CZ305569B6

CZ305569B6 - Způsob výroby prostorově tvarované vrstvy polymerních nanovláken a způsob pokrývání prostorově tvarovaného povrchu tělesa prostorově tvarovanou vrstvou polymerních nanovláken

Info

Publication number: CZ305569B6
Application number: CZ2013-244A
Authority: CZ
Inventors: Jiří Chvojka; Petr Mikeš; Filip Sanetrník; Jakub Erben; David Lukáš
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2015-12-16
Also published as: CZ2013244A3

Abstract

Způsob výroby prostorově tvarované vrstvy polymerních nanovláken (5), u kterého se ve zvlákňovacím prostoru vytváří polymerní nanovlákna (5), která se při svém pohybu vychýlí proudem vzduchu nebo plynu směrem k podkladu, na který se ukládají, přičemž se vychýlí laminárním proudem (62) vzduchu nebo plynu směrem k předloze (7) s prostorově tvarovaným povrchem, a stejným nebo jiným laminárním proudem (62) vzduchu nebo plynu se přitisknou k tomuto jejímu povrchu, v důsledku čehož se na něm ukládají do prostorově tvarované vrstvy, která kopíruje tvar prostorově tvarovaného povrchu předlohy (7). Způsob pokrývání prostorově tvarovaného povrchu tělesa prostorově tvarovanou vrstvou polymerních nanovláken (5), u kterého se ve zvlákňovacím prostoru vytváří polymerní nanovlákna (5), která se při svém pohybu vychýlí proudem vzduchu nebo plynu směrem k podkladu, na který se ukládají.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby prostorově tvarované vrstvy polymemích nanovláken, u kterého se ve zvlákňovacím prostoru vytváří polymemí nanovlákna, která se při svém pohybu vychýlí proudem vzduchu nebo plynu směrem k podkladu, na který se ukládají.

Vynález se týká také způsobu pokrývání prostorově tvarovaného povrchu tělesa prostorově tvarovanou vrstvou polymemích nanovláken, u kterého se ve zvlákňovacím prostoru vytváří polymerní nanovlákna, která se při svém pohybu vychýlí proudem vzduchu nebo plynu směrem k podkladu, na který se ukládají.

Dosavadní stav techniky

Typickým produktem všech dosud známých postupů pro výrobu polymemích nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů využívajících statické jehlové zvlákňovací elektrody (trysky, kapiláry, apod.) nebo pohyblivé hladinové zvlákňovací elektrody (rotující válec, ve směru své délky se pohybující struna, rotující spirála, apod.) je plošná vrstva náhodně uložených a propletených polymemích nanovláken. Ta má sice v kombinaci s dalšími podpůrnými či krycími vrstvami celou řadu využití, zejména v oblasti filtrace a hygienických prostředků, avšak pro mnoho dalších aplikací, jako např. tkáňové inženýrství, regenerativní medicína, výroba umělých orgánů, apod. je využitelná pouze omezeně. Tyto aplikace totiž principiálně vyžadují spíše prostorové útvary nebo prostorově tvarované vrstvy polymemích nanovláken, které se svým tvarem přibližují např. tvaru lidského orgánu nebo jeho části/částem, nebo jiného vhodného tělesa určeného pro medicínské nebo technické aplikace.

V současné době však není známý způsob výroby takových prostorově tvarovaných vrstev polymemích nanovláken, ani způsob pokrývání prostorově tvarovaného povrchu tělesa prostorově tvarovanou vrstvou polymemích nanovláken. Při ukládání polymemích nanovláken na prostorově tvarovaný povrch tělesa během jejich výroby, totiž dochází ke koncentraci elektrického náboje na výstupcích tohoto povrchu, takže polymemí nanovlákna se ukládají přednostně na těchto výstupcích a pouze přemosťují prostory mezi nimi. Ve výsledku tak vzniká pouze více či méně nerovnoměrná plošná vrstva polymemích nanovláken vytvářející konvexní obálku prostorově tvarovaného povrchu tělesa, bez pokrytí jeho snížených částí.

Cílem vynálezu je navrhnout způsob výroby prostorově tvarované vrstvy polymemích nanovláken, resp. způsob pokrývání prostorově tvarovaného povrchu tělesa vrstvou polymemích nanovláken, která by co nejpřesněji kopírovala tvar jeho povrchu.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu se dosáhne způsobem výroby prostorově tvarované vrstvy polymemích nanovláken, u kterého se ve zvlákňovacím prostoru vytváří polymemí nanovlákna, která se při svém pohybu vychýlí proudem vzduchu nebo plynu směrem k podkladu, na který se ukládají. Podstata tohoto způsobu přitom spočívá v tom, že polymemí nanovlákna se vychýlí laminámím proudem vzduchu nebo plynu směrem k předloze s prostorově tvarovaným povrchem, a stejným nebo jiným laminámím proudem vzduchu nebo plynu se přitisknou k tomuto jejímu povrchu, v důsledku čehož se na něm ukládají do prostorově tvarované vrstvy, která kopíruje tvar prostorově tvarovaného povrchu předlohy.

- 1 CZ 305569 B6

V případě potřeby se přitom rychlost a/nebo směr pohybu polymemích nanovláken alespoň jednou koriguje alespoň jedním dalším laminámím proudem vzduchu.

Pro dosažení požadovaného rozložení polymemích nanovláken na povrchu předlohy, a tím i požadované struktury vytvořené prostorově tvarované vrstvy polymemích nanovláken, nebo pro zachycení polymemích nanovláken v úplavu v okolí předlohy nebo za ní, se předloha během ukládání polymemích nanovláken pohybuje přímočarým a/nebo vratným a/nebo přerušovaným pohybem v horizontálním a/nebo vertikálním směru a/nebo rotačním a/nebo kyvným pohybem kolem libovolné osy.

Cíle vynálezu se dosáhne také způsobem pokrývání prostorově tvarovaného povrchu tělesa prostorově tvarovanou vrstvou polymemích nanovláken, u kterého se ve zvlákňovacím prostoru vytváří polymemí nanovlákna, která se při svém pohybu vychýlí proudem vzduchu nebo plynu směrem k podkladu, na který se ukládají. Jeho podstata přitom spočívá v tom, že polymemí nanovlákna se vychýlí laminámím proudem vzduchu nebo plynu směrem k předloze s prostorově tvarovaným povrchem, a stejným nebo jiným laminámím proudem vzduchu nebo plynu se přitisknou k tomuto jejímu povrchu. V důsledku toho se na něm ukládají do prostorově tvarované vrstvy, která kopíruje tvar prostorově tvarovaného povrchu předlohy. V případě potřeby se přitom rychlost a/nebo směr jejich pohybu alespoň jednou koriguje alespoň jedním dalším laminámím proudem vzduchu.

V dalších variantách lze polymemí nanovlákna zachycená úplavem v okolí předlohy přitisknout k libovolné části jejího povrchu proudem vzduchu, mechanickým zařízením a/nebo pohybem předlohy, neboje z předlohy úplně odstranit.

Objasnění výkresu

Na obr. 1 je schematicky znázorněna jedna z variant zařízení k provádění způsobu výroby prostorově tvarované vrstvy polymemích nanovláken, resp. k provádění způsobu pokrývání prostorově tvarovaného povrchu tělesa prostorově tvarovanou vrstvou polymemích nanovláken, a princip tohoto způsobu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Způsob výroby prostorově tvarované vrstvy polymemích nanovláken a způsob pokrývání povrchu tělesa prostorově tvarovanou vrstvou polymemích nanovláken podle vynálezu využívá známý způsob výroby polymemích nanovláken elektrostatickým zvlákňováním. U tohoto způsobu se polymemí nanovlákna vytváří z roztoku nebo taveniny polymeru, který se přivede nebo průběžně přivádí nebo se transportuje do elektrostatického pole vytvořeného rozdílem elektrických potenciálů mezi alespoň jednou zvlákňovací elektrodou a alespoň jednou sběrnou elektrodou. Zvlákňovací elektroda a sběrná elektroda jsou současně propojeny s opačnými póly zdroje vysokého stejnosměrného napětí, se stejnými póly zdroje vysokého stejnosměrného napětí s odlišnou hodnotou napětí, nebo je jedna z nich uzemněna. Kromě toho je možné v dalších variantách využít také postup elektrického zvlákňování popsaný v CZ PV 2012-907, u kterého se na zvlákňovací elektrodu přivádí střídavé napětí. Jako zvlákňovací elektrodu a sběrnou elektrodu je ve všech varian-2CZ 305569 B6 tách možné použít libovolný známý typ, resp. tvar těchto elektrod. Jako zvlákňovací elektrodu je tak možné použít zejména statickou zvlákňovací elektrodu tvořenou tryskou, jehlou, tyčí, kovovým hrotem, lištou, strunou (viz např. EP 2173930), apod. nebo jejich skupinou, nebo pohyblivou hladinovou zvlákňovací elektrodu tvořenou otáčejícím se protáhlým tělesem, např. válcem (viz např. EP 1673493 nebo EP 2059630), spirálou, diskem, či jiným otáčejícím se tělesem, nebo ve směru své délky se průběžně nebo přerušovaně pohybující strunou (viz např. EP 2173930), atd. Jako sběrnou elektrodu pak lze použít např. kovovou desku, strunu/soustavu strun, tyč/soustavu tyčí, mřížku, válec (viz např. WO 2008011840), hrot/soustavu hrotů (viz např. WO 2009049564), apod. V dalších variantách lze pro výrobu polymemích nanovláken použít i jiné známé způsoby, vč. tzv. „forcespinningu“ - tj. způsobu výroby polymemích nanovláken založeného na působení odstředivé síly.

Podstata vynálezu bude dále vysvětlena na funkci zařízení pro výrobu polymemích nanovláken elektrostatickým zvlákňováním schematicky znázorněno na obr. 1. Toto zařízení obsahuje alespoň jednu zvlákňovací elektrodu I ve tvaru válce, na jejímž povrchu se nachází nebo vynáší roztok 2 nebo tavenina polymeru, který má být zvlákněn, a proti ní umístěnou alespoň jednu sběrnou elektrodu 3 tvořenou kovovou deskou. Zvlákňovací elektroda i a sběrná elektroda 3 jsou propojeny s opačnými póly zdroje 4 vysokého stejnosměrného napětí, přičemž zvlákňovací elektroda i je s výhodou propojena sjeho kladným pólem a sběrná elektroda 3 sjeho záporným pólem. V důsledku rozdílu elektrického potenciálu se pak mezi těmito elektrodami j_ a 3 vytváří elektrostatické pole o vysoké intenzitě, které silovým působením na roztok 2 nebo taveninu polymeru na povrchu zvlákňovací elektrody i z něj/ní v daném zvlákňovacím prostoru formuje a dlouží jednotlivá polymemí nanovlákna 5, která poté unáší směrem ke sběrné elektrodě 3.

Do prostoru mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 3 je vyústěna vzduchová (plynová) tryska 6 opatřená přetlakovou vyústkou 61, tvořenou jedním nebo několika rovnoběžnými kanály čtvercového nebo obdélníkového příčného průřezu, které vytváří laminámí proud 62 vzduchu, nebo vůči polymemím nanovláknům 5 inertního plynu. Tato přetlaková vyústka 61 je přitom s výhodou opatřena neznázoměným regulátorem rychlosti proudění. Ve znázorněném příkladu provedení je přetlaková vyústka 61 nasměrována do prostoru mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 3 horizontálně z boku, kolmo nebo v podstatě kolmo vůči pohybu polymemích nanovláken 5 v tomto zvlákňovacím prostoru. V jiných neznázoměných variantách však může být do tohoto prostoru nasměrována dle potřeby a prostorového uspořádání dalších prvků libovolně jinak, resp. pod libovolným úhlem, případně může být do tohoto prostoru nasměrováno několik přetlakových vyústek 61 propojených s jednou nebo několika vzduchovými (plynovými) tryskami 6.

Proti přetlakové vyústce 61 je na opačné straně mimo zvlákňovací prostor mezi zvlákňovací elektrodou 1 a sběrnou elektrodou 3 uložena předloha 7, podle jejíhož členitého povrchu se má vytvářená vrstva polymemích nanovláken 5 prostorově tvarovat, nebo který má alespoň částečně pokrývat. Tato předloha 7, která může být vytvořena z libovolného elektricky vodivého nebo nevodivého materiálu, je přitom uložena staticky, nebo v případě potřeby libovolně pohyblivě v horizontálním a/nebo vertikálním směru a/nebo otočně a/nebo kyvně okolo libovolné osy.

Při provozu zařízení znázorněného na obr. 1 se mezi zvlákňovací elektrodou i a sběrnou elektrodou 3 vytváří elektrické pole o vysoké intenzitě, které svým silovým působením vytváří na povrchu roztoku 2 nebo taveniny polymeru na povrchu zvlákňovací elektrody 1 tzv. Taylorovy kužely, ze kterých dlouží jednotlivá polymemí nanovlákna 5, která poté unáší směrem ke sběrné elektrodě 3. Přitom jsou tato polymemí nanovlákna 5 dynamickým účinkem laminámího proudu 62 vzduchu (plynu) z přetlakové vyústky 61 vychylována ze svého původního směru k předloze 7, a po kontaktu sní jsou jím přitlačována k jejímu členitému povrchu. V důsledku toho se tato polymemí nanovlákna 5 ukládají rovnoměrně po celém náletovém povrchu předlohy 7 do prostorově tvarované vrstvy, která věrně kopíruje tvar povrchu předlohy 7 a udržuje si tento svůj tvar i po sejmutí z ní. Při obtékání předlohy 7 proudem vzduchu (plynu) nesoucím polymemí nanovlákna 5, se ve směru pohybu tohoto proudu za předlohou 7 navíc vytváří úplav, přičemž část

-3 CZ 305569 B6 polymemích nanovláken 5, která se nezachytila na náletové straně předlohy 7, kopíruje proudnice tohoto úplavu. Přitom se uspořádávají do stejného směru (paralelizují se). Tato část vrstvy polymemích nanovláken 5 se pak může dle potřeby odstranit a využít samostatně, nebo se může mechanicky (např. jiným proudem vzduchu a/nebo pohybem předlohy 7 a/nebo k tomu určeným neznázoměným zařízením, apod.) přitisknout k libovolné části povrchu předlohy 7. Chování proudu vzduchu v úplavu přitom lze požadovaným způsobem ovlivnit vhodným tvarováním předlohy 7, kterou úplav obtéká.

Předloha 7 se přitom může pro dosažení předem daného rozložení polymemích nanovláken 5 na předem dané části jejího povrchu alespoň v některých okamžicích pohybovat rotačním, kyvným, přímočarým nebo kombinovaným či přerušovaným nebo vratným pohybem, a to buď v horizontálním a/nebo vertikálním směru.

Dle požadavků se způsobem podle vynálezu vytvoří vrstva polymemích nanovláken 5 s prostorovým tvarem odpovídajícím prostorovému tvaru povrchu předlohy 7, nebo skořepina z polymerních nanovláken 5 pokrývající celý povrch předlohy 7, nebo jeho požadovanou část.

Příklad 1

Způsob podle vynálezu byl testován při zvlákňování roztoku obsahujícího 18 % hmotnostních polykaprolaktonu (PCL) o molekulové hmotnosti MW 45000 v rozpouštědlovém systému chloroform-etanol (9:1). Elektrostatické zvlákňování probíhalo za použití zvlákňovací elektrody 1 dle EP 2059630, která se otáčela okolo své podélné osy rychlostí 22 ot./min a statické sběrné elektrody 2 tvořené kovovou deskou o rozměrech 100x100 mm. Na zvlákňovací elektrodu i se přitom přivádělo napětí +16,2 kV, na sběrnou elektrodu 2 tvořenou kovovou deskou napětí -26 kV. Elektrody i a 2 byly od sebe vzdáleny 150 mm, přičemž přibližně v polovině této vzdálenosti se do prostoru mezi nimi přetlakovou vyústkou 61 přiváděl laminámí proud 62 vzduchu, který měl nad zvlákňovací elektrodou I rychlost cca 11 m/min, a který usměrňoval vytvářená polymemí nanovlákna 5 k předloze 7 uložené ve vzdálenosti 300 mm od zvlákňovací elektrody E Tímto způsobem se na předloze 7 vytvořila prostorově tvarovaná vrstva polymemích nanovláken 5 polykaprolaktonu o plošné hmotnosti 1,99 g/m².

Během testu se současně měřila rychlost laminámího proudu 62 vzduchu v různých vzdálenostech od ústí přetlakové vyústky 61 - viz tabulka 1, přičemž se zjistilo, že tento proud si zachoval laminámí charakter do vzdálenosti 300 mm za zvlákňovací elektrodou 1.

Tabulka 1

Vzdálenost za zvlákňovací elektrodou [mm]	100	150	200	250	300
Rychlost [m/s]	10,1	9,2	8,3	7,2	6

V neznázoměných variantách provedení může být do prostoru mezi zvlákňovací elektrodou i a sběrnou elektrodou 3 nasměrována alespoň jedna další přetlaková vyústka 61 propojená se stejnou nebo jinou vzduchovou (plynovou) tryskou 6, přičemž laminámí proud 62 vzduchu z ní slouží k alespoň jedné korekci rychlosti a/nebo směru pohybu polymemích nanovláken 5 směrem

-4CZ 305569 B6 k předloze 7 a/nebo k zachování laminámího charakteru proudu vzduchu nesoucího polymemí nanovlákna 5 a/nebo k přitlačení polymemích nanovláken 5 k prostorově tvarovanému povrchu předlohy 7.

V dalších neznázoměných variantách provedení lze dosáhnout laminámího charakteru proudu/proudů 62 vzduchu (plynu) jiným vhodným způsobem, než použitím přetlakové vyústky 61.

Způsobem podle vynálezu připravená prostorově tvarovaná vrstva polymemích nanovláken 5 nebo skořepina tvořená vrstvou polymemích nanovláken 5, resp. prostorově tvarované těleso s uloženou prostorově tvarovanou vrstvou polymemích nanovláken 5, může být využita zejména jako substrát, resp. nosič pro kultivaci živých buněk. Její tvar se přitom může s použitím vhodné předlohy přizpůsobit v podstatě libovolným požadavkům, a může simulovat např. tvar lidského nebo zvířecího orgánu nebo jeho části, jako např. srdeční chlopně, cévní přepážky, tělesa cévy, povázku a podobně, a po osazení vhodnými buňkami sloužit pro umělou přípravu těchto částí lidského nebo zvířecího těla. Kromě toho lze prostorově tvarovanou vrstvu polymemích nanovláken 5 použít například také v oblasti filtrace a filtrační techniky pro speciální filtry, nebo jako izolační vrstvu v elektrotechnice, jako povlak elektrod, sond a jiných funkčních trojrozměrných předmětů, jako speciální tvarované separační nebo polopropustné vrstvy, atd. Dle předpokládané aplikace lze volit druh použitého polymeru, jeho vlastnosti, případně do něj doplněné přísady, a zejména pak lze měnit tvar prostorově tvarované vrstvy/skořepiny.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby prostorově tvarované vrstvy polymemích nanovláken (5), u kterého se ve zvlákňovacím prostoru vytváří polymemí nanovlákna (5), která se při svém pohybu vychýlí proudem vzduchu nebo plynu směrem kpodkladu, na který se ukládají, vyznačující se tím, že polymemí nanovlákna (5) se vychýlí laminámím proudem (62) vzduchu nebo plynu směrem k předloze (7) s prostorově tvarovaným povrchem, a stejným nebo jiným laminámím proudem (62) vzduchu nebo plynu se přitisknou k tomuto jejímu povrchu, v důsledku čehož se na něm ukládají do prostorově tvarované vrstvy, která kopíruje tvar prostorově tvarovaného povrchu předlohy (7).
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že rychlost a/nebo směr pohybu polymemích nanovláken (5) se před uložením na povrch předlohy (7) alespoň jednou koriguje alespoň jedním dalším laminámím proudem (62) vzduchu.
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že předloha (7) se během ukládání polymemích nanovláken (5) pohybuje přímočarým a/nebo vratným pohybem v horizontálním a/nebo vertikálním směru a/nebo rotačním a/nebo kyvným pohybem kolem libovolné osy.
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že pohyb předlohy (7) se během ukládání polymemích nanovláken (5) alespoň jednou přeruší.
5. Způsob pokrývání prostorově tvarovaného povrchu tělesa prostorově tvarovanou vrstvou polymemích nanovláken (5), u kterého se ve zvlákňovacím prostoru vytváří polymemí nanovlákna (5), která se při svém pohybu vychýlí proudem vzduchu nebo plynu směrem k podkladu, na který se ukládají, vyznačující se tím, že polymemí nanovlákna (5) se vychýlí laminámím proudem (62) vzduchu nebo plynu směrem k předloze (7) s prostorově tvarovaným povrchem, a stejným nebo jiným laminámím proudem (62) vzduchu nebo plynu se přitisknou k tomuto jejímu povrchu, v důsledku čehož se na něm ukládají do prostorově tvarované vrstvy, která kopíruje tvar prostorově tvarovaného povrchu předlohy (7).

-5CZ 305569 B6
6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že rychlost a/nebo směr pohybu polymemích nanovláken (5) se před uložením na povrch předlohy (7) alespoň jednou koriguje alespoň jedním dalším laminámím proudem (62) vzduchu.
7. Způsob podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že předloha (7) se během ukládání polymemích nanovláken (5) pohybuje přímočarým a/nebo vratným pohybem v horizontálním a/nebo vertikálním směru a/nebo rotačním a/nebo kyvným pohybem kolem libovolné osy.

ío
8. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že pohyb předlohy (7) se během ukládání polymemích nanovláken (5) alespoň jednou přeruší.
9. Způsob podle libovolného z nároků 5 až 8, vyznačující se tím, že polymemí nanovlákna (5) zachycená úplavem v okolí předlohy (7) se proudem vzduchu, mechanickým zaří15 zením a/nebo pohybem předlohy (7) přitisknou k libovolné části povrchu předlohy (7) nebo se z ní odstraní.