CZ303297B6

CZ303297B6 - Zpusob a zarízení pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válcu

Info

Publication number: CZ303297B6
Application number: CZ20110273A
Authority: CZ
Inventors: Toman@František; Beran@Miloš; Drahorád@Josef
Original assignee: Výzkumný ústav potravinárský Praha, v.v.i.
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-07-18
Also published as: CZ2011273A3

Abstract

Pri zpusobu pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken se roztok zvláknovaného polymeru ci taveniny nanáší na povrch alespon jednoho válce (1), který rotuje rychlostí nejméne 1000 otácek/minutu, a vytvárí tenký film zvláknovaného polymeru ci taveniny na povrchu válce (1). Z tohoto filmu se pusobením Raleigh-Taylorovy nestability oddelují nanovlákna a mikrovlákna, vznikající protichudným pusobením odstredivé síly a síly indukované zakrivením povrchu válce (1), kterou popisuje Laplaceova-Youngova rovnice. Vzniklá nanovlákna a mikrovlákna o prumeru 25 až 700 nm se shromaždují ve forme vaty ve sberném prostoru nebo se ukládají ve forme netkané textilie. Zarízení pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken sestává z alespon jednoho rotujícího kovového válce (1) a jemné kovové mrížky (3), která se válce (1) dotýká v tecnové poloze a do místa jejich dotyku je nanášen cerpadlem (6) zvláknovaný roztok, jehož prebytek stéká do horní vany (5) pod válcem (1). Horní vana (5) je dále umístena v záchytné dolní vane (7), odkud je prebytek zvláknovaného roztoku znovu cerpadlem (6) dopravován k válci (1), prípadne je zvláknovaný roztok nabírán válcem (1) z hladiny zvláknovaného roztoku v horní vane (5). Zarízení dále obsahuje kovový komínek (9) a prepážku (10), nad kterou je umísten ventilátor (11). Celé zarízení je poháneno pohonnou jednotkou s motorem (2), prípadne je ke kovovému válci (1) pripojen remenicí (12) souosý válec (13) bez mrížky.

Description

Způsob a zařízení pro beztrýskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válců

Oblast techniky

Vynález se týká nového způsobu a zařízení pro odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken z polymemích roztoků Či tavenin na povrchu rotujících válců.

Dosavadní stav techniky

Počátky historie nanovláken sahají do konce 19. století ajsou 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 18990 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 textilii 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 Universitě 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 řada zařízení pro elektrostatické zvlákňování s cílem zvýšit produktivitu nanovláken pro jejich průmyslovou výrobu. Byly popsány různé systémy zahrnující jednotryskové, 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 horní vrstvou roztokem zvlákňo váného 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) použiti 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 povrch. 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 303297 B6

S cílem zvýšit rychlost produkce nanovláken byla patentována celá řada speciálních systémů elektrostatického zvlákňování bez rotujícího prvku s použitím různě uspořádaných řad trysek (JP 2009174066 (A); US 2008241297; JP 2008274522; CZ 300345 (B6); JP 2008231612 (A);

JP 2008179906; US 2007018361 (AI)). Řada patentů byla podána také firmou Panasonic (např. JP 2009209485 (A); JP 2009270225), 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 io být použit i proud plynu.

Vysoce produktivní systém elektrostatického zvlákňování byl navržen skupinou Jirsák a kol. (WO 2005/024101) z Technické university v Liberci, CZ. Jedná se o pomalu rotující válec, částečně ponořený v roztoku zvlákňovaného polymeru. Při 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. US 4 937 020), které slouží k extruzi vláken ze zvlákňovaného polymerního roztoku či taveniny ajejich natažení odstředivou silou. Druhý typ využívá rotující, obvykle konický disk, na kterém je odstředivou silou vytvářen tenký film zvlákňovaného roztoku (např. US 2 433 000). K produkci vláken dochází za vhodných podmínek na hraně tohoto rotujícího disku či zvonu. V klasickém uspořádání jsou tímto způsobem zvlákňovány relativně vysoce viskózní polymerní 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 jetspinning“) mohou být ovlivňovány zejména velikostí a geometrií trysek, rychlostí rotace a vlast50 nostmi zvlákňovaného roztoku. Technika je vhodná pro vytváření jednosměrně orientovaných nanovlákenných struktur a může být použitelná i u polymerů nezvláknitelných či obtížně zvláknitelnýeh elektrostatickým postupem.

Podobnou technologii odstředivé produkce nanovláken vyvíjí také společnost FibeRio Techno55 logy Corporation (Texas, USA). Patentovaná technologie této firmy, Forcespinning Techno. 3 .

logy'^M, využívá také velmi rychle rotující rezervoár („spinneret“) s tryskami kterými jsou roztok polymeru či tavenina odstředivou silou vytlačovány a střihovými silami natahovány do formy nanovláken. Průměr nanovláken ajejich homogenita jsou ovlivňovány zejména viskozitou roztoku či taveniny a rychlostí rotace spineretu. Společnost nabízí výrobníky nanovláken Cyclone L5 1000S 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 odstředivého vytváření tenkého filmu viskózního roztoku (tzv. „spincoating“). Tento proces poskytuje io atraktivní alternativou 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 15 US PA 20080242171 popisuje beztryskový způsob produkce nanovláken zvlákňováním tavenin ěi polymerních roztoků na rotujícím distribučním disku, který může být i ve tvaru zvonu.

Ke zvlákňování se používají taveniny či polymemí roztoky s relativně nižší viskozitou, v rozsahu až 100 kcP, které na disku tvoří velmi tenké filmy a výsledkem jsou nanovlákna s průměrem podstatně nižším než 0,5 μπι, vytvářená na hraně rotujícího disku. Ke snížení viskozity zvlákfio20 váných 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 WO 2009/079523 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 ten30 ký fílm na povrchu rotujícího disku. K tvorbě nanovláken dochází na hraně rotujícího disku.

Patent WO 2009/079523 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 universální 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 čer4o paná do vnitřního prostoru systému, extrudována odstředivou silou ve formě nano- či m i křoví áken.

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 (JP 2009191403 (A); KR 100780346 (Bl); WO 2005/042813 (Al)). Několik patentů založených na tomto principu bylo opět patentováno firmou Panasonic (WO 2008/142845 (Al); JP 2009228168 (A); JP 2009097112 (A); US 2010072674).

Postup a zařízení pro výrobu nanovláken proudem plynu na trysce, kterou je roztok zvlákňované50 ho materiálu vytlačován (tzv. „gas jet spinning“) popisují např. patenty HK 1070673 (Al); WO 2006/116014 (A2); WO 002207 (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.

- j CZ 303297 B6

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob a zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válců, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že roztok zvtákňovaného polymeru či taveniny se nanáší na povrch alespoň jednoho válce, který rotuje rychlostí nejméně 1000 otáček/minutu, a vytváří tenký film zvlákfiovaného polymeru či taveniny na povrchu válce, načež se z tohoto filmu působením Raleigh-Taylorovy nestability oddělují nanovlákna a mikrovlákna, vznikající protichůdným působením odstředivé síly a síly indukované zakřivením povrchu válce, kterou popisuje Laplaceova—Youngova rovnice, přičemž vzniklá nanovlákna a mikrovlákna o průměru 25 až 700 nm se shromažďují ve formě vaty ve sběrném prostoru nebo se ukládají ve formě netkané textilie.

Způsob podle vynálezu je charakterizován tím, že roztok zvlákňovaného polymeru či taveniny se nanáší na povrch alespoň dvou rotujících válců.

Způsob podle vynálezu je dále charakterizován tím, že 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 pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válcuje také podstatou vynález, která spočívá v tom, že zařízení sestává z alespoň jednoho rotujícího kovového válce a jemné kovové mřížky, která se válce dotýká v tečnové poloze a do místa jejich dotyku je nanášen čerpadlem zvlákňovaný roztok, jehož přebytek stéká do horní vany pod válcem, která je dále umístěna v dolní záchytné vaně, odkud je přebytek zvlákňovaného roztoku znovu čerpadlem dopravován k válci. Případně je zvlákňovaný roztok nabírán válcem z hladiny zvlákňovaného roztoku v horní vaně. Zařízení dále obsahuje kovový komínek a přepážku, nad kterou je umístěn ventilátor, přičemž je celé zařízení poháněno pohonnou jednotkou s motorem. Zvlákňovaný roztok či tavenina však může být na válec či válce nanášen i jiným vhodným způsobem, např. nástřikem ve formě aerosolu.

Zařízení podle vynálezu je charakterizováno tím, že ke kovovému válci je připojen řemenicí nebo jiným způsobem další souosý válec bez mřížky.

Zařízení podle vynálezu 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 vynálezu je dále charakterizováno tím, že čerpadlo je peristaltické.

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

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

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

Způsob a zařízení podle vynálezu pro odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken z poíymerních roztoků či taven in umožňuje jejich vysokou produkční rychlost. Principem vynálezu 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 1 000 až 100 000 otáček/minutu. Po vy-4CZ 303297 B6 tvoření 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 při 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, fyzikálně-chemické vlastnosti zvlákňovacího 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 dříve 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 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 vynálezu zahrnují termoplastické materiály, jako jsou polyolefiny, včetně polyetylénu ajeho kopolymerů, polypropylenu ajeho kopolymerů; 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; fluoropolymery, včetně polychlortrifluoroetylenů (CTFE), fluorovaného etylen-propylenu (FEP) a polyvinylidenfluoridu (PVDF); vinyl; biodegradovatelné polymery, polymery obsahující biologické složky (tzv. „bio-based polymers“); biopolymery přírodního původu a různé nanokompozity.

Mezi zvláknitelné polymery přírodního původu patří např. zelenina, kolagen, chitin, chitosan, aiginát sodný, guarová guma, ε-polylysin, poly-γ—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 biodegradovatelný 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 mikrovlákna 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 nanovlákna modifikována jinými fyzikálně-chemickými postupy s cílem změnit jejich vlastnosti požadovaným způsobem.

Předkládaný vynález může být použit i pro výrobu určitých anorganických nano- či mikrovláken, například nanovláken TiN s použitím postupu inspirovaném patentem společnosti ELMARCO (WO 2009/135446 (A2)). Podle tohoto postupuje organický polymer, konkrétně polyvinylpyrrolidon ve směsi s alkoxidem titaníčitým v alkoholickém rozpouštědle s chelatačním činidlem s pří-5CZ 303297 B6 davkem koncentrované kyseliny chlorovodíkové, elektrostaticky zvlákněn za vzniku směsných organicko/anorganických nanovláken. Tato nanovlákna jsou za vhodných podmínek podrobena teplotě v rozmezí 350 až 800 °C za vzniku nanovláken TiO₂, kterájsou žíhána v proudu čpavku při teplotě 400 až 900 °C za vzniku nanovláken TiN.

Způsob a zařízení podle vynálezu může být za vhodných podmínek použit i pro produkci nanoěí mikročástic.

Způsob a zařízení podle vynálezu má následující výhody v porovnání s doposud používanými způsoby výroby nanovláken:

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

- významné zvýšení lychlosti produkce vláken oproti postupům elektrostatického zvlákňování

- zvýšení rychlosti produkce vláken oproti již popsaným postupům beztryskové odstředivé zvlákňování spoužitím rotujícího disku či zvonu, vzhledem ke zvětšení plochy, ze kteréjsou vlákna generována

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

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

- způsob a zařízení podle vynálezu je mimořádně vhodné pro výrobu nano- ěi mikrovláken pro potravinářské ěi 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 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 vynálezu 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 vynálezu sestávající ze dvou souosých válců.

Následující příklady provedení způsob a zařízení podle vynálezu jen dokládají, aniž by je jakkoliv omezovaly, přičemž způsob a zařízení podle vynálezu byly úspěšně odzkoušeny v prostorách přihlašovatele, kterým je Výzkumný ústav potravinářský Praha, v.v.i., CZ.

-6CZ 303297 B6

Příklady provedeni vynálezu

Příklad 1 (viz Obr. 1)

Válec I z nerezové oceli s leštěným povrchem o průměru 100 mm, rotující rychlostí 20 000 otáček/min., se roztáčí pohonnou jednotkou s elektromotorem 2. S válcem I je v kontaktu jemná nerezová mřížka 3 tak, že tvoří tečnu. Válec I nabírá zvlákňovaný roztok z hladiny, se kterou je v těsném kontaktu 4. Zvlákňovaný roztok je v horní vaně 5, kam se kontinuálně přivádí čerpadlem 6, udržuje se na konstantní hladině s použitím přepadu. Přepadávající roztok se zachycuje v dolní vaně 7, umístěné níže pod homí vanou 5, která je menší než dolní vana 7. Přebytek zvlákňovaného roztoku se čerpadlem 6 recykluje, takže nedochází kjeho ztrátám. Zvlákňovaný roztok obsahuje 10 % hmotn./hmotn. želatiny z vepřové kůže, typ A (Sigma), ve vodném roztoku kyseliny octové o hodnotě pH 3,5. Nanovlákna 8 se produkují odstředivou silou z tenkého filmu vytvářeného na povrchu válce L Podmínky se optimalizují s cílem minimalizovat defekty - kapičky nebo díry v nanovlákenné síti. Nanovlákna 8 se nasávají do komínku 9 z hliníkové fólie a sbírají se na přepážku 10 tvořenou netkanou textilií, nad kterou se umístí vrtulový ventilátor il. Výsledkem je homogenní hustá vrstva nanovláken 8 s průměrem 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, stím rozdílem, že zvlákňovaný roztok se rotujícím válcem i nenabírá z hladiny, ale přivádí se na válec peristaltickým čerpadlem 6 do místa kontaktu s nerezovou mřížkou 3, umístěnou tak, že tvoří tečnu k válci 1. Válec 1 z nerezové oceli s leštěným povrchem o průměru 100 mm, rotující rychlostí 20 000 otáček/min., se roztáčí pohonnou jednotkou s elektromotorem 2. Přebytek zvlákňovaného roztoku stéká do sběrné vany 5 pod válcem i, odkud se znovu čerpadlem 6 dopravuje k válci i. Zvlákňovaný roztok obsahuje 10 % hmotn./hmotn. želatiny z vepřové kůže, typ A (Sigma), ve vodném roztoku kyseliny octové s hodnotou pH 3,5. Nanovlákna 8 se produkují odstředivou silou z tenkého filmu vytvářeného na povrchu válce i. Podmínky se optimalizují s cílem minimalizovat defekty - kapičky nebo díry v nanovlákenné síti. Nanovlákna 8 se nasávají do komínku 9 z hliníkové fólie a sbírají na přepážku v podobě drátěného síta 10, nad kterým se umístí vrtulový ventilátor JJ. Výsledkem je 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., se roztáčí pohonnou jednotkou s elektromotorem 2. S válcem I je v kontaktu jemná nerezová mřížka 3 tak, že tvoří tečnu. Plochá nádoba 5 pod válcem 1 se po okraj naplní taven inou kyseliny polymléčné (Zhejiang Hisun Biomaterials Co. Ltd., Čína). Celé zařízení, včetně válce 1, se ohřívá infračervenými zářiči na teplotu minimálně 240 °C. Horní vana 5 pod válcem i se navíc vyhřívá s použitím indukčního ohřevu. Hladina taveniny se udržuje v konstantní výši postupnými přídavky granulí kyseliny polymléčné. Válec i nabírá taveninu z hladiny, se kterou je v těsném kontaktu 4. Přepadávající tavenina se zachycuje v dolní vaně 7, umístěné níže pod homí vanou 5, která je menší než dolní vana 7. Přebytek taveniny se čerpadlem 6 recykluje, takže nedochází k jejím ztrátám. Nanovlákna 8 se produkují odstředivou silou z tenkého filmu vytvářeného na povrchu válce k Podmínky se optimalizují s cílem minimalizovat defekty - kapičky nebo díry v nanovlákenné síti. Nanovlákna 8 se nasávají do komínku 9 z hliníkové fólie a sbírají se na přepážku JO tvořenou netkanou textilií, nad kterou se umístí vrtulový ventilátor JJ.. Výsledkem je

-7 CZ 303297 B6 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 rotuje 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 se propojí řemenicí 12. io Nerezový válec 1 nabírá zvlákňovaný roztok z hladiny, se kterou se v těsném kontaktu 4. Pryžový válec 13 je umístěn výš tak, že jeho spodní obrysová hrana je v úhlu přibližně 45° od místa kontaktu 4 prvního nerezového válce I s hladinou roztoku zvlákňovaného polymeru, po směru rotace, takže slouží také jako bariéra pro odclonění kapiček zvlákňovaného roztoku, vznikajících ve větší míře při nabírání roztoku vláken i z hladiny. Zvlákňovaný roztok se v homí vaně 5, kam se kontinuálně přivádí čerpadlem 6, udržuje na konstantní výši hladiny s použitím přepadu. Přepadávající roztok se zachycuje v dolní vaně 7, umístěné níže. Přebytek zvlákňovaného roztoku se čerpadlem 6 recykluje, takže nedochází kjeho ztrátám. Zvlákňovaný roztok obsahuje nasycený roztok agaru (Remi Μ. B.) ve 25% hmotn ./hmotn. vodném roztoku kyseliny octové. Podmínky se optimalizují s cílem minimalizovat defekty - kapičky nebo díry v nanovlákenné síti. Nanovlákna io 8 se nasávají do komínku 9 z hliníkové fólie a sbírají na přepážku 10 tvořenou netkanou textilií, nad kterou se umístí vrtulový ventilátor 11. Výsledkem je homogenní hustá vrstva nanovláken 8 s průměrem v rozsahu 100 až 600 nm, strukturou připomínající velmi jemnou vatu.

Průmyslová využitelnost

Oblasti využití polymemích nanovláken zahrnují různé druhy filtrací, ochranných roušek a oděvů, solárních článků, bakterií a různých senzorů a sorbentu. Mimořádně vysoký poměr plochy k objemu předurčuje nanovlákna pro využití v oblasti katalýzy, včetně imobilizaee enzymů.

Vzhledem ktomu, že ve většině případů odpadá nutnost použití silně koncentrovaných roztoků organických nebo anorganických kyselin či organických rozpouštědel, jako u elektrostatického zvlákňování, je nový způsob a zařízení mimořádně vhodné pro výrobu nanovláken pro potravinářské či medicínské aplikace. Neutrální či mime kyselá hodnota pH zvlákňovaných roztoků umožňuje také přímou aplikací 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, transdermální ěi gastrointestinální přenos biologicky aktivních látek, jak léků, tak doplňků stravy nového typu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

5 1. Způsob pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válců, vyznačující se tím, že roztok zvlákňovaného polymeru či taveniny se nanáší na povrch alespoň jednoho válce (I), který rotuje rychlostí nejméně 1000 otáček/minutu, a vytváří tenký film zvlákňovaného polymeru či taveniny na povrchu válce (1), načež se z tohoto filmu působením Raleigh-Taylorovy nestability oddělují nanovlákna a mi krov lák na, vznikající io protichůdným působením odstředivé síly a síly indukované zakřivením povrchu válce (1), kterou popisuje Laplaceova-Youngova rovnice, přičemž vzniklá nanovlákna a mikrovlákna o průměru 25 až 700 nm se shromažďují ve formě vaty ve sběrném prostoru nebo se ukládají ve formě netkané textilie.

15
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že roztok zvlákňovaného polymeru ěi taveniny se nanáší na povrch alespoň dvou rotujících válců (1).
3. Způsob podle nároků la2, vyznačující se tím, že vzniklá nanovlákna a mtkrovláknajsou o průměru 50 až 600 nm nebojsou ve formě částic.
4. Zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válců podle nároků laž3, 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 a do místa jejich dotyku je nanášen čerpadlem (6) zvlákňovaný roztok, jehož přebytek stéká do

25 homí vany (5) pod válcem (1), která je dále umístěna v záchytné dolní vaně (7), odkud je přebytek zvlákňovaného roztoku znovu čerpadlem (6) dopravován k válci (1), případně je zvlákňovaný roztok nabírán válcem (1) z hladiny zvlákňovaného roztoku v horní vaně (5), a zařízení dále obsahuje kovový komínek (9) a přepážku (10), nad kterou je umístěn ventilátor (II), přičemž je celé zařízení poháněno pohonnou jednotkou s motorem (2).
5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že ke kovovému válci (1) je připojen řemenicí (12) souosý válec (13) bez mřížky.
6. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že kovový válec (1) je vytvořen

35 z leštěného nerezu, jemná kovová mřížka (3) je z nerezu a válec (13) je z pryže.
7. Zařízení podle nároků 4 a 5, vyznačující se tím, že čerpadlo (6) je peristaltické.
8. Zařízení podle nároků 4až6, vyznačující se tím, že komínek (9) je vytvořen

40 z hliníkové fólie.
9. Zařízení podle nároků 4 až 7, vyznačující se tím, že přepážka (
10) je vytvořena z netkané textilie nebo kovového síta.

45 10. Zařízení podle nároků 4 až 8, vyznačující se tím, že ventilátor (11) je vrtulový.
11. Zařízení podle nároků 4až9, vyznačující se tím, že homí vana (5) je indukčně zahřívána, případně je celé zařízení infračerveně ohříváno.