CZ202169A3 - Způsob zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Při zvlákňování roztoku nebo taveniny (4) polymeru se střídavé elektrické napětí přivádí na zvlákňovací elektrodu (2) a/nebo do roztoku nebo taveniny (4). Zvlákňovací elektroda (2) tvořená lineárním flexibilním útvarem se během zvlákňování převíjí mezi dvěma hnanými cívkami (3), které jsou na obvodu opatřené spirálovou drážkou (30). Alespoň jedna cívka (3) se částí zvlákňovací elektrody (2) v drážce (30) brodí v roztoku nebo tavenině (4) v zásobníku (5). Roztok nebo tavenina (4) se na části zvlákňovací elektrody (2) při převíjení mezi cívkami (3) zvlákňuje. Zvlákňování probíhá po obvodu zvlákňovací elektrody (2) a nanovlákna se shlukují do útvaru, pohybujícího se směrem od zvlákňovací elektrody (2). Část zvlákňovací elektrody (2), v prostoru mezi oběma cívkami (3) a tvořící aktivní část (20) zvlákňovací elektrody (2), vykonává rovněž přídavný vratný posuvný pohyb ve směru kolmém na podélnou osu aktivní části (20) zvlákňovací elektrody (2). Vynález se týká také zařízení k provádění tohoto způsobu.

Description

Způsob zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí.

Vynález se dále týká také zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

V současné době je známý způsob pro výrobu polymemích nanovláken (tj. vláken s průměrem do 1000 nm, typicky cca 400 až 800 nm) elektrostatickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru, který je založený na využití stejnosměrného elektrického napětí. Při něm se na alespoň jednu zvlákňovací elektrodu tvořenou trubičkou, kapilárou nebo tryskou, případně pohybujícím se tělesem, např. válcem (viz např. CZ 294274) přivádí stejnosměrné elektrické napětí jedné polarity a na alespoň jednu protielektrodu, tzv. sběrnou elektrodu, uspořádanou proti této zvlákňovací elektrodě/elektrodám se přivádí stejnosměrné elektrické napětí opačné polarity. V některých variantách může být některá z elektrod nebo skupin elektrod uzemněná. V obou případech se přitom mezi sběrnou elektrodou/elektrodami a zvlákňovací elektrodou/elektrodami vytváří elektrostatické pole, které svým silovým působením na roztok nebo taveninu polymeru, který/která se do tohoto pole přivádí dutinou ve zvlákňovací elektrodě nebo na povrchu zvlákňovací elektrody, formuje na jeho/její hladině tzv. Taylorovy kužely, ze kterých následně vydlužuje polymemí nanovlákna. Ta jsou poté silovým působením tohoto elektrostatického pole unášena směrem ke sběrné elektrodě/elektrodám a obvykle se před kontaktem s ní/nimi zachytávají na povrchu statického nebo pohybujícího se kolektoru, nej častěji textilie.

Z CZ patentu 304137 je pak známý způsob pro výrobu polymemích nanovláken elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru, při kterém se využívá střídavé elektrické napětí, které se přivádí na zvlákňovací elektrodu/elektrody. Elektrické pole se při něm vytváří mezi touto zvlákňovací elektrodou a tzv. virtuální protielektrodou tvořenou opačně nabitými ionty vzduchu a/nebo plynu, které vznikají v blízkosti zvlákňovací elektrody/elektrod ionizací okolního vzduchu nebo jiného plynu a/nebo které se do její blízkosti přivádí z iontového zdroje, a/nebo opačně nabitými nanovlákny vytvořenými v předchozím okamžiku. Díky pravidelné změně fáze a polarity střídavého elektrického napětí na zvlákňovací elektrodě nesou jednotlivá nanovlákna nebo dokonce různé úseky jednotlivých nanovláken opačné elektrické náboje, v důsledku čehož se téměř ihned po svém vzniku působením elektrostatických Coulombových sil shlukují do objemového útvaru ve formě vlečky, ve které jednotlivá polymemí nanovlákna mění svůj směr v úsecích o délce jednotek mikrometrů, a vytváří nepravidelnou mřížkovou strukturu vzájemně hustě provázaných nanovláken s opakujícími se místy kontaktu mezi nimi, kterou je možné použít např. pro pokrývání různých povrchů, vč. nití - viz např. CZ 306428, apod. Výhodou tohoto postupuje že nevyžaduje použití fyzické protielektrody a vytvářený útvar tvořený nanovlákny není elektricky nabitý, díky čemuž je pro řadu aplikací výhodnější než elektrostatické zvlákňování s využitím stejnosměrného napětí; ze stejného důvodu se s ním i lépe manipuluje.

Z CZ 306772 je pak známý způsob pro výrobu polymemích nanovláken elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého napětí, při kterém se na zvlákňovací plochu vytvořenou na rozšířeném čele zvlákňovací elektrody ve tvaru kapiláry přivádí nadbytek roztoku nebo taveniny polymeru, část z něj/ní se zvlákní a zbytek omývá zvlákňovací plochu zvlákňovací elektrody a působením gravitace z ní stéká na navazující odváděči plochu, na které již ke zvlákňování nedochází. Díky tomu na zvlákňovací ploše zvlákňovací elektrody neulpívají zatuhlé zbytky nezvlákněného roztoku nebo taveniny polymeru ani nanovlákna vytvořená při předchozím

-1 CZ 2021 - 69 A3 zvlákňování a zvlákňování tak může probíhat s nezměněnou intenzitou po v podstatě neomezenou dobu.

Kromě toho je z CZ 306772 také známých několik provedení zvlákňovací elektrody s rozšířeným čelem určených pro výše popsaný způsob elektrického zvlákňování jejichž společným znakem je to, že kolem alespoň části ústí vedení roztoku nebo taveniny polymeruje vytvořená zvlákňovací plocha zaoblená směrem dolů, pod toto ústí.

Nevýhodou v současné době známých způsobů pro elektrické zvlákňování s využitím střídavého elektrického napětí a pro něj určených zvlákňovacích elektrod je zejména to, že zvlákňovací elektroda je zcela oddělená od zásobníku roztoku nebo taveniny polymeru a materiál pro zvlákňování se do její dutiny přivádí vedením tvořeným hadičkami nebo trubičkami. Toto uspořádání přitom zvyšuje nejen objem roztoku nebo taveniny polymeru, který musí být v zařízení pro zvlákňování v každém okamžiku k dispozici a tlaky nutné pro jeho/její dopravu, ale i objem roztoku nebo taveniny polymeru, který se ve finále nezvlákní, což u některých typů polymerů podstatným způsobem zvyšuje náklady na přípravu nanovláken. Další nevýhodou je i to, že větší objem roztoku nebo taveniny polymeru má obvykle i větší plochu hladiny nebo rozhraní mezi roztokem/taveninou a stěnou trubiček/hadiček, což může vést k jeho/jejímu rychlejšímu tuhnutí, resp. degradaci - v případě roztoku v důsledku rychlejšího odparu rozpouštědla, v případě taveniny pak zejména v důsledku jejího rychlejšího chladnutí.

Velmi podstatnou nevýhodou stávajících zařízení pro elektrické i elektrostatické zvlákňování je také to, že k dodávání roztoku nebo taveniny polymeru ze zásobníku na zvlákňovací plochu zvlákňovací elektrody obvykle využívají peristaltická čerpadla, která způsobují „pulzaci“ toku roztoku nebo taveniny polymeru na zvlákňovací ploše zvlákňovací elektrody, která kvůli změně objemu roztoku nebo taveniny aktuálně přítomného/přítomné na této zvlákňovací ploše, pohybu jeho/její hladiny a změně jejího tvaru výrazně zhoršuje rovnoměrnost zvlákňovacího procesu a vytvářených nanovláken.

Další nevýhodou je, že tvorba nanovláken probíhá na poměrně malé zvlákňovací ploše zvlákňovací elektrody, takže pro zvýšení produktivity a tvorbu plošné vrstvy nanovláken je nutné použít větší skupinu navzájem vhodně uspořádaných zvlákňovacích elektrod. Ani v takovém případě však není vytvářená vrstva polymemích nanovláken zcela homogenní.

Cílem vynálezu tak je navrhnout způsob zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí a zařízení k provádění tohoto způsobu, které by netrpěly těmito nevýhodami a umožnily naplno využít potenciál elektrického zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého napětí.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu se dosáhne způsobem zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí, které se přivádí na zvlákňovací elektrodu a/nebo do roztoku nebo taveniny polymeru, jehož podstata spočívá v tom, že zvlákňovací elektroda tvořená lineárním flexibilním útvarem se během zvlákňování převíjí mezi dvěma hnanými cívkami, které jsou na svém obvodu opatřené spirálovou drážkou, přičemž se tato zvlákňovací elektroda odvíjí ze spirálové drážky jedné cívky a současně se navíjí do spirálové drážky druhé cívky, přičemž část zvlákňovací elektrody navinutá na kterékoliv z cívek nepřesahuje přes její obvod, alespoň jedna z těchto cívek s částí zvlákňovací elektrody uloženou v její spirálové drážce se brodí v roztoku nebo tavenině polymeru uloženém/uložené v zásobníku, přičemž se tento roztok nebo tavenina polymeru ukládá na povrchu této části zvlákňovací elektrody a při následném převíjení ze spirálové drážky této cívky do spirálové drážky druhé cívky se z ní v prostoru mezi cívkami zvlákňuje. Zvlákňování probíhá po celém obvodu zvlákňovací elektrody a s výhodou i po celé délce její aktivní části, přičemž se vytvářená nanovlákna působením Coulombových sil shlukují do

-2 CZ 2021 - 69 A3 objemového útvaru, který se působením elektrického větru poháněného ionty generovanými koronovými výboji elektrického pole v okolí zvlákňovací elektrody pohybuje směrem od zvlákňovací elektrody. Část zvlákňovací elektrody, která se aktuálně nachází v prostoru mezi cívkami a tvoří aktivní část zvlákňovací elektrody na jejímž povrchu dochází ke zvlákňování, vykonává v důsledku navíjení a odvíjení zvlákňovací elektrody do/ze spirálových drážek cívek kromě pohybu ve směru své podélné osy přídavný vratný posuvný pohyb ve směru kolmém na podélnou osu aktivní části zvlákňovací elektrody. Tento postup umožňuje s velkým zvlákňovacím výkonem vytvářet rovnoměrné plošné vrstvy nanovláken. Tyto plošné vrstvy je mj. možné využít pro tvorbu lineárních útvarů - např. přízí apod.

Dle vedení zvlákňovací elektrody mezi cívkami a orientace jejich spirálových drážek se celá aktivní část zvlákňovací elektrody při vykonávání přídavného vratného posuvného pohybu pohybuje ve stejném směru nebo se opačné konce aktivní části zvlákňovací elektrody pohybují v navzájem opačném směru.

Ve variantě, kdy není zvlákňovací elektroda uzavřená do nekonečné smyčky, vykonávají cívky během zvlákňování vratný otočný pohyb, přičemž se mění smysl jejich otáčení a také smysl pohybu aktivní části zvlákňovací elektrody ve směru její podélné osy.

Ve variantě, kdy je zvlákňovací elektroda uzavřená do nekonečné smyčky, vykonávají cívky během zvlákňování otočný pohyb, přičemž smysl jejich otáčení a smysl pohybu aktivní části zvlákňovací elektrody ve směru její podélné osy zůstávají během zvlákňování s výhodou stejné; v případě potřeby se však mohou i v této variantě během zvlákňování měnit.

Ve všech variantách je výhodné, pokud pohon jedné z cívek brzdí při převíjení zvlákňovací elektrody její pohyb, čímž ji udržuje napnutou. Pohonem, který brzdí pohyb zvlákňovací elektrody je pohon cívky, ze které se v daném okamžiku zvlákňovací elektroda odvíjí. Pohony cívek jsou propojeny způsobem master-slave, přičemž si mění své role v závislosti na tom, která cívka slouží v daném okamžiku jako navíjecí a odvíjecí.

Pro usměrnění objemového útvaru tvořeného nanovlákny se v prostoru, ve kterém se po svém vytvoření tento objemový útvar pohybuje vytváří proud vzduchu, který podporuje pohyb tohoto útvaru směrem od zvlákňovací elektrody. Ve výhodné variantě se tento proud vzduchu vytváří elektrickým větrem poháněným ionty generovanými koronovými výboji elektrického pole v okolí pomocné elektrody uložené v blízkosti zvlákňovací elektrody, na kterou se během zvlákňování přivádí střídavé elektrické napětí.

Vytvářený prostorový útvar tvořený nanovlákny se mechanicky ukládá na kolektoru nebo se odvádí, např. nasává do odsávací trysky.

Během zvlákňování je výhodné, když se z boků a obvodu cívky, která se brodí v roztoku nebo tavenině polymeru při jejím otáčení alespoň jedním stíracím prostředkem odstraňuje přebytečný roztok nebo tavenina polymeru. To napomáhá tomu, aby na povrchu zvlákňovací elektrody zůstalo optimální množství roztoku nebo taveniny polymeru pro zvlákňování a aby nedocházelo k nežádoucímu zvlákňování např. z povrchu cívek apod.

Kromě toho se cíle vynálezu dosáhne také zařízením pro zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí, které obsahuje alespoň jednu zvlákňovací elektrodu, jehož podstata spočívá v tom, že zvlákňovací elektroda je tvořená lineárním flexibilním útvarem uloženým na dvou otočně uložených cívkách spřažených s pohonem, přičemž úsek zvlákňovací elektrody, který se nachází mezi cívkami představuje aktivní část zvlákňovací elektrody, která je určená pro zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru. Obě cívky jsou na svém obvodu opatřené spirálovou drážkou pro dočasné uložení zvlákňovací elektrody, přičemž délka drážky každé z cívek odpovídá minimálně délce aktivní části zvlákňovací elektrody, hloubka drážky každé z cívek je rovná nebo větší než průměr nebo výška zvlákňovací elektrody, a

-3 CZ 2021 - 69 A3 v drážkách obou cívek je dohromady uložená část zvlákňovací elektrody o délce, která odpovídá minimálně délce aktivní části zvlákňovací elektrody, přičemž alespoň jedna z cívek zasahuje částí svého obvodu do zásobníku roztoku nebo taveniny polymeru.

Ve výhodné variantě provedení je v prostoru aktivní části zvlákňovací elektrody po alespoň části její délky uspořádaná pomocná elektroda, na kterou se přivádí střídavé elektrické napětí, s výhodou stejné jako na zvlákňovací elektrodu.

Cívce, která zasahuje do zásobníku roztoku nebo taveniny polymeruje s výhodou přiřazen alespoň jeden stírací prostředek určený pro stírání přebytečného roztoku nebo taveniny polymeru z jejích boků ajejího obvodu. V ještě výhodnější variantě jsou každé cívce přiřazené dva stírací prostředky, z nichž každý je přiřazený opačné straně cívky.

V prostoru nad zvlákňovací elektrodou nebo vedle ní je uspořádaný alespoň jeden kolektor pro záchyt vytvářených nanovláken. Takovým kolektorem je např. otočně uložené válcové těleso, plošný textilní materiál, nit nebo kabel vláken, odsávací tryska apod.

Ve výhodné variantě provedení zasahují částí svého obvodu do zásobníku roztoku nebo taveniny polymeru obě cívky. Přitom mohou zasahovat do společného zásobníku roztoku nebo taveniny polymeru, nebo může být každé z nich přiřazen samostatný zásobník.

Zvlákňovací elektroda může být uzavřená do nekonečné smyčky.

Pro zvýšení zvlákňovacího výkonu může zařízení podle vynálezu obsahovat dvě nebo více vedle sebe uspořádaných zvlákňovacích elektrod.

Přitom je výhodné, pokud aktivní části alespoň některých z nich leží v jedné aktivní rovině.

Pohony cívek jsou s výhodou propojeny způsobem master-slave s možností záměny jejich funkcí, což umožňuje to, aby během zvlákňování jeden z motorů brzdil pohyb zvlákňovací elektrody a tím ji udržoval napnutou.

Objasnění výkresů

Na přiloženém výkresu je na obr. 1 schematicky znázorněný průřez jednou variantou zařízení pro zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí podle vynálezu, na obr. 2 průřez druhou variantou zařízení pro zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí podle vynálezu, a na obr. 3 průřez třetí variantou zařízení pro zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí podle vynálezu. Na obr. 4 je schematicky znázorněný pohled na obvod cívky nesoucí zvlákňovací elektrodu tohoto zařízení. Na obr. 5 je schematicky znázorněna jedna varianta vedení zvlákňovací elektrody ve zvlákňovacím prostoru ajejího přídavného pohybu, na obr. 6 pak druhá varianta vedení zvlákňovací elektrody ve zvlákňovacím prostoru a jejího přídavného pohybu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Způsob zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí podle vynálezu bude vysvětlen na příkladných variantách zařízení k provádění tohoto způsobu znázorněných schematicky na obr. 1 až obr. 3 a jejich funkci.

Zařízení 1 pro zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru s využitím střídavého elektrického napětí pode vynálezu obsahuje ve svém zvlákňovacím prostoru alespoň jednu zvlákňovací

-4 CZ 2021 - 69 A3 elektrodu 2 tvořenou lineárním flexibilním útvarem (např. strunou, páskem, řemínkem, řetízkem apod., s výhodu zejména útvarem s členitějším povrchem složeným z několika vzájemně spletených nebo propletených částí, jako např. lankem, šňůrou, vícežílovým útvarem apod.) z elektricky vodivého nebo nevodivého materiálu, který je uložený na dvou cívkách 3. Cívky 3 jsou uloženy v/na ne znázorněném rámu zařízení 1 otočně okolo své vodorovně orientované osy a každá z nich je spřažená s ne znázorněným pohonem, např. servomotorem. Pohony obou cívek 3 jsou přitom s výhodou navzájem propojeny prostřednictvím ne znázorněné sběrnice způsobem master-slave a představují současně napínací prostředek zvlákňovací elektrody 2. Během zvlákňování přitom dochází ke střídaní funkcí jednotlivých pohonů, přičemž každý z pohonů funguje střídavě jako master a následně jako slave. Takové uspořádání umožňuje, aby v každém okamžiku pohon jedné z cívek 3 brzdil pohyb zvlákňovací elektrody 2 a tím ji udržoval napnutou

Každá cívka 3 (viz obr. 4) je na svém obvodu opatřena spirálovou drážkou 30 pro dočasné uložení části délky zvlákňovací elektrody 2. Rozměry a tvar příčného průřezu drážky 30 přitom odpovídají rozměrům a tvaru zvlákňovací elektrody 2, přičemž hloubka drážky 30 je rovná nebo větší než průměr, resp. tloušťka zvlákňovací elektrody 2, takže část zvlákňovací elektrody 2 uložená v drážce 30 cívky 3 nevystupuje nad povrch cívky 3 a nedochází na ní ke zvlákňování. Cívky 3 jsou s výhodou vytvořeny z elektricky nevodivého materiálu, zejména plastu, a přechody mezi jejich povrchy, resp. jejich hrany jsou s výhodou zaoblené. Poloměry zaoblení jsou přitom dány zejména podmínkami zvlákňování a jsou voleny tak, aby na nich nedocházelo k dosažení kritické intenzity elektrického pole, při které by docházelo ke zvlákňování roztoku nebo taveniny 4 polymeru zachyceného/zachycené na povrchu cívek 3.

Usek zvlákňovací elektrody 2, který se nachází mezi cívkami 3 představuje aktivní část 20 zvlákňovací elektrody 2, tj. část zvlákňovací elektrody 2, na které dochází ke zvlákňování roztoku nebo taveniny 4 polymeru uloženého/uložené na jejím povrchu. V drážkách 30 obou cívek 3 dohromady je přitom s výhodou uložená část zvlákňovací elektrody 2 o délce, která odpovídá minimálně délce aktivní části 20 zvlákňovací elektrody 2, přičemž během zvlákňování dochází k převíjení zvlákňovací elektrody 2 z jedné cívky 3 na druhou a do prostoru mezi cívkami 3 tak neustále vstupuje nová část zvlákňovací elektrody 2 s čerstvým roztokem nebo taveninou 4 polymeru. Délka drážky 30 každé z cívek 3 odpovídá minimálně délce aktivní části 20 zvlákňovací elektrody 2 a zvlákňovací elektroda 2 se do těchto drážek 3 s výhodou ukládá v jedné vrstvě.

Obě cívky 3 zasahují svojí spodní částí do roztoku nebo taveniny 4 polymeru uloženého/uložené v zásobníku 5. V něm se roztok nebo tavenina 4 polymeru zachytává na povrchu zvlákňovací elektrody 2 (přičemž čím členitější povrch zvlákňovací elektrody 2, tím více roztoku nebo taveniny 4 se na něm zachytí), na kterém je při následném převíjení vynášen/vynášena do prostoru mezi cívkami 3, kde dochází k jeho/jejímu zvlákňování (viz níže). Pro odstranění přebytečného roztoku nebo taveniny 4 polymeruje každá cívka 3 opatřená alespoň jedním stíracím prostředkem 6 - např. šikmo uspořádanou lištou s vybráním ve tvaru „U“ pro těleso cívky 3, přičemž tato lišta stírá při otáčení cívky 3 přebytečný roztok nebo taveninu 4 polymeru jak z jejích boků, tak i z jejího obvodu a zaručuje tak požadované, předem dané množství roztoku nebo taveniny 4 polymeru na povrchu zvlákňovací elektrody 2. Ve výhodné variantě provedení je každá cívka 3 opatřena dvěma stíracími prostředky 6 - vnějším stíracím prostředkem 61 a vnitřním stíracím prostředkem 62 (viz obr. 2 a obr. 3), z nichž je každý uspořádán na opačné straně cívky 3. Vnější stírací prostředek 61 je přitom určený především ke stírání přebytečného roztoku nebo taveniny 4 polymeru z povrchu zvlákňovací elektrody 2 a cívky 3 při jejím výstupu ze zásobníku 5 a současně k odstranění zbytkového nezvlákněného roztoku nebo taveniny 4 polymeru z povrchu zvlákňovací elektrody 2 a cívky 3 před jejím vstupem do roztoku nebo taveniny 4 polymeru v zásobníku 5. Vnitřní stírací prostředek 62 pak brání vynášení roztoku nebo taveniny polymeru na povrchu cívky 3 do blízkosti aktivní části 20 zvlákňovací elektrody 2, zejména při navíjení zvlákňovací elektrody 2 na danou cívku 3.

Zásobník 5 roztoku nebo taveniny 4 polymeru může být společný pro obě cívky 3 (viz obr. 1), případně může být každé z cívek 3 přiřazen samostatný zásobník 5. Výhodou druhé varianty je, že

-5 CZ 2021 - 69 A3 vyžaduje menší množství roztoku nebo taveniny 4 polymeru aktuálně pntomného/pntomné v zásobníku 5, a současně umožňuje kombinovat dva/dvě rozdílné (např. z hlediska polymeru a/nebo koncentrace) roztoky nebo taveniny 4 polymeru - každý/každou uložený/uloženou v jednom ze zásobníků 5. Zásobník/zásobníky 5 roztoku nebo taveniny 4 polymeru je/jsou s výhodou opatřený/opatřené neznázoměným krytem/kryty, který/které brání vysychání roztoku, resp. chladnutí taveniny polymeru, a případně také topným prostředkem/prostředky pro ohřev taveniny a/nebo její udržování na požadované teplotě.

V neznázoměné variantě provedení může být zvlákňovací elektroda 2 uzavřená do nekonečné smyčky, přičemž v takovém případě může do zásobníku 5 roztoku nebo taveniny 4 polymeru zasahovat jen jedna cívka 3; výhodněji však do něj zasahují obě. V další variantě provedení je každé z cívek 3 přiřazen samostatný zásobník 5, přičemž zvlákňovací elektroda 2 je z těchto zásobníků 5 vyvedena, resp. do nich zavedena např. prostřednictvím neznázoměných vodicích prvků, které mění její směr, jako např. kladek apod., případně může, za předpokladu vhodného utěsnění, procházet otvory v jejich stěnách.

V kterékoliv z variant může být zvlákňovací elektrodě 2 přiřazen alespoň jeden neznázoměný napínací prostředek, např. napínací kladka, případně je jedna z cívek 3 uložená posuvně a je spřažená s pružným prvkem, např, pružinou, který působí ve směru aktivní části 20 zvlákňovací elektrody 2.

Zvlákňovací elektroda 2 a/nebo roztok nebo tavenina 4 polymeru je pro zvlákňování propojený/propojená s neznázoměným zdrojem střídavého elektrického napětí, a to buď přímo, nebo prostřednictvím např. zásobníku 5 roztoku nebo taveniny 4 polymeru a/nebo stíracího prostředku 6, 61. 62.

V prostoru nad zvlákňovací elektrodou 2 je uložený nebo vedený alespoň jeden vhodný kolektor 7 pro zachytávání a ukládání vytvářených polymemích nanovláken. Vzhledem k principu elektrostatického zvlákňování na bázi střídavého elektrického napětí nemusí (ale může být) být tento kolektor 7 vytvořený z elektricky vodivého materiálu, neboť vytvářený objemový nanovlákenný útvar se ktomu kolektoru 7 pohybuje působením tzv. elektrického větru, tj. toku plynu (vzduchu) poháněného ionty generovanými koronovými výboji elektrického pole v okolí zvlákňovací elektrody 2, a zachytává se na něm mechanicky, účinkem třecích sil. Tento samovolně generovaný elektrický vítr mj. brání přitahování nově vytvářených nanovláken zpět ke zvlákňovací elektrodě 2 během další střídavé půlvlny, kdy se změní její polarita. Místo toho jsou nanovlákna přitahována k sobě navzájem a v důsledku Coulombových sil vytváří skupiny uvnitř vlečky. Rychlost a mohutnost elektrického větru závisí na geometrii akčního členu (tj. zvlákňovací elektrody 2), síle elektrického pole a také na frekvenci střídavého proudu přiváděného na zvlákňovací elektrodu 2. Vhodným kolektorem je např. válcové těleso 8 (obr. 1, obr. 2), které se během zvlákňování otáčí okolo své vodorovně orientované podélné osy, která je s výhodou uspořádaná rovnoběžně s aktivní částí 20 zvlákňovací elektrody/elektrod 2, na které se vytvářený nanovlákenný útvar navíjí, netkaná textilie 9 (obr. 3), která se při zvlákňování s výhodou pohybuje kolmo nebo šikmo vůči aktivní části 20 zvlákňovací elektrody/elektrod 2, méně výhodně rovnoběžně s aktivní částí 20 zvlákňovací elektrody/elektrod 2, na kterou se vytvářený nanovlákenný útvar ukládá do plošné vrstvy, případně textilní lineární útvar, jako např. nit nebo vlákenný kabel, která/který je s výhodou veden/vedena rovnoběžně s aktivní části 20 zvlákňovací elektrody/elektrod 2 na který/kterou se nanovlákenný útvar může navíjet. Obecně však může mít kolektor 7 libovolnou konstrukci, případně může být v prostoru nad zvlákňovací elektrodou/elektrodami 2 nebo vedle ní namísto kolektoru uspořádána alespoň jedna neznázoměná odsávací tryska, propojená s neznázoměným podtlakovým systémem, do které se vytvářený nanovlákenný útvar nasává a na ní napojeným vedením se odvádí mimo zvlákňovací prostor k dalšímu zpracování nebo úpravě. V případě potřeby může být k zachycení vytvářeného nanovlákenného útvaru použito více navzájem nezávislých kolektorů 7, případně kolektor 7, který obsahuje několik oddělených prvků/těles.

-6 CZ 2021 - 69 A3

Pro podporu a/nebo řízení pohybu vytvářeného nanovlákenného útvaru směrem od zvlákňovací elektrody 2 je v prostoru, ve kterém se tento objemový útvar po svém vytvoření pohybuje uspořádaný vhodný prvek/prvky pro vyvození proudu vzduchu nebo jiného plynu orientovaného směrem od zvlákňovací elektrody 2, např. směrem ke kolektoru 7. Takovým prvkem je např. odsávací tryska 10 uložená v blízkosti kolektoru 7, případně, pokud je kolektor 7 vytvořený jako prodyšný, za ním (ve směru pohybu nanovlákenného útvaru) a/nebo alespoň jedna neznázoměná výfuková tryska umístěná v blízkosti zvlákňovací elektrody 2 a orientovaná směrem ke kolektoru 7. Při použití takového prvku/prvků může být kolektor 7 uložen v podstatě v libovolné pozici vůči zvlákňovací elektrodě/elektrodám 2, např. vedle ní/nich, přičemž vytvářený nanovlákenný materiál je kněmu usměrňován proudem vzduchu nebo jiného vhodného plynu. Jiným vhodným usměrňovacím prvkem je alespoň jedna pomocná elektroda 11 uložená v blízkosti zvlákňovací elektrody 2, např. v prostoru pod její aktivní částí 20 (obr. 2 a 3), na kterou se přivádí střídavé elektrické napětí, s výhodou stejné jako na zvlákňovací elektrodu 2, resp. na zvlákňovací elektrodě 2 uložený roztok nebo taveninu 4 polymeru. V blízkosti pomocné elektrody 11 se tak během zvlákňování vytváří elektrický vítr, který napomáhá orientaci a pohybu vytvářeného nanovlákenného útvaru ve směru spojnice pomocné elektrody 11a aktivní části 20 zvlákňovací elektrody 2, např. směrem ke kolektoru 7. Pomocná elektroda 11 je s výhodou vytvořená z elektricky vodivého materiálu a je rovnoběžná s alespoň částí aktivní části 20 zvákňovací elektrody 2.

Pro dosažení požadovaného zvlákňovacího výkonu je možné vedle sebe, s výhodou rovnoběžně, uspořádat větší počet zvlákňovacích elektrod 2. Každá ze zvlákňovacích elektrod 2 je přitom s výhodou uložená na samostatných cívkách 3 propojených se samostatnými pohony. V jiné variantě provedení mohou být alespoň některé cívky 3 uložené na společném hřídeli nebo prostřednictvím převodového zařízení (např. ozubených kol, řemenu, řetězu apod.) propojené s jedním společným pohonem. Zásobníky 5 roztoku nebo taveniny 4 polymeru přitom mohou být samostatné pro každou zvlákňovací elektrodu 2, případně mohou být společné pro dvě nebo více vedle sebe uspořádaných zvlákňovacích elektrod 2, resp. jejích cívek 3. Aktivní části 20 dvou nebo více zvlákňovacích elektrod 2 přitom s výhodou leží ve společné aktivní rovině.

Během zvlákňování se působením pohonů cívek 3 převíjí zvlákňovací elektroda 2 střídavě z jedné cívky 3 na druhou, přičemž do prostoru mezi cívkami 3 vstupuje stále nová část zvlákňovací elektrody 2, která vytváří aktivní část zvlákňovací elektrody 2, s čerstvým roztokem nebo taveninou 4 polymeru. Cívky 3 přitom během zvlákňování vykonávají vratný otočný pohyb, přičemž se mění smysl jejich otáčení a také smysl pohybu aktivní části 20 zvlákňovací elektrody 2 ve směru její podélné osy. Pohony cívek 3 přitom fungují střídavě jako master a následně jako slave, když pohon, který aktuálně slouží jako navíjecí funguje jako master, a pohon, který slouží jako odvíjecí funguje jako slave, přičemž při převíjení brzdí zvlákňovací elektrodu 2, čímž ji udržuje v napnutém stavu. Pokud je zvlákňovací elektroda 2 uzavřená do nekonečné smyčky, může se během zvlákňování převíjet z jedné cívky 3 na druhou s výhodou nepřetržitě v jednom směru. Cívky 3 přitom během zvlákňování vykonávají otočný pohyb, přičemž smysl jejich otáčení a smysl pohybu aktivní části 20 zvlákňovací elektrody 2 ve směru její podélné osy zůstávají během zvlákňování s výhodu stejné; v případně potřeby se však mohou během zvlákňování měnit.

Zvlákňovací elektroda 2 se během zvlákňování odvíjí ze spirálové drážky 30 jedné cívky 3 a současně se navíjí do spirálové drážky 30 druhé cívky 3, přičemž část zvlákňovací elektrody navinutá ve spirálové drážce 30 kterékoliv z cívek 3 nepřesahuje přes její obvod.

Při průchodu části délky zvlákňovací elektrody 2 uložené v drážce 30 cívky 3 roztokem nebo taveninou 4 polymeru v zásobníku 5 se na jejím povrchu (a případně i v její struktuře) zachytává roztok nebo tavenina 4 polymeru, který/která se následně vynáší do prostoru mezi cívkami 3, kde se z aktivní části 20 zvlákňovací elektrody 2 zvlákní. Zvlákňování přitom probíhá po celém obvodu zvlákňovací elektrody 2 a s výhodou i po celé její aktivní délce 20. Vytvářená nanovlákna se vlivem elektrického větru vytvářeného zvlákňovací elektrodou 2 pohybují směrem od jejího povrchu a shlukují se do objemového útvaru - vlečky. Ten je přitom s výhodou elektrickým větrem

-7 CZ 2021 - 69 A3 vytvářeným pomocnou elektrodou 11 a/nebo proudem/proudy vzduchu nebo jiného plynu vytvářeným tryskou/tryskami vyústěnou/vyústěnými do prostoru, ve kterém se po svém vytvoření tento objemový útvar pohybuje unášeny směrem ke kolektoru/kolektorům 7.

Díky stíracímu prostředku/prostředkům 6, 61. 62 se na zvlákňovací elektrodu 2 nanáší pouze předem dané množství roztoku nebo taveniny 4 polymeru potřebné pro co nej efektivnější zvlákňování - aby toto zvlákňování probíhalo po celé délce aktivní zóny 20 zvlákňovací elektrody 2, ale aby současně nedocházelo k tvorbě kapiček roztoku 4 nebo taveniny polymeru na povrchu zvlákňovací elektrody 2 a jejich úkapu.

Při převíjení mezi cívkami 3 se spirálovými drážkami 30 vykonává zvlákňovací elektroda 2 pohyb ve směru své podélné osy a její aktivní část 20 navíc také přídavný posuvný vratný pohyb ve směru kolmém na podélnou osu zvlákňovací elektrody 2. Podle způsobu uložení zvlákňovací elektrody 2 na jednotlivých cívkách 3 a/nebo vedení jejich drážek 30 se celá aktivní část 20 zvlákňovací elektrody 2 při vykonávání tohoto přídavného pohybu pohybuje ve stejném směru (viz šipky A a B na obr. 5) nebo se opačné konce aktivní části 20 zvlákňovací elektrody 2 pohybují v navzájem opačném směru (viz šipky A a B na obr. 6), přičemž v takovém případě může být střed aktivní zóny 20 v některých momentech bez přídavného pohybu. Výhodou tohoto přídavného pohybuje, že při ukládání vytvářených nanovláken na kolektoru 7 do plošné vrstvy, zvyšuje její homogenitu.

Zdroj vysokého napětí může s výhodou pracovat s různou frekvencí a s různým časovým průběhem tvaru vlnové formy: sinus, obdélník, trojúhelníkové pilové zuby, skoky atd. Během experimentů se ukázalo, že může být výhodné, pokud se na zvlákňovací elektrodu 2 a/nebo do roztoku nebo taveniny polymeru 4 přivádí elektrické napětí s asymetrickým průběhem, tj. napětí, u kterého se liší absolutní hodnoty maxim obou polarit, resp. u kterého je průměrná hodnota nastavena mimo nulu - má kladnou nebo zápornou hodnotu. V takovém případě totiž ve struktuře vytvářeného nanovlákenného objemového útvaru převažuje elektrický náboj té polarity, jejíž absolutní hodnota je vyšší, což má za následek vznik odpudivých sil mezi tímto útvarem a zvlákňovací elektrodou 2, které podporují pohyb tohoto útvaru směrem od této elektrody 2, zvýšení zvlákňovacího výkonu.

Claims (5)

1. Způsob zvlákňování roztoku nebo taveniny (4) polymeru s využitím střídavého elektrického napětí, které se přivádí na zvlákňovací elektrodu (2) a/nebo do roztoku nebo taveniny (4) polymeru, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda (2) tvořená lineárním flexibilním útvarem se během zvlákňování převíjí mezi dvěma hnanými cívkami (3), které jsou na svém obvodu opatřené spirálovou drážkou (30), přičemž se tato zvlákňovací elektroda (2) odvíjí ze spirálové drážky (30) jedné cívky (3) a současně se navíjí do spirálové drážky (30) druhé cívky (3), přičemž část zvlákňovací elektrody (2) navinutá v drážce (30) na kterékoliv z cívek (3) nepřesahuje přes její obvod, alespoň jedna z těchto cívek (3) s částí zvlákňovací elektrody (2) uloženou v její spirálové drážce (30) se brodí v roztoku nebo tavenině (4) polymeru uloženém/uložené v zásobníku (5), přičemž se tento roztok nebo tavenina 4 polymeru ukládá na povrchu této části zvlákňovací elektrody (2) a při následném převíjení ze spirálové drážky (30) této cívky (3) do spirálové drážky (30) druhé cívky (3) se z ní v prostoru mezi cívkami (3) zvlákňuje, přičemž zvlákňování probíhá po celém obvodu zvlákňovací elektrody (2) a vytvářená nanovlákna se působením Coulombových sil shlukují do objemového útvaru, který se působením elektrického větru poháněného ionty generovanými koronovými výboji elektrického pole v okolí zvlákňovací elektrody (2) pohybuje směrem od zvlákňovací elektrody (2), přičemž část zvlákňovací elektrody (2), která se aktuálně nachází v prostoru mezi cívkami (3) a tvoří aktivní část (20) zvlákňovací elektrody (2) na jejímž povrchu dochází ke zvlákňování, vykonává v důsledku navíjení a odvíjení zvlákňovací elektrody (2) do/ze spirálových drážek (30) cívek (3) kromě pohybu ve směru své podélné osy přídavný vratný posuvný pohyb ve směru kolmém na podélnou osu aktivní části (20) zvlákňovací elektrody (2).

2. Způsob pode nároku 1, vyznačující se tím, že celá aktivní část (20) zvlákňovací elektrody (2) se při vykonávání přídavného vratného posuvného pohybu pohybuje ve stejném směru.

3. Způsob pode nároku 1, vyznačující se tím, že opačné konce aktivní části (20) zvlákňovací elektrody (2) se při vykonávání přídavného vratného posuvného pohybu pohybují v navzájem opačném směru.

4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že cívky (3) během zvlákňování vykonávají vratný pohyb, přičemž se mění smysl jejich otáčení a také smysl pohybu aktivní části (20) zvlákňovací elektrody (2) ve směru její podélné osy.

5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda (2) je uzavřená do nekonečné smyčky, přičemž smysl otáčení cívek (3) a smysl pohybu aktivní části (20) zvlákňovací elektrody (2) ve směru její podélné osy zůstává během zvlákňování stejný.

6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že pohon jedné z cívek (3) slouží při převíjení zvlákňovací elektrody (2) jako brzda jejího pohybu, čímž udržuje zvlákňovací elektrodu (2) napnutou.

7. Způsob podle nároku 1 nebo 6, vyznačující se tím, že pohony cívek (3) fungují střídavě jako master a jako slave, přičemž pohon, který aktuálně slouží jako navíjecí funguje jako master, a pohon, který slouží jako odvíjecí funguje jako slave.

8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se v prostoru, ve kterém se po svém vytvoření pohybuje objemový útvar tvořený nanovlákny, vytváří proud vzduchu, který podporuje pohyb tohoto útvaru směrem od zvlákňovací elektrody (2).

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že proud vzduchu se vytváří elektrickým větrem poháněným ionty generovanými koronovými výboji elektrického pole v okolí pomocné elektrody (11), na kterou se přivádí střídavé elektrické napětí.

-9 CZ 2021 - 69 A3

10. Způsob podle nároku 1 nebo 8, vyznačující se tím, že prostorový útvar tvořený nanovlákny se mechanicky ukládá na kolektoru (7).

11. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že z boků a obvodu cívky (3), která se brodí v roztoku nebo tavenině (4) polymeru se při jejím otáčení alespoň jedním stíracím prostředkem (6) odstraňuje přebytečný roztok nebo tavenina (4) polymeru.

12. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že na zvlákňovací elektrodu (2) se přivádí elektrické napětí s asymetrickým průběhem, u kterého se liší maximální absolutní hodnoty obou polarit.

13. Zařízení pro zvlákňování roztoku nebo taveniny (4) polymeru s využitím střídavého elektrického napětí, které obsahuje alespoň jednu zvlákňovací elektrodu (2), vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda (2) je tvořená lineárním flexibilním útvarem uloženým na dvou otočně uložených cívkách (3) spřažených s pohonem, přičemž úsek zvlákňovací elektrody (2), který se nachází mezi cívkami (3) představuje aktivní část (20) zvlákňovací elektrody (2) určenou pro zvlákňování roztoku nebo taveniny (4) polymeru, obě cívky (3) jsou na svém obvodu opatřené spirálovou drážkou (30) pro dočasné uložení zvlákňovací elektrody (2), přičemž délka drážky (30) každé z cívek (3) odpovídá minimálně délce aktivní části (20) zvlákňovací elektrody (2), hloubka drážky (30) každé z cívek (3) je rovná nebo větší než průměr nebo výška zvlákňovací elektrody (2), a v drážkách (30) obou cívek (3) je dohromady uložená část zvlákňovací elektrody (2) o délce, která odpovídá minimálně délce aktivní části (20) zvlákňovací elektrody (2), přičemž alespoň jedna z cívek (3) zasahuje částí svého obvodu do zásobníku (5) roztoku nebo taveniny (4) polymeru.

14. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že v prostoru aktivní části (20) zvlákňovací elektrody (2) je po alespoň části její délky uspořádaná pomocná elektroda (11).

15. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že cívce (3), která zasahuje do zásobníku (5) roztoku nebo taveniny (4) polymeruje přiřazen alespoň jeden stírací prostředek (6) pro stírání přebytečného roztoku nebo taveniny (4) polymeru z jejích boků a jejího obvodu.

16. Zařízení podle nároku 13 nebo 15, vyznačující se tím, že cívce (3), která zasahuje do zásobníku (5) roztoku nebo taveniny (4) polymeru (3) jsou přiřazené dva stírací prostředky (61, 62), z nichž každý je přiřazený opačné straně cívky (3).

17. Zařízení podle nároku 13 nebo 14, vyznačující se tím, že v prostoru nad zvlákňovací elektrodou (2) nebo vedle ní je uspořádaný alespoň jeden kolektor (7) pro záchyt vytvářených nanovláken.

18. Zařízení podle nároku 17, vyznačující se tím, že kolektor (7) je tvořen otočně uloženým válcovým tělesem (8).

19. Zařízení podle nároku 17, vyznačující se tím, že kolektor (7) je tvořen plošným textilním materiálem (9).

20. Zařízení podle nároku 17, vyznačující se tím, že kolektor (7) je tvořen odsávací tryskou.

21. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že obě cívky (3) zasahují částí svého obvodu do zásobníku (5) roztoku nebo taveniny (4) polymeru.

22. Zařízení podle nároku 13 nebo 21, vyznačující se tím, že obě cívky (3) zasahují částí svého obvodu do společného zásobníku (5) roztoku nebo taveniny (4) polymeru.

23. Zařízení podle nároku 13 nebo 21, vyznačující se tím, že každá z cívek (3) zasahuje částí svého obvodu do samostatného zásobníku (5) roztoku nebo taveniny (4) polymeru.

24. Zařízení podle libovolného z nároků 13, 14, 17, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda (2) je uzavřená do nekonečné smyčky.

- 10CZ 2021 - 69 A3

25. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že obsahuje dvě nebo více vedle sebe uspořádaných zvlákňovacích elektrod (2).

26. Zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že aktivní části (20) dvou nebo více vedle sebe uspořádaných zvlákňovacích elektrod (2) leží v jedné aktivní rovině.

5 27. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že pohony cívek (3) jsou propojeny způsobem master-slave s možností záměny jejich funkcí.