CZ302876B6

CZ302876B6 - Zpusob a zarízení k výrobe nanovláken preplavovacím elektrostatickým zvláknováním

Info

Publication number: CZ302876B6
Application number: CZ20090425A
Authority: CZ
Inventors: Pokorný@Pavel; Lukáš@David; Mikeš@Petr; Martinová@Lenka; Zálešáková@Denisa; Vodsedálková@Katerina; Sanetrník@Filip
Original assignee: Technická univerzita v Liberci; Student Science, s. r. o.; Nanopharma, A. S.; Ústav experimentální mediciny AV CR, v.v.i.; Univerzita Karlova v Praze, 2. lékarská fakulta
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-12-28
Also published as: CZ2009425A3

Abstract

Zpusob výroby nanovláken preplavovacím elektrostatickým zvláknováním spocívající v tom, že do elektrostatického pole se privádí zvláknovaná kapalina (10), která prepadá pres elektricky nabitou oblou preplavovací hranu (7) a tím se vytvorí vypouklé kapalinové teleso (3), na jehož povrchu dochází, za soucasného pusobení vysokého napetí na elektrode umístené nad preplavovací hranou (7), ke vzniku nanovlákenného materiálu (25). Zarízení je s výhodou tvoreno tremi plochými deskami (8) spojenými a opracovanými tak, že mezi deskami (8) vznikají ploché komory (9) stejných nebo rozdílných rozmeru. Do jedné komory (9) se privádí zvláknovaná kapalina (10). V komore (9) se proud zvláknované kapaliny (10) usmerní do tenké vrstvy vyplnující plochou komoru (9) a pres preplavovací hranu (7) oblého tvaru, vytvorí vypouklé kapalinové teleso (3). Na povrchu vypouklého kapalinového telesa (3) nastane elektrostatické zvláknování po priložení vysokého napetí.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká průmyslové výroby nanovláken pomocí přeplavovacího elektrostatického zvlákňování.

Dosavadní stav techniky

Pro průmyslovou výrobu nanovláken pomocí elektrostatického zvlákňování se používá kupř. řešení podle vynálezu chráněného patentem WO 2005/024101. Zvlákňovací zařízení navržené podle tohoto patentuje založeno na elektricky nabitém válečku pozvolna se otáčejícím ve zvlákňovaném roztoku polymeru nebo polymemí tavenině/kapalině sloužícím zároveň jako elektroda. Na povrchu válce se vytvoří tenká vrstva kapaliny, z níž vznikají Taylorovy kužely, ze kterých následně vznikají nanovlákna, která jsou ukládána na opačně nabitou protielektrodu - kolektor.

V tomto uspořádání válec představuje vypouklé těleso s tenkou kapalinovou vrstvou, které působí jako koncentrátor intenzity elektrického pole. Takto místně zkoncentrované elektrické pole v kapalinovém tělese destabilizuje hladinu zvlákňované kapaliny a tím indukuj e/dává vznik velkého množství Taylorových kuželů a z nich vycházejících kapalinových trysek, ze kterých následně vznikají nanovlákna.

Výše uvedeným způsobem a obdobně i jinými známými způsoby, však není možné zvlákňovat mnoho různých látek, a některé jen obtížně.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do jisté míry odstraněny řešením podle vynálezu jehož podstatou je zvlákňování z konvexních tvarů volných hladin proudící kapaliny nebo z pěny na hladině kapaliny vytvořené, nebo z kombinace obojího. Profil proudící kapaliny, nebo na jejím povrchu vytvořené pěny, vůči kolektoru, tedy vůči kolmému průmětu kapalinového tělesa do roviny kolektoru, může být potom značně útlý. Utlost průmětu kapalinového tělesa indukuje na hladině kapaliny silné a velikostí profilu regulovatelné elektrostatické pole.

Vynález spočívá ve využití vypouklého kapalinového tělesa, z jehož volného povrchu dochází k tvorbě kapalinových trysek, které vzniknou vhodně tvarovaným proudem elektricky nabité kapaliny. Proud kapaliny je tvarován do vypouklé fontány nebo přepadá přes elektricky nabitou přeplavovací hranu. V posledně zmíněném případě vzniká kapalinové těleso vzedmuté do vlny, jejíž podoba je určena tvarem a sklonem přepadové plochy a rychlostí a množstvím tekoucí kapaliny. Z povrchu vlny dochází k elektrostatickému zvlákňování.

Podle výsledků výzkumu Katedry netkaných textilií Fakulty textilní Technické univerzity v Liberci je zřejmé, že tzv. hladinové elektrostatické zvlákňování nastává na volném vypouklém povrchu kapaliny po překročení kritické hodnoty intenzity pole E_c,

E_c =^4rpg/s² ,

Kde, je /povrchové napětí kapaliny, /?je hustota kapaliny, g značí tíhové zrychlení a ε je permitivita okolního plynu.

- 1 CZ 302876 B6

Podle vynálezu lze dosáhnout libovolně rychlého proudění kapaliny a její cirkulace. Dále je možné dosáhnout minimalizace kontaktu kapaliny s okolním vzduchem a tím i snížení nadměrného vypařování zejména organických rozpouštědel.

V případě patentu WO 2005/024101 je maximální intenzita pole E_MAX na povrchu válce, brodícího se v kapalině, nezávislá na poloměru válce a v případě „polovičního“ smočení válce rovna

kde £« je intenzita pole vyjádřená jako napětí U mezi zvlákňovací elektrodou a kolektorem dělenou jejich vzdáleností d, E_tí ~ U / d. Zvlákňovací elektrody podle vynálezu, kde fontána nebo přeplavovací hrana slouží jako elektroda bez pokračující rovinné hladiny kapaliny v bazénku, dávají na svém povrchu hodnoty intenzit elektrostatického pole, které na jejich charakteristickém poloměru R závisejí zhruba podle mocninného zákona

E,

Intenzita pole na zvlákňovací elektrodě je pak regulovatelná nejenom hodnotou vnějšího napětí a vzdáleností mezi elektrodou a kolektorem, ale i vhodnou volbou poloměru kapalinového tělesa.

Výkon zařízení podle vynálezu je větší než výkon zařízení podle patentu WO 2005/024101, respektive jiných známých technických řešení. Vlivem odlišné geometrie elektrického pole v zařízení podle vynálezu na rozdíl od zařízení podle patentu WO 2005/024101 je možné zvlákňovat i látky, které dosud zvlákňovat nešly, nebo jen obtížně. Zařízení podle vynálezu tak výrazně rozšiřuje technologickou použitelnost hladinového elektrostatického zvlákňování.

Přehled obrázků na výkresech

Zařízení podle vynálezu je zobrazeno na přiložených výkresech, kde na obr. 1 je zařízení pro přeplavovací elektrostatické zvlákňování tvořené třemi plochými deskami spojenými a opracovanými tak, že mezi deskami vznikají ploché komory stejných, nebo rozdílných rozměrů. Na obr. 2 je zobrazeno provedení, tzv. „fontánové“, s výhodou tvořené čtyřmi plochými deskami, mezi nimiž vzniknou tri ploché komory stejných, nebo různých rozměrů. Obr. 3 zobrazuje další možné provedení zvlákňovacího zařízení podle vynálezu tvořené dvojicí soustředných trubic. Obr. 4 zobrazuje zařízení podle vynálezu sdružené do dvojic tak, že každá zvlákňovací jednotka je připojena k opačným pólům vysokonapěťového zdroje/zdrojů. Vznikající výrobek je zvlákňován v prostoru bez kolektoru a textilního nebo jiného nosného substrátu. Výrobek je možné odtahovat z prostoru mezi jednotkami pomocí sterilního zde neznázoměného zařízení.

Příklady provedení vynálezu

1. Způsob výroby nanovláken preplavovacím elektrostatickým zvlákňováním s tím, že do elektrostatického pole se přivádí zvlákňovací kapalina 10. která přepadá přes elektricky nabitou oblou přeplavovací hranu 7, tím se vytvoří vypouklé kapalinové těleso 3 na jehož povrchu dochází, za současného působení vysokého napětí na elektrodě umístěné nad přeplavovací hranou 7, ke vzniku nanovláken ného materiálu 25.

2. Způsob výroby nanovláken přeplavovacím elektrostatickým zvlákňováním s tím, že do elektrostatického pole se přivádí zvlákňovací kapalina 10, která přepadá pres elektricky nabitou oblou přeplavovací hranu 7 za současného přivádění odlišné zvlákňované kapaliny, která vytéká z otvorů v přeplavovací hraně 7, tím se vytvoří vypouklé kapalinové těleso 3, složené ze dvou vrstev, na jehož povrchu dochází, za současného působení vysokého napětí na elektrodě umístěné nad přeplavovací hranou 7, ke vzniku nanovlákenného materiálu 25.

3. Zařízení pro přeplavovací elektrostatické zvlákňování, zobrazené na obr. 1, je s výhodou tvořeno třemi plochými deskami 8 spojenými a opracovanými tak, že mezi deskami vznikají ploché komory 9 stejných, nebo rozdílných rozměrů. Do jedné komory (zpravidla tenčí, není však nutnou podmínkou) se přivádí zvlákfiovaná kapalina 10. V komoře se proud 5 zvlákňované kapaliny

10 usměrní do tenké vrstvy vyplňující plochou komoru 9 a pres přeplavovací komoru 7 oblého tvaru, vytvoří vypouklé kapalinové těleso 3. Na povrchu vypouklého kapalinového tělesa 3 nastane elektrostatické zvlákňování po přiložení vhodného vysokého napětí na vypouklé kapalinové těleso 3 a současně na zde neznázoměnou protielektrodu - kolektor umístěnou nad vypouklé kapalinové těleso 3. Nespotřebovaný zbytek zvlákňované kapaliny 10 přepadající přes přeplavoio vací hranu 7 do druhé komory, je odsáván a vracen například pomocí, zde neznázoměného čerpadla pres případnou, zde neznázoměnou, zásobní nádrž, zpět do první komory 9.

4. Další provedení, vyobrazené na obr. 2, je tzv. „fontánové“, je s výhodou tvořeno čtyřmi plochými deskami 8, mezi nimiž vzniknou tři ploché komory 9 stejných, nebo různých rozměrů.

Střední komorou 9 proudí zvlákňovací kapalina 10 podobně jako v předešlém uspořádání a vytváří na konci komory 9 fontánu, přičemž nespotřebovaná zvtákňovaná kapalina 10 přepadá, přes přeplavovací hrany 7 do jedné, nebo obou bočních komor 9. Z bočních komor 9 je nespotřebovaná zvtákňovaná kapalina 10 odsávána a vracena do střední komory 9.

5. Komory 9 zvlákňovacího zařízení podle vynálezu je možné tvarovat í jinak. Další možné provedení zvlákňovací jednotky 24, podle vynálezu je zobrazeno na obr. 3 a je tvořeno dvojicí soustředných trubic 19, 20. Středovou trubkou 19 proudí zvlákfiovaná kapalina 10. Přebytek kapaliny přepadá do mezikruží mezi soustřednými trubkami 19, 20 a je odsáván. Střední trubka 19 přesahuje okraj vnější trubky 20. Jako v předešlém uspořádání vzniká na ústí střední trubky 19 fon25 tána 15, ze které vznikají nanovlákna 21.

6. Jeden z mnoha možných dalších příkladů je možnost výroby koaxiálních vláken. S výhodou lze použít varianty třídeskového, dvoukomorového zvlákňovacího zařízení. Přeplavovací hrana 7 je tvořena dutou trubkou, která má na povrchu vhodně umístěné otvory. Jakmile začne kapalina jo 10 přepadat přes přeplavovací hranu 7 tvořenou perforovanou trubkou, je možné perforovanou trubkou dávkovat jinou, tzv. „vnitřní“ kapalinou. Na výstupu z otvorů trubky vzniknou miniaturní fontánky vnitřní kapaliny, která nadzvedne ještě výše povrch kapaliny 10 vnější. Na takto vzniklých koncentrátorech pole přednostně dochází k elektrostatickému zvlákňování. Při současném/soumístném proudění dvou nebo více polymemích kapalin dochází k omezenému míšení jednotlivých proudů. K omezenému míšení a zlepšení laminárního proudění přispívá i Coandův efekt, který se uplatňuje při styku kapaliny s vypouklým tělesem tvořeným přeplavovací hranou

7. Takto stratífikované proudění dvou nepromísených polymemích deskových toků vede ve zvlákňovacím zařízení podle vynálezu ke vzniku výkonného koaxiálního elektrostatického zvlákftování. Takto vyrobená vlákna obsahují jádro z materiálu dodávaného perforovanou trubkou, která zároveň tvoří přeplavovací hranu 7, a plášť tvořený materiálem, který proudil přes perforovanou trubici.

7. Další variantou řešení podle popisovaného vynálezu je to, že do zvlákňované kapaliny 10 je možné řízené přivádět potřebný plyn pomocí perforované trubice tak, aby na hladině zvlákňo45 vaně kapaliny 10 na přeplavovací hraně 7 vznikala pěna. Na bublinách pěny se ještě více zkoncentruje elektrické pole a lze tak zvlákňovat kapaliny, které dosud známými postupy zvlákňovat nebylo možné, nebo jen s velkými obtížemi.

8. Zařízení podle vynálezu lze sdružit do dvojic zvlákňovacích jednotek 24 tak, že každá zvlák50 ňovací jednotka 24 je připojena k opačným pólům vysokonapěťového zdroje/zdrojů. Vznikající nanovlákenný materiál 25 je zvlákňován v prostoru bez kolektoru a textilního nebo jiného nosného substrátu. Výrobek je možné odtahovat z prostoru mezi zvlákňovacímu jednotkami 24 pomocí sterilního zde neznázoměného zařízení. Stejně tak je možné mezi zvlákňovací jednotky 24 zavést substrát a zvlákňovat najednou na jeho oba povrchy.

-3 CZ 302876 B6

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro zvláknování podle vynálezu je možné použít, mimo jiné, ve všech oblastech, ve kterých se používá zařízení podle patentu WO 2005/024101. Jde zvláště o oblasti stavebnictví a automobilového průmyslu, materiály pohlcující zvuk, výroba lékařských obvazových materiálů, výroba filtračních materiálů a jiná další použití.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby nanovláken z polymemího roztoku, přeplavovacím elektrostatickým zvlákňováním v elektrickém poli vytvořeném rozdílem potenciálů mezi nabitou elektrodou a io protielektrodou, vyznačující se tím, že do elektrostatického pole se přivádí zvlákňovaná kapalina (10), která přepadá přes elektricky nabitou oblou přeplavovací hranu (7), tím se vytvoří vypouklé kapalinové těleso (3), na jehož povrchu dochází, za současného působení vysokého napětí na elektrodě umístěné nad přeplavovací hranou (7), ke vzniku nanovlákenného materiálu (25).
2. Způsob výroby nanovláken přeplavovacím elektrostatickým zvlákňováním podle nároku 1, vyznačující se tím, že do elektrostatického pole se přivádí zvlákňovaná kapalina (10), která přepadá přes elektricky nabitou oblou přeplavovací hranu (7) za současného přivádění odlišné zvlákňované kapaliny, která vytéká z otvorů v přeplavovací hraně (7), tím se vytvoří

2o vypouklé kapalinové těleso (3), složené ze dvou vrstev, na jehož povrchu dochází, za současného působení vysokého napětí na elektrodě umístěné nad přeplavovací hranou (7), ke vzniku nanovlákenného materiálu (25).
3. Zařízení k výrobě nanovláken přeplavovacím elektrostatickým zvlákňováním, k provádění

25 způsobu podle nároků 1 a 2, obsahující nabitou elektrodu a proti elektrodu s rozdílným potenciálem mezi nimiž se vytváří elektrické pole, vyznačující se tím, že je tvořeno nejméně jednou plochou deskou (8) zakončenou přeplavovací hranou (7), přičemž plochá deska (8) je vložena mezi ploché komory (9) stejných nebo rozdílných rozměrů, jako plochá deska (8).

30
4. Zařízení k výrobě nanovláken přeplavovacím elektrostatickým zvlákňováním podle nároku

3, vyznačující se tím, že přeplavovací hrana (7) je na svém povrchu opatřena otvory.
5. Zařízení k výrobě nanovláken přeplavovacím elektrostatickým zvlákňováním podle předchozích nároků, vyznačující se tím, že je tvořeno dvojicí soustředných trubic (19,

35 20), přičemž střední trubka (19) přesahuje okraj vnější trubky (20).

2 výkresy