CZ305244B6

CZ305244B6 - Způsob a zařízení k výrobě nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů

Info

Publication number: CZ305244B6
Application number: CZ2005-702A
Authority: CZ
Inventors: Ladislav Mareš; David Petráš; Denisa Stránská; Miroslav Malý
Original assignee: Elmarco S.R.O.
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2015-07-01
Also published as: JP2009515060A; CA2626560A1; WO2007054039A1; CZ2005702A3; US20080284050A1; CN101305117A

Abstract

Při způsobu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků (14) nebo tavenin polymerů se vytvářená nanovlákna ukládají na pohybující se podklad (2) ve zvlákňovací komoře (1). Před vstupem do zvlákňovací komory (1) se zvýší elektrická vodivost podkladu (2). Zařízení obsahuje zvlákňovací komoru (1), v níž jsou vytvářená nanovlákna ukládána na podklad (2). Ve směru pohybu podkladu (2) před zvlákňovací komorou (1) je uspořádáno zařízení (3) pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu (2). Za zvlákňovací komorou (1) je uspořádáno zařízení (4) ke snižování elektrické vodivosti podkladu (2).

Description

Způsob a zařízení k výrobě nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů, při němž se vytvářená nanovlákna ukládají na podklad ve zvlákňovací komoře.

Dále se vynález týká zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů obsahujícího zvlákňovací komoru, v níž jsou vytvářená nanovlákna ukládána na podklad.

Dosavadní stav techniky

Nanovlákny se rozumí vlákna, jejichž průměr dosahuje hodnot v řádech nanometrů (ΚΓ⁹ m), přičemž průměry nanovláken vytvořených běžnými způsoby zvlákňování se pohybují v rozmezí od asi 20 nm do 800 nm.

Vrstvy nanovláken jsou v praxi využívány, nejčastěji ve spojení s jinou vrstvou textilie, jako filtrační vrstvy pro jemnou filtraci, k výrobě ochranných oděvů, v medicíně jako speciální selektivně propustné obvazy a v mnoha dalších oblastech a aplikacích.

Nejvýznamnějším způsobem přípravy nanovláken je elektrostatické zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru. Při elektrostatickém zvlákňování se vhodný roztok polymeru nebo tavenina polymeru přivede vhodným způsobem do statického elektrického pole, které vzniká rozdílem elektrických potenciálů nejméně jedné zvlákňovací a nejméně jedné sběrné elektrody. Takto vzniklé elektrostatické, v čase neproměnné, pole potom působí na roztok/taveninu polymeru, který je přiveden do elektrostatického pole například rotací zvlákňovací elektrody, tzv. Coulombovskými silami určité velikosti, které vhodnou volbou elektrických potenciálů zvlákňovací a sběrné elektrody působí ve směru od zvlákňovací elektrody ke sběrné elektrodě. Potřebné velikosti těchto sil a tedy i intenzita elektrického pole jsou pak dány tím, že při procesu elektrostatického zvlákňování musí tyto síly překonat nejen povrchové napětí roztoku/taveniny polymeru, ale také síly, vyplývající z viskozity roztoku/taveniny. Působením sil vhodné velikosti na vrstvu roztoku/taveniny polymeru totiž dochází kjejímu deformování a rovnovážný stav všech zúčastněných sil se pak projeví vytvořením tzv. Taylorových kuželů. Z těchto Taylorových kuželů dojde při dalším působení Coulombovské síly k vydlužování primárního zárodku vlákna, které svým následným štěpením vytvoří konečná nanovlákna. Nanovlákna jsou tedy „vytahována“ z povrchu roztoku/taveniny polymeru a to přibližně ve směru siločar elektrostatického pole vytvářeného oběma elektrodami. V ideálním případě, kdyby na nanovlákna působily pouze Coulombovské síly sběrné elektrody, kopírovala by vznikající nanovlákna směr siločar.

Takto vytvářená nanovlákna je třeba vhodným způsobem zachytit, nejlépe ještě před jejich stykem se sběrnou elektrodou, a odtransportovat ze zvlákňovacího prostoru, ve kterém proces zvlákňování probíhá. Zachycení nanovláken vytvořených podle výše popsaného postupuje nejčastěji prováděno tak, že je do prostoru mezi zvlákňovací a sběrnou elektrodou vložen vhodný podklad, tvořený nejčastěji textilním útvarem, na jehož povrch jsou nanovlákna ukládána a jeho pohybem jsou transportována ze zvlákňovacího prostoru.

Při ukládání nanovláken na povrchu textilního útvaru se však v praxi objevuje několik problémů, které pramení zejména z faktu, že řečený textilní útvar často není elektricky vodivý a má vlastnosti elektrického izolantu - dielektrika. Při elektrostatickém zvlákňování roztoku/taveniny polymeru je na zvlákňovací elektrodu, případně do roztoku/taveniny polymeru, přiveden určitý elektrický potenciál, který je tím, že je zvlákňovací elektroda z části ponořena do roztoku/taveniny

- 1 CZ 305244 B6 polymeru, přiveden také do roztoku/taveniny polymeru, respektive na zvlákňovací elektrodu. Roztok/tavenina polymeru a z něj vznikající nanovlákna nesou stejný náboj jako zvlákňovací elektroda. Po přivedení elektricky nabitých nanovláken na elektricky nevodivý textilní útvar nedochází díky izolačním vlastnostem textilního útvaru k odvedení elektrického náboje a textilní útvar se nabíjí stejným nábojem, jaký mají příchozí nanovlákna. Nabíjení textilního útvaru nastává podle jeho typu a vlastnosti buď okamžitě nebo v krátkém časovém intervalu po jeho styku s nabitými nanovlákny. Tato skutečnost má značně negativní vliv na proces elektrostatického zvlákňování a to hlavně ze dvou důvodů. Prvním je celkové oslabení a vůbec celkové znehomogenizování původně elektrostatického pole a dalším pak také prosté odpuzování přibližujících se nanovláken podkladem v důsledku známé skutečnosti vzájemného odpuzování souhlasných nábojů. Výsledkem je výrazně zhoršená tvorba nanovláken, která se projevuje zásadním snížením homogenity nanovlákenné vrstvy - pokud tato vrstva vůbec vzniká, zvětšením průměru nanovláken, která se současně nežádoucím způsobem roznášejí a ukládají v celém zvlákňovacím prostoru. Následně může dojít i k úplnému zastavení tvorby nanovláken.

Cílem vynálezu je odstranit nebo alespoň minimalizovat problémy, které vznikají při výrobě nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů, při němž se vytvářená nanovlákna ukládají na podklad ve zvlákňovací komoře.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že před vstupem do zvlákňovací komory se zvýší elektrická vodivost podkladu. Do elektrostatického pole ve zvlákňovací komoře vstupuje tedy podklad s vyšší elektrickou vodivostí, například namísto původně elektricky nevodivého podkladu elektricky vodivý podklad, takže nedochází kvýše popsanému narušení elektrostatického pole a proces elektrostatického zvlákňování probíhá v podstatě nerušeně jako v případě elektricky dostatečně vodivých podkladových materiálů.

V některých případech je výhodné, zvýší-li se elektrická vodivost na povrchu podkladu na jeho náletové straně. V jiných případech je z technologických důvodů nezbytné zvýšit elektrickou vodivost v celém objemu podkladu.

Jak je popsáno v nároku 4 je výhodné, když se po uložení nanovláken na podklad elektrická vodivost podkladu sníží.

Při tom je výhodné, sníží-li se elektrická vodivost podkladu po výstupu podkladu s uloženými nanovlákny ze zvlákňovací komory. Elektricky nevodivý podklad se tedy na určitý časový úsek mění na elektricky vodivý podklad, přičemž délka tohoto časového úseku je do jisté míry závislá na rychlosti pohybu podkladového materiálu v zařízení pro elektrostatické zvlákňování roztoku/taveniny polymeru, případně na účinnosti s jakou je z elektricky vodivého podkladu odstraňována elektricky vodivá kapalina, přičemž je možno říci, že podklad je elektricky vodivý pouze po vstupu do zařízení pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu, ve zvlákňovací komoře a před výstupem ze zařízení pro snižování elektrické vodivosti podkladu, které jsou součástí zařízení k elektrostatickému zvlákňování podle vynálezu. Elektrická vodivost podkladu, pokud není technologickým požadavkem, tedy nezasahuje do případných dalších výrobních operací, které jsou prováděny vně zvlákňovacího zařízení, před nebo po nanesení vrstvy nanovláken.

Zvýšení elektrické vodivosti podkladu se dosáhne přiváděním vodivé tekutiny na podklad, která svou interakcí s podkladem zapříčiní zvýšení elektrické vodivosti podkladu na potřebnou úroveň.

Podle výhodného provedení uvedeného v nároku 7 se vodivá tekutina přivádí na podklad v plynném skupenství. Interakcí s podkladem se buď vytvoří kondenzát ve formě kapiček nebo kapalinový fdm pokrývající vlákna podkladu nebo se molekuly tekutiny fyzikálními silami nasorbují na

-2CZ 305244 B6 vlákna a současně i různou měrou prostoupí do objemu vláken podkladu. V reálné praxi lze téměř vždy očekávat společnou účast všech těchto dějů.

U provedení podle nároku 8 se tekutina přivádí na podklad ve skupenství kapalném, přičemž podle nároku 9 je výhodné, přivádí-li se kapalina ve formě aerosolu.

Vhodnými vodivými tekutinami jsou polární rozpouštědla. V případě požadavku na zachování vodivosti podkladu po nanesení vrstvy nanovláken jsou vodivou tekutinou roztoky solí, které po zaschnutí vytvářejí na podkladu vodivou vrstvu alespoň z náletové strany podkladu. Snížení elektrické vodivosti podkladu se s výhodou dosáhne odstraněním vodivé tekutiny z podkladu nebo alespoň snížením množství vodivé tekutiny v podkladu.

Podstata zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů podle vynálezu spočívá v tom, že ve směru pohybu podkladu před zvlákňovací komorou je uspořádáno zařízení pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu.

Při tom je výhodné, je-li ve směru pohybu podkladu za zvlákňovací komorou uspořádáno zařízení ke snižování elektrické vodivosti podkladu.

Zařízení pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu obsahuje ve výhodném provedení prostředky pro přivádění vodivé tekutiny na podklad, a to buď na obě strany podkladu nebo na náletovou stranu podkladu.

Objasnění výkresu

Příkladné provedení zařízení podle vynálezu je schematicky znázorněno na výkrese obr. 1.

Příklady uskutečnění vynálezu

Způsob výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním a zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů budou vysvětleny na příkladu provedení zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoku polymeru schematicky znázorněným na výkrese obr. 1, které obsahuje zvlákňovací komoru i, v níž je uložena zvlákňovací elektroda 11, sběrná elektroda 12 a zásobník 13 roztoku H polymeru. Zvlákňovací elektroda 11 je známým způsobem otočně uložena v zásobníku 13 roztoku polymeru a částí svého povrchu zasahuje do roztoku 14 polymeru v zásobníku 13. Při rotaci zvlákňovací elektrody 11 kolem její podélné osy vynáší zvlákňovací elektroda 11 svým povrchem určité množství roztoku 14 polymeru do zvlákňovacího prostoru 15 mezi zvlákňovací elektrodou 11 a sběrnou elektrodou 12.

Sběrná elektroda 12 je uspořádána nad zvlákňovací elektrodou 11, přičemž podélná osa zvlákňovací elektrody lije rovnoběžná s rovinou, kteráje tečná k povrchu sběrné elektrody 12, přičemž sběrná elektroda 12 a zvlákňovací elektroda U jsou známým neznázoměným způsobem připojeny k opačným pólům zdroje vysokého napětí nebo je jedna uzemněna a na druhou je přiveden jeden pól vysokého napětí. Tím se mezi nimi vytvoří elektrické pole, které svým silovým působením na objem roztoku polymeru, vynášený rotačním pohybem zvlákňovací elektrody 11 na povrchu zvlákňovací elektrody 11 do elektrostatického pole, zajišťuje vznik Taylorových kuželů a posléze i vznik nanovláken. Napětí na zvlákňovací elektrodu 11 lze přivést i přivedením napětí do zvlákňovacího roztoku 14 polymeru některým ze známých způsobů.

U znázorněného příkladu provedení je v prostoru mezi sběrnou elektrodou 12 a zvlákňovací elektrodou 11 vytvořena ve zvlákňovací komoře i v blízkosti sběrné elektrody 12 dráha pro vedení podkladu 2, kterým je obvykle pás většinou textilního materiálu.

-3 CZ 305244 B6

Ve směru pohybu podkladu 2 před zvlákňovací komorou i je uspořádáno zařízení 3 pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu. Ve směru pohybu podkladu za zvlákňovací komorou i je uspořádáno zařízení 4 pro snižování elektrické vodivosti podkladu 2.

Ve znázorněném příkladu provedení je podklad 2 známým způsobem odvíjen z podávacího válu 5 a před vstupem do zařízení 3 pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu prochází dvojicí podávačích válců 6. Po výstupu ze zařízení 4 pro snižování elektrické vodivosti podkladu prochází podklad 2 s nanesenou vrstvou nanovláken dvojicí odtahových válců 7 a je známým způsobem navíjen na zbožový vál 8.

V zařízení 3 pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu 2 jsou proti podkladu 2 uspořádány prostředky 31 a 32 pro přivádění vodivé tekutiny 311 na podklad 2, přičemž první prostředky 31 pro přivádění vodivé tekutiny 311 na podklad 2 jsou nasměrovány na náletovou stranu 21 podkladu 2 a druhé prostředky 32 pro přivádění vodivé tekutiny 311 na podklad 2 jsou nasměrovány na opačnou stranu podkladu 2. Náletovou stranou 2J je strana podkladu 2 obrácená ke zvlákňovací elektrodě 11. Vodivá tekutina 311 přitom může být ve skupenství kapalném nebo plynném.

V případě kapalného skupenství je na podklad 2 přiváděn aerosol kapaliny, který na povrchu podkladu vytvoří z jedné nebo obou stran kapalinový film a/nebo se molekuly kapaliny fyzikálními silami nasorbují na podklad a současně i různou měrou prostoupí do objemu podkladu 2. Přitom je pro kvalitní zvlákňování nezbytné, aby vodivá tekutina 311 byla nanesena alespoň na náletovou stranu 2J podkladu 2.

V případě požadavku na zachování vodivosti podkladu 2 po nanesení vrstvy nanovláken jsou vodivou tekutinou 311 roztoky solí, které po zaschnutí vytvářejí na podkladu 2 vodivou vrstvu alespoň z náletové strany 2J podkladu. V případě požadavku na zachování vodivosti podkladu 2 po nanesení vrstvy nanovláken jsou vodivou tekutinou 311 roztoky solí, které po zaschnutí vytvářejí na podkladu 2 vodivou vrstvu alespoň z náletové strany 21 podkladu.

V případě plynného skupenství vodivé tekutiny 311 jsou na podklad přiváděny páry kapaliny, které interakcí s podkladem 2 vytvoří kondenzát ve formě kapiček a/nebo kapalinového filmu a/nebo se molekuly kapaliny fyzikálními silami nasorbují na podklad a současně i různou prostoupí do objemu podkladu 2.

Vodivou tekutinou přitom je polární rozpouštědlo, například alkohol nebo kyselina. Polárními rozpouštědly se přitom rozumí rozpouštědla, která obsahují v molekule dipól.

Tímto způsobem se z elektricky nevodivého podkladu stává podklad elektricky vodivý a u elektricky vodivého podkladu se elektrická vodivost zvyšuje. Úprava elektricky nevodivého podkladu 2 na elektricky vodivý podklad 2 probíhá v zařízení 3 pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu, které je předřazeno před zvlákňovací komorou J. Po vstupu do zařízení 3 pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu se na podklad 2 nanáší vodivá tekutina 311, která poskytuje elektricky nevodivému podkladu 2 určitou elektrickou vodivost, neboť z hlediska plynulosti procesu elektrostatického zvlákňování je výhodné, aby elektricky nevodivý podklad 2 po přivedení do elektrostatického pole mezi zvlákňovací elektrodou 11 a sběrnou elektrodou 12 vystupoval do jisté míry jako elektrický vodič. Nanášení vodivé tekutiny 311 na podklad 2 je realizováno některým ze známých způsobů a tekutina je přivedena k povrchu podkladu 2 z jeho jedné a/nebo druhé strany, kde je zachycena. Z výše uvedeného je tedy zřejmé, že do zařízení 3 pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu vstupuje elektricky nevodivý podklad 2 a vystupuje z něho elektricky vodivý podklad, jehož elektrická vodivost je způsobena přítomností vodivé tekutiny 311 na náletové straně 2J podkladu 2 nebo v celém objemu podkladu 2. Ze zařízení 3 pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu vstupuje elektrický vodivý podklad 2 do zvlákňovací komory J.

-4CZ 305244 B6

Ve zvlákňovací komoře i dochází silovým působením elektrického pole mezi zvlákňovací elektrodou l_i a sběrnou elektrodou 12 k vytváření nanovláken a k jejich ukládání na elektricky vodivý podklad 2. Po uložení vrstvy nanovláken požadovaných vlastností vychází elektricky vodivý podklad 2 s uloženou vrstvou nanovláken ze zvlákňovací komory laje veden do zařízení 4 pro snižování elektrické vodivosti podkladu 2, které je ve znázorněném provedení tvořeno vysoušeči komorou, ve které dochází k odstranění elektricky vodivé tekutiny z elektricky vodivého podkladu 2 s uloženou vrstvou nanovláken, čímž se elektricky vodivý podklad 2 s uloženou vrstvou nanovláken stává elektricky nevodivým podkladem s uloženou vrstvou nanovláken. Jedním z možných způsobů, odstranění elektricky vodivé kapaliny je například vysušení, kdy je elektricky vodivý podklad 2 s uloženou vrstvou nanovláken vystaven vlivu proudu určitého množství vzduchu o určité teplotě a rychlosti. Výsledným produktem vystupujícím ze zařízení 3 pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu je tedy elektricky nevodivý podklad 2 s uloženou vrstvou nanovláken. Ke snižování elektrické vodivosti podkladu 2 dochází sice postupně i ve zvlákňovací komoře, ale podstatnou měrou se vodivost snižuje až po uložení nanovláken. Výše popsané řešení znázorněné na obr. 1 se přitom jeví optimální.

Vodivá tekutina 311 se na podklad 2 přivádí ve formě par a/nebo aerosolu, přičemž aerosol může být nahrazen proudem kapaliny z trysek uspořádaných po šířce podkladu 2. Prostředky pro přivádění vodivé tekutiny 311 v plynném skupenství jsou s výhodou tvořeny tryskami uspořádaných po šířce podkladu 2.

Míra zvýšení elektrické vodivost podkladu 2 se reguluje buď změnami rychlosti dopředného pohybu podkladu 2, nebo množstvím přiváděné vodivé tekutiny 311.

Vodivá tekutina 311 se z podkladu 2 odstraňuje různými způsoby ve vypíracím a/nebo sušícím zařízení, například se alespoň zčásti odstraní vypráním vhodným rozpouštědlem, načež rozpouštědlo a případné zbytky vodivé tekutiny 311 se z podkladu 2 odstraní ohřevem a/nebo proplachováním a/nebo oplachováním vzduchem a/nebo jiným plynem. V jiném provedení se vodivá tekutina 311 z podkladu odstraní ohřevem a/nebo proplachováním a/nebo oplachováním vzduchem a/nebo jiným plynem. Ohřev se provádí mikrovlnným a/nebo infračerveným zářením a/nebo teplým vzduchem a/nebo jiným teplým plynem.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků (14) nebo tavenin polymerů při němž se vytvářená nanovlákna ukládají na pohybující se podklad (2) ve zvlákňovací komoře (1), vyznačující se tím, že před vstupem do zvlákňovací komory (1) se zvýší elektrická vodivost podkladu (2).
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektrická vodivost podkladu (2) se zvýší na povrchu podkladu (2) na jeho náletové straně (21).
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektrická vodivost podkladu (2) se zvýší v celém objemu podkladu (2).
4. Způsob libovolného z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že elektrická vodivost podkladu (2) se po uložení nanovláken sníží.
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že elektrická vodivost podkladu (2) se sníží po výstupu podkladu (2) s uloženými nanovlákny ze zvlákňovací komory (1).

-5CZ 305244 B6
6. Způsob podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zvýšení elektrické vodivosti podkladu (2) se dosáhne přiváděním vodivé tekutiny (311) na podklad (2)·
7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že vodivá tekutina (311) se na podklad (2) přivádí v plynném skupenství.
8. Způsob podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím, že vodivá tekutina (311) se na podklad (2) přivádí ve skupenství kapalném.
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že kapalina se přivádí ve formě aerosolu.
10. Způsob podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vodivou tekutinou (311) je polární rozpouštědlo.
11. Způsob podle libovolného z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že vodivou tekutinou (311) je roztok soli.
12. Způsob podle libovolného z nároků 4 až 11, vyznačující se tím, že snížení elektrické vodivosti podkladu (2) se dosáhne odstraněním vodivé tekutiny (311) z podkladu (2) nebo alespoň snížením množství vodivé tekutiny (311) v podkladu (2).
13. Zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků (14) nebo tavenin polymerů obsahující zvlákňovací komoru (1), v níž jsou vytvářená nanovlákna ukládána na podklad (2), vyznačující se tím, že ve směru pohybu podkladu (2) před zvlákňovací komorou (1) je uspořádáno zařízení (3) pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu (2).
14. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že za zvlákňovací komorou (1) je uspořádáno zařízení (4) ke snižování elektrické vodivosti podkladu (2).
15. Zařízení podle nároku 13 nebo 14, vyznačující se tím, že zařízení (3) pro zvyšování elektrické vodivosti podkladu (2) obsahuje prostředky (31, 32) pro přivádění vodivé tekutiny (311) na podklad (2).
16. Zařízení podle nároku 15, vyznačující se tím, že prostředky (31, 32) pro přivádění vodivé tekutiny (311) jsou uspořádány po obou stranách podkladu (2).
17. Zařízení podle nároku 15, vyznačující se tím, že prostředky (32) pro přivádění vodivé tekutiny (311) na podklad (2) jsou uspořádány na náletové straně podkladu (2).