CZ22704U1 - Zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válců - Google Patents

Description

Zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nano vláken a mikro vláken na povrchu rotujících válců

Oblast techniky

Řešení se týká nového zařízení pro odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken z polymemích roztoků či tavemn na povrchu rotujících válců.

Dosavadní stav techniky

Počátky historie nanovláken sahají do konce 19. století a jsou produktem náhody při pokusech s elektrostatickým předením. Jako první nanovlákna byla připravena vlákna uhlíková v roce 1889. Nejjednodušší definice nanovláken je, že jde o vlákna o průměru menším než 1000 nm. Některé definice vyžadují např. průměr minimálně pod 100 nm. Význam nanovláken vzrostl až po zavedení do výroby syntetických polymerových vláken ve 20. století a na nich objevené elektrostatické zvlákňování. Od roku 1980 se začalo již s hromadnou výrobou nanovláken v USA, která se rozšířila do Japonska a zejména pak v poslední době do Číny, kde se již používají nanovláknové vrstvy v oděvním průmyslu. Přes dnes již poměrně rozsáhlou výrobu nanovlákenných textilií teoretické práce se v tomto oboru opožďují za jejich výrobou.

Oblasti využití polymemích nanovláken zahrnují různé druhy filtrací, ochranných roušek a oděvů, solárních článků, baterií a různých sensorů. Mimořádně vysoký poměr plochy k objemu předurčuje nanovlákna pro využití v oblasti katalýzy, včetně imobilizace enzymů, nosiče pro administraci biologicky aktivních látek, zejména léků (cílené doručování a postupné uvolňování) a tkáňového inženýrství (Pokorný, a spol., 2009; Sodomka, 2009). Oblast produkce nanovláken patří v současné době k velmi dynamicky se rozvíjejícím oborům. Česká republika, zejména díky Technické Univerzitě v Liberci a firmě Elmarco, patří k současné špičce ve vývoji produkce nanovláken elektrostatickým zvlákňováním polymerů. Se vzrůstajícím počtem aplikací nanovláken v různých průmyslových odvětvích existuje poptávka v ČR i zahraničí po strojích pro jejich efektivní produkci.

V nedávné době byla vyvinuta celá rada zařízení pro elektrostatické zvlákňování s cílem zvýšit produktivitu nanovláken pro jejich průmyslovou výrobu. Byly popsány různé systémy zahrnující jedno tryskové, multitryskové i beztryskové uspořádání. Nevýhodou jedno- a multitryskových systémů je časté ucpávání trysek a často technická náročnost a složitost systémů. Z těchto důvodů byla značná pozornost věnována zejména systémům beztryskovým. U těchto beztryskových systémů dochází k vytváření nanovláken přímo na povrchu zvlákňovaných roztoků, které mohou být ve formě tenkého filmu. Yarin a Zussman (2004) použili dvouvrstvý systém s dolní vrstvou tvořenou ferromagnetickou suspenzí a homí vrstvou roztokem zvlákňovaného polymeru. Po aplikaci magnetického pole dochází ke vzniku ostrých vertikálních kuželů ferromagnetické kapaliny, které slouží jako zárodky, ze kterých jsou působením přídavného elektrického pole vytvářena nanovlákna. Vytvořená nanovlákna jsou ukládána na homí elektrodě, podobně jako při standardním uspořádání elektrostatického zvlákňování. Produktivita tohoto systému je však vyšší.

Varabhas a kol, (2008) použili pro generování nanovláken v elektrickém poli otáčející se dutou trubici s porézními stěnami. Liu a He (2008) provzdušňovali roztok zvlákňovaného polymeru s cílem vytvořit vysokou koncentraci malých bublinek na hladině roztoku, kde dochází ke snížení povrchové tenze. Bubliny slouží jako zárodky nanovláken vznikajících působením elektrického pole. Tímto způsobem je možno snížit napětí nezbytné pro produkci nanovláken. Podobnou metodu použili také např. Miloh a kol. (2009) pro zvlákňování ze sféricky zakřivených povrchů. Lukáš a kol. (2008) použili pro indukci tvorby nanovláken v elektrickém poli povrch se specifickou geometrií. Metoda vyvinutá autory Wang a kol. (2009) využívá velmi vysoké napětí (až do 70 kV) pro iniciaci tvorby nanovláken na povrchu drátěné cívky.

-1 CZ 22704 Ul

S cílem zvýšit rychlost produkce nanovláken byla patentována celá řada speciálních systému elektrostatického zvlákňování bez rotujícího prvku s použitím různě uspořádaných řad trysek (JP2009174066( A); US2008241297; JP2008274522; CZ300345(B6); JP2008231623(A);

JP2008179906; US2007018361 (Al)). Řada patentů byla podána také firmou Panasonic (např. JP2009209485(A); JP2009270225), která je v této oblasti aktivní. Zvlákňovaný materiál je ve většině případů vytlačován tryskami působením zvýšeného tlaku s následnou elektrostatickou explozí v elektrickém poli za vzniku pevných nanovláken, které jsou akumulovány na vhodném elektricky nabitém kolektoru. Pro usměrňování vzniklých nanovláken do sběrného prostoru může být použit i proud plynu.

Vysoce produktivní systém elektrostatického zvlákňování byl navržen skupinou Jirsák a kol. (W02005024101) z Technické univerzity v Liberci, CZ. Jedná se o pomalu rotující válec, částečně ponořený v roztoku zvlákňovaného polymeru. Pri otáčení dochází k nanášení určitého množství tohoto roztoku na válec. Výsledkem je souvislý film, ze kterého jsou na svrchní části vytvářeny působením silného elektrického pole tzv. Taylorovy kužele, sloužící jako zárodky nanovláken. Taylorovy kužele jsou vytvářeny blízko vedle sebe po celé délce válce, čímž je dosaženo mnohonásobného zvýšení výrobní kapacity. Než proudy roztoku zvlákňovaného roztoku dosáhnou protější sběrné elektrody, dochází k odpaření rozpouštědla a vzniklá pevná nanovlákna jsou kontinuálně ukládána ve formě tenké netkané textilie na plynule se posunující pás. Stroje s obchodním názvem Nanospider™ jsou vyráběny i využívány firmou Elmarco, sídlící v Liberci, CZ. Tyto stroje patří ke světové špičce v oblasti průmyslové výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním.

Avšak metoda elektrostatického zvlákňování má určité nevýhody. Jednou z těchto nevýhod je relativně malá rychlost tohoto procesu. Výše popsané systémy s použitím různě uspořádaných řad trysek jsou technicky komplikované a nákladné. Elektrostatické zvlákňování je limitováno také nutností aplikace vysokonapěťového elektrického pole.

Kromě elektrostatického zvlákňování byly popsány, patentovány a realizovány také jiné metody výroby nanovláken. Jedná se zejména o metody využívající pro tvorbu nanovláken místo elektrického pole odstředivou sílu nebo proud plynu aplikovaný na trysku, kterou je roztok zvlákňovaného materiálu vytlačován (tzv. „gas jet spinning“). Zvlákňovaný roztok může být také vytlačován z trysek působením vysokého tlaku, bez aplikace odstředivé síly vyvolané rotací.

Doposud používané klasické procesy odstředivé výroby vláken mohou být principiálně rozděleny na dva typy. První typ využívá rotující rezervoár vybavený postranními tryskami (např. US4937020), které slouží k extruzi vláken ze zvlákňovaného polymemího roztoku či taveniny a jejich natažení odstředivou silou. Druhý typ využívá rotující, obvykle konický disk, na kterém je odstředivou silou vytvářen tenký film zvlákňovaného roztoku (např. US2433000). K produkci vláken dochází za vhodných podmínek na hraně tohoto rotujícího disku či zvonu. V klasickém uspořádání jsou tímto způsobem zvlákňovaný relativně vysoce viskózní polymemí roztoky či taveniny na vlákna s průměrem převyšujícím 1 pm.

Publikace autorů Badrossamay a kol., 2010, popisuje metodu vytváření trojrozměrných nanovlákenných struktur s použitím rychle rotujícího rezervoáru s tryskami pro extruzi nanovláken odstředivou silou bez použití elektrického pole. Morfologie a průměr vytvářených vláken i hustota vláknité sítě vytvořené tímto procesem odstředivého tryskového zvlákňování (tzv. „rotary jetspinníng“) mohou být ovlivňovány zejména velikostí a geometrií trysek, rychlostí rotace a vlastnostmi zvlákňovaného roztoku. Technika je vhodná pro vytváření jednosměrně orientovaných nanovlákeiuiých struktur a může být použitelná i u polymerů nezvláknitelných či obtížně zvláknitelných elektrostatickým postupem.

Podobnou technologii odstředivé produkce nanovláken vyvíjí také společnost FibeRío Technology Corporation (Texas, USA). Patentovaná technologie této firmy, Forcespinning Technology™, využívá také velmi rychle rotující rezervoár („spinneret“) s tryskami, kterými jsou roztok polymeru či tavenina odstředivou silou vytlačovány a střihovými sílami natahovány do formy nanovláken. Průměr nanovláken a jejich homogenita jsou ovlivňovány zejména viskozitou rozto-2CZ 22704 Ul ku ěi taveniny a rychlostí rotace spineretu. Společnost nabízí výrobníky nanovláken Cyclone L1000S a Cyclone L-1000M pro výzkumné účely na komerční bázi.

Publikace autorů Weitz a kol., 2008, popisuje překvapivé pozorování nanovláken s průměrem pod 25 nm, vytvářených na hraně rychle rotujícího disku v průběhu standardního procesu odstře5 divého vytváření tenkého filmu viskózního roztoku (tzv. „spincoating“). Tento proces poskytuje atraktivní alternativu elektrostatickému zvlákňování, protože umožňuje efektivní, jednoduchou a beztryskovou výrobu nanovláken z celé řady polymemích roztoků.

Několik postupů odstředivé výroby nanovláken bylo také patentováno i komerčně realizováno. Jedná se však zatím spíše o pilotní experimentální projekty. Americká patentová přihláška US io PA 20080242171 popisuje beztryskový způsob produkce nanovláken zvlákňováním tavenin či polymemích roztoků na rotujícím distribučním disku, který může být i ve tvaru zvonu. Ke zvlákňování se používají taveniny či polymerní roztoky s relativně nižší viskozitou, v rozsahu 1 až

100 kcP, které na disku tvoří velmi tenké filmy a výsledkem jsou nanovlákna s průměrem podstatně nižším než 0,5 pm, vytvářená na hraně rotujícího disku. Ke snížení viskozity zvlákňovai5 ných roztoků na požadovanou úroveň může být použita hydrolýza, jiný druh štěpení či přídavek plasticizerů. V alternativním uspořádání může být systém vedle rotujícího distribučního disku vybaven ještě pomocným statickým diskem, který střihovými silami napomáhá vytvořit tenký a homogenní film na vnitřním povrchu rotujícího distribučního disku. Distribuční a pomocný statický disk jsou zahřívány bezkontaktním tepelným zdrojem, např. infračerveným zářičem, na teplotu vyšší než teplota tání zvlákňovaného materiálu.

Patent W02009079523 popisuje výrobu nanovláken s použitím plochého velmi rychle rotujícího disku, který může být ve střední části prohlouben. Tato prohloubená centrální část disku může sloužit jako rezervoár, do kterého je kontinuálně přiváděn zvlákňovaný roztok, který vytváří tenký film na povrchu rotujícího disku. K tvorbě nanovláken dochází na hraně rotujícího disku.

Patent W02009079523 popisuje výrobu nanovláken zvlákňováním roztoků polymerů na povrchu plochého disku rotujícího vysokou rychlostí, na který je tento roztok aplikován. Popsáno bylo také využití odstředivého zvonu z aplikátorů laků a barev (Martin Dauner, ITV Denkendorf, Německo).

Patentová přihláška US Patent Application 20080136054 popisuje rotující univerzální systém sestávající z talířů, umožňujících různá variabilní uspořádání vytvářející různé štěrbiny, kanálky a/nebo žlábky vyúsťující na povrchu systému, ze kterých je zvlákňovaný roztok či tavenina čerpaná do vnitřního prostoru systému, extrudována odstředivou silou ve formě nano- či mikrovláken.

Byly popsány i různé kombinace odstředivé síly a elektrického pole. Obvykle se jedná opět o rotující spineret, avšak v kombinaci s elektrickým polem, které napomáhá vytváření nanovláken (JP2009191403(A); KR100780346(Bl); W02005042813(A1)). Několik patentů založených na tomto principu bylo opět patentováno firmou Panasonic (W02008142845(A1); JP2009228168 (A); JP2009097113(A); US2010072674).

Postup a zařízení pro výrobu nanovláken proudem plynu na trysce, kterou je roztok zvlákňova40 ného materiálu vytlačován (tzv. „gas jet spinning“) popisují např. patenty HK1070673(Al); WO 2006116014(A2); W0002207(A2).

Všechny dosud známé způsoby beztryskové výroby nanovláken přinášejí mnohé komplikace během výroby, proto je celosvětová snaha mnoha techniků najít co nej optimálnější způsob výroby požadovaných nanovláken.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válců, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že zařízení sestává z alespoň jednoho rotujícího kovového válce a jemné kovové mřížky, která se

-3CZ 22704 Ul válce dotýká v tečnové poloze nebo je ke kovovému válci připojen řemenicí souosý válec bez mřížky a do místa jejich dotyku je nanášen čerpadlem zvlákňovaný roztok, jehož přebytek stéká do homí vany pod válcem, která je dále umístěna v záchytné dolní vaně, odkud je znovu čerpadlem dopravován k válci. Případně je zvlákňovaný roztok nabírán válcem z hladiny zvlákňovaného roztoku v homí vaně. Zařízení dále obsahuje kovový komínek a přepážku, nad kterou je umístěn ventilátor, pričemžje celé zařízení poháněno pohonnou jednotkou s motorem.

Zařízení podle technického řešení je charakterizováno tím, že kovový válec je vytvořen z leštěného nerezu, jemná kovová mřížka je z nerezu a další válec je z pryže.

Zařízení podle technického řešení je dále charakterizováno tím, že čerpadlo je peristaltické.

Zařízení podle technického řešení je také charakterizováno tím, že komínek je vytvořen z hliníkové fólie a přepážka je zhotovena z netkané textilie nebo kovového síta.

Zařízení podle technického řešení je též charakterizováno tím, že ventilátor je vrtulový a motor je elektromotor.

Zařízení podle technického řešení je rovněž charakterizováno tím, že plochá nádoba je indukčně zahřívána, případně je celé zařízení infračerveně ohříváno.

Zařízení podle technického řešení pracuje tak, že roztok zvlákňovaného polymeru či taveniny je nanášen na povrch alespoň jednoho válce, který rotuje rychlostí nejméně 10 000 otáček/minutu, za vytvoření tenkého filmu zvlákňovaného polymeru či taveniny na povrchu válce, načež jsou oddělována nano vlákna a mikrovlákna z tohoto filmu působením Raleigh-Taylorovy nestability, vznikající protichůdným působením odstředivé síly a síly indukované zakřivením povrchu válce, kterou popisuje Laplaceova-Youngova rovnice. Vzniklá nanovlákna a mikrovlákna o průměru 25 až 700 nm jsou shromažďována ve formě vaty ve sběrném prostoru nebo ukládána v podobě netkané textilie.

Je výhodné, když roztok zvlákňovaného polymeru či taveniny je nanášen na povrch 2 až n rotujících válců, vzniklá nanovlákna a mikrovlákna jsou o průměru 50 až 600 nm. Ve speciálním uspořádání mohou být místo nanovláken či mikrovláken vytvářeny nanočástice či mikročástice.

Zařízení podle technického řešení pro odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken z polymerních roztoků či tavenin umožňuje jejich vysokou produkční rychlost. Principem technického řešení je nanášení roztoku zvlákňovaného polymeru či taveniny na povrch velmi rychle rotujícího válce či soustavy válců, které mohou, ale nemusí být ve vzájemném kontaktu.

Ve výhodném provedení se může jednat o dva či více rotující souosé válce ve vzájemném kontaktu. Rychlost rotace válce či válců může být v rozsahu 1000 až 100 000 otáček/minutu. Po vytvoření tenkého filmu zvlákňovaného viskózního roztoku na povrchu rychle rotujícího válce dochází k oddělování nanovláken a mikrovláken z tohoto filmu působením tzv. Raleigh-Taylorovy nestability, vznikající důsledkem protichůdného působení odstředivé síly a síly indukované zakřivením povrchu, kterou lze popsat s pomocí Laplaceovy-Youngovy rovnice. Průměr vznikajících vláken může být pri vhodně zvolených podmínkách nižší než 250 nm, běžně jsou zaznamenávána vlákna s průměrem nižším než 50 nm.

Hlavními faktory ovlivňujícími rychlost produkce nano- či mikrovláken jsou obvodová rychlost válce, fyzíkálně-chemické vlastnosti zvlákňovaného roztoku, fyzikálně-chemické vlastnosti povrchu válce, způsob nanášení zvlákňovaného roztoku na válec a celková plocha válce.

Celý systém, včetně rotujícího válce či válců, může být zahříván vhodným tepelným zdrojem, např. bezkontaktním infračerveným zářičem, na vyšší teplotu, aby umožňoval také zvlákňování tavenin.

Sběr nano- či mikrovláken může být realizován některým z drive popsaných způsobů ve formě souvislé vrstvy, tzv. netkané textilie či ve formě připomínající jemnou vatu. Produkovaná nanovlákna mohou být z výrobního zařízení odsávána s použitím podtlaku nebo směřována do sběrného prostoru proudem vzduchu či jiného plynu. Pro sběr nanovláken může být použito také

-4CZ 22704 Ul elektrické pole a vyrobená vlákna mohou být akumulována na elektricky nabitém kolektoru. Jinou možností je sběr nano- či mikrovláken ve formě souvislé vrstvy na plynule se pohybujícím pásu.

Polymery zvláknitelné s použitím předkládaného technického řešení zahrnují termoplastické materiály, jako jsou polyolefiny, včetně polyetylénu a jeho kopolymerů, polypropylenu a jeho kopolymepů; polyestery a jejich kopolymery, včetně polyetylentereftalátu, biopolyesterů, polymerů na bázi termotropních kapalných krystalů a kopolyesterů PET; polyamidy, včetně nylonů; polyaramidy; polykarbonáty; akrylové a metakrylové pryskyřice; polymery na bázi polystyrenu a jeho kopolymerů; estery a další deriváty celulózy; termoplastické celulózy; pryskyřice na bázi akrylonitril-butadien-styrenu (ABS); acetaly; chlorované polyetery; ťluoropolymery, včetně polychlortrifluoroetylenů (CTFE), fluorovaného etylen-propylenu (FEP) a polyvinylidenfluoridu (PVDF); vinyly; biodegradovatelné polymery, polymery obsahující biologické složky (tzv. „biobased polymers“); biopolymery přírodního původu a různé nanokompozity.

Mezi zvláknitelné polymery přírodního původu patří např. želatina, kolagen, chitin, chitosan, alginát sodný, guarová guma, ε-polylysin, poly-y-glutamová kyselina, celulóza s různými stupni viskozity, škrob, polyhydroxyalkonáty, agar, nebo agaróza a různé chemické deriváty, kopolymery a kompozitní směsi výše zmíněných biopolymerů.

Pro usnadnění zvlákňování některých biopolymerů je často využíván polyvinylalkohol (dále PVA), polyetylén oxid (PEO) a detergenty akceptovatelné pro potravinářské a medicínské využití (např. Tween). PVA je rozpustný ve vodě, je bidegradovatelný a použitelný pro potravinářské a medicínské aplikace. Zvlákňování může být prováděno z vodných roztoků. Kromě organických či anorganických kyselin nejsou používány žádné další chemikálie.

Výše zmíněné polymery a jejich deriváty mohou být zvlákňovány v různých kombinacích a s různými přísadami. Je-li to vyžadováno, vyrobená nano- a mikro vlákna polymerů mohou být enzymově, v případě bílkovin např. transglutaminázou, radiačně nebo chemicky síťována s cílem zvýšení jejich mechanické pevnosti a omezení rozpustnosti. Kromě toho mohou být vyrobená nano vlákna modifikována jinými fyzikálně-chemickými postupy s cílem změnit jejich vlastnosti požadovaným způsobem.

Zařízení podle technického řešení může být využito i pro výrobu určitých anorganických nano- či mikrovláken, například nanovláken TiN s použitím postupu inspirovaném patentem společnosti ELMARCO (W02009135446( A2)). Podle tohoto postupuje organický polymer, konkrétně polyvinylpyrrolidon ve směsi s alkoxidem titaničitým v alkoholickém rozpouštědle s chelatačním činidlem s přídavkem koncentrované kyseliny chlorovodíkové, elektrostaticky zvlákněn za vzniku směsných organicko/anorganických nanovláken. Tato nano vlákna jsou za vhodných podmínek podrobena teplotě v rozmezí 350 až 800 °C za vzniku nanovláken TiO₂, která jsou žíhána v proudu čpavku při teplotě 400 až 900 °C za vzniku nanovláken TiN.

Zařízení podle technického řešení může být za vhodných podmínek použito i pro produkci nanoči mikročástic.

Zařízení podle technického řešení má následující výhody v porovnání s doposud používanými zařízeními pro výrobu nanovláken:

- zatímco elektrostatické zvlákňování je limitováno nutností aplikace vysokonapěťového elektrického pole a relativně nízkou rychlostí produkce, nové zařízení nabízí jednoduché, levné a trvanlivé zařízení, snadné na údržbu, s malým počtem operačních parametrů a s výbornou reprodukovatelností;

- významné zvýšení rychlosti produkce vláken oproti postupům elektrostatického zvlákňování;

- zvýšení rychlosti produkce vláken oproti již popsaným postupům beztryskového odstředivého zvlákňování s použitím rotujícího disku ěi zvonu, vzhledem ke zvětšení plochy, ze které jsou vlákna generována;

-5CZ 22704 Ul

- vzhledem k tomu, že ve většině případů odpadá nutnost použití silně koncentrovaných roztoků organických nebo anorganických kyselin či organických rozpouštědel, mohou být vyrobená nano- či mikrovlákna biopolymerů v dalším kroku síťována i s použitím enzymů;

- enzymy či další biologicky aktivní látky nebo jiné molekuly labilní v silně kyselém prostředí, 5 mohou být přidávány přímo do roztoků zvlákňovaných polymerů;

- zařízení podle technického řešení je mimořádně vhodné pro výrobu nano- či mikrovláken pro potravinářské či medicínské využití, protože umožňuje zvlákňování vodných roztoků polymerů bez extrémních úprav hodnot pH a bez přídavku toxických látek;

- odpadá nutnost častého čištění a obnovování trysek, které se často ucpávají vzhledem k velmi 10 malému průměru a mají nízkou životnost vzhledem k rychlé korozi.

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených výkresech je na Obr. 1 schematicky znázorněno zařízení podle technického řešení s jedním válcem. Na Obr. 2 je schematicky znázorněno jiné možné uspořádání tohoto zařízení opět s jedním válcem. Na Obr. 3 je znázorněno zařízení podle technického řešení sestávající ze dvou souosých válců.

Následující příklady provedení zařízení podle technického řešení jen dokládají, aniž by je jakkoliv omezovaly, přičemž zařízení podle technického řešení bylo úspěšně odzkoušeno v prostorách přihlašovatele, kterým je Výzkumný ústav potravinářský Praha, v.v.i., CZ.

Příklady provedení

Příklad 1 (viz Obr. 1)

Válec 1 z nerezové oceli s leštěným povrchem o průměru 100 mm, rotující rychlostí 20 000 otáček/min, byl roztáčen pohonnou jednotkou s elektromotorem 2. S válcem i byla v kontaktu jemná nerezová mřížka 3 tak, že tvořila tečnu. Válec 1 nabíral zvlákňovaný roztok z hladiny, se kterou byl v těsném kontaktu 4. Zvlákňovaný roztok byl v horní vaně 5, kam byl kontinuálně přiváděn čerpadlem 6, udržován na konstantní hladině s použitím přepadu. Přepadávající roztok byl zachycován v dolní vaně 7, umístěné níže pod horní vanou 5, která je menší než dolní vana 7. Přebytek zvlákňovaného roztoku byl čerpadlem 6 recyklován, takže nedocházelo k jeho ztrátám. Zvlákňovaný roztok obsahoval 10 % hmotn./hmotn. želatiny z vepřové kůže, typ A (Sigma), ve vodném roztoku kyseliny octové o hodnotě pH 3,5. Nanovlákna 8 byla produkována odstředivou silou z tenkého filmu vytvářeného na povrchu válce I. Podmínky byly optimalizovány s cílem minimalizovat defekty - kapičky nebo díry v nanovlákenné síti. Nanovlákna 8 byla nasávána do komínku 9 z hliníkové fólie a sbírána na přepážku 10 tvořenou netkanou textilií, nad kterou byl umístěn vrtulový ventilátor 11. Výsledkem byla homogenní hustá vrstva nanovláken 8 s průmě35 rem v rozsahu 50 až 500 nm, strukturou připomínající velmi jemnou vatu.

Příklad 2 (viz Obr. 2)

Uspořádání zařízení popsané zde je obdobné jako u příkladu 1, s tím rozdílem, že zvlákňovaný roztok není rotujícím válcem I nabírán z hladiny, aleje přiváděn na válec peristaltickým čerpa40 dlem 6 do místa kontaktu s nerezovou mřížkou 3, umístěnou tak, že tvořila tečnu k válci I. Válec I z nerezové oceli s leštěným povrchem o průměru 100 mm, rotující rychlostí 20 000 otáček/min. byl roztáčen pohonnou jednotkou s elektromotorem 2. Přebytek zvlákňovaného roztoku stékal do sběrné vany 5 pod válcem L odkud byl znovu čerpadlem 6 dopravován k válci U Zvlákňovaný roztok obsahoval 10 % hmotn./hmotn. želatiny z vepřové kůže, typ A (Sigma), ve vodném rozto45 ku kyseliny octové s hodnotou pH 3,5. Nanovlákna 8 byla produkována odstředivou silou z tenkého filmu vytvářeného na povrchu válce 1. Podmínky byly optimalizovány s cílem minimalizo-6CZ 22704 Ul vat defekty kapičky nebo díry v nanovlákenné síti. Nanovlákna 8 byla nasávána do komínku 9 z hliníkové fólie a sbírána na přepážku v podobě drátěného síta 10, nad kterým byl umístěn vrtulový ventilátor LL Výsledkem byla homogenní hustá vrstva nanovláken 8 s průměrem v rozsahu 50 až 500 nm, strukturou připomínající velmi jemnou vatu.

Příklad 3 (viz Obr. 1)

Válec I z nerezové oceli s leštěným povrchem o průměru 100 mm, rotující rychlostí 25 000 otáček/min, byl roztáčený pohonnou jednotkou s elektromotorem 2. S válcem I byla v kontaktu jemná nerezová mřížka 3 tak, že tvořila tečnu. Plochá nádoba 5 pod válcem 1 byla po okraj napilo něna taveninou kyseliny polymiéčné (Zhejiang Hisun Biomaterials Co. Ltd, Čína). Celé zařízení, včetně válce 1, bylo ohříváno infračervenými zářiči na teplotu minimálně 240 °C. Homí vana 5 pod válcem 1 byla navíc vyhřívána s použitím indukčního ohřevu. Hladina taveniny byla udržována v konstantní výši postupnými přídavky granulí kyseliny polymiéčné. Válec 1 nabíral taveninu z hladiny, se kterou byl v těsném kontaktu 4. Přepadávající tavenina byla zachycována v dolní vaně 7, umístěné níže pod homí vanou 5, která je menší než dolní vana 2· Přebytek taveniny byl čerpadlem 6 recyklován, takže nedocházelo k jejím ztrátám. Nanovlákna 8 byla produkována odstředivou silou z tenkého filmu vytvářeného na povrchu válce i. Podmínky byly optimalizovány s cílem minimalizovat defekty - kapičky nebo díry v nanovlákenné síti. Nanovlákna 8 byla nasávána do komínku 9 z hliníkové fólie a sbírána na přepážku 10 tvořenou netkanou texti20 lií, nad kterou byl umístěn vrtulový ventilátor 11. Výsledkem byla homogenní hustá vrstva nanovláken 8 a mikrovláken s průměrem v rozsahu 75 až 600 nm, strukturou připomínající velmi jemnou vatu.

Příklad 4 (viz Obr. 3)

Válec 1 z nerezové oceli s leštěným povrchem o průměru 20 mm rotoval rychlostí 30 000 otáček/min, synchronně se pohybujíc v přítlaku se souosým pryžovým válcem 13 o průměru 60 mm umístěným na hřídeli pohonné jednotky s elektromotorem 2. Oba válce byly propojeny řemenicí

12. Nerezový válec 1 nabíral zvlákňovaný roztok z hladiny, se kterou byl v těsném kontaktu 4. Pryžový válec 13 byl umístěn výš tak, že jeho spodní obrysová hrana byla v úhlu přibližně 45° od místa kontaktu 4 prvního nerezového válce 1 s hladinou roztoku zvlákňovaného polymeru, po směru rotace, takže sloužil také jako bariéra pro odclonění kapiček zvlákňovaného roztoku, vznikajících ve větší míre při nabírání roztoku válcem i z hladiny. Zvlákňovaný roztok byl v homí vaně 5, kam byl kontinuálně přiváděn čerpadlem 6, udržován na konstantní výši hladiny s použitím přepadu. Přepadávající roztok byl zachycován v dolní vaně 7, umístěné níže. Přebytek zvlák35 ňovaného roztoku byl čerpadlem 6 recyklován, takže nedocházelo k jeho ztrátám. Zvlákňovaný roztok obsahoval nasycený roztok agaru (Remi M.B.) ve 25% hmotn./hmotn. vodném roztoku kyseliny octové. Podmínky byly optimalizovány s cílem minimalizovat defekty - kapičky nebo díry v nanovlákenné síti. Nanovlákna 8 byla nasávána do komínku 9 z hliníkové fólie a sbírána na přepážku 10 tvořenou netkanou textilií, nad kterou byl umístěn vrtulový ventilátor 11. Vý40 sledkem byla homogenní hustá vrstva nanovláken 8 s průměrem v rozsahu 100 až 600 nm, strukturou připomínající velmi jemnou vatu.

Průmyslová využitelnost

Oblasti využití polymerních nanovláken zahrnují různé druhy filtrací, ochranných roušek a oděvů, solárních článků, baterií a různých senzorů a sorbentů. Mimořádně vysoký poměr plochy k objemu předurčuje nanovlákna pro využití v oblasti katalýzy, včetně imobilizace enzymů.

Vzhledem k tomu, že ve většině případů odpadá nutnost použití silně koncentrovaných roztoků organických nebo anorganických kyselin či organických rozpouštědel, jako u elektrostatického zvlákňování, je nové zařízení mimořádně vhodné pro výrobu nanovláken pro potravinářské či

-7CZ 22704 Ul medicínské aplikace. Neutrální či mírně kyselá hodnota pH zvlákňovaných roztoků umožňuje také přímou aplikaci enzymů nebo dalších biologicky aktivních či jiných v kyselém prostředí labilních molekul, do zvlákňovaného roztoku. Medicínské využití nanovláken zahrnuje například oblast přípravy biodegradovatelných implantátů pro kultivaci buněk pro tkáňové inženýrství nebo výroby hojivých krytů ran a spálenin. Nanovlákna, zejména biopolymemí, mohou být také použita pro výrobu nosičů pro sublinguální, bukální, transdennální či gastrointestinální přenos biologicky aktivních látek, jak léků, tak doplňků stravy nového typu.

Použitá literatura:

M.R. Badrossamay, H.A. Mcllwee, J.A. Goss and K..K. Parker (2010) NanofíberAssembly by Rotary Jetio Spinning. Nano Lett. 10 (6): 2257-2261

Y. Liu and J.-H. He (2007) Bubble Electrospinning for Mass Production of Nanofibers. International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation 8 (3): 393-396

D. Lukas, A, Sarkar and P. Pokorný (2008) Self-Organization of Jets in Electrospinning from Free Liquid Surface: A Generalized Approach. Journal of Applied Physics, 103, 084309

T. Miloh, B. Spivak and A.L. Yarin (2009) Needleless Electrospinning: Electrically Driven Instability and Multiple jetting from the Free Surface of a Spherical Liquid Layer. Journal of Applied Physics 106, 114910

P. Pokorný, P. Mikeš a D. Lukáš. Neobvyklé vlastnosti procesu elektrostatického zvlákňování. Nanocon 2009, 20. - 22. 10. 2009, Rožnov pod Radhoštěm, Česká Republika.

L. Sodomka. Jednoduché teoretické úvahy ke zvlákňování nanovláken. Nanocon 2009, 20. - 22. 10. 2009,

Rožnov pod Radhostěm, Česká Republika.

S. Tang, Y. Zeng and X. Wang (2010) Splashing Needleless Electrospinning of Nanofibers. Polymer Engineering and Science 50 (11): 2252-2257

J.S. Varabhas, G.G. Chase, and D.H. Reneker (2008) Electrspun Nanofibers from a Porous Hollow Tube Polymer 49 (19): 4226-4229

X. Wang, H. Niu, T. Lin and X. Wang (2009) Needleless Electrospinning of Nanofibers with a Conical Wire Coil. Polymer Engineering and Science, 59 (8): 1582 - 1586

R.T. Weitz, L. Hamau, S. Rauschenbach, M. Burghard and K. Kem (2008) Polymer Nanofibers via Nozzle-Free Centrifugal Spinning. Nano Lett. 8 (4): 1187-1191

L. Yarin and E. Zussman (2004) Upward electrospinning of multiple nanofibers without needles/nobles.

Polymer 45 (9) : 2977-2980

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válců, vyznačující se tím, že sestává z alespoň jednoho rotujícího kovového válce (1) a jemné kovové mřížky (3), která se válce (1) dotýká v tečnové poloze neboje ke kovo35 vému válci (1) připojen řemenicí (12) souosý válec (13) bez mřížky (3) a do místa jejich dotyku je nanášen čerpadlem (6) zvlákňovaný roztok, jehož přebytek stéká do homí vany (5) pod válcem (1), která je dále umístěna v záchytné dolní vaně (7), odkud je znovu čerpadlem (6) dopravován k válci (1), případně je zvlákňovaný roztok nabírán válcem (1) z hladiny zvlákňovaného roztoku v homí vaně (5), a zařízení dále obsahuje kovový komínek (9) a přepážku (10), nad kterou je

   40 umístěn ventilátor (11), přičemž je celé zařízení poháněno pohonnou jednotkou s motorem (2).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že kovový válec (1) je vytvořen z leštěného nerezu, jemná kovová mřížka (3) je z nerezu a válec (13) je z pryže.
3. 3. Zařízení podle nároků laž2, vyznačující se tím, že čerpadlo (6) je peristaltické.

   -8CZ 22704 Ul
4. 4. Zařízení podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že komínek (9) je vytvořen z hliníkové fólie.
5. 5. Zařízení podle nároků 1 až 4, v y z n a č u j í c í se t í m , že přepážka (10) je vytvořena z netkané textilie nebo kovového síta.
6. 6.

   Zařízení podle nároků 1 až 5, vyznačující se t í m, že ventilátor (11) je vrtulový.
7. 7. Zařízení podle nároků 1 až 6, vyznačující se zahřívána, případně je celé zařízení infračerveně ohříváno.

   tím, že homí vana (5) je indukčně