CZ307976B6 - Zvlákňovací hlava pro výrobu objemných 3D vlákenných struktur a zařízení - Google Patents

Abstract

Zvlákňovací hlava (1) pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvorného polymeru nebo jejich směsi, přičemž tato zvlákňovací hlava (1) je uzpůsobená pro rotační uložení a obsahuje prstencovitý vnitřní prostor (8), do kterého je zaústěný přívod (16) roztoku nebo taveniny pro zvlákňování, a alespoň jeden výstupní otvor pro odvod roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru (8) působením odstředivé síly při rotaci zvlákňovací hlavy (1). Podstatou je, že obsahuje nástavec (5), jehož vnější povrch navazuje na vnější povrch zvlákňovací hlavy (1) v oblasti výstupního otvoru / výstupních otvorů pro odvod roztoku nebo taveniny a alespoň jeho část se ve směru od přívodu (16) plynule zužuje, přičemž je rotačně symetrická podél osy rotace zvlákňovací hlavy (1). Řešení se dále týká zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahující zvlákňovací hlavu (1).

Description

Vynález se týká zvlákňovací hlavy pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nanovlákna a/nebo submikronová vlákna, a to odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsi, a zařízení obsahujícího tuto zvlákňovací hlavu. Takovéto zařízení umožňuje velkokapacitní výrobu objemných 3D nanovlákenných a/nebo submikronových vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním polymemích roztoků i tavenin.

Dosavadní stav techniky

Nanovlákna a submikronová vlákna lze vyrobit hned několika technikami. Nejznámější je zřejmě elektrostatické zvlákňování, které k formování vláken využívá elektrostatické síly. Podmínkou tohoto postupu výroby je, že zvlákňované roztoky či taveniny musí být vodivé. Pokud vodivé nejsou, je nutný přídavek látek, které vodivost roztoku či tavenině zajistí, obvykle se používají anorganické soli, které pro řadu aplikací nejsou vhodné a mohou být i toxické. Dalším problémem elektrostatického zvlákňování je právě přítomnost vysokého napětí, které může způsobit zahoření, proto lze zvlákňovací roztoky obsahující těkavá a hořlavá rozpouštědla zvlákňovat jen velice obtížně a je to velmi riskantní. Tvorbu vláken elektrostatickým zvlákňováním lze podpořit použitím tlakového vzduchu.

Odstředivé zvlákňování je postup výroby vláken známý již několik desetiletí, pro tvorbu submikronových vláken se ale začal využívat teprve nedávno. Tato metoda ke tvorbě vláken využívá odstředivou sílu a není tedy omezena vodivostí roztoků či tavenin a lze ji bez problémů použít i pro hořlavé a těkavé roztoky.

Klasickým odstředivým zvlákňováním lze vyrobit polymemí submikronová vlákna např. z polyakrylonitrilu, polystyrenu, polyvinylchloridu, polypropylenu, polyhydroxybutyrátu, polykarbonátu, viskózy, ethylcelulózy, škrobu atd., směsná vlákna, dopovaná polymemí vlákna, vlákna s obsahem anoragnických prekurzorů, která se během následného kalcinačního procesu přemění na vlákna anorganická či přímo anorganická vlákna nebo žáruvzdorné materiály, vodivé materiály, sorpční materiály či pH citlivé materiály.

Odstředivým zvlákňováním vznikají submikronové vlákenné či nanovlákenné struktury, které se obvykle nanášejí na nějaký substrát a tvoří plošné útvary a membrány. Touto technologií lze ale vyrábět i objemné 3D vlákenné materiály vatovité struktury (WO 2014127099). Obdobné struktury lze vytvořit i technologií melt-blown, ale tato metoda nedosahuje tak nízkých hodnot průměru vláken. Některé typy odstředivých zvlákňovacích zařízení využívají proudění vzduchu či jiného plynu k unášení vláken ze zvlákňovacího prostoru. V případě horizontálního proudění (WO 2016008797), proudění ve směru formování vláken (US 2006024399) či vertikálního proudění směrem dolů k substrátu (WO 2013096672), na který je nanášena vlákenná vrstva či zachytávány objemné vlákenné struktury, jsou strukturní defekty vznikající při zvlákňování unášeny spolu s vlákny a snižují tak kvalitu vznikajícího produktu.

Jsou známé i případy unášení vláken vertikálně směrem nahoru (US 2016145771). Toto řešení může napomoci k odstranění kapkovitých defektů, které jsou při odstředivém zvlákňování poměrně časté. Těžké a nedostatečně vysušené kapky polymemího roztoku nebo nedostatečně ztuhlé kapky polymemí taveniny nejsou unášeny proudem vzduchu a vlivem gravitace bývají zachyceny na povrchu vnitřního pláště zvlákňovací komory. Bohužel tato úprava ale není dostatečná k odstranění tzv. provázkových defektů, které vznikají záchytem vláken na hranách zvlákňovacích hlav a nežádoucím způsobem ovlivňují kvalitu vznikajících vlákenných struktur.

- 1 CZ 307976 B6

V případě prosycení zvlákňováného roztoku bublinkami vzduchu pak mohou vznikat jemnější vlákna (CN 105648549).

Zajímavou alternativou odstředivého zvlákňování z trysek je zvlákňování z povrchu rotujícího disku (WO 2009079523) či válce (CZ 20110299, CZ 303298) či z povrchu jiných rotačních těles (KR 101426737). Nevýhodou tohoto postupu přípravy nanovláken a submikronových vláken je nemožnost regulace průměru vláken pomocí velikosti použitých zvlákňovacích trysek. Průměr vláken tak závisí pouze na parametrech roztoku či taveniny a rychlosti otáčení rotujícího tělesa, z jehož povrchu ke zvlákňování dochází. Obvykle je distribuce průměru vláken velice široká a při procesu vzniká velké množství strukturních defektů.

Dalším typem strukturních defektů jsou útvary připomínající provázky, které vznikají zachycením vznikajících vláken na zvlákňovací hlavě a následným zapletením dalších volných vláken, které se na ně nabalí.

Dalším problémem odstředivého zvlákňování je, že probíhá za vysokých otáček zvlákňovací hlavy a to obvykle několik tisíc otáček za minutu. To v případě zvlákňování tavenin způsobí intenzivní chlazení zvlákňovací hlavy a snížení teploty taveniny. Tavenina, která je dávkována z extrudéru, je vyhřátá na teplotu ideální pro zvlákňování. Než ale dosáhne výstupu ze zvlákňovacích otvorů, musí projít zvlákňovací hlavou, která je rotací chlazena a teplota taveniny se významně sníží. To lze řešit vyhřátím taveniny na vyšší teplotu, což může ale způsobit nežádoucí degradaci polymeru.

Cílem vynálezu je navrhnout zařízení pro výrobu nanovláken a/nebo mikrovláken odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsí, které překonává nevýhody stavu techniky a přitom je spolehlivé, energeticky nenáročné a umožňující výrobu vláken ve velkém rozsahu.

Podstata vynálezu

Nevýhody výše uvedeného stavu techniky tedy zejména překonává zvlákňovací hlava a zařízení pro výrobu nanovláken a/nebo submikronových vláken odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny. Zvlákňování je uskutečněno s výhodou ve variabilním velkokapacitním zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nano a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním z roztoků a tavenin s výhodou vláknotvomých polymerů nebo jejich směsí, využívá proudění vzduchu vertikálně směrem nahoru k unášení vláken ze zvlákňovacího prostoru. Proudění je dostatečně silné, aby odvedlo vznikající lehká submikronová vlákna a/nebo nanovlákna ze zvlákňovacího prostoru nahoru do záchytného koše, ale zároveň není tak silné, aby odvedlo strukturní defekty vznikající při zvlákňování až do sběrného koše. Uvedené defekty jsou většinou ve tvaru kapkovitých útvarů. Ty vlivem proudění vzduchu opouštějí zvlákňovací prostor a vlivem gravitace jsou zachyceny na stěně zvlákňovací komory. Kapkovité defekty díky své velikosti nebývají řádně vyschnuté či ztuhlé, a proto jsou na stěně zvlákňovací komory přilepeny a proud vzduchu je nestrhne. Tímto způsobem dochází ke zvýšení kvality vyráběného zvlákňováného materiálu a odstranění strukturních defektů z jeho struktury.

Součástí variabilního velkokapacitního zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nano a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním z roztoků nebo tavenin je také speciální nástavec zvlákňovací hlavy pro prevenci záchytu vláken a zlepšení kvality objemných 3D vlákenných struktur. Při zvlákňování ze zvlákňovacího prstence, který je součástí zvlákňovací hlavy, snadno dochází k zachycení vznikajících vláken na povrchu zvlákňovací hlavy, především pak na jejích hranách. Vlákna bývají často nedostatečně vyschlá (v případě zvlákňování z roztoku) nebo nedostatečně vychladnutá (v případě zvlákňování z taveniny) a pak se snadno přilepí na povrchu, na kterém se zachytí. Další vznikající vlákna se pak nabalují na vlákna již zachycená a to má za následek vlákennou strukturu připomínající provázky (tvoří se tak tzv.

-2CZ 307976 B6 provázkové struktury neboli provázkový defekt), což je nežádoucí. Proto zvlákňovací hlava podle vynálezu zahrnuje speciální nástavec aerodynamického tvaru z materiálu, jehož povrch je hladký, neprilnavý a je chemicky odolný, s výhodou polytetrafluoretylen pro prevenci záchytu vláken s hladkým povrchem s minimálním třením, které svým tvarem i použitým materiálem účinně zabraňuje tvorbě pro vážkových defektů a umožňuje odvádění vláken ze zvlákňo vacího prostoru, a to i při vysokém výkonu zvlákňovacího zařízení. Vlákna jsou zachycena ve sběrném koši v horní části zařízení podle vynálezu.

Zvlákňovací hlava podle vynálezu pro výrobu objemných 3D struktur obsahující nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsi, přičemž tato zvlákňovací hlava je uzpůsobená pro rotační uložení a obsahuje prstencovitý vnitřní prostor, do kterého je zaústěný přívod roztoku nebo taveniny pro zvlákňování, a alespoň jeden výstupní otvor pro odvod roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru působením odstředivé síly při rotaci zvlákňovací hlavy, jejíž podstatou je, že obsahuje nástavec, jehož vnější povrch navazuje na vnější povrch zvlákňovací hlavy v oblasti výstupního otvoru / výstupních otvorů pro odvod roztoku nebo taveniny a alespoň jeho část se ve směru od přívodu plynule zužuje, přičemž je rotačně symetrická podél osy rotace zvlákňovací hlavy.

Podle dalšího provedení vynálezu zvlákňovací hlava obsahuje unášeč a s ním souose uspořádaný, navzájem neotočně spojený distribuční prstenec, ve kterém je vymezen vnitřní prostor zvlákňovací hlavy pro roztok nebo taveninu.

S výhodou unášeč zvlákňovací hlavy podle vynálezu obsahuje hřídel a sní spojený kotouč, zatímco distribuční prstenec je navléknutý na hřídeli unášeče tak, že je vnitřním prostorem přivrácený ke kotouči.

Ještě podle dalšího provedení vynálezu zvlákňovací hlavy mezi kotoučem a distribučním prstencem je při jejich obvodu vytvořena výškově stavitelná štěrbina tvořící výstupní otvor roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru.

Ještě podle dalšího provedení vynálezu zvlákňovací hlava dále obsahuje zvlákňovací prstenec, který je uspořádaný mezi distribučním prstencem a unášečem, se kterými je neotočně spojen, přičemž zvlákňovací prstenec obsahuje alespoň jeden zvlákňovací otvor tvořící výstupní otvor pro odvod roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru zvlákňovací hlavy. S výhodou zvlákňovací prstenec zvlákňovací hlavy podle vynálezu obsahuje soustavu radiálně procházejících zvlákňovacích otvorů uspořádaných po jeho obvodu v alespoň dvou řadách.

Ještě podle dalšího provedení vynálezu alespoň část vnějšího povrchu nástavce zvlákňovací hlavy podle vynálezu je potažena polytetrafluoretylenem a / nebo se alespoň část vnější povrchu nástavce ve směru od výstupního otvoru / výstupních otvorů zužuje kuželovité nebo konvexně obloukovitě.

Zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahující nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsi, které obsahuje zvlákňovací hlavu podle vynálezu, dále obsahuje

- zvlákňovací komora, ve které je zvlákňovací hlava uložená s možností rotace podél svislé osy, přičemž zužující se část nástavce se zužuje ve směru nahoru od zvlákňovací hlavy a / nebo výstupního otvoru / výstupních otvorů, a

- ventilátor pro vedení proudu plynu kolem výstupního otvoru nebo výstupních otvorů zvlákňovací hlavy nahoru.

S výhodou zařízení podle vynálezu obsahuje indukční topné zařízení pro ohřev taveniny nebo roztoku ve vnitřním prostora zvlákňovací hlavy. S výhodou indukční topné zařízení obsahuje

-3 CZ 307976 B6 cívku uspořádanou podél části vnější stěny distribučního prstence s odstupem od ní.

Nástavec má s výhodou kuželovitý, případně rotačně symetrický, obloukovitě se zužující tvar. Je vhodné, aby nástavec svým vnějším, zužujícím se povrchem plynule, tedy bez ostrých hran navazoval na vnější povrch zvlákňovací hlavy, případně aby s vnějším povrchem zvlákňovací hlavy tvořil kontinuální, nelomenou plochu bez ostrých hran. Obecně je vhodné, aby povrch, kolem kterého proudí plyn určený pro odnos vláken do sběrného koše, ve směru proudění plynu alespoň od úrovně otvoru/otvorů/štěrbiny pro průchod zvlákňováného polymeru neobsahoval žádné ostré hrany, a alespoň v části oblasti nástavce se postupně zužoval. Tím je zajištěno jednak to, že se vlákna nezachytávají na hraně zvlákňovací hlavy, a jednak to, že je příznivě ovlivňováno proudění vzduchu, což obojí přispívá k snížení, případně eliminaci tvorby provázkových defektů.

Rychlost proudění vzduchu je regulována v rozsahu 0,1 až 10 m³/h, rozsah otáček zvlákňovací hlavy je 500 až 20 000 ot./min.

Objemné 3D vlákenné struktury jsou velmi nadýchané vatovité útvary obsahující nanovlákna a/nebo submikronová vlákna. Tyto struktury jsou ve formě objemné vaty. Průměr vzniklých nanovláken je v rozsahu 1 až 1000 nm a submikronových vláken je v rozsahu 1 až 1000 μιη.

Vláknotvomé polymery jsou vybrány ze skupiny obsahující polyamidy (PA6), polyuretany (PUR), polyakrylonitril (PAN), polyvinylidenfluorid (PVDF), polyvinyltereftalát (PET), polyvinylbutyrát (PVB), polyvinylalkohol (PVA), polyethylen oxid (PEO), polykaprolakton (PCL), kyselina polyakrylová (PAA), polylaktidy (PLA), polyolefmy (PE, PP). Lze zvlákňovat také směsi vláknotvomých polymerů či polymemí vlákna s obsahem anorganických solí ve formě koloidních roztoků. Takováto prekurzomí vlákna lze následnou kalcinací přeměnit na vlákna anorganická.

Variabilní velkokapacitní zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním umožňuje i zvlákňování z tavenin. Jak bylo již řečeno, za vysokých otáček zvlákňovací hlavy dochází k intenzivnímu chlazení zvlákňovací hlavy a snížení teploty taveniny. Než se tavenina z dávkovacího zařízení dostane do zvlákňovací hlavy, dojde k významnému snížení teploty taveniny, nárůstu viskozity a dosažení podmínek nevhodných pro zvlákňování. Proto je součástí výhodného provedení velkokapacitního zařízení pro výrobu objemných 3D vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním i aditivní vysokofrekvenční indukční topné zařízení. S výhodou je umístěno tak, že alespoň částečně obklopuje zvlákňovací hlavu, přičemž je mezi ní a zvlákňovací hlavou, resp. vnější stěnou vnitřního prostoru zvlákňovací hlavy ponechána mezera. Hlavní součástí topného zařízení je cívka.

Tento způsob ohřevu zvlákňovací hlavy v patentových spisech dosud nebyl popsán, vysokofrekvenční indukční ohřev byl doposud využit pouze pro ohřev elektrostaticky zvlákňováných roztoků (JP 2010121238), zřejmě za účelem snížení viskozity a zvýšení rychlosti odpařování použitého rozpouštědla, a pro přípravu uhlíkových nanovláken přímo při karbonizaci (US 2015321919).

Další výhodné provedení velkokapacitního zařízení pro výrobu objemných 3D vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním je použití beztryskové zvlákňovací hlavy pro odstředivé zvlákňování. Její hlavní výhodou je vyšší výkon zařízení a to, že nedochází k zanášení trysek, což umožňuje podstatně delší chod zařízení bez nutnosti procesních zásahů a prostojů souvisejících s čištěním. Ke zvlákňování nedochází z povrchu rotačních těles, jako ve stávajících řešeních popsaných ve stavu techniky, ale z mezery (Obr. 3), respektive z hrany rotační beztryskové zvlákňovací hlavy. Zvlákňovací hlava se sestává ze dvou částí, mezi nimiž je mezera, ze které dochází ke zvlákňování. Tento design zvlákňovací hlavy umožňuje velmi snadné čištění zvlákňovací hlavy. Zároveň se minimalizuje riziko zasychání polymemího roztoku v tryskách při technologické přestávce zařízení. Výkon zařízení, stejně jako průměr vláken lze účinně regulovat

-4CZ 307976 B6 velikostí této mezery, nicméně distribuce průměru takto vyrobených vláken je mírně vyšší než v případě zvlákňování z trysek. Množství strukturních defektů je opět účinně eliminováno vertikálním prouděním vzduchu směrem nahoru. Tento typ zvlákňovací hlavy navíc umožňuje dopovat zvlákňovací roztoky či taveniny dopantem, jehož velikost částic je relativně velká (řádově jednotky mikrometrů) nebo jsou částice tvarově nevhodné a ucpávaly by trysky zvlákňovací hlavy. Beztrysková zvlákňovací hlava stejně jako zvlákňovací hlava s tryskami ve variabilním velkokapacitním zařízení pro výrobu objemných 3D vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním využívá nástavec zvlákňovací hlavy pro prevenci záchytu vláken a lze jej použít i pro zvlákňování tavenin s aditivním indukčním ohřevem.

Variabilita velkokapacitního zařízení pro výrobu objemných 3D submikronových vláken odstředivým zvlákňováním podle vynálezu umožňuje zpracovávat širokou škálu polymerů, a to jak z taveniny, tak z roztoku a dovoluje tak průmyslovou výrobu objemných materiálů pro různé typy výrobků.

Je třeba brát v potaz skutečnost, že se nejedná o žádné laboratorní zařízení, ale o zařízení, které je schopno produktovat velká množství nanovláken a/nebo submikronových vláken (v řádech kg) za provozní směnu. Navíc další výhodou tohoto zařízení je možnost zařazení většího počtu zvlákňovacích hlav umístěných do tzv. zvlákňovacích věží. Jedna osoba může obsloužit zařízení produkující několikanásobně větší množství materiálu, což přináší úsporu personálních nákladů, ale také nákladů spojených s úpravou procesního vzduchu a možností recyklace tohoto vzduchu a také systému sběru či zachytávání vláken.

Průmyslově využitelné zařízení podle vynálezu na principu odstředivého zvlákňování, které produkuje 3D submikronová vlákna a/nebo nanovlákna ve formě vatovitých struktur, a to jak z roztoků, tak i tavenin. Ta jsou ze zvlákňovacího prostoru odváděna proudem vzduchu, který je zároveň využit k odstraňování strukturních defektů. Zaplétání vláken ve zvlákňovacím prostoru a vzniku svazků a zapletenin je zabráněno speciálním tvarem nástavce zvlákňovací hlavy, který zabraňuje záchytu vznikajících vláken na povrchu / hranách zvlákňovací hlavy. Zařízení umožňuje i vysoce výkonné beztryskové zvlákňování. V případě zvlákňování z taveniny je součástí zařízení aditivní indukční ohřev, který předchází chladnutí taveniny ve zvlákňovací hlavě způsobené intenzivním chlazením vlivem vysokých otáček zvlákňovací hlavy. Zařízení lze využít k výrobě polymemích vláken, ale i prekurzorových vláken pro následnou tvorbu anorganických vláken.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení podle vynálezu je schematicky znázorněné na výkresech, kde na obr. 1 znázorněno zvlákňovací zařízení jako celek včetně komory pro úpravu a přívod vzduchu, zvlákňovací komory a sběrného koše na dosoušení vláken. Na obr. 2 je řez zvlákňovací hlavou opatřenou nástavcem. Na obr. 3 je znázorněna beztrysková zvlákňovací hlava (nástavec není znázorněn). Na obr. 4 je snímek strukturních pro vážkových defektů.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladné provedení zařízení podle tohoto vynálezu obsahuje zvlákňovací komoru 10, k jejíž spodní straně 12 přiléhá komora 9 pro úpravu a přívod vzduchu, a k horní straně 13 zvlákňovací komory 10 přiléhá sběrný koš 11 na dosoušení vláken. Přiléhá komora 9, zvlákňovací komora 10 a sběrný koš 11 jsou svými vnitřními prostory vzájemně propojeny.

V komoře 9 pro úpravu a přívod vzduchu je uložen alespoň jeden ventilátor, pomocí něhož je veden proud vzduchu do zvlákňovací komory 10, a to ve vertikálním směru nahoru za účelem unášení vytvářených vláken z prostoru obklopujícího zvlákňovací hlavu 1 směrem ke sběrnému

-5 CZ 307976 B6 koši H. Jak bylo uvedeno, v případě potřeby lze použít i jiný plyn než vzduch.

Zvlákňovací komora 10 obsahuje rotačně uloženou zvlákňovací hlavu 1 uloženou na hřídeli 6, která je poháněna motorem 7. Hřídel 6 je zakončený nebo opatřený unášečem 4, což je kotouč uspořádaný souose s hřídelí 6 a v podstatě shora uzavírá vnitřní prostor 8 zvlákňovací hlavy 1.

Zvlákňovací hlava 1 rovněž obsahuje distribuční prstenec 2, který je navléknutý na hřídeli 6 a upevněný (souose s hřídelí 6) k unášeči 4 pomocí stavitelných šroubů 19, a to buď přímo, jak je to znázorněno na obr. 3, nebo přes zvlákňovací prstenec 3, jak je to znázorněno na obr. 2.

Distribuční prstenec 2 prochází svou vnitřní stranou 17 podél hřídele 6, ale s odstupem od hřídele 6, čímž je vytvořen prstencovitý kanál tvořící přívod 16 zvlákňovacího roztoku nebo taveniny do vnitřního prostoru 8 zvlákňovací hlavy 1. Distribuční prstenec 2 současně vymezuje prstencovitý vnitřní prostor 8, který je propojený s přívodem 16 a ve kterém se shromažďuje zvlákňovací roztok nebo tavenina a je veden/a k výstupnímu otvoru / výstupním otvorům na vnějším obvodu zvlákňovací hlavy 1.

V provedení z obr. 3 je výstupní otvor představován štěrbinou 20, která je průběžná po celém obvodu, vyjma přerušení stavitelnými šrouby 19.

V provedení z obr. 2 je místo štěrbiny 20 uspořádán zvlákňovací prstenec 3, ve kterém jsou vytvořeny průchozí zvlákňovací otvory (zobrazen jeden zvlákňovací otvor 22) představující výstupní otvory pro průchod taveniny nebo roztoku.

V dalším (neznázoměném) provedení, jsou na horní a / nebo dolní ploše zvlákňovacího prstence 3 vytvořeny radiální drážky, takže připevněním / přiložením zvlákňovacího prstence 3 k ploše unášeče 4 a distribučního prstence 2 vzniknou výstupní otvory. Je také možné vytvořit tyto drážky v okrajové ploše distribučního prstence 2 a/ nebo unášeče 4 v plochách, kterými přiléhají ke zvlákňovacímu prstenci 3.

V případě, kdy není použit zvlákňovací prstenec 3 lze takovéto drážky vytvořit v ploše / plochách, kterými k sobě přiléhají unášeč 4 a distribuční prstenec 2.

A v ještě jiném provedení, které není znázorněno, je mezi zvlákňovacím prstencem 3, který obsahuje průchozí otvory pro průchod taveniny nebo roztoku, a unášečem 4 vytvořena nebo vytvoritelná štěrbina 20 rovněž pro průchod taveniny nebo roztoku.

Zvlákňovací prstenec 3, který je neotočně spojen s unášečem 4 a distribučním prstencem 2, obsahuje alespoň jeden zvlákňovací otvor 22, jak je ukázáno na obr.2. S výhodou procházejí zvlákňovací otvory 22 v radiálním směru a jsou uspořádány po obvodu zvlákňovacího prstence 3 v alespoň dvou řadách. Jsou ale možná i jiná uspořádání.

V neznázoměném provedení může být zvlákňovací prstenec 3 vytvořen jako integrální součást unášeče 4 nebo distribučního prstence 2. V takovém případě unášeč 4 na straně přivrácené k distribučnímu prstenci 2 nebo distribuční prstenec 2 na straně přivrácené k unášeči 4 obsahuje obvodový prstencový lem, který prochází souose s osou otáčení zvlákňovací hlavy i a ve kterém jsou vytvořeny zvlákňovací otvory 22.

Podle ještě jiného výhodného provedení, jak je ukázáno na obr. 2, může být distribučního prstenec 2 opatřen křidélkem 23 pro zintenzivnění odvodu vláken od štěrbiny 20 či zvlákňovacího otvoru 22. Křidélko 23 obsahuje tělo 25 a usměrňovači část 26. Tělo 25 křidélka 23 je s výhodou válcové, může mít i jiný vhodný tvar. Je zapuštěno do distribučního prstence 2 z boční strany a v něm upevněno pomocí aretačního šroubu 24. Usměrňovači část 26 je s výhodou plochá a je vně distribučního prstence 2. Natáčení usměrňovači části 26 křidélka 23 je umožněno válcovým tělem 25 křidélka 23, a to v rozmezí 0 až 180° vzhledem k rovině kolmé na osu otáčení

-6CZ 307976 B6 distribučního prstence 2 a tím lze lépe nastavit intenzitu proudění vzduchu 14.

Ve výhodném provedení znázorněném na obr. 1 je zvlákňovací hlava 1 zahřívána pomocí vysokofrekvenčního indukčního topného zařízení 18, kterým je s výhodou cívka. Toto topné zařízení 18 je umístěno okolo zvlákňovací hlavy 1, nejlépe podél stěn jejího vnitřního prostoru 8, ale aniž by s ní bylo v kontaktu. Topné zařízení 18 může proto zůstávat stacionární, zatímco zvlákňovací hlava 1 rotuje.

Plné šipky naznačují směr a místa záchytu defektů, které jsou většinou ve tvaru kapkovitých útvarů na vnitřní straně stěny zvlákňovací komory 10.

Zvlákňovací hlava 1 je opatřena souose uspořádaným nástavcem 5, přičemž zatočená šipka ukázaná na obr. 1 v horní části nástavce ukazuje směr rotace zvlákňovací hlavy 1 s nástavcem 5.

Vzniklá vlákna jsou prouděním vzduchu 14 dopravena do sběrného koše 11, kde jsou zachycena mezi dráty sběrného koše 11.

Zvlákňovací hlava 1 z obr. 2 obsahuje distribuční prstenec 2 a unášeč 4, mezi nimiž je uspořádaný zvlákňovací prstenec 3, přičemž tyto tri součásti jsou neotočně spojeny stavitelnými šrouby 19. Pomocí stavitelných šroubů lze přitom nastavit a zaaretovat velikost štěrbiny 20 pro odvod roztoku nebo taveniny mezi distribučním prstencem 2 a zvlákňovacím prstencem 3 a/nebo mezi zvlákňovacím prstencem 3 a unášečem 4.

Nástavec 5 je neotočně spojen s unášečem 4, přičemž se obloukovitě zužuje ve směru od výstupních otvorů. Případně se může zužovat kuželovité, se zaoblenou přechodnou hranou mezi válcovitým povrchem (zvlákňovací hlavy) a kuželovitým povrchem (nástavce).

Nástavec 5 může být tvořen samostatným dílcem, který je neotočně upevněn k unášeči 4. Je ale také možné vytvořit nástavec 5 jako integrální součást unášeče 4, tedy z jednoho kusu.

Pro zajištění co nejmenšího povrchového tření plochy nástavce 5 je nástavec 5 s výhodou potažen polytetrafluoretylenem, a to alespoň na plochách, které jsou nejblíže k výstupním otvorům.

Ačkoli bylo popsáno zvlášť výhodné příkladné provedení i řada jeho možných úprav a změn, je zřejmé, že odborník z dané oblasti snadno nalezne další možné alternativy k těmto provedením. Proto rozsah ochrany není omezen na tato příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených patentových nároků.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (9)

1. Zvlákňovací hlava (1) pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsi, přičemž tato zvlákňovací hlava (1) je uzpůsobená pro rotační uložení a obsahuje unašeč (4) a s ním souose uspořádaný, navzájem neotočně spojený distribuční prstenec (2), ve kterém je vymezen prstencovitý vnitřní prostor (8) zvlákňovací hlavy (1) pro roztok nebo taveninu, do kterého je zaústěný přívod (16) roztoku nebo taveniny pro zvlákňování, a zvlákňovací hlava (1) obsahuje alespoň jeden výstupní otvor pro odvod roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru (8) působením odstředivé síly při rotaci zvlákňovací hlavy (1), vyznačující se tím, že obsahuje nástavec (5), jehož vnější povrch plynule navazuje na vnější povrch zvlákňovací hlavy (1) v oblasti výstupního otvoru / výstupních otvorů pro odvod roztoku nebo taveniny a alespoň část uvedeného vnějšího povrchu nástavce (5) se ve směru od přívodu (16) roztoku nebo taveniny plynule zužuje, přičemž je rotačně symetrická podél osy rotace zvlákňovací hlavy (1).

-7 CZ 307976 B6

2. Zvlákňovací hlava (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že unašeč (4) obsahuje hřídel (6) a s ní spojený kotouč (21), zatímco distribuční prstenec (2) je navléknutý na hřídeli (6) unašeče (4) tak, že je vnitřním prostorem (8) přivrácený ke kotouči (21).

3. Zvlákňovací hlava (1) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že mezi kotoučem (21) a distribučním prstencem (2) je při jejich obvodu vytvořena výškově stavitelná štěrbina (20) tvořící výstupní otvor roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru (8).

4. Zvlákňovací hlava (1) podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že hlava dále obsahuje zvlákňovací prstenec (3), který je uspořádaný mezi distribučním prstencem (2) a unašečem (4), se kterými je neotočně spojen, přičemž zvlákňovací prstenec (3) obsahuje alespoň jeden zvlákňovací otvor (22) tvořící výstupní otvor pro odvod roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru (8) zvlákňovací hlavy.

5. Zvlákňovací hlava (1) podle nároku 4, vyznačující se tím, že zvlákňovací prstenec (3) obsahuje soustavu radiálně procházejících zvlákňovacích otvorů (22) uspořádaných po obvodu zvlákňovacího prstence (5) v alespoň dvou řadách.

6. Zvlákňovací hlava (1) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že alespoň část vnějšího povrchu nástavce (5) je potažena polytetrafluoretylenem a/nebo se alespoň část vnějšího povrchu nástavce (5) ve směru nahoru od výstupního otvoru nebo výstupních otvorů zužuje kuželovité nebo konvexně obloukovitě.

7. Zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahující nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsi, které obsahuje zvlákňovací hlavu (1) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále obsahuje

- zvlákňovací komoru, ve které je zvlákňovací hlava (1) uložená otočně kolem svislé osy, přičemž zužující se část nástavce (5) se zužuje ve směru nahoru od zvlákňovací hlavy (1) a/nebo výstupního otvoru nebo výstupních otvorů, a

- ventilátor uspořádaný pro vedení proudu plynu kolem výstupního otvoru nebo výstupních otvorů zvlákňovací hlavy (1) nahoru.

8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že obsahuje indukční topné zařízení (18) pro ohřev taveniny nebo roztoku ve vnitřním prostoru (8) zvlákňovací hlavy (1), které alespoň částečně obklopuje zvlákňovací hlavu (1).

9. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že indukční topné zařízení (18) obsahuje cívku uspořádanou podél části vnější stěny distribučního prstence (2) s odstupem od ní.