a průběhu vláknícího procesu. To je velice žádoucí, zejména u směsí, které nelze klasickými postupy transformovat do podoby nano- nebo mikro- vláken. K působení elektrostatických sil dále přispívá tečná složka sil proudícího vzduchu v těsné blízkosti kapilární trysky, (Ji, Ghosh et al. 2006), W02005033381, WO 2010143916(A2), WO 2010144980(Al), publikovali také (Medeiros, Glenn et al. 2009), (Larsen, Spretz et al. 2004). Tyto horkovzdušné trysky kombinují využití tenkých kapilárních jehel, kolem kterých je vháněn předehřátý vzduch. Tečné síly proudícího vzduchu působící na povrchu polymemího roztoku napomáhají vzniku Taylorova kužele a následně i vláken. Proto jsou využívány pro velmi těžko zvláknitelné polymerní směsi. Toto řešení je výhodné, neboť proudící vzduch může být teplotně regulován a aktivně se podílet např. na rychlém tuhnutí letícího polymemího paprsku (vlákna), proto je takový princip velice žádaný. Navíc ohřátý vzduch příznivě ovlivňuje klimatické podmínky uvnitř depoziční komory a napomáhá k rychlejšímu odpaření použitých rozpouštědel v polymerní směsi. Z hlediska fyzikálně chemických vlastností polymemího roztoku není díky této technologii nutné používat často i toxická

12. 1.2012 D3045*

-6rozpouštědla nebo povrchově aktivní látky. Nevýhodou tohoto řešení je ovšem malá efektivita vláknění, komplikovaná údržba a čištění kapilární trysky, tak,jak bylo uvedeno výše. Mezi další nevýhody patří také konstrukční tvar trysek citovaných řešení. Tenká tryskaje obklopena vodivým materiálem, který výrazně potlačuje gradient elektrostatického pole v ústí trysky, kde jsou z principu velké působící elektrické síly nejžádanější. Taková redukce elektrostatických sil zamezí nastartování vláknění, přestože jsou zde navíc přidány síly proudícího vzduchu. Další nevýhodou je přímý kontakt ohřátého vzduchu s kovovou tryskou a vedením polymerní směsi, kde přenosem tepla dochází k zahřívání a případnému tuhnutí polymerní směsi, která se pak ve ztuhlé formě koncentruje v ústí trysky a prakticky ji ucpe, proces zastaví.

Další známou zvlákňovací tryskou je bublinková tryska. Bublinková tryskaje složena ze dvou koaxiálních trubic, přičemž vnitřní částí je vháněn vzduch, vnější je dávkován polymerní roztok, který je vlivem vzduchu tvarován do bublin s tenkou stěnou. Toto tvarování do bubliny s tenkou stěnou přispívá ke spuštění procesu a tvorbě vlákna W02009042128.

Konečně jsou známy i kombinace uvedených typů. Příkladem může být . / rotující drátěná spirála popsaná v W02010043002?(A1).

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je nové konstrukční řešení kombinované trysky pro metodu elektrostatického zvlákňování, která je učena k výrobě nano- nebo mikrovlákenných materiálů, které by odstranilo hlavní nevýhody doposud známých trysek. Tohoto cíle bylo do značné míry dosaženo zvlákňovací kombinovanou tryskou pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálů, u níž podstatou vynálezu je, že tato tryska obsahuje tenkostěnnou elektrodu, k jejíž první stěně přiléhá první těleso z nevodivého materiálu, v němž je na jeho stěně přivrácené k tenkostěnné elektrodě vytvořena soustava drážek vedoucích k

D304*

12. 1.2012/

-7- , distálnímu konci zvlákňovací kombinované trysky. Tyto drážky jsou u svého proximálního konce napojeny k přívodu zvlákňovací směsi. V odstupu od distálního konce zvlákňovací kombinované trysky je pak uspořádaná sběrná elektroda, mezi níž a mezi tenkostěnnou elektrodou je zapojený napěťový zdroj.

Ve výhodném provedení tohoto vynálezu je u druhé stěny tenkostěnné elektrody uspořádáno druhé těleso z nevodivého materiálu pro vedení vzduchu ve směru od proximálního konce zvlákňovací kombinované trysky k jejímu distálnímu konci.

V dalším výhodném provedení tohoto vynálezu má tenkostěnná elektroda tvar válcového pláště, do něhož je vloženo první těleso z nevodivého materiálu ve tvaru válce s drážkami na povrchu, zatímco druhé těleso z nevodivého materiálu pro vedení plynu ve směru od proximálního konce zvlákňovací kombinované trysky k jejímu distálnímu konci má tvar válcového pláště. Tenkostěnná elektroda je uložena ve válcovitém pouzdře z nevodivého materiálu. Mezi tímto válcovitým pouzdrem z nevodivého materiálu druhým tělesem z nevodivého materiálu je uspořádán koaxiální vnitřní prostor pro vedení vzduchu ve směru k distálnímu konci zvlákňovací kombinované trysky.

U tohoto provedení je dále výhodné, leží-li distální konec válcovitého pouzdra z nevodivého materiálu pod úrovní distálního konce tenkostěnné elektrody.

V jiném výhodném provedení tohoto vynálezu mají tenkostěnná elektroda, první těleso z nevodivého materiálu i druhé těleso z nevodivého materiálu deskovitý tvar, přičemž k první stěně deskovité tenkostěnné elektrody přiléhá první těleso z nevodivého materiálu, které je na svém povrchu přiléhajícím k tenkostěnné elektrodě opatřené drážkami ve směru k distálnímu konci tenkostěnné elektrody. Proti druhé stěně deskovité tenkostěnné elektrody pak je uspořádáno druhé těleso z nevodivého materiálu, mezi nímž a mezi

03045/

12. 1.2012/

-8li t tenkostěnnou elektrodou je vytvořen prostor pro vedení vzduchu ve směru k distálnímu konci zvlákňovací kombinované trysky.

V ještě jiném výhodném provedení zvlákňovací kombinované trysky pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálů podle vynálezu je tato tryska opatřena třetím a čtvrtým tělesem z nevodivého materiálu, přičemž tenkostěnná elektroda a první, druhé třetí i čtvrté těleso z nevodivého materiálu mají deskovitý tvar. Ke druhé stěně deskovité tenkostěnné elektrody přiléhá svou první stěnou třetí těleso z nevodivého materiálu, opatřené na svém povrchu přiléhajícím k tenkostěnné elektrodě drážkami ve směru od proximálního k distálnímu konci tenkostěnné elektrody. Proti druhé stěně prvního tělesa z nevodivého materiálu je uspořádáno druhé těleso z nevodivého materiálu, mezi nímž a mezi prvním tělesem z nevodivého materiálu je vytvořen prostor pro vedení vzduchu ve směru k distálnímu konci zvlákňovací kombinované trysky. Proti druhé stěně třetího tělesa z nevodivého materiálu je uspořádáno čtvrté těleso z nevodivého materiálu, mezi nímž a mezi třetím tělesem z nevodivého materiálu je vytvořen prostor pro vedení plynu ve směru k distálnímu konci zvlákňovací kombinované trysky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále podrobněji popsán podle přiložených výkresů., kde na obr. 1 je znázorněn v axonometrickém pohledu řez jednostrannou lineární kombinovanou tryskou podle vynálezu, na obr. 2 je znázorněn pohled na jednostrannou lineární kombinovanou tryskou z obr. 1 shora, na obr. 3 je znázorněn v axonometrickém pohledu řez dvoustrannou lineární kombinovanou tryskou podle vynálezu, na obr. 4 je znázorněn pohled na dvoustrannou lineární kombinovanou tryskou z obr. 3 shora a na obr. 5 je znázorněn řez kombinovanou tryskou ve válcovitém uspořádání.

D3045*

12. I. 2012/

-9Příklady provedení vynálezu

Příkladné provedení jednostranné lineární kombinované trysky podle vynálezu je znázorněno na obr. 1 a 2. K první stěně tenkostěnné elektrody 1, která má v tomto provedení tvar tenké desky, je svou první stěnou přiloženo první těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru desky. Proti druhé stěně tenkostěnné elektrody 1 a rovnoběžně s ní je za vnitřním prostorem 3 uspořádáno druhé těleso 4 z elektricky nevodivého materiálu rovněž ve tvaru desky. Tenkostěnná elektroda 1 je připojena k neznázorněnému zdroji vysokého napětí. V prvním tělese 2 z elektricky nevodivého materiálu jsou vytvořeny v podstatě rovnoběžné drážky 5, vedoucí od proximálního konce lineární kombinované trysky k jejímu distálnímu konci 6. Distálním koncem 6 kombinované trysky se rozumí ten konec lineární kombinované trysky, u něhož dochází ke zvlákňování polymemího roztoku, se kterým lineární kombinovaná tryska pracuje. Průřez drážek 5 byl v příkladném provedení 1x2 mm, může být ale dimenzován i jinak v závislosti na vlastnostech zvlákňovaného polymemího roztoku. Vnitřní prostor 3 slouží k přivádění a usměrňování proudícího vzduchu k distálnímu konci 6 lineární kombinované trysky. V odstupu od distálního konce 6 zvlákňovací kombinované trysky je uspořádaná neznázoměná sběrná elektroda, mezi níž a mezi tenkostěnnou elektrodou 1_ je zapojený neznázoměný vysokonapěťový zdroj.

V činnosti je drážkami 5 vytlačován polymerní roztok k distálnímu konci 6 kombinované trysky, a to na hranu tenkostěnné vodivé elektrody 1, kde se tvarují do malých kapek, případně do souvislé tenké vrstvy s malým poloměrem křivosti. Poněvadž kapilární síly přímo úměrně závisejí na povrchovém napětí a velikosti plošného elementu hladiny a nepřímo na jejím poloměru zakřivení, je malá kapička optimálním zdrojem mikro- nebo nanovlákna v procesu vláknění. Výrazný gradient elektrostatického pole vznikajícího na distálním konci tenkostěnné elektrody 1 vytrhává z kapičky vlákno z polymemího roztoku, které

D3045/

12. I. 2012/ a

- 10 - ί ϊ * « ? · t « · » « » « se pohybuje směrem ke sběrné elektrodě, která je v tomto příkladném provedení na nulovém napětí. Toto je podpořeno i proudem vzduchu hnaného k distálnímu konci 6 lineární kombinované trysky. Přitom počet současně se tvořících mikronebo nanovláken přibližně odpovídá počtu drážek 5, který je omezen pouze praktickými ohledy. Použití jednostranné lineární kombinované trysky podle vynálezu zvyšuje produktivitu výroby mikro- nebo nanovláken se stabilním složením a stálou kvalitou. Jednostranná lineární kombinovaná tryska totiž chrání polymemí roztok před okolním prostředím, neboť tento polymemí roztok se dostává do styku se vzduchem až při tvorbě nejdříve kapičky na distálním konci lineární kombinované trysky a bezprostředně poté při tvorbě mikro- nebo nanovlákna. Nedochází tak k odpařování složek polymemího roztoku a tím ani ke změně složení vytvářeného mikro- nebo nanovlákna. Další výhodou pak je snadná údržba a čištění lineární kombinované trysky, neboť její jednotlivé díly lze jednoduše rozebrat a rovinné plochy prvního tělesa 2 z elektricky nevodivého materiálu s obnaženými drážkami 5 i tenkostěnné elektrody 1 jednoduše vyčistit.

Příkladné provedení dvoustranné lineární kombinované trysky podle vynálezu je znázorněno na obr. 3 a 4. K první stěně tenkostěnné elektrody X, která má tvar tenké desky, je svou první stěnou přiloženo první těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu. Proti druhé stěně prvního tělesa 2 z elektricky nevodivého materiálu a rovnoběžně s ním je za vnitřním prostorem 3 uspořádáno druhé těleso 4 z elektricky nevodivého materiálu. V první stěně prvního tělesa 2 z elektricky nevodivého materiálu jsou vytvořeny v podstatě rovnoběžné drážky 5, vedoucí od proximálního konce lineární kombinované trysky k jejímu distálnímu konci 6. K druhé stěně tenkostěnné elektrody 1 svou první stěnou přiléhá třetí těleso 7 z elektricky nevodivého materiálu. Proti druhé stěně třetího tělesa 7 z elektricky nevodivého materiálu a rovnoběžně s ním je za vnitřním prostorem 3 uspořádáno čtvrté těleso 8 z elektricky nevodivého

D3O45'

12. 1.20121

-11materiálu. V první stěně třetího tělesa 7 z elektricky nevodivého materiálu jsou vytvořeny v podstatě rovnoběžné drážky 5, vedoucí od proximálního konce lineární kombinované trysky k jejímu distálnímu konci 6. Tenkostěnná elektroda _1 je připojena k neznázoměnému zdroji vysokého napětí. V odstupu od distálního konce 6 zvlákňovací kombinované trysky je uspořádaná neznázorněná sběrná elektroda, mezi níž a mezi tenkostěnnou elektrodou 1 je zapojený neznázoměný vysokonapěťový zdroj. První, druhé, třetí i čtvrté těleso 2, 4, 7 a 8 z elektricky nevodivého materiálu jsou v tomto příkladném provedení rovněž deskovitého tvaru.

V činnosti je funkce dvoustranné lineární kombinované trysky podle vynálezu podobná funkci jednostranné lineární kombinované trysky podle vynálezu. Drážkami 5 je vytlačován polymerní roztok k distálnímu konci 6 kombinované trysky, a to na hranu tenkostěnné vodivé elektrody 1, kde se směsi mísí a tvarují do malých kapek, případně do souvislé tenké vrstvy s malým poloměrem křivosti. Výrazný gradient elektrostatického pole vznikajícího na distálním konci tenkostěnné elektrody 1 u distálního konce 6 lineární kombinované trysky vytrhává z kapičky vlákno z polymemího roztoku, které se pohybuje směrem ke sběrné elektrodě, která je v tomto příkladném provedení na nulovém napětí. Počet drážek 5 je přitom zdvojen, což může vést ke zdvojnásobení efektivity procesu zvlákňování, ale může to také přinést nové možnosti. V příkladném provedení znázorněném na obr. 3 a 4 jsou drážky 5 na prvním tělese 2 z elektricky nevodivého materiálu a třetím tělese 7 z elektricky nevodivého materiálu uspořádané přímo proti sobě. Přitom může být drážkami 5 v prvním tělese 2 z elektricky nevodivého materiálu vytlačována odlišná tekutá směs než drážkami 5 v třetím tělese 7 z elektricky nevodivého materiálu. Takto lze až těsně před vlákněním míchat směsi, které spolu reagují bezprostředně po smíchání a které není možné zvlákňovat poté, co jsou po určitou dobu smíchány.

D3045'

12. I. 2012/

-12Vnitřní prostor 3 slouží k přivádění a usměrňování vzduchu proudícího k distálnímu konci 6 lineární kombinované trysky.

Počet současně se tvořících mikro- nebo nanovláken přibližně odpovídá počtu drážek 5, který je omezen pouze praktickými ohledy. Použití dvoustranné lineární kombinované trysky podle vynálezu podobně jako u jednostranné lineární kombinované trysky podle vynálezu zvyšuje produktivitu výroby mikronebo nanovláken se stabilním složením a stálou kvalitou. Tak jako jednostranná lineární kombinovaná tryska i dvoustranná lineární kombinovaná tryska chrání polymerní roztok před okolním prostředím, neboť tento polymerní roztok se dostává do styku se vzduchem až při tvorbě nejdříve kapičky na distálním konci 6 lineární kombinované trysky a bezprostředně poté při tvorbě mikro- nebo nanovlákna. Nedochází tak k odpařování složek polymerního roztoku a tím ani ke změně složení vytvářeného mikro- nebo nanovlákna. Další výhodou pak je snadná údržba a čištění lineární kombinované trysky, neboť její jednotlivé díly lze jednoduše rozebrat a rovinné plochy prvního i třetího tělesa 2 a 7 z elektricky nevodivého materiálu s obnaženými drážkami 5 i tenkostěnné elektrody 1 jednoduše vyčistit.

Příkladné provedení válcovité kombinované trysky podle vynálezu je znázorněno na obr. 5. Tato tryska obsahuje válcovitou tenkostěnnou elektrodu 1, která směrem k proximálnímu konci přechází ve stopku a je uložena v dutém válci 10 z nevodivého materiálu. Do válcovité tenkostěnné elektrody 1 je vloženo první těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru plného válce, které je na svém válcovém plášti opatřeno soustavou drážek vedoucích k distálnímu konci 6 válcovité kombinované trysky. U proximálního konce prvního tělesa 2 z elektricky nevodivého materiálu je vytvořen napájecí kanálek 11 ve formě prstence obepínajícího první těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu, do něhož ústí jednak proximální konce všech drážek 5, jednak přívod polymerního roztoku. V odstupu od distálního konce 6 zvlákňovací

D3045^

12. I. 2012;

-13kombinované trysky je uspořádaná sběrná elektroda 9, mezi níž a mezi tenkostennou elektrodou 1 je zapojený neznázoměný vysokonapěťový zdroj. Válcovitá kombinovaná tryskaje vsazena do uchycovací misky 12. K proximálnímu konci 13 tenkostěnné elektrody 1 je připevněn držák 14 trysky s kanálkem 15 přívodu vysokého napětí k tenkostěnné elektrodě 1.

U všech provedení kombinované trysky podle vynálezu je přitom zřejmé, že pro funkci kombinované trysky podle vynálezu je důležité napětí, tedy rozdíl potenciálů, mezi tenkostěnnou elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 9, nikoliv samotný potenciál, na němž je tenkostěnná elektroda L

V činnosti je funkce válcovité kombinované trysky podle vynálezu podobná funkci obou dříve popsaných kombinovaných trysek podle vynálezu. Drážkami 5 je z napájecího kanálku 11 vytlačován polymerní roztok k distálnímu konci 6 kombinované trysky, a to na hranu tenkostěnné vodivé elektrody 1, kde se směsi mísí a tvarují do malých kapek, případně do souvislé tenké vrstvy s malým poloměrem křivosti. Výrazný gradient elektrostatického pole vznikajícího na distálním konci tenkostěnné elektrody 1 u distálního konce 6 lineární kombinované trysky vytrhává z kapičky vlákno z polymemího roztoku, které se pohybuje směrem ke sběrné elektrodě, která je protilehlá vůči distálnímu konci 6 válcovité kombinované trysky a která je v tomto příkladném provedení na nulovém napětí. Toto je podpořeno i proudem vzduchu hnaného vnitřním prostorem 3 k distálnímu konci 6 lineární kombinované trysky. Přitom počet současně se tvořících mikro- nebo nanovláken přibližně odpovídá počtu drážek 5, který je omezen pouze praktickými ohledy. Použití válcovité kombinované trysky podle vynálezu zvyšuje produktivitu výroby mikro- nebo nanovláken se stabilním složením a stálou kvalitou. Válcovitá kombinovaná tryska totiž chrání polymerní roztok před okolním prostředím, neboť tento polymerní roztok se dostává do styku se vzduchem až při tvorbě nejdříve kapičky na distálním konci 6 lineární kombinované trysky a bezprostředně poté

D3045* 12. I. 2012' í

-14při tvorbě mikro- nebo nanovlákna. Nedochází tak k odpařování složek polymerního roztoku a tím ani ke změně složení vytvářeného mikro- nebo nanovlákna. Další výhodou pak je snadná údržba a čištění válcovité kombinované trysky, neboť její jednotlivé díly lze jednoduše rozebrat a válcovité plochy prvního tělesa 2 z elektricky nevodivého materiálu s obnaženými drážkami 5 i tenkostěnné elektrody i jednoduše vyčistit.

Kombinovaná tryska ve výše popsaných provedeních umožní tvorbu vláken z roztoků nej různějších typů syntetických i přírodních polymerů, které jsou do formy nano- nebo mikrovláken obtížně převeditelné. Kombinovaná tryska popsaná v tomto vynálezu díky použití tenkostěnné elektrody 1 násobí gradientní síly elektrostatického pole, čímž na polymerní roztok působí větší síly, a to vede ke snazšímu vzniku vlákna. Další tečné síly proudícího vzduchu, působící na povrch polymerního roztoku, usnadní vznik vlákna, zejména také u těžko vláknitelných polymerů. Navržené řešení slouží k větší produkci a lze jej využít i pro průmyslovou výrobu nano- nebo mikrovlákenných materiálů vyráběných metodou elektrostatického zvlákňování. Přitom je minimalizováno riziko ucpání distribučních kanálů pro polymerní roztok v kombinované trysce a také jejich následné čistění není komplikované i ve větším počtu trysek. Polymerní směs není před samotným zvlákněním vystavena vyšším teplotám a navíc je umístěna v uzavřeném prostoru, proto před zvlákněním nemůže dojít ke změnám fyzikálně chemických vlastností roztoku.

Toho bylo dosaženo konstrukčním řešením trysky vycházejícím z výsledků provedené numerické simulace ukazující rozložení proudnic vzduchu a siločar elektrostatického pole v okolí kombinované trysky, která je náplní tohoto vynálezu. Tyto výsledky byly ověřeny četnými experimentálními pokusy při vláknění syntetických i velmi těžko vláknitelných přírodních polymerů. Konstrukce je navržena tak, aby řešila dosavadní problémy známých typů trysek, a to nevhodné rozložení gradientu elektrostatického pole, časté ucpávání

D304V

12. 1,2012/

- 15a obtížnou čistitelnost trysek, nízkou produktivitu a změny vlastností roztoku směsi během procesu vláknění. Kombinovaná tryska implementuje optimální způsob dávkování a tvarování polymerní směsi, výhodné rozložení siločar elektrostatického pole po přivedení vysokého elektrického napětí, výhodné rozložení proudnic přiváděného vzduchu, který má minimální vliv na vlastnosti roztoku.

Polymerní směs je dávkována tenkými drážkami 5 vytvořenými mezi kovovou tenkostěnnou elektrodou 1 a přilehlým prvním tělesem 2 z elektricky nevodivého materiálu, případně přilehlým třetím tělesem 7 z elektricky nevodivého materiálu. Polymerní směs se vytlačováním samovolně tvaruje do malých kapek na hraně vodivé tenkostěnné elektrody L Tím je zajištěno vhodné iniciační tvarování polymerní směsi pro snadný vznik Taylorova kužele a zahájení zvlákňovacího procesu. Připravená polymerní směs se nachází v uzavřeném prostoru, a proto nedochází k nežádoucím změnám fyzikálně chemických parametrů polymerní směsi vlivem odpařování jeho složek. Další výhodou je velice snadné čistění všech součástí kombinované trysky, která neobsahuje žádné tenké dlouhé nepřístupné otvory (kapilární trubice, apod.). Samotná konstrukce je navržena tak, že kombinovanou trysku lze velmi snadno demontovat a její větší díly jednoduše omýt.

Tenkostěnná elektroda 1 připojená na potenciál vysokého elektrostatického poleje navržena tak, aby nej intenzivnější gradient elektrostatického pole byl vytvářen v malé oblasti tenkostěnné elektrody 1, tj. jen v místě, kde je formována kapka polymerního roztoku, tedy u distálního konce tenkostěnné elektrody 1. Značné gradientní síly elektrostatického pole jsou velice důležité pro vznik Taylorova kužele a následného procesu zvláknění.

Konstrukce kombinované trysky využívá výhod tenké kapilární trysky, její odlišující výhodou je, mimo jiné, velmi snadné čistění a téměř minimální riziko ucpání během zvlákňovacího procesu při nesrovnatelně větší produktivitě.

D3045 ‘

12. 1.20121

-16Další výhodou řešení popsaného v tomto vynálezu je vysoká efektivita kombinované trysky, která není dosažitelná jiným z citovaných typů zvlákňovacích trysek, aniž by docházelo k ucpávání, změnám parametrů roztoku při procesu vláknění, následnému komplikovanému čistění, apod. Toho je dosaženo násobením distribučních kanálů na ploše desky u jednostranné i dvoustranné kombinované trysky nebo povrchu válce u válcovité kombinované trysky a tím zajištěnou tvorbou četných miniaturních kapek, z kterých se tvoří Taylorovy kužele a samotná vlákna.

Navíc je kombinovaná tryska ve všech svých provedeních doplněna o složku proudícího vzduchu, který svými tečnými silami přispívá k vytvoření Taylorova kužele a vzniku tvorby vlákna, aniž by zvýšená teplota ovlivnila vlastnosti nezvlákněného roztoku. Rychlostí proudění vzduchu lze zvýšit objem zvlákněného roztoku, resp. zvýšit produktivitu procesu. Řízená regulace teploty příznivě ovlivní klimatické podmínky v místě tvorby vlákna i v celé depoziční komoře. Další fyzikální veličiny vzduchu, jako jsou rychlost proudění a teplota, jsou regulovanými parametry procesu, který je pak cíleně řízen za účelem produkce žádané morfologie nano- nebo mikrovlákenných materiálů.

Příklad 1

Ve výhodném provedení vynálezu je jednostranná kombinovaná tryska pro metodu elektrostatického zvlákňování tvořena třemi rovnoběžnými deskami, viz obr. 1 a 2. První těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu s tloušťkou 5 mm je v těsném kontaktu s tenkostěnnou elektrodou 1 s tloušťkou 1 mm, která je připojena na elektrický potenciál zdroje vysokého napětí. První těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu má na styčné ploše s tenkostěnnou elektrodou 1 drážky 5 o rozměru 1x2 mm, které slouží pro distribuci polymemí směsi. Směs je těmito drážkami 5 dávkována na hranu tenkostěnné elektrody 1, kde se tvaruje do malých kapek, případně do souvislé tenké vrstvy s malým poloměrem křivosti. Druhé těleso 4 z elektricky nevodivého materiálu je umístěno ve

D3045/

12. 1.20124

- 17vzdálenosti 8 mm od druhé stěny tenkostěnné elektrody 1, přičemž vzniklý vnitřní prostor 3 slouží k přivádění proudícího vzduchu.

Příklad 2

Ve výhodném provedení vynálezu je dvoustranná kombinovaná tryska pro metodu elektrostatického zvlákňování tvořena pěti rovnoběžnými deskami, a to v pořadí druhé těleso 4 z elektricky nevodivého materiálu, první těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu, tenkostěnná elektroda 1, třetí těleso 7 z elektricky nevodivého materiálu a čtvrté těleso 8 z elektricky nevodivého materiálu. Uprostřed je tedy umístěná tenkostěnná elektroda 1 ve tvaru desky o tloušťce 1 mm, výšce 50 mm a délce 100 mm, která je připojena na elektrický potenciál zdroje vysokého napětí. Na plochy této tenkostěnné elektrody 1 z obou stran těsně přiléhají první těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru desky o tloušťce 5 mm a třetí těleso 7 z elektricky nevodivého materiálu rovněž o tloušťce 5 mm. První i třetí těleso 2 a 7 z elektricky nevodivého materiálu mají na svých styčných plochách s tenkostěnnou elektrodou 1 drážky 5 o rozměru 1x2 mm, které slouží pro distribuci dvou tekutých směsí. Každá směs je těmito drážkami 5 individuálně dávkována na hranu prostřední tenkostěnné elektrody 1 u distálního konce 6 dvoustranné kombinované trysky, kde se směsi mísí a tvarují do malých kapek, případně do souvislé tenké vrstvy s malým poloměrem křivosti. V odstupu 8 mm od prvního tělesa 2 z elektricky nevodivého materiálu je podélně umístěno druhé těleso 4 z elektricky nevodivého materiálu, přičemž vnitřní prostor 3 mezi nimi slouží k přivádění a usměrňování vzduchu proudícího ve směru k distálnímu konci 6 zvlákňovací kombinované trysky. Stejně tak je v odstupu 8 mm od třetího tělesa 7 z elektricky nevodivého materiálu podélně umístěno čtvrté těleso 8 z elektricky nevodivého materiálu, přičemž vnitřní prostor 3 mezi nimi slouží k přivádění a usměrňování vzduchu proudícího ve směru k distálnímu konci 6 zvlákňovací kombinované trysky.

D3045/

12-.-4-. 2012 /

-18Příklad 3

V dalším výhodném provedení je tenkostěnná elektroda 1 ve tvaru tenkostěnného dutého válce o průměru 50 mm a tloušťce stěny 1 mm, k jehož vnitřní stěně přiléhá první těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru plného válce, který má na svém povrchu 16 drážek 5 o rozměru 1x2 mm pro vedení polymemí směsi. Polymemí směs je ze zásobníku přes napájecí kanálek 11 obepínající první těleso 2 z elektricky nevodivého materiálu vytlačována těmito drážkami 5 rychlostí 10^ 10 000 μί/min a vzniklými otvory dále vytlačena na hranu válcové tenkostěnné elektrody 1, kde se tvaruje do formy malých kapek. Vně válcové tenkostěnné elektrody 1 je v jisté vzdálenosti upevněno druhé těleso 4 z elektricky nevodivého materiálu ve tvaru dutého válce, přičemž vzdálenost mezi tenkostěnnou elektrodou 1 a druhým tělesem 4 z elektricky nevodivého materiálu vytvářející vnitřní prostor 3 je v tomto provedení 8 mm a slouží k přívodu ohřátého proudícího vzduchu s teplotou v rozsahu 20 k'l 00°C a s rychlostí proudění 0 V1000 1/min. V tomto vnitřním prostoru 3 je umístěn dutý válec 10 z nevodivého materiálu, který slouží jako elektrická i tepelná izolace. Gradient elektrického poleje tím více lokalizován a zesílen, nedochází k přenosu tepla z proudícího vzduchu přes tenkostěnnou elektrodu 1 na vláknící polymemí směs a navíc je vhodně tvarován tak, aby na svém vnějším obvodu zachytával přebytečnou polymemí směs.

Průmyslová využitelnost

Vynález lze využít k laboratorní i průmyslové výrobě vlákenných materiálů, složených z nano- nebo mikrovláken, pomocí metody elektrostatického zvlákňování.

D304V

12. I. 2012/ . i -i '· * * í » « * »

• * í · « * ·

-19-i « í s · » » ·

Claims

Patentové nároky

1. Zvlákňovací kombinovaná tryska pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálů, vyznačující se tím, že obsahuje tenkostěnnou elektrodu (1), k jejíž první stěně přiléhá první těleso (2) z nevodivého materiálu, v němž je na jeho stěně přivrácené k tenkostěnné elektrodě (1) vytvořena soustava drážek (5) vedoucích k distálnímu konci (6) zvlákňovací kombinované trysky, které jsou u svého proximálního konce napojeny k přívodu zvlákňovací směsi.
2. Zvlákňovací kombinovaná tryska pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálů podle nároku 1, vyznačující se tím, že u druhé stěny tenkostěnné elektrody (1) je uspořádáno druhé těleso (4) z nevodivého materiálu pro vedení vzduchu ve směru k distálnímu konci (6)zvlákňovací kombinované trysky.
3. Zvlákňovací kombinovaná tryska pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálů podle nároku 2, vyznačující se tím, že tenkostěnná elektroda (1) má tvar válcového pláště, k jehož vnitřní ploše přiléhá svou vnější plochou do něj vložené první těleso (2) z nevodivého materiálu ve tvaru válce s drážkami (5) na povrchu, přičemž druhé těleso (4) z nevodivého materiálu pro vedení vzduchu ve směru k distálnímu konci (6) zvlákňovací kombinované trysky má tvar válcového pláště, přičemž tenkostěnná elektroda (1) je uložena ve válcovitém pouzdře (10) z nevodivého materiálu, mezi nímž a mezi druhým tělesem (4) z nevodivého materiálu je uspořádán koaxiální vnitřní prostor (3) pro vedení vzduchu ve směru k distálnímu konci (6) zvlákňovací kombinované trysky.

D3O454

12; 1. 2012(

-20{ i
4. Zvlákňovací kombinovaná tryska pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálů podle nároku 3, vyznačující se tím, že distální konec válcovitého pouzdra (10) z nevodivého materiálu leží pod úrovní distálního konce tenkostěnné elektrody (1).
5. Zvlákňovací kombinovaná tryska pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálů podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že tenkostěnná elektroda (1), první těleso (2) z nevodivého materiálu i druhé těleso (4) z nevodivého materiálu mají deskovitý tvar, přičemž k první stěně desko vité tenkostěnné elektrody (1) přiléhá první těleso (2) z nevodivého materiálu, opatřené na svém povrchu přiléhajícím k tenkostěnné elektrodě (1) drážkami (5) směřujícími k distálnímu konci tenkostěnné elektrody (1), a souběžně s druhou stěnou deskovité tenkostěnné elektrody (1) je uspořádáno druhé těleso (4) z nevodivého materiálu, mezi nímž a mezi tenkostěnnou elektrodou (1) je vytvořen prostor (3) pro vedení vzduchu ve směru k distálnímu konci (6) zvlákňovací kombinované trysky.
6. Zvlákňovací kombinovaná tryska pro výrobu nano- a mikrovlákenných materiálů podle nároku 1, vyznačující se tím, že je opatřena třetím a čtvrtým tělesem (7 a 8) z nevodivého materiálu, přičemž tenkostěnná elektroda (1), první, druhé, třetí i čtvrté těleso (2, 4, 7 a 8) z nevodivého materiálu mají deskovitý tvar, k druhé stěně deskovité tenkostěnné elektrody (1) přiléhá svou první stěnou třetí těleso (7) z nevodivého materiálu, opatřené na svém povrchu přiléhajícím k tenkostěnné elektrodě (1) drážkami (5) směřujícími k distálnímu konci tenkostěnné elektrody (1), proti druhé stěně prvního tělesa (2) z nevodivého materiálu je uspořádáno druhé těleso (4) z nevodivého materiálu, mezi nímž a mezi prvním tělesem (2) z nevodivého materiálu je vytvořen

D3O45f

12. 1.2012«’ prostor (3) pro vedení vzduchu ve směru k distálnímu konci (6) zvlákňovací kombinované trysky a proti druhé stěně třetího tělesa (7) z nevodivého materiálu je uspořádáno čtvrté těleso (8) z nevodivého materiálu, mezi nímž a mezi třetím tělesem (7) z nevodivého materiálu je vytvořen prostor (3) pro vedení vzduchu ve směru k distálnímu konci (6) zvlákňovací kombinované trysky.

D3045-*

12. 1. 2012/