CZ308951B6

CZ308951B6 - Zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymerní matrice

Info

Publication number: CZ308951B6
Application number: CZ201192A
Authority: CZ
Inventors: Jakub Wiener; Wiener Jakub doc. Ing., Ph.D.
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2021-10-06
Also published as: CZ201192A3

Abstract

Zařízení (1) pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymerní matrice (4) v elektrickém zvlákňovacím poli o vysoké intenzitě vytvořeným mezi sběrnou elektrodou (7) a proti ní uspořádanou zvlákňovací elektrodou (2), která zasahuje částí svého povrchu do polymerní matrice (4) uložení v zásobníku (3) polymerní matrice (4), má zvlákňovací elektrodu (2) ,ve tvaru koule, která je volně otočně ve všech směrech uložena v zásobníku (3) polymerní matrice (4), jehož vnitřní prostor má tvar části koule, do kterého je v prostoru pod zvlákňovací elektrodou (2) vyústěn přívod polymerní matrice (4).

Description

Zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymerní matrice

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymerní matrice v elektrickém zvlákňovacím poli o vysoké intenzitě vytvořeným mezi sběrnou elektrodou a proti ní uspořádanou zvlákňovací elektrodou.

Dosavadní stav techniky

Až dosud bylo navrženo několik způsobů pro výrobu nanovláken, tj. vláken s průměrem pod 1 mikrometr, které jsou založeny na různých fýzikálních a/nebo chemických principech. Většina z nich je však díky své vysoké technologické náročnosti, nízké spolehlivosti a nedostatečnému výkonu vhodná pouze pro omezené laboratorní využití. Jediným způsobem, který lze použít pro výrobu nanovláken v průmyslovém měřítku je tak zatím jen elektrostatické zvlákňování kapalné polymerní matrice, při kterém se tato matrice přivádí na povrchu zvlákňovací elektrody do elektrického pole o vysoké intenzitě, kde se jeho silovým působením přetváří na nanovlákna. Ta se následně dle konkrétní technologie ukládají na vhodném podkladovém materiálu nebo přímo na sběrné elektrodě. Při tomto způsobu se obvykle používá zvlákňovací elektroda tvořená podlouhlým rotujícím tělesem, například válcem, popsaná v EP 1673493 nebo její varianty s upraveným tvarem a provedením povrchu dle EP 1910591 nebo EP 2059630, které mají zvýšit výkon elektrostatického zvlákňování a jeho rovnoměrnost. Nevýhodou všech těchto typů zvlákňovacích elektrod však je, že jsou navrženy a optimalizovány výhradně pro výrobu plošných vrstev nanovláken, takže díky jejich délce, která se obvykle pohybuje v desítkách centimetrů, je nelze použít pro takové specifické operace jako je například nanášení nanovláken na členité povrchy a/nebo do dutin výrobků, výroba úzkého pramene nanovláken, apod.

Pro tyto operace lze sice použít známé zvlákňovací elektrody tvořené tryskou (kapilárou) nebo soustavou trysek (kapilár), ze kterých se polymerní matrice do elektrického pole vytlačuje, ale to jen ve velmi omezené míře, neboť trysky se poměrně často ucpávají zasychající polymerní matricí, ajejich výkon je nerovnoměrný a špatně regulovatelný.

Cílem vynálezu je odstranit nebo alespoň eliminovat nevýhody stavu techniky a navrhnout zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymerní matrice.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu se dosáhne zařízením pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymerní matrice v elektrickém zvlákňovacím poli o vysoké intenzitě vytvořeným mezi sběrnou elektrodou a proti ní uspořádanou zvlákňovací elektrodou, která zasahuje částí svého povrchu do polymerní matrice uložené v zásobníku polymerní matrice. Jeho podstata přitom spočívá v tom, že zvlákňovací elektroda má tvar koule a je volně otočně ve všech směrech uložena v zásobníku polymerní matrice, jehož vnitřní prostor má tvar části koule, do něhož je v prostoru pod zvlákňovací elektrodou vyústěn přívod polymerní matrice.

Tento přívod je přitom do zásobníku polymerní matrice vyústěn dle potřeby excentricky nebo centricky.

Zvlákňovací elektroda může být vytvořena z elektricky vodivého materiálu a být uzemněná nebo naopak propojená s jedním pólem zdroje vysokého stejnosměrného napětí. V jiné variantě je vytvořena z elektricky nevodivého materiálu a uzemněná nebo propojená s jedním pólem zdroje vysokého stejnosměrného napětí je polymerní matrice v zásobníku.

- 1 CZ 308951 B6

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu bude vysvětlena s přihlédnutím k přiloženému výkresu, kde je na obr. 1 schematicky znázorněn průřez zařízením pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymemí matrice s volně uloženou zvlákňovací elektrodou, a na obr. 2 průřez jinou variantou tohoto zařízení.

Příklady uskutečnění vynálezu

Zařízení pro výrobu polymemích nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymemí matrice podle vynálezu bude vysvětleno na variantách schematicky znázorněných na obr. 1 a obr. 2, a na jejich funkci.

Zařízení 1 pro výrobu polymemích nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymemí matrice znázorněné na obr. 1 obsahuje zvlákňovací elektrodu 2 tvořenou kulovým tělesem z elektricky vodivého materiálu, která je volně otočně ve všech směrech uložena v zásobníku 3 kapalné polymemí matrice 4 kulového tvaru a částí svého povrchu zasahuje pod hladinu polymemí matrice v něm. Zásobník 3 z elektricky vodivého materiálu je propojen s jedním pólem zdroje 5 vysokého stejnosměrného napětí, přičemž prostřednictvím elektricky vodivé polymemí matrice 4 v něm je s ním propojena i zvlákňovací elektroda 2. V jiné variantě provedení jsou naopak zásobník 3 a zvlákňovací elektroda 2 uzemněny. Ve spodní části zásobníku 3 je do prostoru pod zvlákňovací elektrodou 2 vyústěna dutina 60 dříku 6, která je spojená s neznázoměným zdrojem kapalné polymemí matrice 4. Nad volným povrchem zvlákňovací elektrody 2 je uložena sběrná elektroda 7, tvořená deskou z elektricky vodivého materiálu, která je propojená s opačným pólem zdroje 5 vysokého stejnosměrného napětí než zásobník 3 a zvlákňovací elektroda 2, čímž je mezi ní a zvlákňovací elektrodou 2 vytvořeno elektrické zvlákňovací pole o vysoké intenzitě. V neznázoměných variantách provedení může být použit jakýkoliv jiný vhodný typ sběrné elektrody 7.

Při provozu zařízení znázorněného na obr. 1 se dutinou 60 dříku 6 přivádí do prostom zásobníku 3 pod zvlákňovací elektrodou 2 proti jejímu povrchu z ne znázorněného zdroje kapalná polymemí matrice 4, která zvlákňovací elektrodu 2 částečně nadnáší a silovým působením ji uvádí do náhodného rotačního nebo složeného otáčivého pohybu. Při něm ulpívá na povrchu zvlákňovací elektrody 2 vrstva polymemí matrice 4, která se následně vynáší do elektrického zvlákňovacího pole vytvořeného mezi zvlákňovací elektrodou 2 a sběrnou elektrodou 7. Jeho silovým působením se na povrchu vrstvy kapalné polymemí matrice 4 na zvlákňovací elektrodě 2 známým způsobem formují tzv. Taylorovy kužely, ze kterých se postupně vydlužují jednotlivá polymemí nanovlákna. Ta se následně od vrstvy polymemí matrice 4 oddělují a jsou unášena směrem ke sběrné elektrodě 7, přičemž se ukládají buď přímo na jejím povrchu, nebo na povrchu ne znázorněného vhodného podkladu uloženého nebo vedeného v prostom mezi zvlákňovací elektrodou 2 a sběrnou elektrodou 7, nebo na povrchu podkladu uloženého nebo vedeného mimo tento prostor, k němuž jsou odkloněna například proudem vzduchu. Polymemí matrice 4 na povrchu zvlákňovací elektrody 2 se během jejího náhodného rotačního nebo složeného otáčivého pohybu neustále obměňuje a doplňuje, takže nedochází k přemšení elektrostatického zvlákňování z důvodu jejího nedostatku, ani postupného zatuhnutí.

Konstantní výška hladiny polymemí matrice 4 v zásobníku 3 je dosažena přepadem jejího přebytečného množství přes stěnu zásobníku 3. Tato polymemí matrice 4 se přitom neznázoměným vedením vrací buď do zdroje polymemí matrice 4, nebo do dutiny 60 dříku 6, případně se odvádí do neznázoměného zařízení k regeneraci nebo do odpadu.

Jako podklad pro uložení polymemích nanovláken může být použit plošný útvar, nebo v podstatě jakékoliv těleso s libovolně členitým povrchem. Relativně malé rozměry zvlákňovací elektrody 2 a zásobníku 3 v kombinaci s vhodnou délkou dutého dříku 6 a případně i jeho pohyblivým

-2 CZ 308951 B6 uložením přitom umožňují umístit zvlákňovací elektrodu 2 do těsné blízkosti dutiny tohoto tělesa, nebo dokonce přímo do ní, a ukládat tak polymemí nanovlákna na jeho vnitřní povrch. Toto těleso přitom může současně sloužit jako sběrná elektroda a být uzemněno nebo propojeno s opačným pólem zdroje 5 vysokého stejnosměrného napětí než zvlákňovací elektroda 2. Tato varianta je znázorněna na obr. 2. Zvlákňovací elektroda 2 ve tvaru koule z elektricky vodivého materiálu je přitom stejně jako u varianty znázorněné na obr. 1 uložena volně otočně ve všech směrech zásobníku 3 polymemí matrice 4 kulového tvaru a částí svého povrchu zasahuje pod její hladinu. Stěna zásobníku 3 z elektricky vodivého materiálu je přitom zvýšena nad část volného povrchu zvlákňovací elektrody 2 a kopíruje její tvar. Zásobník 3 je propojen s jedním pólem zdroje 5 vysokého stejnosměrného napětí, přičemž prostřednictvím elektricky vodivé polymemí matrice 4 vněm je sním propojena i zvlákňovací elektroda 2. Díky tomu jsou vytvářená polymemí nanovlákna odpuzována od stejně elektricky nabitých stěn zásobníku 3 polymemí matrice 4 a usměrňována do prostom nad volnou částí povrchu zvlákňovací elektrody 2.

Dutina 60 dříku 6 je v tomto případě vytvořena excentricky, což zajišťuje momentové působení přiváděné polymemí matrice 4 na zvlákňovací elektrodu 2 a usnadňuje její uvedení do náhodného rotačního nebo složeného otáčivého pohybu. V dříku 6 je přitom vedle dutiny 60 vytvořeno odpadní vedení 61 pro odvod přebytečné polymemí matrice 4, která přepadává přes přepad tvořený horní hranou stěny zásobníku 3. Z tohoto důvodu je odpadní vedení 62 vytvořeno po celém obvodu zásobníku 3 jako otvor ve tvaru mezikmží. V jiných ne znázorněných variantách provedení je pak odpadní vedení 61 tvořeno dle umístění přepadu/přepadů ve stěně zásobníku 3 vhodným počtem vhodně uspořádaných, vedených a tvarovaných otvorů, případně jiným vhodným způsobem.

Namísto sběrné elektrody 7 je v prostom nad zvlákňovací elektrodou 2 uloženo těleso 8 z elektricky vodivého materiálu, které obsahuje dutinu 81. která je uspořádaná proti volné části povrchu zvlákňovací elektrody 2. Toto těleso 8 je propojeno s opačným pólem zdroje 5 vysokého stejnosměrného napětí než zvlákňovací elektroda 2, případně je uzemněno, takže mezi ním a volnou částí povrchu zvlákňovací elektrody 2, vzniká elektrické zvlákňovací pole o vysoké intenzitě. Nanovlákna se přitom vytváří pouze z polymemí matrice, která se aktuálně nachází na této volné části povrchu zvlákňovací elektrody 2 proti tělesu 8 a jsou unášena přímo do jeho dutiny 81. kde se ukládají na vnitřním povrchu. Těleso 8 se přitom může v případě potřeby pohybovat.

Pro zvlákňování kapalné polymemí matrice 4, která je elektricky vodivá je možné místo zvlákňovací elektrody 2 z elektricky vodivého materiálu použít zvlákňovací elektrodou 2 z elektricky nevodivého materiálu, přičemž elektrický náboj je nesen polymemí matricí 4 na jejím povrchu. Z elektricky nevodivého materiálu mohou být vytvořeny také zásobník 3 polymemí matrice 4 a/nebo dřík 6, přičemž elektrický náboj ze zdroje 5 vysokého stejnosměrného napětí je přiveden přímo do polymemí matrice 4. Pro zvlákňování elektricky nevodivé polymemí matrice 4 musí být zvlákňovací elektroda 2 vytvořena z elektricky vodivého materiálu, která je propojena s pólem zdroje 5 vysokého stejnosměrného napětí nebo uzemněna, a to buď přímo, nebo prostřednictvím ne znázorněného vhodného pomocného prvku, jakým je například rtuťová elektroda uložená v zásobníku 3 kapalné polymemí matrice 4, která je ve stálém kontaktu se zvlákňovací elektrodou 2.

Všechny popsané varianty provedení se tedy od stávajících zařízení pro elektrostatické zvlákňování liší jak tvarem zvlákňovací elektrody 2, který umožňuje usměrnit vytvářená nanovlákna do požadovaného prostom, tak i tím, že tato zvlákňovací elektroda 2 vykonává v zásobníku 3 polymemí matrice 4 náhodný rotační nebo složený otáčivý pohyb, který je vyvolán silovým a/nebo momentovým působením kapalné polymemí matrice 4 přiváděné do zásobníku 3 proti jejímu povrchu.

V některých neznázoměných specifických variantách provedení přitom může být zvlákňovací elektroda 2 uložena na hřídeli, který usměrňuje její původně náhodný pohyb na otáčení v jednom směru - okolo podélné osy hřídele, a případně slouží i pro její propojení se zdrojem 5 vysokého

-3CZ 308951 B6 stejnosměrného napětí nebo uzemnění. Hřídel přitom může být spřažen s pohonem pro otáčení zvlákňovací elektrody.

Zařízení 1 pro výrobu nanovláken podle vynálezu může být dle potřeby dále přizpůsobeno 5 vhodným uspořádáním a/nebo tvarováním zvlákňovací elektrody 2 a/nebo zásobníku 3 polymemí matrice 4 a/nebo dříku 6 pro zvlákňování směrem nahoru, směrem do boku nebo šikmo do boku.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení (1) pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním kapalné polymemí matrice (4) v elektrickém zvlákňovacím poli o vysoké intenzitě vytvořeným mezi sběrnou elektrodou (7) a proti ní uspořádanou zvlákňovací elektrodou (2), která zasahuje částí svého povrchu do polymemí matrice (4) uložené v zásobníku (3) polymemí matrice (4), vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda (2) má tvar koule a je volně otočně ve všech směrech uložena v zásobníku (3) polymemí matrice (4), jehož vnitřní prostor má tvar části koule, do něhož je v prostoru pod zvlákňovací elektrodou (2) vyústěn přívod polymemí matrice (4).
2. Zařízení (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že přívod polymemí matrice (4) je do zásobníku (3) polymemí matrice (4) vyústěn excentricky.
3. Zařízení (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že přívod polymemí matrice (4) je do zásobníku (3) polymemí matrice (4) vyústěn centricky.
4. Zařízení (4) podle libovolného z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda (2) je vytvořena z elektricky vodivého materiálu.
5. Zařízení (1) podle libovolného z nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že zvlákňovací elektroda (2) je vytvořena z elektricky nevodivého materiálu.