CZ24446U1

CZ24446U1 - Vrstva polymemích nanovláken se zvýšenou hydrostatickou odolností a vícevrstvý textilní kompozit obsahující alespoň jednu takovou vrstvu

Info

Publication number: CZ24446U1
Application number: CZ201226069U
Authority: CZ
Inventors: Knížek@Roman; Jirsák@Oldrich; Wiener@Jakub; Chaloupka@Zdenek
Original assignee: Technická univerzita v Liberci; Viola Nanotechnology S.R.O.
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-10-22

Description

Vrstva polymerních nanovláken se zvýšenou hydrostatickou odolností a vícevrstvý textilní kompozit obsahující alespoň jednu takovou vrstvu

Oblast techniky

Technické řešení se týká vrstvy polymerních nanovláken se zvýšenou hydrostatickou odolností, a vícevrstvého textilního kompozitu, který obsahuje alespoň jednu takovou vrstvu polymerních nanovláken.

Dosavadní stav techniky

V současné době je známá řada tzv. outdoorových textilií, které brání průniku vody z vnějšího prostředí, avšak současně jsou prostupné pro vodní páru. Většina z nich je založena na principu io použití hydrofobního materiálu a/nebo provedení hydrofobní povrchové úpravy, případně vrstvení několika stejných nebo různých vrstev na sebe. Postupně se však objevují i outdoorové textilie založené na výhodných vlastnostech vrstvy nanovláken, jejíž mezivlákenné prostory jsou díky svým malým rozměrům těžko prostupné pro vodu, ale snadno prostupné pro vodní páru, která jimi proniká na principu difúze. Příkladem takových textilií jsou textilie popsané v US

2011092122 nebo US 2008184453. Jejich nevýhodou je, že nanovlákna se při hydrostatickém zatížení cca okolo 300 mm vodního sloupce vzájemně pohybují - prokluzují, v důsledku čehož dochází ke zvětšování prostorů mezi nimi, takže se vrstva nanovláken postupně stává pro vodu relativně snadno prostupnou. I když je dosahovaná hodnota hydrostatické odolnosti vyšší než u některých outdoorových textilií bez nanovlákenné vrstvy, je pro řadu aplikací nedostatečná.

Částečným řešením tohoto problému jsou pak textilie navržené například v US 2008220676 nebo US 2009176056, na jejichž nanovlákenné vrstvě je nanesena hydrofobní látka. Jejich nevýhodou je, že hydrofobní látka je uložena v kapičkách pouze na jejím povrchu, nebo na povrchu jejích nanovláken, takže její mezivlákenné prostory jsou z větší části volné, a při větším hydrostatickém zatížení, cca okolo 1300 mm vodního sloupce, opět dochází k vzájemnému prokluzu nano25 vláken, a jejich vrstva se tak opět stává prostupnou pro vodu.

K odstranění tohoto problému byl v CZ PV 2011-306 navržen způsob zvýšení hydrofobních vlastností vrstvy polymerních nanovláken nanesením emulze hydrofobního prostředku sprej ováním, resp. nástřikem. Jeho nevýhodou je, že část hydrofobního prostředku se cíleně ukládá do mezivlákenných prostorů vrstvy polymerních nanovláken, které uzavírá, a tím podstatně snižuje paropropustnost, resp. prodyšnost takto upravené vrstvy polymerních nanovláken. Tím dochází, i přes zvýšení její hydrostatické odolnosti, ke snížení její reálné využitelnosti.

Cílem technického řešení je odstranit nebo alespoň eliminovat nevýhody stavu techniky a navrhnout vrstvu polymerních nanovláken se zvýšenou hydrostatickou odolností a výbornou paropropustností, resp. prodyšností.

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení se dosáhne vrstvou polymerních nanovláken se zvýšenou hydrostatickou odolností, na jejíchž nanovláknech je alespoň z jedné její strany plazmatickým nástřikem nanesen kontinuální film hydrofobního prostředku.

Pro zvýšení hydrostatické odolnosti může být kontinuální film hydrofobního prostředku nanesen na nanovláknech vrstvy polymerních nanovláken plazmatickým nástřikem z obou jejích stran.

Vhodným hydroťobním prostředkem je přitom zejména polymer fluorkarbonu a/nebo hydrofobní prostředek na bázi silikonu a/nebo hydrofobní prostředek na bázi aíkanů, přičemž jeho množství je do 10 % plošné hmotnosti vrstvy polymerních nanovláken.

Kromě toho se cíle technického řešení dosáhne také vícevrstvým textilním kompozitem obsahu45 jícím alespoň jednu vrstvu polymerních nanovláken, jehož podstata spočívá vtom, že na nano- 1 CZ 24446 Ul vláknech alespoň jedné vrstvy polymemích nanovláken je alespoň z jedné její strany plazmatickým nástřikem nanesen kontinuální film hydrofobního prostředku, a tato vrstva polymemích nanovláken je alespoň z jedné strany překryta krycí vrstvou textilie.

Větší hydrostatické odolnosti se pak dosáhne, pokud je kontinuální film hydrofobního prostředku na nanovláknech vrstvy polymemích nanovláken nanesen plazmat ickým nástřikem z obou jejích stran.

Pro ochranu vrstvy nanovláken se zvýšenou hydrostatickou odolností před mechanickým poškozením, zejména otěrem je výhodné, pokud je tato vrstva překryta krycí vrstvou textilie z obou stran. Krycí vrstva textilie přitom muže být tvořena jinou vrstvou polymemích nanovláken, nebo io s výhodou vrstvou ťleece.

Vhodným hydrofobním prostředkem je polymer ťluorkarbonu a/nebo hydrofobní prostředek na bázi silikonu a/nebo hydrofobní prostředek na bázi alkanů, přičemž jeho množství je s výhodou 10 % plošné hmotnosti vrstvy polymemích nanovláken.

Objasnění výkresů

Na přiloženém výkresu je na obr. 1 SEM snímek vrstvy polymemích nanovláken z polyamidu 6 se zvýšenou hydrostatickou odolností podle technického řešení při přiblížení 5000*, na obr. 2 SEM snímek vrstvy polymemích nanovláken z polyuretanu se zvýšenou hydrostatickou odolností podle technického řešení při přiblížení 10000χ, a na obr. 3 SEM snímek jiné vrstvy polymemích nanovláken z polyuretanu se zvýšenou hydrostatickou odolností podle technického řešení při přiblížení 10000*.

Příklady uskutečnění technického řešení

Hydrostatická odolnost vrstvy polymemích nanovláken podle technického řešení je zvýšena tak, že se na polymemí nanovlákna této vrstvy nanáší plazmatickým nástřikem hydrofobní prostředek v kapalném nebo plastickém stavu. Při tomto způsobu nanášení se principiálně nanáší tak malé množství hydrofobního prostředku, že v podstatě nemůže dojít k zaplnění, resp. ucpání mezivlákenných prostorů vrstvy polymemích nanovláken, a téměř veškerý hydrofobní prostředek se rovnoměrně ukládá pouze na povrchu jednotlivých nanovláken, kde po svém zatuhnutí vytváří tenký kontinuální hydrofobní film. Tento film pak mechanicky spojuje, resp. slepuje sousední nanovlákna. Čímž brání jejich vzájemnému posunu při zvýšeném hydrostatickém zatížení. Kom30 binace hydrofobního filmu na povrchu polymemích nanovláken a jejich mechanického spojení s malými rozměry mezivlákenných prostorů podstatně zvyšuje hydrostatickou odolnost celé vrstvy polymemích nanovláken, která si však současně, díky volným mezivlákenným prostorům, zachovává svoji původní výbornou paropropustnost, resp. prodyšnost. Užitné vlastnosti takto upravené vrstvy polymemích nanovláken jsou v důsledku toho podstatně vyšší než u podobných vrstev připravených některým ze způsobů známých ze stavu techniky. Vhodným hydrofobním prostředkem je přitom například polymer ťluorkarbonu, případně jiný hydrofobní prostředek na bázi silikonu nebo alkanů, apod., případně jejich kombinace.

Pro nanášení hydrofobního prostředku se s výhodou použije zařízení využívající nízkotlakou vakuovou plazmu. Jeho podmínky se přitom volí dle vlastností použitých materiálů a požadavků to na hotový, výrobek, přičemž tlak se obvykle nachází v intervalu 70 až 150 míli Torrů (9,33 až

Pa), a teplota v intervalu od teploty okolí, resp. pokojové teploty, tj. cca od 18 °C do teploty tání polymeru nanovláken. Samotné nanášení pak probíhá dle požadavků na hloubku průniku hydrofobního prostředku do vnitřní struktury vrstvy polymemích nanovláken po dobu 3 až 6 minut v požadované části její plochy. Pro většinu aplikací přitom postačuje pouze jednorázové nanesení hydrofobního prostředku na nanovlákna jen z jedné strany vrstvy polymemích nanovláken, ale v případě potřeby lze jeho nanášení opakovat a/nebo ho provádět z obou stran. Množství naneseného hydrofobního prostředku se pak dle požadavků a použitých materiálů pohybuje cca do 10 % plošné hmotnosti vrstvy polymemích nanovláken.

CZ 24446 Ul

Vzhledem k uvažovanému praktickému využití je výhodné, pokud je vrstva polymemích nanovláken co nejrovnoměmější, jak ve směru své šířky, tak i ve směru své délky, případně i své tloušťky. Nejvyšší rovnoměrnosti se přitom v současné době dosáhne její výrobou beztryskovým elektrostatickým zvlákňováním, u kterého se kapalný polymemí systém zvlákňuje v elektrickém poli vytvořeném mezi sběrnou elektrodou a zvlákňovací elektrodou protáhlého tvaru - například válcem (viz např. EP 1673493) nebo strunou (viz např. EP 2059630 nebo EP 2173930). Tento princip je komerčně aplikován v technologií Nanospider^IM společnosti Elmarco.

Takto vytvořená vrstva polymemích nanovláken se pak zvýšení své hydrostatické odolnosti podrobí buď samostatně, nebo v kombinaci s nosnou textilií tvořenou např. podkladovou textilií (s výhodou například polypropylenovým spunbondem), na kterou se během elektrostatického zvlákňování uložila, nebo na jiné vhodné nosné textilii, na kterou se po svém vytvoření z podkladové textilie přenesla. V obou případech je přitom výhodné, pokud se vrstva polymemích nanovláken s touto textilií během ukládání na ni a/nebo po něm spojí např. laminováním s využitím vhodného pojivá, které se na nosnou textilii nanese například metodou hlubotisku, nebo jiným známým způsobem, např. sprejováním, nástřikem, atd., případně které je v ní uloženo např. jako součást jejích vláken. Vhodným příkladem uložení pojivá v nosné textilii je použití bikomponentních vláken, které obsahují jádro z polypropylenu a plášť nebo úseky z polyetylénu, který se během laminace taví a spojuje vrstvu polymemích nanovláken s touto nosnou textilií. K laminaci vrstvy nanovláken s nosnou textilii přitom může dojít před zahájením procesu zvyšování její hydrostatické odolnosti a/nebo během něj a/nebo po něm.

V jiné variantě je vrstva polymemích nanovláken alespoň během nanášení hydrofobního prostředku uložena na jiném vhodném podkladu, a na nosnou vrstvu je přenesena později dle potřeby.

Ϊ když může být vrstva polymemích nanovláken v některých aplikacích využita samostatně, pro její ochranu před mechanickým poškozením, zejména otěrem, je výhodné, pokud je alespoň z jedné strany překryta krycí vrstvou textilie, tvořenou nosnou textilií, která je s ní v případě potřeby spojena, například laminováním a/nebo sešitím, nebo jiným vhodným způsobem. V dalších variantách provedení může být takto vytvořený dvouvrstvý textilní kompozit doplněn dle potřeby dalšími textilními, případně i netextilnímí vrstvami (fólií, papírem, apod.) pro dosažení požadované tloušťky a/nebo izolačních vlastností a/nebo jiných parametrů. Ve výhodné variantě provedení je vrstva polymemích nanovláken překryta krycími vrstvami textilie z obou stran. Krycí vrstvou může být také další vrstva polymemích nanovláken.

Pro výrobu outdorových textilií se jako výhodný osvědčil kompozit tvořený vrstvou fleece a vrstvou polymemích nanovláken se zvýšenou hydrostatickou odolností podle technického řešení. Vrstva ťleece přitom tvoří svrchní vrstvu outdorové textilie a vrstva polymemích nanovláken její vnitrní vrstvu (podšívku). V případě potřeby může být vrstva nanovláken z vnitřní strany dále překryta krycí vrstvou, ve výhodném příkladu provedení vrstvou fleece.

Vhodným materiálem nanovláken je zejména polyamid 6 (PA 6), polyamid 6.6 (PA 6.6), polyuretan (PUR), polyvinylalkohol (PVA), polyester (PES) či polyvinyliden fluorid (PVDF), aj., přičemž plošná hmotnost vrstvy polymemích nanovláken se před nanesením hydrofobního prostředku pohybuje dle potřeby a uvažované aplikace obvykle v rozsahu 0,1 až 20 g/m“, případně i více. Vrstva polymemích nanovláken múze být před zvýšením svých hydroťobních vlastností a/nebo po něm opatřena vhodnou antimikrobiální úpravou, např. ve formě impregnace antimikrobiálním činidlem a/nebo ve formě stříbrných částic uložených v materiálu polymemích nanovláken, apod.

Příklad 1

Elektrostatickým zvlákňováním s využitím zvlákňovací elektrody obsahující zvlákňovací prvky ve tvaru struny dle EP 2173930 se připravila vrstva nanovláken z polyamidu 6 (PA 6) s plošnou hmotností 3,9 g/m², průměrem nanovláken 155 nm +/- 15%, hydrostatickou odolností do 300 mm a paropropustností Ret 0,0 Pa.nr.W'¹.

- 3 CZ 24446 Ul

Na nanovlákna vzorku takto vytvořené vrstvy o rozměrech 50 * 50 cm se z jedné strany prostřednictvím zařízení firmy Europlasma, CD 1600/800 PLC Roll-to-Roll nanesl plazmatickým nástřikem polymer ťluorkarbonu. Plazmatický nástřik probíhal 6 minut v podtlaku 100 milí Torrů (13.33 Pa) při teplotě 50 °C. Nanesené množství polymeru ťluorkarbonu přitom bylo 0,078 g, tj.

s 2 % plošné hmotnosti vrstvy nanovláken z polyamidu 6 (PA 6).

Hydrostatická odolnost takto upravené vrstvy polymemích nanovláken dosáhla 13000 mm vodního sloupce (tj. více než 40* vyšší než u původní vrstvy), přičemž její paropropustnost zůstala nezměněná.

Na obr. 1 je SEM snímek vrstvy polymemích nanovláken po zvýšení její hydrostatické odolnosti, ío přičemž je patrné, že film hydroťobního prostředku je uložen pouze na povrchu nanovláken a mczivlakenné prostory jsou volné.

Příklad 2

Elektrostatickým zvlákňováním s využitím zvlákňovací elektrody obsahující zvlákňovací prvky ve tvaru struny dle EP 2173930 sc připravila vrstva nanovláken z polyamidu 6 (PA 6) s plošnou is hmotností 6.2 g/m², průměrem nanovláken 155 nm +/- 15%, hydrostatickou odolností do

300 mm a paropropustností Ret 0,0 Pa.nV.W’¹.

Na nanovlákna vzorku takto vytvořené vrstvy o rozměrech 50 ^x 50 cm se z jedné strany prostřednictvím zařízení firmy Europlasma, CD 1600/800 PLC Roll-to-Roll nanesl plazmatickým nástřikem polymer ťluorkarbonu. Plazmatický nástřik probíhal 6 minut v podtlaku 100 milí Torrů

?.o (13,33 Pa) při teplotě 50 °C. Nanesené množství polymeru ťluorkarbonu přitom bylo 0,31 g, tj.

% plošné hmotnosti vrstvy nanovláken z polyamidu 6 (PA 6).

Hydrostatická odolnost takto upravené vrstvy polymemích nanovláken dosáhla 15000 mm vodního sloupce (tj. 50^x vyšší než u původní vrstvy), přičemž její paropropustnost zůstala nezměněná.

Příklad 3

Elektrostatickým zvlákňováním s využitím zvlákňovací elektrody obsahující zvlákňovací prvky ve tvaru struny dle EP 2173930 se připravila vrstva nanovláken z polyamidu 6 (PA 6) s plošnou hmotností 15 g/m⁴, průměrem nanovláken 155 nm +/- 15 %, hydrostatickou odolností do 300 mm a paropropustností Ret 0,0 Pa.nr.W’¹.

Na nanovlákna vzorku takto vytvořené vrstvy o rozměrech 50 ^χ 50 cm se z jedné strany prostřednictvím zařízení firmy Europlasma, CD 1600/800 PLC Roll-to-Roll nanesl plazmatickým nástřikem polymer ťluorkarbonu. Plazmatický nástřik probíhal 6 minut v podtlaku 100 milí Torrů (13,33 Pa) při teplotě 50 °C. Nanesené množství polymeru ťluorkarbonu přitom bylo 1,2 g, tj. 8 % plošné hmotnosti vrstvy nanovláken z polyamidu 6 (PA 6).

Hydrostatická odolnost takto upravené vrstvy polymemích nanovláken dosáhla 12000 mm vodního sloupce (tj. více než 40* vyšší než u původní vrstvy), přičemž její paropropustnost zůstala nezměněná.

Příklad 4

Elektrostatickým zvlákňováním s využitím zvlákňovací elektrody obsahující zvlákňovací prvky

4(i ve tvaru struny dle EP 2173930 se připravila vrstva nanovláken z polyuretanu (PUR) s plošnou hmotností 4,5 g/m^-, průměrem nanovláken 155 nm +/- 15%. hydrostatickou odolností do 300 mm a paropropustností Ret 0,0 Pa.nr .W '.

Na nanovlákna vzorku takto vytvořené vrstvy o rozměrech 50^x 50 cm se z jedné strany prostřednictvím zařízení firmy Europlasma, CD 1600/800 PLC Roll-to-Roll nanesl plazmatickým nástri45 kem polymer ťluorkarbonu. Plazmatický nástřik probíhal 6 minut v podtlaku 100 milí Torrů

-4 CZ 24446 Ul (13,33 Pa) pri teplotě 50 °C. Nanesené množství polymeru ťluorkarbonu přitom bylo 0,09 g, tj.

% plošné hmotnosti vrstvy nanovláken z polyuretanu (PUR).

Hydrostatická odolnost takto upravené vrstvy polymemích nanovláken dosáhla 10000 mm vodního sloupce (tj. více než 30* vyšší než u původní vrstvy), přičemž její paropropustnost zůstala nezměněná.

Na obr. 2 je SEM snímek vrstvy polymemích nanovláken po zvýšení její hydrostatické odolnosti, přičemž je patmé, že film hydrofobního prostředku je uložen pouze na povrchu nanovláken a mezivlákenné prostory jsou volné.

Příklad 5 io Elektrostatickým zvlákňováním s využitím zvlákňovací elektrody obsahující zvlákňovací prvky ve tvaru struny dle EP 2173930 se připravila vrstva nanovláken z polyuretanu (PUR) s plošnou hmotností 6,5 g/m², průměrem nanovláken 155 nm +/- 15%, hydrostatickou odolností do 300 mm a paropropustností Ret 0,0 Pa.nr.W'¹.

Na nanovlákna vzorku takto vytvořené vrstvy o velikosti 50 χ 50 cm se z jedné strany prostřed15 nictvím zařízení firmy Europlasma, CD 1600/800 PLC Roll-to-Roll nanesl plazmatickým nástřikem polymer ťluorkarbonu. Plazmatický nástřik probíhal 6 minut v podtlaku 100 milí Torrů (13,33 Pa) pri teplotě 50 °C. Nanesené množství polymeru ťluorkarbonu přitom bylo 0,39 g, tj. 6 % plošné hmotnosti vrstvy nanovláken z polyuretanu (PUR).

Hydrostatická odolnost takto upravené vrstvy polymemích nanovláken dosáhla 13500 mm vod:o ního sloupce (tj. více než 40x vyšší než u původní vrstvy), přičemž její paropropustnost zůstala nezměněná.

Na obr. 3 je SEM snímek vrstvy polymemích nanovláken po zvýšení její hydrostatické odolnosti, přičemž je patmé, že film hydrofobního prostředku je uložen pouze na povrchu nanovláken a mezivlákenné prostory jsou volné.

Z výše uvedených příkladů je zřejmé, že vrstva polymemích nanovláken podle technického řešení dosáhla ve všech případech vyšší hodnoty hydrostatické odolnosti, než běžně dosahují jiné podobné vrstvy známé ze stavu techniky, avšak bez současného snížení paropropustností, resp. prodyšnosti.

Claims

jo 1. Vrstva polymemích nanovláken se zvýšenou hydrostatickou odolností, vyznačující se t í m , že alespoň z jedné strany je na jejich nanovláknech plazmatickým nástřikem nanesen kontinuální film hydrofobního prostředku.
2. Vrstva polymemích nanovláken podle nároku 1, vyznačující se tím, že kontinuální film hydrofobního prostředkuje na ni plazmatickým nástřikem nanesen z obou stran.

35
3. Vrstva polymemích nanovláken podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že hydroťobním prostředkem je polymer ťluorkarbonu a/nebo hydrofobní prostředek na bázi silikonu a/nebo hydrofobní prostředek na bázi alkanů.
4. Vrstva polymemích nanovláken podle libovolného z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že množství naneseného hydrofobního prostředku je do 10% plošné hmotnosti vrstvy

4o polymemích nanovláken.

- 2> CZ 24446 Ul
5. Vícevrstvý textilní kompozit obsahující alespoň jednu vrstvu polymemích nanovláken, vyznačující se tím, že na nanovláknech alespoň jedné vrstvy polymemích nanovláken je alespoň z jedné její strany plazmatickým nástřikem nanesen kontinuální film hydrofobního prostředku, a že vrstva polymemích nanovláken je alespoň z jedné strany překryta krycí vrstvou s textilie.
6. Vícevrstvý textilní kompozit podle nároku 5, vyznačující se tím, že kontinuální film hydrofobního prostředku je na nanovláknech vrstvy polymemích nanovláken alespoň jedné vrstvy polymemích nanovláken nanesen plazmatickým nástřikem z obou jejích stran.
7. Vícevrstvý textilní kompozit podle libovolného z nároků 5 nebo 6, vyznačující se tím, žc vrstva polymemích nanovláken je krycí vrstvou textilie překryta z obou stran.
8. Vícevrstvý textilní kompozit podle libovolného z nároků 5 až 7, vyznačující se tím, že krycí vrstvou textilie je vrstva polymemích nanovláken.
9. Vícevrstvý textilní kompozit podle libovolného z nároků 5 až 8, vyznačující se tím, že krycí vrstvou textilie je ťleece.
10. Vícevrstvý textilní kompozit podle libovolného z nároků 5 až 9, vyznačující se tím, že hydrofobním prostředkem je polymer fluorkarbonu a/nebo hydrofobní prostředek na bázi silikonu a/nebo hydrofobní prostředek na bázi alkanů.
11. Vícevrstvý textilní kompozit podle libovolného z nároků 5 až 10, vyznačující se tím, že množství naneseného hydrofobního prostředku je do 10 % plošné hmotnosti vrstvy

20 polymemích nanovláken.