CZ303298B6 - Zpusob a zarízení pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válcu s profilovaným povrchem - Google Patents
Zpusob a zarízení pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válcu s profilovaným povrchem Download PDFInfo
- Publication number
- CZ303298B6 CZ303298B6 CZ20110299A CZ2011299A CZ303298B6 CZ 303298 B6 CZ303298 B6 CZ 303298B6 CZ 20110299 A CZ20110299 A CZ 20110299A CZ 2011299 A CZ2011299 A CZ 2011299A CZ 303298 B6 CZ303298 B6 CZ 303298B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- roll
- rollers
- nanofibres
- solution
- rotating
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 title claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 30
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 title abstract description 43
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 32
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims description 51
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 7
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 claims description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 5
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 claims description 5
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 67
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 13
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 10
- 239000010408 film Substances 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 6
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 5
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 5
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 5
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 description 5
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 5
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 4
- 229920001222 biopolymer Polymers 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 3
- 229920002678 cellulose Chemical class 0.000 description 3
- 235000010980 cellulose Nutrition 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 description 3
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 3
- 239000005014 poly(hydroxyalkanoate) Substances 0.000 description 3
- 229920000903 polyhydroxyalkanoate Polymers 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004812 Fluorinated ethylene propylene Substances 0.000 description 2
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 2
- 239000001913 cellulose Chemical class 0.000 description 2
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 238000007380 fibre production Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 2
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 2
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 2
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 2
- 229920009441 perflouroethylene propylene Polymers 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 1-methyl-2,4-dioxo-1,3-diazinane-5-carboximidamide Chemical compound CN1CC(C(N)=N)C(=O)NC1=O IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 1
- 229920000936 Agarose Polymers 0.000 description 1
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229920002101 Chitin Polymers 0.000 description 1
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 description 1
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 description 1
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 description 1
- 229920001634 Copolyester Polymers 0.000 description 1
- 229920002907 Guar gum Polymers 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 108010039918 Polylysine Proteins 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 239000004974 Thermotropic liquid crystal Substances 0.000 description 1
- 108060008539 Transglutaminase Proteins 0.000 description 1
- 206010052428 Wound Diseases 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 150000001241 acetals Chemical class 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 description 1
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 1
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 229920003235 aromatic polyamide Polymers 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 229920013724 bio-based polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920002988 biodegradable polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004621 biodegradable polymer Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002738 chelating agent Substances 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 229940045110 chitosan Drugs 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000003599 detergent Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 235000015872 dietary supplement Nutrition 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N ethene;prop-1-ene Chemical group C=C.CC=C HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 description 1
- 230000002496 gastric effect Effects 0.000 description 1
- 239000004220 glutamic acid Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 239000000665 guar gum Substances 0.000 description 1
- 235000010417 guar gum Nutrition 0.000 description 1
- 229960002154 guar gum Drugs 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002074 melt spinning Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 125000005395 methacrylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000010979 pH adjustment Methods 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 229920002493 poly(chlorotrifluoroethylene) Polymers 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000136 polysorbate Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 1
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 1
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 description 1
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 description 1
- 229940005550 sodium alginate Drugs 0.000 description 1
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000013268 sustained release Methods 0.000 description 1
- 239000012730 sustained-release form Substances 0.000 description 1
- 229920001059 synthetic polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000012815 thermoplastic material Substances 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 102000003601 transglutaminase Human genes 0.000 description 1
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
Landscapes
- Nonwoven Fabrics (AREA)
- Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)
Abstract
Pri zpusobu beztryskové odstredivé výroby nanovláken a/nebo mikrovláken se vlákna tvorí z tenkého filmu roztoku zvláknovaného polymeru ci taveniny vytváreného na povrchu válce (1) ci soustavy válcu (1, 13), rotujících rychlostí alespon 1000 otácek/minutu. Povrch válce (1) nebo válcu (1, 13) je profilován drážkami ci výstupky a hrany techto profilu na povrchu válcu (1, 13) zvyšují množství produkovaných vláken, které se shromaždují ve sberném prostoru nebo se ukládají ve forme netkané textilie. Zarízení sestává alespon z jednoho rotujícího kovového válce (1) s nejméne jednou obvodovou drážkou (3), který je v tesném kontaktu (4) s hladinou zvláknovaného roztoku. Zvláknovaný roztok se nachází v horní vane (5) po jeho precerpání cerpadlem (6), kdy horní vana (5) je umístena v dolní vane (7), která slouží k zachycování prepadu zvláknovaného roztoku. Nad válcem (1) je umísten sberný prostor pro vyrobená nanovlákna a mikrovlákna s prumerem 50 až 600 nm, nad kterým je ventilátor (11). V jiném usporádání zarízení sestává ze soustavy alespon dvou souosých válcu (1, 13) ve vzájemném kontaktu ci v tesné blízkosti. Jeden z válcu (1) slouží k nabírání zvláknovaného roztoku, s jehož hladinou je v tesném kontaktu (4) a prenosu zvláknovaného roztoku na druhý válec (13) ci válce. Povrchy válcu (1, 13) jsou profilovány drážkami (3) a výstupky (14) tak, že tyto drážky (3) a výstupky (14) jsou navzájem komplementární a pri synchronní rotaci válcu (1, 13) do sebe presne zapadají.
Description
Způsob a zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válců s profilovaným povrchem
Oblast techniky
Vynález se týká nového způsobu a zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken z polymemích roztoků či tavenin s použitím rotujících válců s profilovaným povrchem.
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 1890 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 senzorů. 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 jejích 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 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 povrch. Lukáš a kol. (2008) použili pro indukci tvorby nanovláken v elektrickém poli povrch se specific- 1 CZ 303298 B6 kou geometrií. Metoda vyvinutá autory Wang a kol. (2009) využívá velmi vysoké napětí (až do 70 kV) pro iniciaci tvorby nanovláken na povrchu drátěné cívky.
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 2008231623 (A); JP 2008179906; US 2007018361 (Al)). 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 io explozí v elektrickém poli za vzniku pevných nanovláken, kteréjsou 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.
(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 elek25 trostatickým 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 so 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 zvlákňo35 váného 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.
•to US 4 937 020), 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. US 2 433 000). K produkci vláken dochází za vhodných podmínek na hraně tohoto rotujícího disku ci zvonu. V klasickém uspořádání jsou tímto způsobem zvlákňovány 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 hus50 tota vláknité sítě vytvořené tímto procesem odstředivého tryskového zvlákňování (tzv. „rotary jet-spinning“) mohou být ovlivňovány zejména velikostí a geometrií trysek, rychlostí rotace a vlastnostmi zvlákňovaného roztoku. Technika je vhodná pro vytváření jednosměrně orientovaných nanovlákenných struktur a může být použitelná i u polymerů nezvláknitelných či obtížně zvláknitelných elektrostatickým postupem.
- 7 CZ 303298 B6
Podobnou technologii odstředivé produkce nanovláken vyvíjí také společnost FibeRio 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 silami natahovány do formy nanovlá5 ken. Průměr nanovláken a jejich homogenita jsou ovlivňovány zejména viskozitou roztoku či taveniny a rychlostí rotace spineretu. Společnost nabízí výrobníky nanovláken Cyclone L-1000S a Cyclone L-1000M pro výzkumné účely na komerční bázi.
Publikace autorů Weitz a kok, 2008, popisuje překvapivé pozorování nanovláken s průměrem io pod 25 nm, vytvářených na hraně rychle rotujícího disku v průběhu standardního procesu odstředivého vytváření tenkého filmu viskózního roztoku (tzv. „spincoating“). Tento proces poskytuje 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 US 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 polymemí 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 zvlákňovaných 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 vnitrním 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 rotující30 ho 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 WO 2009/079523 popisuje výrobu nanovláken zvlákňováním roztoků polymerů na povr35 chu plochého disku rotujícího vysokou rychlostí, na který je tento roztok aplikován. Popsáno bylo také využití odstředivého zvonu z aplikátorů laků a barev (Martin Dauner, ÍTV 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 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 (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 2009/097113 (A); US 2010072674).
Postup a zařízení pro výrobu nanovláken proudem plynu na trysce, kterou je roztok zvlákňovaného materiálu vytlačován (tzv. „gas jet spinning“) popisují např. patenty HK 1070673 (Al); WO 2006/116014 (A2); WO 002207 (A2).
-3 CZ 303298 B6
Podstata vynálezu
Zlepšení dosavadního stavu umožňuje způsob pro beztryskóvou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válců s profilovaným povrchem, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že vlákna se tvoří z tenkého filmu roztoku zvlákňovaného polymeru či taveniny vytvářeného na povrchu válce či soustavy válců, rotujících tychlostí alespoň lOOOotáček/minutu, přičemž povrch válce nebo válců je profilován drážkami či výstupky a hrany těchto profilů na povrchu válců zvyšují množství produkovaných vláken, které se shromažďují ve sběrΙϋ ném prostoru nebo se ukládají ve formě netkané textilie.
Způsob podle vynálezu je charakterizován tím, že vzniklá nanovlákna a mikrovlákna mají průměr 50 až 600 nm.
Zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válců s profilovaným povrchem je také podstatou vynálezu, která spočívá v tom, že zařízení sestává alespoň zjednoho rotujícího kovového válce s nejméně jednou obvodovou drážkou, který je v těsném kontaktu s hladinou zvlákňovaného roztoku, přičemž zvlákfiovaný roztok se nachází v horní vaně po jeho přečerpání čerpadlem, kdy horní vana je umístěna v dolní vaně, která slouží k zachycování přepadu zvlákňovaného roztoku, přičemž nad válcem je umístěn sběrný prostor pro vyrobená nanovlákna a mikrovlákna, nad kterým je ventilátor.
Zařízení podle vynálezu je charakterizováno tím, že obvodové drážky mají tvar písmene U a/nebo V a jsou orientovány po obvodu válce nebo se šroubovité otáčejí kolem osy válce.
Zařízení podle vynálezu je dále charakterizováno tím, že nanovlákna či mikrovlákna jsou nasávána do komínku a sbírána ve formě husté jemné vaty na síto, nad kterým je umístěn ventilátor.
Zařízení podle vynálezu je také charakterizováno tím, že kovový válec je vytvořen z nerezu a síto .to je drátěné.
Zařízení podle vynálezu je též charakterizováno tím, že ventilátor je vrtulový a komínek je vytvořen z hliníkové fólie.
Zařízení podle vynálezu je dále charakterizováno tím, že obsahuje soustavu alespoň dvou souosých válců ve vzájemném kontaktu či v těsné blízkosti s mezerou mezi válci OJ až 1 mm, přičemž jeden z válců slouží k nabírání zvlákňovaného roztoku, s jehož hladinou je v těsném kontaktu a přenosu zvlákňovaného roztoku na druhý válec a povrchy válců jsou profilovány drážkami a výstupky tak, že tyto drážky a výstupky jsou navzájem komplementární a při synchronní rotaci válců do sebe přesně zapadají.
Zařízení podle vynálezu je ještě charakterizováno tím, že horní vana je indukčně zahřívána a celé zařízení je infračerveně ohříváno.
Principem řešení je nanášení roztoku zvlákňovacího polymeru či taveniny na povrch velmi rychle rotujícího válce či soustavy válců, které mohou, ale nemusí být v přímém vzájemném kontaktu, přičemž povrch tohoto válce či válců je profilován drážkami či výstupky a hrany těchto profilů na povrchu válců přispívají ke zvýšení množství produkovaných vláken. Ve výhodném provedení se může jednat o systém obvodově orientovaných drážek nebo drážek šroubovité se otáčejících kolem osy válce. Mechanismem zvýšení produktivity je zrychlení pohybu filmu kapaliny po stěnách těchto drážek. Důsledkem je vyšší hustota vytvářených nanovláken a mikrovláken na hranách těchto profilů. Profilováním válce dochází také ke zvětšení celkové plochy jeho povrchu, což zvyšuje produkční rychlosti. V jiném výhodném provedení se může jednat o dva či více rotující souosé válce ve vzájemném kontaktu či v těsné blízkosti s povrchy profilovanými drážkami a výstupky takovým způsobem, aby tyto profily byty navzájem komplementární a při synchronní
-4CZ 303298 B6 rotaci do sebe přesně zapadaly, podobně jako když závit šroubu zapadá do závitů matice. Jeden z válců v soustavě slouží primárně pro nanášení či nabírání roztoku zvlákňovaného polymeru nebo taveniny a přenášení tohoto materiálu na válec či válce sousedící. Tímto způsobem lze docílit rovnoměrný přenos materiálu na celou plochu sousedícího sekundárního válce Či válců, včetně vnitřku drážek. Výsledkem tohoto řešení je snížení počtu defektů zejména kapek, ve vlákenné síti a snížení průměru vláken, vzhledem k možnosti vytváření tenčích povrchových filmů na povrchu tohoto sekundárního válce či válců. Rychlost rotace válců 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 io 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.
is Zvlákňovaný roztok či tavenina mohou být na válec nanášeny různým způsobem. Rotující válec může být například v kontaktu s hladinou roztoku zvlákňovaného polymeru či taveniny. V jiném provedení může být použita soustava rotujících souosých válců, z nichž jeden z nich je v kontaktu s hladinou roztoku zvlákňovaného polymeru či taveniny a přenáší je na sekundární s ním sousedící válec či válce, které můžou být s ním v kontaktu či v jeho těsné blízkosti a slouží k produkci mikro- či nanovláken. Jinou variantou je použití přepážky z různých materiálů, která je v těsném kontaktu šrotujícím válcem. Zvlákňovaný roztok je přiváděn čerpadlem do místa kontaktu této přepážky s rotujícím válcem. K nanášení roztoků či tavenin na válec může být použit také nástřik ve formě aerosolu nebo jiné způsoby zde nepopsané.
Hlavními faktory ovlivňujícími rychlost produkce nano- či mikrovláken jsou obvodová rychlost válce, způsob profilování válce, fýzikálně-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 či mikrovlákna mohou být z výrobního zařízení odsávána s použitím podtlaku nebo směřována do sběrného prostoru proudem vzduchu či jiného plynu. Pro sběr nanovláken či mikrovláken 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 technického řešení zahrnují termoplastické materiály, jako jsou polyolefiny, včetně polyetylénu a jeho kopolymerů, polypropylenu a jeho kopolymerů; polyestery a jejich kopolymery, včetně polyetylentereftalátu, biopoly esterů, poly45 merů na bázi termotropních kapalných krystalů a kopolyesterů PET; polyamidy, včetně nylonů; polyaramidy; póly karbonáty; 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. „biobased polymers“); biopolymery přírodního původu a různé nanokompozity.
Mezi zvláknitelné polymery přírodního původu patří např. zelenina, kolagen, chitin, chitosan, alginát sodný, guarová guma, ε-polylysin, poly-γ—glutamová kyselina, celulóza s různými stupni
-5 CZ 303298 Β6 viskozity, škrob, polyliydroxyalkonáty, 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.
Předkládané technické řešení může být využito i pro výrobu určitých anorganických nano- či mikrovláken, například nanovláken TiN s použitím postupu inspirovaném patentem společnosti ELMARCO (WO 2009/135446 (A2)). Podle tohoto postupu je 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 nanovlákna jsou za vhodných podmínek podrobena teplotě v rozmezí 350 až 800 °C za vzniku nanovláken T1O2, která jsou žíhána v proudu čpavku při teplotě 400 až 900 °C za vzniku nanovláken TiN.
Popsané řešení může být za vhodných podmínek použito i pro produkci nano- či mikročástic.
Způsob 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, předkládané technické řešení nabízí jednoduché, levné a trvanlivé zařízení, snadné na údržbu, s malým počtem operačních parametrů a s výbornou reprodukovatelnosti
- významné zvýšení rychlosti produkce vláken oproti postupům elektrostatického zvlákňování
- zvýšení rychlosti produkce vláken oproti již popsaným postupům beztryskového odstředivého zvlákňování s použitím rotujícího disku či zvonu, vzhledem k významnému zvětšení plochy, ze které jsou vlákna generována
- 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 nebojiné molekuly labilní v silně kyselém prostředí, mohou být přidávány přímo do roztoků zvlákňovaných polymerů
- technické 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 malému průměru a mají nízkou životnost vzhledem k rychlé korozi.
Principem způsobu podle vynálezu je nanášení roztoku zvlákňovaného polymeru či taveniny na povrch velmi rychle rotujícího válce, či soustavy válců, které mohou, ale nemusí, být v přímém vzájemném kontaktu, přičemž povrch tohoto válce či válců je různým způsobem profilován drážkami a výstupky a hrany těchto profilů na povrchu válců přispívají ke zvýšení množství produkovaných vláken. Po vytvoření tenkého filmu zvlákňovaného viskózního roztoku na povrchu válce
-6CZ 303298 B6 dochází k oddělování nanovláken a mikrovláken z tohoto filmu působením tzv. Reigh-Taylorovy nestability, vznikající důsledkem protichůdného působení odstředivé síly indukované zakřivením povrchu, kterou lze popsat s pomocí Laplaceovy-Youngovy rovnice. Profilování povrchu válce přispívá ke zvýšení produktivity výroby nanovláken a mikrovláken zrychlením pohybu filmu kapaliny po stěnách různě tvarovaných a uspořádaných drážek či výstupků odstředivou silou. Důsledkem je vyšší hustota vytvářených nanovláken a mikrovláken na hranách těchto drážek. Profilováním válce dochází také ke zvětšení celkové plochy povrchu válce.
Ve výhodném provedení se může jednat o systém obvodově orientovaných drážek nebo drážek šroubovité se otáčejících kolem osy válce. Mechanismem zvýšení produktivity je zrychlení pohybu filmu kapaliny po stěnách těchto drážek. Důsledkem je vyšší hustota vytvářených nanovláken a mikrovláken na hranách těchto profilů a vyšší rychlost jejich produkce.
Příklady provedeni vynálezu
Příklad 1 (viz Obr. 1)
Válec 1 z nerezové oceli o průměru 5 cm a široký 2 cm se dvěma vyfrézovanými obvodovými drážkami 3 ve tvaru písmene U, hlubokými i širokými 3 mm, roztáčený pohonnou jednotkou 2 s elektromotorem, rotuje rychlostí 25 000 otáček/min. a nabírá zvlákňovaný roztok z hladiny, se kterou je v těsném kontaktu 4. Zvlákňovaný roztok je v homí vaně 5, kam se kontinuálně přivádí čerpadlem 6, udržován na konstantní hladině s použitím přepadu. Přepadávající roztok se zachycuje v dolní vaně 7, umístěné níže. Přebytek zvlákňovaného roztoku je čerpadlem 6 recyklován, takže nedochází kjeho ztrátám. Zvlákňovaný roztok obsahuje 20 % hmotn./hmotn. roztok PVA (Slovtol R, FICHEMA) ve vodě, hodnota pH není upravována. Nanovlákna 8 se tvoří odstředivou silou z tenkého filmu vytvářeného na povrchu válce I. Zvýšená hustota nanovláken 8 je nad hranami obvodových drážek 3. Nanovlákna 8 se nasávají do komínku 9 z hliníkové fólie a sbírají se na drátěné síto 10, nad kterým je umístěn vrtulový ventilátor JJ.. Výsledkem je homogenní hustá vrstva nanovláken 8 s průměrem v rozsahu 50 až 500 nm, strukturou připomínající velmi jemnou vatu. Produktivita je přibližně 10 g.h1 PVA.
Příklad 2 (viz Obr. 2)
Váleček 1 z nerezové oceli o průměru 2 cm a široký 3 cm s řadou 11 obvodových vyfrézovaných výstupků 14 ve tvaru písmene obráceného V, vysokých i širokých 1 mm, rotuje synchronně s druhým válečkem J3 z nerezové oceli stejné šířky, ale s dvojnásobným průměrem s řadou JJ. obvodových drážek 3 ve tvaru písmene V, do kterých přesně zapadají výstupky Γ4 z válečku J. Rychlost rotace je 20 000 otáček/min. Válečky I a JJ spojuje řemenice 12 v souosém uspořádání v těsné blízkosti, mezera mezi nimi je přibližně 0,5 mm. Váleček J nebo J3 je poháněn pohonnou jednotkou 2 s elektromotorem. Váleček I s výstupky J4 nabírá roztok zvlákňovaného polymeru z hladiny, se kterou je v těsném kontaktu 4. Váleček JJ s drážkami 3 je umístěn výš tak, že jeho spodní obrysová hrana je v úhlu přibližně 45° od místa kontaktu nerezového válce 1 s kontaktem 4 na hladině, po směru rotace, takže slouží také jako bariéra pro odclonění kapiček roztoku zvlákňovaného polymeru, vznikajících ve větší míře pri nabírání roztoku válcem i z hladiny. Zvlákňovaný roztok je v homí vaně 5, kam je kontinuálně přiváděn čerpadlem 6, udržován na konstantní hladině s použitím případu. Přepadávající roztok se zachycuje v dolní vaně 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, s hodnotou pH 3,5. Nanovlákna 8 se tvoří odstředivou silou z tenkého filmu vytvářeného na povrchu válců 1 a J3. Zvýšená hustota nanovláken 8 je nad hranami profilovaných povrchů válců 1 a 13. Podmínky jsou optimalizovány s cílem minimalizovat defekty kapičky nebo díry v nanovlákenné síti. Nanovlákna 8 se nasávají do komínku 9 z hliníkové fólie
-7CZ 303298 B6 a sbírají na přepážku 10 tvořenou netkanou textilií, nad kterou je umístěn vrtulový ventilátor JJ. Výsledkem je homogenní hustá vrstva nanovláken 8 s průměrem v rozsahu 50 až 400 nm, strukturou připomínající velmi jemnou vatu. Produktivita je 15 g.h*1 želatiny.
Příklad 3 (viz Obr. 1)
Váleček 1 z nerezové oceli o průměru 5 cm a široký 2 cm, se dvěma vyfrézovanými obvodovými drážkami 3 ve tvaru písmene U, hlubokými i širokými 3 mm, se roztáčí pohonnou jednotkou 2 io s elektromotorem a rotuje rychlostí 30 000 otáček/min. Horná vana 5 pod válcem ije naplněna taven tnou polyhydroxyalkanoátu (PHA, výrobce Nanjing Huichem Co., Ltd., Čína). Celé zařízení, včetně válce i, se ohřívá infračervenými zářiči na teplotu minimálně 240 °C. Homí vana 5 pod válcem i se navíc vyhřívá s použitím indukčního ohřevu. Hladina taveniny je udržována konstantní postupnými přídavky granulí PHA. Válec i nabírá taveninu z hladiny, se kterou byl i s 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 tvoří odstředivou silou z tenkého filmu vytvářeného na povrchu válce i. Zvýšená hustota nanovláken 8 je nad hranami obvodových drážek 3. Podmínky jsou optimalizovány s cílem minimalizovat defekty - kapičky nebo díry v nanovlákenné zo síti. Nanovlákna 8 se nasávají do komín ku 9 z hliníkové fólie a sbírají se na přepážku 10 tvořenou netkanou textilií, nad kterou se umístí vrtulový ventilátor 11. Výsledkem je homogenní hustá vrstva nanovláken 8 a mikrovláken s průměrem v rozsahu 75 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 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 navrhované technické řešení mimořádně vhodné pro výrobu nanovláken pro potravinářské či 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, transdermální či gastrointestinální přenos biologicky aktivních látek, jak léků, tak doplňků stravy nového typu.
Claims (10)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Způsob pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotuj í50 cích válců s profilovaným povrchem, vy zn ač uj í c í se t í m , že vlákna se tvoří z tenkého filmu roztoku zvlákňovaného polymeru či taveniny vytvářeného na povrchu válce (1) či soustavy válců (1, 13), rotujících rychlostí alespoň 1000 otáček/minutu, přičemž povrch válce (1) nebo válců (1, 13) je profilován drážkami či výstupky a hrany těchto profilů na povrchu válců (1, 13) zvyšují množství produkovaných vláken, které se shromažďují ve sběrném prostoru nebo se uklá55 dají ve formě netkané textilie.-8CZ 303298 B6
- 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vzniklá nanovlákna a mikrovlákna mají průměr 50 až 600 nm.5
- 3. Zařízení pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válců s profilovaným povrchem podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že sestává alespoň zjednoho rotujícího kovového válce (1) s nejméně jednou obvodovou drážkou (3), který je v těsném kontaktu (4) s hladinou zvlákňovaného roztoku, přičemž zvlákňovaný roztok se nachází v homí vaně (5) po jeho přečerpání čerpadlem (6), kdy homí vana (5) je umístěna v dolní io vaně (7), která slouží k zachycování přepadu zvlákňovaného roztoku, přičemž nad válcem (1) je umístěn sběrný prostor pro vyrobená nanovlákna a mikrovlákna, nad kterým je ventilátor (11).
- 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že obvodové drážky (3) mají tvar písmene U a/nebo V a jsou orientovány po obvodu válce (1) nebo se šroubovité otáčejí kolem osy15 válce (1).
- 5. Zařízení podle nároků 3 a4, vyznačující se tím, že nanovlákna(8)jsou nasávána do komínku (9) a sbírána ve formě husté jemné vaty na síto (10), nad kterým je umístěn ventilátor (11 ).
- 6. Zařízení podle nároků 3 až 5, vyznačující se tím, že kovový válec (1) je vytvořen z nerezu a síto (10) je drátěné.
- 7. Zařízení podle nároků 3 až 6, vyznačující se tím, že ventilátor (11) je vrtulový.
- 8. Zařízení podle nároků 3až7, vyznačující se tím, že komínek (9) je vytvořen z hliníkové fólie.
- 9. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že obsahuje soustavu alespoň dvou 30 souosých válců (1, 13) ve vzájemném kontaktu či v těsné blízkosti, přičemž jeden z válců (1) slouží k nabírání zvlákňovaného roztoku, s jehož hladinou je v těsném kontaktu (4) a přenosu zvlákňovaného roztoku na druhý válec (13) či válce a povrchy válců (l, 13) jsou profilovány drážkami (3) a výstupky (14) tak, že tyto drážky (3) a výstupky (14) jsou navzájem komplementární a pří synchronní rotaci válců (1, 13) do sebe přesně zapadají.
- 10. Zařízení podle nároků 3 až 9, vyznačující se tím, že horní vana (5) je indukčně zahřívána a celé zařízení je ohříváno infračerveným zářením.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20110299A CZ303298B6 (cs) | 2011-05-18 | 2011-05-18 | Zpusob a zarízení pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válcu s profilovaným povrchem |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20110299A CZ303298B6 (cs) | 2011-05-18 | 2011-05-18 | Zpusob a zarízení pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válcu s profilovaným povrchem |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2011299A3 CZ2011299A3 (cs) | 2012-07-18 |
| CZ303298B6 true CZ303298B6 (cs) | 2012-07-18 |
Family
ID=46507716
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ20110299A CZ303298B6 (cs) | 2011-05-18 | 2011-05-18 | Zpusob a zarízení pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válcu s profilovaným povrchem |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ303298B6 (cs) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ294274B6 (cs) * | 2003-09-08 | 2004-11-10 | Technická univerzita v Liberci | Způsob výroby nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním a zařízení k provádění způsobu |
| EP1409775B1 (de) * | 2001-07-25 | 2004-12-22 | helsa-automotive GmbH & Co. KG | Vorrichtung zur herstellung von fasern in einem elektrostatischen spinnverfahren |
| WO2007111477A1 (en) * | 2006-03-28 | 2007-10-04 | Kolon Industries, Inc | Method of manufacturing nanofiber web |
| CZ301271B6 (cs) * | 2008-05-06 | 2009-12-30 | Elmarco S.R.O. | Zpusob výroby anorganických nanovláken a/nebo nanovlákenných struktur obsahujících TiN, anorganická nanovlákna a/nebo nanovlákenné struktury obsahující TiN a použití techto nanovlákenných struktur |
-
2011
- 2011-05-18 CZ CZ20110299A patent/CZ303298B6/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1409775B1 (de) * | 2001-07-25 | 2004-12-22 | helsa-automotive GmbH & Co. KG | Vorrichtung zur herstellung von fasern in einem elektrostatischen spinnverfahren |
| CZ294274B6 (cs) * | 2003-09-08 | 2004-11-10 | Technická univerzita v Liberci | Způsob výroby nanovláken z polymerního roztoku elektrostatickým zvlákňováním a zařízení k provádění způsobu |
| WO2007111477A1 (en) * | 2006-03-28 | 2007-10-04 | Kolon Industries, Inc | Method of manufacturing nanofiber web |
| CZ301271B6 (cs) * | 2008-05-06 | 2009-12-30 | Elmarco S.R.O. | Zpusob výroby anorganických nanovláken a/nebo nanovlákenných struktur obsahujících TiN, anorganická nanovlákna a/nebo nanovlákenné struktury obsahující TiN a použití techto nanovlákenných struktur |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| konference "Nanovlakna pro treti tisicileti", (Elmarco), zver. 11. - 12.3. 2009 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2011299A3 (cs) | 2012-07-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10640888B1 (en) | Method and apparatus for accumulating cross-aligned fiber in an electrospinning device | |
| EP1673493B1 (en) | A method of nanofibres production from a polymer solution using electrostatic spinning and a device for carrying out the method | |
| CN101298724B (zh) | 连续高效纳米纤维非织造布的制备方法和生产装置 | |
| Wang et al. | Continuous polymer nanofiber yarns prepared by self-bundling electrospinning method | |
| KR101719377B1 (ko) | 정전기 방사 조립체 | |
| El Fawal | Polymer nanofibers electrospinning: A review | |
| CN109097849B (zh) | 纳米纤维发生装置 | |
| US20120003893A1 (en) | Composite Nanofibers | |
| CN102703998A (zh) | 一种静电纺纳米纤维的喷气纺成纱装置及制备方法 | |
| CN109208090B (zh) | 一种新型无针静电纺丝装置及其纺丝方法 | |
| WO2008036051A1 (en) | Fiber structures and process for their preparation | |
| JP6904787B2 (ja) | 電界紡糸装置 | |
| KR101816733B1 (ko) | 2성분 복합 나노섬유 제조용 방사장치 및 이를 이용한 2성분 복합 나노섬유의 제조방법 | |
| CN105658850A (zh) | 静电纺丝长丝 | |
| KR101263296B1 (ko) | 내부에 단면이 다각형인 중공부를 갖는 원통형 방사 튜브를 포함하는 전기방사장치 | |
| KR101291592B1 (ko) | 내부에 단면이 다각형인 중공부를 갖는 원추형 방사 튜브를 포함하는 전기방사장치 | |
| Ramakrishnan et al. | Needleless electrospinning technology–an entrepreneurial perspective | |
| Kouhi et al. | Needleless electrospinning | |
| CZ2011273A3 (cs) | Zpusob a zarízení pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken na povrchu rotujících válcu | |
| CN105887223A (zh) | 一种一步成型制备纳米纤维纱线的高速离心纺装置及纳米纤维纱线制备方法 | |
| CN105734693A (zh) | 一种双电极静电纺丝装置及其使用方法 | |
| Yamashita et al. | Establishment of nanofiber preparation technique by electrospinning | |
| KR101426738B1 (ko) | 원심력이 결합된 전기방사를 이용한 나노섬유의 제조방법 | |
| CZ303298B6 (cs) | Zpusob a zarízení pro beztryskovou odstredivou výrobu nanovláken a mikrovláken s použitím rotujících válcu s profilovaným povrchem | |
| CN103484954A (zh) | 一种制备纳米纤维的静电纺丝装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20190518 |