CZ30990U1 - Textilní materiál obsahující nanovlákennou vrstvu - Google Patents

Description

Textilní materiál obsahující nanovlákennou vrstvu

Oblast techniky

Technické řešení se týká textilních filtračních médií obsahujících nanovlákennou vrstvu, určených zejména pro filtraci vzduchu nebo kapalin, k zachycení prachových částic nebo mikroorganismů, případně se týká separačních materiálů nebo paropropustných membrán pro využití v textilu, obuvi apod.

Dosavadní stav techniky

Nej frekventovanější výrobní technologie nanovlákenných membrán využívá princip elektrostatického zvlákňování - elektrospiningu. Nanovlákna tažená zvlákňovací elektrodou z roztoku polymeru se ukládají na substrát - podkladovou textilií, za níž je umístěna sběmá elektroda. Nanovlákna procházejí definovanou rychlostí mezi zvlákňovací a sběrnou elektrodou ve zvlákňovací komoře. Tato technologie výroby nanovlákenné vrstvy je popsána např. v EP 1673493 Bl.

V US 6554881 Bl se uvádí způsob vytvoření separované nanovlákenné vrstvy. Způsob spočívá v tom, že se extruduje roztavený polymemí materiál sítí trysek do proudu horkého vzduchu, který uloží nanovlákna do vrstvy na pás substrátu pohybující se na válcích. Následně se vrstva nanovláken kontinuálně odděluje od substrátu, zbaví se elektrostatického náboje a navinuje na válec.

Pri vývoji textilních materiálů obsahujících nanovlákennou vrstvu se parametry nanovlákenné vrstvy volí s ohledem na požadované vlastnosti finálního materiálu. V případě filtračních médií pro filtraci vzduchu se jedná o hodnoty filtrační účinnosti a prodyšnosti materiálu. U materiálů určených na filtraci kapalin se jedná zejména o porozitu filtrační membrány. Ta je rozhodující pro účinnost filtrace a propustnost pro kapalinu. V případě materiálů určených k odstranění mikroorganismů ze vzduchuje podstatná účinnost záchytu mikroorganismů.

Pri výrobě kompozitních textilních materiálů obsahujících nanovlákennou vrstvu se postupuje tak, jak je např. popsáno v CZ 305230: Bariérová textilie s nanovlákennou vrstvou je tvořena sendvičem obsahujícím základní materiál - substrát z netkané textilie, na kterém je uspořádána alespoň jedna nanovlákenná vrstva. Nanovlákenná vrstva lpí na substrátu typu spunbond a je opatřena krycí vrstvou vybranou z různých druhů textilií podle účelu použití výsledného materiálu. Dobré přilnutí nanovlákenné vrstvy k substrátu je zajištěno roztokem adheziva nanášeného na substrát před uložením nanovlákna. Soudržnost krycí vrstvy s nanovlákennou vrstvou a substrátem je zajištěna laminací, a to buď s využitím dalšího adheziva, nebo pouze působením tlaku a tepla.

Tímto způsobem se vytvoří sendvičová struktura, jejíž jednou vrstvou je původní substrát.

V řadě případů však vhodným materiálem pro cílové využití může být pouze krycí materiál opatřený nanovlákennou vrstvou, tedy materiál, ve kterém substrát není vůbec zastoupen, anebo sendvičový materiál, ve kterém je substrát nahrazen jinou, pro daný účel vhodnější textilií.

V takovém případě se nanovlákna ukládají ve zvlákňovací komoře na osvědčený substrát, který není ošetřen adhezivem, a nanovlákenná vrstva se ze substrátu odděluje a navíjí na válec, jak je popsáno v citovaném US 6554881. Z válce se pak odvíjí na plochu funkční textilie o požadovaných vlastnostech a na ní se adjustuje, např. adhezivy, laminováním apod. Nanovlákenná vrstva může být podle potřeby překryta i z druhé strany další textilií.

Tento postup je však možný jen pokud nanovlákenná vrstva má dostatečnou soudržnost. Za tím účelem mohou být během procesu vytváření nanovlákenné vrstvy do její struktury přidávána mikrovlákna, jak je popsáno v CZ 306018, nebo se nástřikem nízkotlakou vakuovou plazmou vytváří kontinuální film, který po zatuhnutí mechanicky spojuje sousední nanovlákna - viz CZ 305675. Ukazuje se však, že vytvořit zpevněnou manipulovatelnou nanovlákennou vrstvu je možné, jen pokud nanovlákenná vrstva vykazuje specifickou hmotnost minimálně 1 gm'². Nanovlákenné membrány o nižší specifické plošné hmotnosti nemají postačující soudržnost, trhají se a neumožňují transfer na nový podklad.

. i .

CZ 30990 Ul

Struktura, tloušťka a další vlastnosti nanovlákenné membrány jsou ovlivněny mnoha parametry procesu elektrostatického zvlákňování, např. koncentrací a vodivostí polymemího roztoku, rozdílem napětí na zvlákňovací a sběrné elektrodě, vzdáleností elektrod, relativní vlhkostí vzduchu v komoře a v neposlední řadě typem substrátu.

Bylo zjištěno, že proces elektrospiningu je významně ovlivněn měrným elektrickým odporem rezistivitou substrátu. Rezistivita je schopnost hmoty bránit průchodu elektrického proudu. U textilií se rozlišuje povrchová elektrická rezistivita a objemová elektrická rezistivita. Povrchová rezistivita p_s je odpor materiálu měřený mezi dvěma elektrodami přiloženými na jeho povrch, zatímco objemová rezistivita p_v je odpor materiálu umístěného mezi dvěma elektrodami.

A to je případ elektrostatického zvlákňování, kdy jsou elektrody umístěny na opačných stranách substrátu. Pro objemovou rezistivitu p_v platí p_v = R_v. S/h [Ωπι], kde

R_v je odpor [Ω] h je tloušťka textilie [m]

5 j e plocha elektrod [m²].

Byla měřena objemová rezistivita různých materiálů používaných jako substrát pro elektrospining. Měření rezistivity bylo provedeno dle normy ČSN EN 62340 - 2-3 Metody zkoušek pro stanovení rezistance a rezistivity tuhých rovinných materiálů, používaných k zabránění akumulace elektrostatického náboje.

Výsledky j sou v následuj ící tabulce:

Materiál	Výrobce	Objemová rezistivita [Ώ]
Pervin 45 g/m2	Perla, netkané textilie a.s.	8,02 E+08
Sontara 55 g/m2	Du Pont	6,95 E+08
Pegatex S20, 20 g/m2 antistatická úprava	Pegas Nonwovens, a.s.	5,38 E+05
Pegatex S30, 30 g/m2 antistatická úprava	Pegas Nonwovens, a.s.	1,40 E+06
Pegatex S60, 60 g/m2	Pegas Nonwovens, a.s.	2,74 E+10
Síťka PET	I.Cory s.r.o. (distributor)	5,75 E+09
FNAE 1583, 37 g/m2	Ecotextil, s.r.o.	2,00 E+10
Nylon 100%,N 01020, 20 g/m2	Asahi KASEI Advance Corporation	1,36 E+10
Buffalo PET-COPET bico, 30 g/m2	Mogul Nonwoven	2,69 E+10
Netkaná textilie obsahující uhlíkové částice, 30 g/m2	I.Cory s.r.o. (distributor)	1,91 E+03

Z výsledků je patrné, že se objemová rezistivita používaných materiálů významně liší.

Rezistivita substrátu má kromě kvality nanovlákenné vrstvy aplikované na substrát zásadní vliv na efektivitu produkce nanovlákenné membrány, tedy hmotnosti polymeru, který lze nanést za definovanou jednotku času na jednotku plochy substrátu (g/m²/min). Dokládají to měření dosažitelné rychlosti zvlákňování u tří vzorků různých textilních materiálů: polymerů polyamid 6 (PA6) a polyvinyliden flourid (PVDF), jejichž rezistivita se liší, přičemž koncentrace roztoku zůstává u všech vzorků stejná. Jedná se vesměs o materiály běžně používané jako substrát.

. 7 .

CZ 30990 Ul

Měření bylo provedeno technologií Nanospider™, konkrétně na stroji NS8S1600U:

Vzorek 1

Vrstva nanovláken PA6 z roztoku o koncentraci polymeru 14 %, při plošné hmotnosti vrstvy 2 g/m² a při průměrech vláken 120 až 200 nm byla vytvořena na substrátu Sontara rychlostí zvlákňování 55 cm/min. Na podklad PEGATEX S30 byla vrstva o stejné plošné hmotnosti vytvořena rychlostí zvlákňování 73 cm/min.

Vzorek 2

Vrstva nanovláken PA6 z roztoku o koncentraci polymeru 12%, o průměrech vláken 120 až 150 nm, s filtrační účinností 98% na částice o velikosti 0,3 pm byla vytvořena na substrátu Buffalo PET-COPET bico rychlostí 2,8 m/min. Na podklad PEGATEX S30 byla vrstva stejné filtrační účinnosti vytvořena rychlostí zvlákňování 3,9 m/min.

Vzorek 3

Vrstva nanovláken PVDF z roztoku o koncentraci polymeru 12 %, o průměrech vláken 120 až 170 nm, s filtrační účinností 90 % na částice o velikosti 0,3 pm byla vytvořena na substrátu FNAE 1583 rychlostí zvlákňování 6,1 m/min. Na podklad PEGATEX S30 byla vrstva stejné filtrační účinnosti vytvořena rychlostí zvlákňování 7,9 m/min.

Je zřejmé, že substráty s nižší hodnotou objemové rezistivity umožňují vyšší produktivitu procesu elektrostatického zvlákňování, při dosažení stejných parametrů plošné hmotnosti resp. filtrační efektivity nanovlákenné vrstvy, a to při obdobných průměrech vláken.

Produktivita výrobního procesu se logicky promítá do výrobních nákladů při výrobě materiálů obsahujících nanovlákennou vrstvu.

Při výrobě složených textilních materiálů obsahujících nanovlákennou vrstvu není možno se omezit pouze na materiály s nízkou objemovou rezistivitou. Aby výsledný materiál měl takové vlastnosti, které jej předurčují ke konkrétnímu užití, musí v řadě případů obsahovat i materiály s vysokou rezistivitou, které, pokud by sloužily jako substrát při vytváření nanovlákennné vrstvy, výrazně zhorší efektivitu výroby výsledného materiálu.

Technické řešení si klade za úkol navrhnout kompozitní textilní materiál obsahující nanovlákennou vrstvu, který integruje samotnou nanovlákennou vrstvu o plošné specifické hmotnosti nižší než 1 g/m², bez ohledu na elektrickou rezistivitu textilního nosiče, na kterém je nanovlákenná vrstva v hotovém výrobku uplatněna.

Podstata technického řešení

Uvedený úkol řeší textilní materiál obsahující textilní nosič s připojenou nanovlákennou vrstvou vytvořenou technologií elektrostatického zvlákňování, extruzí nebo jinou zvlákňovací technologií, přičemž jako textilní nosič je užita netkaná textilie s bikomponentními vlákny, jejíž složkou je polyester tavitelný za nízké teploty a přičemž nanovlákenná vrstva má plošnou specifickou hmotnost nejvýše 1 g/m² a s textilním nosičem je spojena laminací.

Laminačním činidlem může být práškové nebo tavné lepidlo nanesené na textilní nosič v ploše nebo v podobě bodového rastru nebo síta.

Nanovlákenná vrstva může být s výhodou překryta krycí textilní vrstvou za účelem ochrany nanovlákenné vrstvy před mechanickým poškozením.

Do nanovlákenné struktury může být přidáno antímikrobiální aditivum zajišťující bakteriocidní vlastnosti filtrační vrstvy.

Popsaný materiál je využitelný i s velmi tenkými nanovlákennými vrstvami, např. vrstvami s plošnou hmotností od 0,01 g/m², přičemž hodnota plošné hmotnosti vrstvy není omezujícím faktorem. Proces transferu nanovlákenné vrstvy ze substrátu na jiný textilní materiál je spojen s technologií laminace, tj. s pojením přenášené nanovlákenné vrstvy s jiným textilním materiálem. Prakticky je možné využít všechny druhy technologií textilní laminace pomocí

-3CZ 30990 Ul lepidel (hot melt, prášková lepidla, tavné síťky) nebo technologie využívající působení tepla (termobonding), které nemají destruktivní vliv na nanovlákennou strukturu. Nelze tedy použít například technologii vpichování vláken.

V případě vrstev o plošné hmotnosti 0,01 až 0,5 g/m² se převážně jedná o vrstvy pro vzdušnou filtraci. V případě vrstev 0,5 až 6,0 g/m² se jedná o materiály pro kapalinovou filtraci. Vrstvy 0,5 až 10 g/m² je možné přenést na finální nosiče pro aplikaci v paropropustných membránách. Vrstvy o plošné hmotnosti od 1,0 g/m² je možné transferovat na nosiče určené pro výrobu zdravotnických prostředků, např. krytů ran, chirurgických materiálů, substrátů pro kultivaci buněk, apod.

Příklady uskutečněni technického řešení

Technologií elektrostatického zvlákňování byly na výhodném substrátu o objemové rezistivitě 1,40 E +06 vytvořeny nanovlákenné vrstvy z různých polymerů a přeneseny na různé textilní nosiče. Byly tak vytvořeny sendvičové textilní materiály určené pro různé způsoby užití.

Příklad 1- Médium pro filtraci vzduchu

Textilní dvouvrstvý případně třívrstvý materiál je určen pro filtraci prachových částic. Nanovlákenná vrstva byla vyrobena z polymeru polyamid 6 (PA6), nebo polyvinyliden fluorid (PVDF) na substrát PEGATEX S30 antistatická úprava. Filtrační parametry nanovlákenné vrstvy 50 až 99 % pro částice 0,3 mikrometrů, při průchodu vzduchu 85 1/min. Nanovlákenná vrstva je přenesena na materiál FNAE 1583, pro zajištění adheze přenesené nanovlákenné vrstvy na novém nosiči je použito práškové lepidlo EVA T06, dávka 1 až 3 g/m². Spojení nanovlákenné vrstvy s novým textilním nosičem pomocí adheziv je zajištěno tepelnou aktivací adheziv v kombinaci s přítlakem na laminovacích válcích, teplota 100 °C, přítlak 3 bar.

Mechanická stabilita nanovlákenné vrstvy přenesené na nový nosič byla zajištěna překrytím krycí textilní vrstvou spunlace 15 až 17 g/m², která nesnižuje prodyšnost. Spojení krycího materiálu je zajištěno opět přídavkem výše uvedeného adheziva nebo může být použit bikomponentní krycí materiál, který obsahuje tavnou složku aktivující se působením tepla. K propojení dojde kombinací tepla a přítlaku na laminovacích válcích.

Do nanovlákenné struktury může být přidáno antimikrobiální aditivum zajišťující bakteriocidní vlastnosti filtrační vrstvy.

Příklad 2- Médium pro filtraci vzduchu

Textilní dvouvrstvý nebo třívrstvý laminát určený pro filtraci prachových částic.

Nanovlákenná vrstva byla vyrobená z polymeru PA6 na substrát PEGATEX S30 s antistatickou úpravnou. Filtrační parametry nanovlákenné vrstvy 50 až 99 % pro částice 0,3 mikrometrů, při průchodu vzduchu 85 1/min. Nanovlákenná vrstva byla přenesena na materiál bikomponentní polyester 20 až 50 g/m² Buffalo PET-COPET Bico.

Tavná složka netkané textilie byla aktivována teplotou 125 °C, spojení nanovlákenné vrstvy je zajištěno přítlakem 2 bary na laminovacích válcích, rychlost laminace 3 až 5 m/min.

Příklad 3- Médium pro filtraci vzduchu při okenní ventilaci

Textilní dvouvrstvý nebo vícevrstvý laminát, určený pro filtraci prachových částic, pylů a alergenů přítomných ve venkovním prostředí při nucené nebo samovolné okenní ventilaci vzduchu v místnostech budov. Textilní laminát je vhodný pro instalaci do oken, dveří na terasu či balkon, které se používají k větrání místností.

Nanovlákenná vrstva byla vyrobena z polymeru PA6 nebo jiného organického polymeru, nanesena na substrát PEGATEX S30 s antistatickou úpravou. Filtrační účinnost nanovlákenné vrstvy pro záchyt částic 0,3 mikrometrů je dimenzována na 80 % při průtoku vzduchu 82 1/min. Nanovlákenná vrstva byla přenesena na výztužnou síťku (v tabulce síťka PET). Nanovlákenná vrstva je při transferu spojena s výztužnou síťkou adhezivním materiálem Spunfab PA 1001 (ko-polyamid).

-4CZ 30990 Ul

Ke spojení nanovlákenné vrstvy s výstužnou síťkou dojde při teplotě 125 °C a tlaku na válcích 2 bar.

Výztužná síťka zajišťuje pevnost laminátu a jeho mechanickou odolnost vůči povětrnostním podmínkám. Výztužná síťka může být vyrobena z monofilních vláken PA, PES, skelných vláken, směsí PP+PE, atd. Výztužná síťka je při aplikaci vždy umístěna na vnější náletové straně laminátu. Výztužná síťka je definována počtem nití v osnově nebo útku, jedná se o síťky, které mají hustotu 50 až 100 nití na inch (2,54 cm).

S ohledem na typ aplikace jsou všechny citlivé komponenty laminátu stabilizovány proti vlivu UV záření. Struktura nanovlákenné vrstvy je aditivována UV stabilizátorem pro stabilizaci plastů a polymerů např. Eversorb 61, který je dávkován v koncentraci 0,2 až 0,5 % na sušinu polymeru v roztoku.

Pro spojení nanovlákenné vrstvy s výztužnou síťkou byla zvolena tavná síťka (adhesive web), která vykazuje stabilitu proti UV záření, např. Spunfab PA 1001 (ko-polyamid).

Pro zajištění lepší mechanické stability nanovlákenné vrstvy přenesené na výztužnou mřížku je výhodné přenesenou vrstvu zajistit krycí fixační vrstvou. Krycí vrstvou může být další vrstva tavné mřížky Spunfab PA 1001 případně jiný typ netkané textilie propouštějící světlo, např. velmi jemný polyesterový voálu OPTIVEIL (plošná hmotnost 4 až 17 g/m²).

Do nanovlákenné struktury může být přidáno antimikrobiální aditivum zajišťující bakteriocidní vlastnosti filtrační vrstvy.

Parametry výsledného laminátu:

- filtrační účinnost pro částice 0,3 pm > 80 % při průtoku 82 1/min

- prodyšnost laminátu > 400 l/m²/s, při tlaku 200 Pa

- světelná transmisivita > 80 %

Příklad 4- Médium pro filtraci vzduchu při okenní ventilaci, další provedení

Nanovlákenná vrstva vyrobená z polymeru PA6 na substrát/nosič PEGATEX S30 s antistatickou úpravou. Filtrační parametry nanovlákenné vrstvy 80 % pro částice 0,3 mikrometrů, při průtoku vzduchu 82 1/min. Nanovlákenná vrstva byla přenesena na materiál OPTIVEIL polyesterový voál (plošná hmotnost 17 gsm) s obsahem bikomponentních vláken. Při průchodu laminovacími válci byla nanovlákenná vrstva zafixována na nový nosič a byl z ní sejmut původní substrát. Dle uspořádání laminačního stroje může být ve stejném technologickém kroku aplikována krycí vrstva opět z materiálu OPTIVEIL. Pokud to konstrukční uspořádání laminačního stroje neumožňuje, je tato vrstva aplikována při dalším průchodu strojem.

Struktura nanovlákenné vrstvy je aditivována UV stabilizátorem pro stabilizaci plastů a polymerů např. Eversorb 61, který je dávkován v koncentraci 0,2 až 0,5 % na sušinu polymeru v roztoku.

- filtrační účinnost pro částice 0,3 pm > 80 % při průtoku 82 1/min

- prodyšnost > 600 l/m²/s, při tlaku 200 Pa

- světelná transmisivita > 70 %

Příklad 5- Médium pro filtraci vzduchu při okenní ventilaci, další provedení

Nanovlákenná vrstva vyrobená z polymeru PA6 na substrát PEGATEX S30 s antistatickou úpravou. Filtrační parametry nanovlákenné vrstvy 80 % pro částice 0,3 mikrometrů, při průtoku vzduchu 821/min. Nanovlákenná vrstva byla přenesena na materiál OPTIVEIL polyesterový voál (plošná hmotnost 17 gsm) s obsahem bikomponentních vláken. Při průchodu laminátorem byla nanovlákenná vrstva zafixována na nový nosič a z ní sejmut původní substrát. Dle uspořádání laminačního stroje může být ve stejném technologickém kroku prilaminována krycí vrstva z materiálu Milife (výrobce JX Nippon), která je přilepena k nanovlákenné vrstvě pomocí lepidla EVA T06 (dávka 1 až 3 g/m²). Spojení je zajištěno tepelnou aktivací adheziva v kombinaci s přítlakem na laminovacích válcích (teplota 125 °C, přítlak 2 bary)

-5CZ 30990 Ul

Struktura nano vlákenné vrstvy je aditivována UV stabilizátorem pro stabilizaci plastů a polymerů např. Eversorb 61, který je dávkován v koncentraci 0,2 až 0,5 % na sušinu polymeru v roztoku.

- filtrační účinnost pro částice 0,3 pm > 80 % při průtoku 82 1/min

- prodyšnost > 500 l/m²/s, při tlaku 200 Pa

- světelná transmisivita > 75 %

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Textilní materiál obsahující textilní nosič s připojenou nanovlákennou vrstvou vytvořenou technologií elektrostatického zvlákňování, extruzí nebo jinou zvlákňovací technologií, vyznačující se tím, že jako textilní nosič je užita netkaná textilie s bikomponentními ío vlákny, jejíž složkou je polyester tavitelný za nízké teploty, přičemž nanovlákenná vrstva má plošnou specifickou hmotnost nejvýše 1 g/m² a s textilním nosičem je spojena laminací.
2. 2. Textilní materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že laminačním činidlem je práškové nebo tavné lepidlo nanesené na textilní nosič v ploše nebo v podobě bodového rastru nebo síta.

   15
3. 3. Textilní materiál podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že nanovlákenná vrstva je překryta krycí textilní vrstvou.
4. 4. Textilní materiál podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že do nanovlákenné struktury je přidáno antimikrobiální aditivum zajišťující bakteriocidní vlastnosti filtrační vrstvy.