CZ308269B6 - Zařízení s proměnlivou geometrií pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken - Google Patents
Zařízení s proměnlivou geometrií pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken Download PDFInfo
- Publication number
- CZ308269B6 CZ308269B6 CZ2012-640A CZ2012640A CZ308269B6 CZ 308269 B6 CZ308269 B6 CZ 308269B6 CZ 2012640 A CZ2012640 A CZ 2012640A CZ 308269 B6 CZ308269 B6 CZ 308269B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- bell
- nanofibers
- loops
- rotating
- tube
- Prior art date
Links
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 title claims abstract description 21
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 claims description 41
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 23
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 claims description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 5
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 claims description 4
- 229920000126 latex Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004816 latex Substances 0.000 claims description 3
- 229920002725 thermoplastic elastomer Polymers 0.000 claims description 3
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 claims description 2
- 229920003051 synthetic elastomer Polymers 0.000 claims description 2
- 239000005061 synthetic rubber Substances 0.000 claims description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 26
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 6
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 5
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 5
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- -1 BUTYL Chemical class 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- IMROMDMJAWUWLK-UHFFFAOYSA-N Ethenol Chemical compound OC=C IMROMDMJAWUWLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000007380 fibre production Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 1
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 1
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 1
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion 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
- 229920005615 natural polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229920001059 synthetic polymer Polymers 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
- D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
- D01D5/18—Formation of filaments, threads, or the like by means of rotating spinnerets
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)
- Nonwoven Fabrics (AREA)
Abstract
Zařízení s proměnlivou geometrií pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken, které je charakterizováno tím, že se skládá z kónického zvonu (1), který je na vnějším povrchu opatřen 1 až n podélnými drážkami (2) pro vložení smyček z tenkého ocelového lanka (5), umístěných v obalu ve tvaru hadičky (6), jejíž vnitřní průřez je větší než průřez ocelového lanka (5), kdy obvod smyčky z ocelového lanka (5) je o 5 až 30 % delší než obvod elastické hadičky (6), přičemž zvon (1) je umístěn na hřídeli motoru (3) o výkonu 1000 až 30 000 otáček za minutu a na dno rotujícího zvonu (1) je hřídelí motoru (3) či hadičkou či trubičkou vedenou do zvonu (1) shora přiváděn čerpadlem (4) roztok obsahující zvlákňovaný polymer.
Description
Zařízení s proměnlivou geometrií pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken
Oblast techniky
Vynález se týká zařízení s proměnlivou geometrií pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken z roztoků polymerů.
Dosavadní stav techniky
Oblasti využití polymemích nanovláken zahrnují zejména různé druhy filtrací, ochranných roušek a oděvů, solárních článků, baterií a různých sensorů. Mimořádně vysoký poměr plochy k objemu předurčuje nanovlákna pro využití v oblasti katalýzy, včetně imobilizace enzymů, nosiče pro administraci biologicky aktivních látek, zejména léků (cílené doručování a postupné uvolňování) a tkáňového inženýrství (Pokorný, a spol., 2009; Sodomka, 2009). Oblast produkce nanovláken patří v současné době k velmi dynamicky se rozvíjejícím oborům. Česká republika, zejména díky Technické Univerzitě v Liberci a firmě Elmarco, patří k současné špičce ve vývoji produkce nanovláken elektrostatickým zvlákňováním polymerů. Se vzrůstajícím počtem aplikací nanovláken v různých průmyslových odvětvích existuje poptávka v ČR i zahraničí po strojích pro jejich efektivní produkci.
V nedávné době byla vyvinuta celá řada zařízení pro elektrostatické zvlákňování s cílem zvýšit produktivitu nanovláken pro jejich průmyslovou výrobu. Avšak metoda elektrostatického zvlákňování má určité nevýhody. Jednou z těchto nevýhod je relativně malá rychlost tohoto procesu. Výše popsané systémy s použitím různě uspořádaných řad trysek jsou technicky komplikované a nákladné. Elektrostatické zvlákňování je limitováno také nutností aplikace vysokonapěťového elektrického pole.
Kromě elektrostatického zvlákňování byly popsány, patentovány a realizovány také jiné metody výroby nanovláken. Jedná se zejména o metody využívající pro tvorbu nanovláken místo elektrického pole odstředivou sílu nebo proud plynu aplikovaný na trysku, kterou je roztok zvlákňovaného materiálu vytlačován (tzv. „gas jet spinning“). Zvlákňovaný roztok může být také vytlačován z trysek působením vysokého tlaku, bez aplikace odstředivé síly vyvolané rotací.
Doposud používané klasické procesy odstředivé výroby vláken mohou být principiálně rozděleny na dva typy. První typ využívá rotující rezervoár vybavený postranními tryskami (např. US 4937020), které slouží k extruzi vláken ze zvlákňovaného polymemího roztoku a tavenin a jejich natažení odstředivou silou. Druhý typ využívá rotující, obvykle konický disk, na kterém je odstředivou silou vytvářen tenký film zvlákňovaného roztoku (např. US 2433000). K produkci vláken dochází za vhodných podmínek na hraně tohoto rotujícího disku, či 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 hustota 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.
Podobnou technologii odstředivé produkce nanovláken vyvíjí také společnost FibeRio
- 1 CZ 308269 B6
Technology Corporation (Texas, USA). Patentovaná technologie této firmy, Forcespinning Technology™, využívá také velmi rychle rotující rezervoár („spinneret“) se statickými tryskami, kterými jsou roztok polymeru či tavenina odstředivou silou vytlačovány a střihovými silami natahovány do formy nanovláken. 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 kol., 2008, popisuje překvapivé pozorování nanovláken s průměrem pod 25 nm, vytvářených na hraně rychle rotujícího disku v průběhu standardního procesu odstředivého vytváření tenkého filmu viskózního roztoku (tzv. „spincoating“). Tento proces poskytuje atraktivní alternativu 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 Patent Application 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 vnitřním povrchu rotujícího distribučního disku. Distribuční a pomocný statický disk jsou zahřívány bezkontaktním tepelným zdrojem, např. infračerveným zářičem, na teplotu vyšší než teplota tání zvlákňovaného materiálu.
Patent WO 2009079523 popisuje výrobu nanovláken s použitím plochého velmi rychle rotujícího disku, který může být ve střední části prohlouben. Tato prohloubená centrální část disku může sloužit jako rezervoár, do kterého je kontinuálně přiváděn zvlákňovaný roztok, který vytváří tenký film na povrchu rotujícího disku. K tvorbě nanovláken dochází na hraně rotujícího disku.
Patent WO 2009079523 popisuje výrobu nanovláken zvlákňováním roztoků polymerů z povrchu plochého disku rotujícího vysokou rychlostí, na který je tento roztok aplikován. Popsáno bylo také využití odstředivého zvonu z aplikátorů laků a barev (Martin Dauner, ITV Denkendorf, Německo).
Patentová přihláška US Patent Application 20080136054 popisuje rotující universální systém sestávající z talířů, umožňujících různá variabilní uspořádání vytvářející různé štěrbiny, kanálky a/nebo žlábky vyúsťující na povrchu systému, ze kterých je zvlákňovaný roztok či tavenina čerpaná do vnitřního prostoru systému extrudována odstředivou silou ve formě nano- či mikro vláken.
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 2005042813 (AI)). Několik patentů založených na tomto principu bylo opět patentováno firmou Panasonic (WO 2008142845 (AI); JP 2009228168 (A); JP 2009097113 (A); US 2010072674).
Podstata vynálezu
Zlepšení dosavadního stavu umožňuje zařízení s proměnlivou geometrií pro beztryskovou odstředivou výrobu nanovláken a mikrovláken, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se skládá z kónického zvonu, který je na vnějším povrchu opatřen 1 až n podélnými drážkami pro
-2 CZ 308269 B6 vložení smyček z tenkého ocelového lanka, umístěných v obalu ve tvaru hadičky, jejíž vnitřní průřez je větší než průřez ocelového lanka, kdy obvod smyčky z ocelového lanka je o 5 až 30 % delší než obvod elastické hadičky, přičemž zvon je umístěn na hřídeli motoru o výkonu 1000 až 30 000 otáček za minutu a na dno rotujícího zvonu je hřídelí motoru či hadičkou či trubičkou vedenou do zvonu shora přiváděn čerpadlem roztok obsahující zvlákňovaný polymer.
Zařízení podle vynálezu je charakterizováno tím, že zvon je vyroben z tvrdé přírodní či syntetické pryže či jiného pevného elastického materiálu a hadičky jsou vyrobeny zpěvného elastického materiálu nebo z latexové či silikonové pryže nebo termoplastického elastomeru.
Zařízení podle vynálezu je dále charakterizováno tím, že lanka jsou v klidovém stavu nepravidelným způsobem v elastické hadičce zprohýbána.
Zařízení podle vynálezu pracuje tak, že zvon je na vnějším povrchu opatřen podélnou drážkou, či drážkami, ve kterých jsou uloženy smyčky z tenkého ocelového lanka, umístěné v obalu ve tvaru hadičky z pevného elastického materiálu, např. latexové či silikonové pryže, nebo termoplastického elastomeru. Obvod smyčky z ocelového lanka je o 5 až 30 % delší než obvod elastické hadičky a drážky, ve kterém je uložena. Vnitřní průřez elastické hadičky je větší než průřez ocelového lanka a smyčka z ocelového lanka se tudíž nenachází v napnutém stavu, ale je různým nepravidelným způsobem v elastické hadičce zprohýbána. Tato pevná elastická hadička, jejíž obvod odpovídá obvodu drážky, drží ocelovou smyčku spolehlivě uvnitř příslušné drážky. Elastický kónický zvon, opatřený drážkou či drážkami, ve kterých jsou uloženy tyto ocelové smyčky v elastických hadičkách, je umístěn na hřídeli motoru, který ho roztáčí rychlostí 1 000 až 30 000 otáček za minutu. Po roztočení zvonu dochází odstředivou silou vzhledem kjeho elasticitě kjeho tvarové deformaci - rozevírání jeho původního tvaru. Toto rozevírání původního tvaru zvonu je zastaveno, když dojde k napnutí ocelové smyčky v drážce, či n - ocelových smyček v n - drážkách. Rozsah rozevření rotujícího zvonu i jeho výsledný tvar může být determinován počtem a polohou drážek s uloženými ocelovými smyčkami a obvodem těchto smyček. Změnou počtu, polohy a délky těchto ocelových smyček může být tedy docíleno různých výsledných geometrií rotujícího zvonu. Na dno rotujícího zvonu je čerpadlem přiváděn roztok zvlákňovaného polymeru a případně dalších složek. Dávkování zvlákňovaného roztoku může být realizováno hřídelí motoru nebo hadičkou či trubičkou vedenou do zvonu shora, přičemž na vnitřním povrchu tohoto zvonu dochází odstředivou silou k vytvoření tenkého filmu zvlákňovaného polymemího roztoku, ze kterého jsou na hraně zvonu následně oddělována mikrovlákna či nanovlákna 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.
Sběr mikrovláken či nanovláken může být realizován některým z dříve popsaných způsobů ve formě souvislé vrstvy, tzv. netkané textilie či ve formě připomínající jemnou vatu. Produkovaná vlákna mohou být z výrobního zařízení odsávána s použitím podtlaku nebo směřována do sběrného prostoru proudem vzduchu či jiného plynu. Pro sběr vláken může být použito také elektrické pole a vyrobená vlákna mohou být akumulována na elektricky nabitém kolektoru. Jinou možností je sběr mikrovláken či nanovláken ve formě souvislé vrstvy na plynule se pohybujícím pásu. Vzniklá nanovlákna a mikrovlákna mají průměr 50 až 1000 nm.
Tvar rotujícího zvonu významným způsobem ovlivňuje rychlost produkce nanovláken či mikrovláken a jejich vlastnosti, jako je jejich průměr, délka či jejich výsledné uspořádání v tkanině či prostoru. Míru rozevření rotujícího zvonu lze jednoduše a rychle měnit změnou délky použité ocelové smyčky a v případě, že je elastický zvon vybaven více drážkami, lze změnou délky a polohy jednotlivých ocelových smyček měnit i výsledný tvar rotujícího zvonu. S použitím sady několika smyček různé délky lze docílit rychlou optimalizaci tvaru zvonu pro různé zvlákňované polymery, které se liší svými vlastnostmi a ovlivňovat produkční rychlost a
-3 CZ 308269 B6 vlastnosti vyrobených nano vláken či mikro vláken. Zvon s proměnlivou geometrií je mimořádně vhodný pro experimentální studie zaměřené na stanovení způsobu, jakým výsledný tvar rotujícího zvonu ovlivňuje produkční rychlost a vlastnosti nanovláken a mikrovláken vyrobených z různých polymemích materiálů.
Výzkumného ústavu potravinářského, v.v.i., Praha, CZ.
Objasnění výkresů
Na přiloženém výkresu je na obr. 1 A zobrazeno zařízení podle vynálezu v klidovém stavu, na obr. 1 B je znázorněn rotující zvon, obr. 1 C zobrazuje detail zprohýbané ocelové smyčky v elastické hadičce v drážce zvonu v klidovém stavu a obr. 1 D zobrazuje detail napnuté ocelové smyčky v elastické hadičce v drážce rotujícího zvonu.
Příklady uskutečnění vynálezu
Příklad 1
Základní součástí zařízení podle vynálezu je zvon 1, který je vyrobený z pryže pro speciální použití BUTYL (IIR) AG30, s dobrou pevností, tvrdostí, tažností, odolností vůči vyšším teplotám a výbornou odolností vůči kyselinám, ve tvaru komolého kužele s průměrem spodní kruhové podstavy 12 cm, průměrem horní podstavy 15 cm a výškou 5 cm byl opatřen dvěma podélnými drážkami 2 (obr. 1 A). Tloušťka stěny zvonu 1 byla 1 cm a hloubka drážek 2 byla 0,3 cm. Vnitřní průměr první drážky 2 byl 13 cm, průměr druhé drážky 2 byl 14 cm. Pro každou drážku 2 byla k dispozici sada 3 ocelových lanek 5 (smyček) různých délek v elastických hadičkách 6 ze silikonové pryže, které drží ocelová lanka 5 spolehlivě uvnitř příslušné drážky 2, i když zvon 1 nerotuje, přestože délka ocelových lanek 5 je vyšší, než průměr příslušných drážek 2. To je umožněno tím, že se smyčky z ocelového lanka 5 nenacházejí v napnutém stavu, ale jsou různým nepravidelným způsobem v elastické hadičce 6 zprohýbány (obr. 1 C). Při rotaci pryžového zvonu 1 dojde odstředivou silou vzhledem k jeho elasticitě k jeho tvarové deformaci - rozevírání jeho původního tvaru (obr. 1 B). Toto rozevírání původního tvaru zvonu 1 je zastaveno, když dojde k napnutí ocelových smyček v obou drážkách 2 v pryžových hadičkách 6 (obr. 1 D). Průměry smyček v sadě pro spodní drážku 2 v napnutém stavu (obr. 1 D) byly 13,5; 14a 15 cm. Průměry smyček v sadě pro horní drážku 2 v napnutém stavu (obr. 1 D) byly 15;16al8cm.
Zvon 1 byl připevněn na hřídel elektromotoru 3 a roztáčen rychlostí 3 000 otáček za minutu. Drážky 2 zvonu 1 byly postupně osazeny kombinací ocelových smyček 13,5 až 15 cm; 14 až 16 cm; nebo 15 až 18 cm v pryžových hadičkách 6. Na dno zvonu 1 byl čerpadlem 4 přiváděn 20% hmotn./hmotn. vodný roztok polyvinylalkohoholu (Sloviol R, FICHEMA) ve vodě, hodnota pH nebyla upravována. Směs nanovláken a mikrovláken byla produkována na hraně rotujícího zvonu 1 odstředivou silou z tenkého filmu, vytvářeného na jeho vnitřním povrchu, nasávána podtlakem do sběrného prostoru a postupně akumulována ve formě souvislé vrstvy na síťce z jemného pletiva z nerezového drátu. Průtoková rychlost čerpadla 4 byla optimalizována s použitím kombinace ocelových smyček 13,5 až 15 cm s cílem minimalizovat defekty - kapičky nebo díry v získané vrstvě nanovláken a mikrovláken. Jako optimální byl nastaven průtok čerpadla 4 5 ml.min1, který byl použit pro všechny následující pokusy. S každou kombinací smyček byl zvon 1 ponechán v provozu 5 minut. Po ukončení pokusu byla směs nanovláken a mikrovláken zachycených na síťce analyzována mikroskopicky pro stanovení distribuce průměrů vláken, jejich uspořádání, výskyt defektů (kapičky a díry) a zvážena.
-4 CZ 308269 B6
Tabulka výsledků 1
Kombinace smyček
Distribuce průměrů vláken (nm)
13,5 -15 cm
- 450
-16 cm
100-650
Hmotnost vláken (g)
4,89
4,63
15-18 cm
300- 1000 4,18
Výskyt defektů (kapičky, díry) nízký (ca 5 %) střední (ca 8 %) vysoký (ca 20 %)
Vyhodnocení výsledků
Při nejmenším rozevření rotujícího zvonu 1 s použitím kombinace smyček 13,5 až 15 cm byla získána nejvyšší produktivita vláken, nejnižší rozsah průměrů vláken a byl pozorován nejnižší výskyt defektů. Se zvyšujícím se rozevření rotujícího zvonu 1 hmotnost získaných vláken klesala a vlákna měla vyšší průměr. Důvodem poklesu produktivity byl vyšší obsah větších kapiček produkovaných na hraně zvonu 1, které nebyly vzhledem k vyšší hmotnosti a rychlosti odsány do sběrného prostoru. Rozsah rozevření zvonu 1, umožněný kombinací smyček 13,5 až 15 cm, se v tomto případě jevil jako optimální. Větší rozevření zvonu 1 umožňuje zvýšení průměru produkovaných vláken, snižuje produktivitu díky ztrátám ve formě kapiček a také vede k většímu výskytu defektů v síti vláken, zejména větších kapiček.
Příklad 2
Byl použit totožný pryžový zvon j. se dvěma drážkami 2 a sadami ocelových smyček, jako při pokusech popsaných v Příkladu 1. Veškeré uspořádání pokusů a podmínky byly totožné, ale místo roztoku polyvinylalkoholu byl použit 12 % hmota./hmota, želatiny z vepřové kůže, typ A (Sigma) ve vodném roztoku kyseliny octové, s hodnotou pH 3,2.
Tabulka výsledků 2
| Kombinace smyček | Distribuce průměrů vláken (nm) | Hmotnost vláken (q) | Výskyt defektů (kapičky, díry') |
| 13,5 -15 cm | 75 - 550 | 2,78 | nízký (ca 5 %) |
| 14 -16 cm | 75 - 550 | 2,86 | nízký (ca 5 %) |
| 15 -18 cm | 150- 1200 | 2,23 | vysoký (ca 15 %) |
Vyhodnocení výsledků
Při kombinacích smyček 13,5 až 15 cm a 14 až 16 cm byla získána podobná produktivita a stejný rozsah distribuce průměrů vláken. Při použití kombinace smyček 14 až 16 cm byla dosažená produktivita dokonce o něco vyšší, než při použití kombinace smyček 13,5 až 15 cm, aniž by došlo ke zvýšení frekvence defektů vytvořené sítě vláken. Při vyšším rozevření rotujícího zvonu 1 při použití kombinace smyček 15 až 18 cm již významně vzrostl průměr produkovaných vláken, došlo ke zvýšení počtu defektů, zejména kapek, a došlo k významnému snížení produkční rychlosti vláken. Snížení produktivity tvorby vláken při největším rozevření zvonu 1 je způsobeno vyšším obsahem větších kapiček produkovaných na hraně zvonu 1, které nebyly vzhledem k vyšší hmotnosti a rychlosti odsány do sběrného prostoru. V tomto případě se jako optimální jevil rozsah rozevření zvonu 1 umožněný kombinací smyček 14 až 16 cm. Při tomto rozsahu rozevření zvonu 1 bylo možno rychlost produkce nanovláken a mikrovláken ještě zvýšit navýšením průtoku čerpadla 4 o cca 20 %, bez významného nárůstu defektů v síti vláken.
Průmyslová využitelnost
Zvon s proměnlivou geometrií je vhodný pro rychlou optimalizaci tvaru rotujícího zvonu a tím i produkční rychlosti a vlastností nanovláken či mikrovláken vyrobených z různých polymemích materiálů. Může být tedy použit pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken z různých přírodních i syntetických polymerů. Mimořádně vhodný je pro experimentální studie zaměřené na stanovení způsobu, jaký výsledný tvar rotujícího zvonu ovlivňuje produkční rychlost a vlastnosti nanovláken a mikrovláken vyrobených z různých polymemích materiálů, které se liší svými vlastnostmi.
Claims (2)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Zařízení s proměnlivou geometrií pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken, vyznačující se tím, že se skládá z kónického zvonu (1), který je na vnějším povrchu opatřen 1 až n podélnými drážkami (2) pro vložení smyček z tenkého ocelového lanka (5), umístěných v obalu ve tvaru hadičky (6), jejíž vnitřní průřez je větší než průřez ocelového lanka (5), kdy obvod smyčky z ocelového lanka (5) je o 5 až 30 % delší než obvod elastické hadičky (6), přičemž zvon (1) je umístěn na hřídeli motoru (3) o výkonu 1000 až 30 000 otáček za minutu a na dno rotujícího zvonu (1) je hřídelí motoru (3) či hadičkou či trubičkou vedenou do zvonu (1) shora přiváděn čerpadlem (4) roztok obsahující zvlákňovaný polymer.
- 2. Zařízení podle nároku 1 vyznačující se tím, že zvon (1), je vyroben z tvrdé přírodní či syntetické pryže či jiného pevného elastického materiálu a hadičky (6) jsou vyrobeny z pevného elastického materiálu nebo z latexové či silikonové pryže nebo termoplastického elastomeru.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2012-640A CZ308269B6 (cs) | 2012-09-17 | 2012-09-17 | Zařízení s proměnlivou geometrií pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2012-640A CZ308269B6 (cs) | 2012-09-17 | 2012-09-17 | Zařízení s proměnlivou geometrií pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2012640A3 CZ2012640A3 (cs) | 2014-10-01 |
| CZ308269B6 true CZ308269B6 (cs) | 2020-04-08 |
Family
ID=51617960
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2012-640A CZ308269B6 (cs) | 2012-09-17 | 2012-09-17 | Zařízení s proměnlivou geometrií pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ308269B6 (cs) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080136054A1 (en) * | 2006-12-08 | 2008-06-12 | Spindynamics, Inc. | Fiber and nanofiber spinning apparatus |
| US20080242171A1 (en) * | 2007-03-29 | 2008-10-02 | Tao Huang | Production of nanofibers by melt spinning |
| CZ2007653A3 (cs) * | 2007-09-19 | 2009-04-01 | Výzkumný ústav textilních stroju Liberec, a. s. | Zpusob a zarízení k výrobe lineárního nanovlákenného útvaru |
| WO2009079523A2 (en) * | 2007-12-17 | 2009-06-25 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Centrifugal solution spun nanofiber process |
-
2012
- 2012-09-17 CZ CZ2012-640A patent/CZ308269B6/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080136054A1 (en) * | 2006-12-08 | 2008-06-12 | Spindynamics, Inc. | Fiber and nanofiber spinning apparatus |
| US20080242171A1 (en) * | 2007-03-29 | 2008-10-02 | Tao Huang | Production of nanofibers by melt spinning |
| CZ2007653A3 (cs) * | 2007-09-19 | 2009-04-01 | Výzkumný ústav textilních stroju Liberec, a. s. | Zpusob a zarízení k výrobe lineárního nanovlákenného útvaru |
| WO2009079523A2 (en) * | 2007-12-17 | 2009-06-25 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Centrifugal solution spun nanofiber process |
| US20090160099A1 (en) * | 2007-12-17 | 2009-06-25 | Tao Huang | Centrifugal solution spun nanofiber process |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2012640A3 (cs) | 2014-10-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102703998B (zh) | 一种静电纺纳米纤维的喷气纺成纱装置及制备方法 | |
| Almetwally et al. | Technology of nano-fibers: Production techniques and properties-Critical review | |
| US9527257B2 (en) | Devices and methods for the production of microfibers and nanofibers having one or more additives | |
| Teo et al. | A dynamic liquid support system for continuous electrospun yarn fabrication | |
| CN103147179B (zh) | 静电纺纳米纤维喷气纺纱机与使用方法 | |
| US8668854B2 (en) | Process and apparatus for producing nanofibers using a two phase flow nozzle | |
| US20110180951A1 (en) | Fiber structures and process for their preparation | |
| US11697892B2 (en) | Device and method for producing polymer fibers and its uses thereof | |
| GB2529894A (en) | Device and method for preparing a continuous nanofibrous yarn | |
| CN105658850B (zh) | 静电纺丝长丝 | |
| Ali et al. | Electrospinning of continuous nanofiber bundles and twisted nanofiber yarns | |
| WO2016128844A1 (en) | Nano face mask and method for producing the same | |
| CN102560896A (zh) | 一种具有纳米纤维层复合功能膜的制备方法及其装置 | |
| JP6337093B2 (ja) | 極細繊維の製造方法 | |
| He et al. | Fabrication of continuous nanofiber core-spun yarn by a novel electrospinning method | |
| CN107502957A (zh) | 批量化预集束高支纳米纤维纱线生产装置及其使用方法 | |
| CN103173879B (zh) | 单向排列的静电纺纳米初生长纤维的立式流动水浴收集方法及其装置 | |
| Das et al. | Electrospinning: the state of art technique for the production of nanofibers and nanofibrous membranes for advanced engineering applications | |
| Kouhi et al. | Needleless electrospinning | |
| CN103103642A (zh) | 一种取向静电纺纳米纤维涡流纺成纱装置及方法 | |
| KR20110101505A (ko) | 회전형 노즐을 이용한 나노섬유 부직포 제조장치 및 그의 제조방법 | |
| 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 | |
| Zhou et al. | Developments in electrospinning of nanofiber yarns | |
| CZ308269B6 (cs) | Zařízení s proměnlivou geometrií pro odstředivou výrobu mikrovláken a nanovláken | |
| US20170268132A1 (en) | A centrifugal spinning device used for nanofiber/microfiber production |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20210917 |