CZ35864U1 - Zvlákňovací hlava - Google Patents

Description

Zvlákňovací hlava

Oblast techniky

Technické řešení se týká zvlákňovací hlavy pro kontinuální výrobu membrán nanovlákenných a submikronových vlákenných struktur, a to odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsi s minimalizovaným množstvím strukturních defektů vláken.

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. V případě inkorporace aditiv může vlivem elektrostatického náboje docházet k jejich poškození, a to buď k nežádoucí krystalizaci inkorporovaných látek, nebo jejich oxidaci vlivem přítomnosti ozónu, který kvůli elektrostatickému poli ve zvlákňovací oblasti vzniká.

Dalším způsobem výroby nanovláken a submikronových vláken je odstředivé zvlákňování. Jde o 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. Zároveň nezpůsobuje výše popsané poškození aditiv dané přítomností elektrostatického pole.

Klasickým odstředivým zvlákňováním lze vyrobit pestrou škálu polymemích vláken, a to jak ze syntetických polymerů, tak z polymerů přírodních. Touto metodou lze zvláknit i anorganické prekurzory, které 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 buď submikronové vlákenné či nanovlákenné struktury, které se obvykle nanášejí na nějaký substrát a tvoří plošné útvary a membrány nebo objemné 3D vlákenné materiály vatovité struktury. Pro oba typy výroby je potřeba zajistit kvalitní vlákna bez strukturních defektů, které mají nežádoucí vliv na výslednou kvalitu produktů. Obdobné struktury lze vytvořit i technologií meltblown, 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 prosycení zvlákňovaného roztoku bublinkami vzduchu pak mohou vznikat jemnější vlákna.

Zajímavou alternativou odstředivého zvlákňování z trysek je zvlákňování z povrchu rotujícího disku, či válce, či z povrchu jiných rotačních těles. 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 vláken.

Pro odstředivé zvlákňování již byla navržena řada zvlákňovacích hlav, některé z nich jsou součástí laboratorních zařízení, která nejsou určena pro nepřetržitý provoz a nereflektují tak specifické

- 1 CZ 35864 UI potřeby průmyslové výroby. Veškeré zvlákňovací hlavy se postupně zanášejí polymemím roztokem či taveninou, což vyžaduje technologické odstávky zvlákňovacího zařízení. Zvlákňovací hlavy bez vyjímatelných zvlákňovacích trysek je nutné čistit celé, což je složité a časově náročné. Existují i otevřené systémy, jejichž zvlákňovací hlavy se sice čistí mnohem snadněji, ale právě díky otevřenému systému dochází v okolí rotační hlavy k intenzivnímu odpařování rozpouštědla či intenzivnímu chlazení taveniny, což má za následek rychlejší zanášení a častější odstávky, ale také nehomogenity ve zvlákňovacím procesu. Zvlákňovací hlava (spinereta) pro průmyslovou výrobu membrán z nano vláken a submikronových vláken nebo pro výrobu 3D nanovlákenných a submikronových vlákenných struktur musí být rozebíratelná, snadno přístupná a jednoduše čistitelná. Ideálně musí obsahovat vyjímatelnou soustavu zvlákňovacích trysek, které je možné vyměnit a následně vyčistit tak, aby v průmyslové výrobě nemuselo docházet k dlouhým odstávkám. Stávající řešení takovou možnost nabízí, během technologické přestávky jsou vyjmuty a nahrazeny pouze soustavy trysek a následně vyčištěny. Rozebíratelná zvlákňovací hlava ale díky tomu není dokonale hladká, což způsobuje zatékání polymemího roztoku či taveniny do nerovností, prohlubní či spojů a z těchto míst se následně během provozu generují kapky, které zhoršují kvalitu vlákenné membrány. Zatékání mohou způsobovat i zvlákňovací hlavy bez vyjímatelných trysek, které sestávají z více kusů a mají na svém obvodu rýhu danou konstrukcí sestavy, a to především vlivem nepřesnosti výroby. Vlivem kapkových defektů pak dochází především ke snížení prodyšnosti a zvýšení tlakové ztráty 2D membrán, tyto parametry jsou ale pro některé typy produktů, jako filtry nebo roušky a respirátory, naprosto klíčové a jejich zhoršení je nežádoucí. V případě objemných 3D materiálů, které slouží jako prekurzory anorganických vláken, jsou kapkovité defekty nežádoucí především v případě kompozitů dopovaných anorganickými vlákennými strukturami, kde významně zhoršují mechanické vlastnosti výsledných kompozitů.

Tvorba kapkovitých defektů je obecně jedním ze stěžejních problémů tvorby membrán a vat ze submikronových vláken či nanovláken. Tvorbu vláken ovlivňuje řada fýzikálních jevů a rozsah použitelných viskozit polymemích roztoků a tavenin je do značné míry omezen. Roztoky a taveniny nižší viskozity při vysokých otáčkách zvlákňovací hlavy generují kromě vláken i kapky, roztoky vyšších viskozit vedou k vyšším průměrům vláken, obtížnému dávkování a nadměrnému zatěžování pump. Vznik kapkovitých strukturních defektů může mít hned několik příčin, pomineme-li nevhodnou viskozitu. První možnou příčinou je kontinuita dávkování, druhou příčinou jsou nerovnosti na povrchu zvlákňovací hlavy, do které může polymer snadno zatéci a následně se v těchto místech hromadí polymer, který v určité fázi procesu může generovat kapky. Většina stávajících řešení pracuje se zvlákňovacími hlavami, v nichž jsou vyrobeny otvory sloužící jako zvlákňovací trysky. Během zvlákňování se ale trysky postupně zanášejí polymemím roztokem či taveninou, čímž se v průběhu zvlákňování mění zvlákňovací podmínky, a především kvalita vyrobené vrstvy a množství vyprodukovaného materiálu. Vzhledem ke snaze vytvořit co nejjemnější vlákna je zřejmé, že průměr zvlákňovacích trysek je extrémně malý, a proto k zanášení dochází velice rychle, a tedy relativně často. Je proto nutné dělat časté odstávky nezbytné pro vyčištění celé zvlákňovací hlavy. Výměna celých hlav je technologicky a časově náročnější, navíc je třeba držet dostatečnou zásobu zvlákňovacích hlav na jejich neustálou výměnu. V případě zvlákňování různých materiálů na různých velikostech trysek jde o nákladné řešení a v případě jejich opotřebení pak o značnou finanční zátěž. Druhou možností jsou zvlákňovací trysky vyjímatelné ze zvlákňovací hlavy. Je výhodnější ze zvlákňovací hlavy vyjmout pouze samotné trysky, či jejich soustavy a nahradit je čistými, zkrátí se tak prodlevy ve výrobě. I toto řešení má svá úskalí. Vyjímatelné soustavy trysek musí být díky rychlé rotaci zvlákňovací hlavy, způsobující značnou odstředivou sílu ve zvlákňovací hlavě, dobře ukotveny. Toho je v řešení z US 10208404, WO 2014025794 dosaženo pomocí kotvících šroubů. Zařízení je sice dobře přístupné, jednoduše čistitelné, jeho údržba a výměna trysek je snazší, rychlejší a podstatně levnější, ale taková zvlákňovací hlava obsahuje spoustu prohlubní a nerovností, což má za následek zatékání polymeru a tvorbu kapkovitých defektů.

-2CZ 35864 UI

Podstata technického řešení

Nevýhody výše uvedeného stavu techniky, tedy zejména tvorbu kapkovitých defektů danou zatékáním polymeru do prohlubní zvlákňovací hlavy a náročnou údržbu zvlákňovací hlavy, která podmiňuje její průmyslové využití, překonává podle tohoto technického řešení zvlákňovací hlava pro výrobu nanovláken a/nebo submikronových vláken odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny eliminující vznik strukturních defektů, se kterou je možné docílit vyšší kvality membrán při nepřetržité výrobě ve velkém rozsahu.

Tato zvlákňovací hlava pro výrobu nanovlákenných a/nebo submikronových vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru nebo jejich směsi podle tohoto technického řešení obsahuje:

- hřídel, která je opatřená distribučním prstencem,

- kotevní prstenec rozebíratelně upevněný k distribučnímu prstenci, přičemž distribuční prstenec a kotevní prstenec mezi sebou vymezují vnitřní prostor pro zvlákňovaný roztok nebo taveninu nebo jejich směsi, a přičemž distribuční prstenec a/nebo kotevní prstenec má ve své boční stěně alespoň jedno průchozí vybrání,

- alespoň jeden zvlákňovací nástavec, který je svým kotevním koncem vyjímatelně upevnitelný ve vybrání, přičemž zvlákňovací nástavec obsahuje vstupní dutinu se vstupem ve vnitřním prostoru a na ni navazující soustavu výstupních kanálků s výstupy na vnější straně zvlákňovací hlavy.

Přednostně zvlákňovací hlava obsahuje soustavu s rovnoměrným vzájemným úhlovým rozestupem uspořádaných vybrání a soustavu zvlákňovacích nástavců, které jsou vyjímatelně upevnitelné každý v jednom vybrání.

Ve výhodném provedení má uvedené alespoň jedno vybrání tvar komplementární k tvaru kotevního konce zvlákňovacího nástavce.

Výhodné je rovněž, když má vybrání dorazovou plochu pro vymezení vzdálenosti zvlákňovacího nástavce od osy zvlákňovací hlavy a zvlákňovací nástavec je svým kotevním koncem zasunutéIný do vybrání podél dorazové plochy.

Přednostně má vybrání navzájem přivrácené bočnice a dosedací plochu, které jsou vytvořené v distribučním prstenci.

V dalším výhodném provedení zvlákňovací nástavec obsahuje na straně, odvrácené od dosedací plochy vybrání, obloukovitou drážku, do které v sestaveném stavu zvlákňovací hlavy zapadá kruhové těsnění uspořádané na dolní straně kotevního prstence.

Rovněž je výhodné, když vybrání obsahuje na svém vnějším obvodu přídržný lem a zvlákňovací nástavec obsahuje k přídržnému lemu komplementární osazení.

Přednostně je průměr výstupních kanálků v rozmezí 150 pm ± 50 pm.

S výhodou je průměr výstupních kanálků v rozmezí 150 pm ± 20 pm.

Ve výhodném provedení jsou výstupní kanálky uspořádány v distribuční stěně zvlákňovacího nástavce, která je více vzdálena od osy zvlákňovací hlavy, než boční stěny distribučního prstence a/nebo kotevního prstence.

-3CZ 35864 UI

Objasnění výkresů

Příkladné provedení zvlákňovací hlavy podle tohoto technického řešení je schematicky znázorněno na výkresech, kde je na obr. 1 znázorněna sestavená zvlákňovací hlava. Na obr. 2 je uložení zvlákňovacího nástavce se soustavou zvlákňo vacích otvorů ve zvlákňovací hlavě. Obr. 3 ukazuje otvor pro uložení nástavce s vloženou soustavou zvlákňovacích otvorů ve zvlákňovací hlavě. Obr. 4 znázorňuje řez zvlákňovací hlavou. Na obr. 5 je snímek strukturního kapkovitého defektu.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladné provedení obsahuje rotačně uloženou zvlákňovací hlavu 1, která obsahuje hřídel 6, která má pracovní konec a přípojný konec.

Přípojný konec je pro propojení s hnacím mechanismem opatřený dvojicí protilehlých výřezů 62 a s odstupem od protilehlých výřezů 62 dvojicí protilehlých průchozích otvorů 61.

Na pracovním konci hřídele 6 je souose s hřídelí 6 uspořádán distribuční prstenec 3, který tvoří dno a boční stěny vnitřního prostoru 7 zvlákňovací hlavy 1, který je určen pro zvlákňovaný kapalný materiál.

Distribuční prstenec 3 je opatřen čtyřmi vybráními 4 pro ukotvení zvlákňovacích nástavců 5, která jsou uspořádána po obvodu distribučního prstence 3 s rovnoměrným vzájemným úhlovým rozestupem.

Každé z vybrání 4 je shora otevřené a v radiálním směru průchozí. Přitom má každé vybrání 4 dorazové plochy 32, které jsou odvrácené od osy hřídele 6 a dvojici k sobě navzájem přivrácených bočnic 34 a dosedací plochu 35. Podél vnějšího obvodu dosedací plochy 35 a bočnic 34 je uspořádaný přídržný lem 36, který slouží k dorazu a přesnému usazení zvlákňovacích nástavců 5 ve vybráních 4. V těchto dorazových stěnách je pak vytvořeno i okénko 33 pro umožnění vtoku taveniny nebo zvlákňovací kapaliny do dutiny zvlákňovacích nástavců 5.

Dále je distribuční prstenec 3 opatřen čtyřmi závitovými otvory 31. jejichž závity jsou komplementární s vnějším závitem neznázoměných spojovacích šroubů.

Závitové otvory 31 jsou rovněž rozmístěny s rovnoměrným vzájemným úhlovým rozestupem na společné kružnici, každý vždy mezi dvěma navzájem sousedními vybráními 4.

Dále zvlákňovací hlava 1 obsahuje kotevní prstenec 2, který je navléknutý na hřídeli 6 a upevněný souose s hřídelí 6 k distribučnímu prstenci 3 pomocí spojovacích šroubů, které procházejí rovnoběžně s osou hřídele 6 skrz kotevní otvory 21 v kotevním prstenci 2 a jsou zašroubovány do závitových otvorů 31 v distribučním prstenci 3.

Mezi vnějším povrchem hřídele 6 a horním okrajem kotevního prstence 2 je prstencovitý průchod 18 pro přívod zvlákňovaného materiálu do vnitřního prostoru 7 zvlákňovací hlavy 1.

Každý zvlákňovací nástavec 5 má rozšířený kotevní konec, jehož stěny mají tvar komplementární k tvaru příslušného vybrání 4, přičemž je do vybrání 4 shora zasunutelný a z vybrání 4 směrem nahoru vysunutelný.

V sestaveném stavu je horní plocha kotevního konce zvlákňovacího nástavce 5 zvýšená oproti horní ploše distribučního prstence 3 a je opatřená obloukovitou drážkou 51, jejíž dno je uspořádáno přibližně v rovině horní plochy distribučního prstence 3, přičemž podélné osy obloukovitých

-4CZ 35864 Ul drážek 51 procházejí podél společné kružnice.

Kotevní prstenec 2 je na své spodní straně opatřený kruhovou drážkou 22, ve které je uloženo kruhové těsnění 39, které v sestaveném stavu zvlákňovací hlavy 1 dosedá na horní plochu distribučního prstence 3 a současně zapadá do obloukovitých drážek 51 zvlákňovacích nástavců 5.

Z dolní plochy kotevního prstence 2 navíc podél jeho vnějšího obvodu vystupuje průběžný krycí lem 41. který v oblasti mezi vybráními 4 dosedá na horní obvodové osazení distribučního prstence 3.

Každý ze zvlákňovacích nástavců 5 je opatřen vstupní dutinou 8, která je na své vstupní straně otevřená do vnitřního prostoru 7 zvlákňovací hlavy 1. Na výstupní straně, která je protilehlá ke vstupní straně má každý zvlákňovací nástavec 5 distribuční stěnu 9, kterou prochází výstupní kanálky 10, a to ve směru kolmém na distribuční stěnu zvlákňovacího nástavce 5.

Výstupní kanálky 10 mají uzavřený průřez, přednostně kruhový, přičemž průměr průřezu výstupních kanálků JO je na jejich výstupní straně v rozmezí 150 pm ±50 pm, přednostně v rozmezí 150 pm ± 20 pm.

Přechod mezi dnem distribučního prstence 3 a jeho vnitřními bočními stěnami je zaoblený.

Vnitřní prostor 7 má shora otevřený prstencovitý tvar, jehož vnitřní stěna je válcovitá, zatímco vnější sténaje v oblasti vymezené distribučním prstencem 3 v podstatě válcovitá a v oblasti vymezené kotevním prstencem 2 je v podstatě kuželovitá.

Funkci zvlákňovací hlavy 1 lze popsat následovně. Do jednotlivých vybrání 4 distribučního prstence 3 se shora zasunou zvlákňovací nástavce 5. Poté se na hřídel 6, resp. na distribuční prstenec 3, nasadí kotevní prstenec 2 tak, že kotevní otvory 21 v kotevním prstenci 2 lícují se závitovými otvory 31 distribučního prstence 3 a kruhové těsnění 39 zapadá do obloukovitých drážek 51. Prostřednictvím ne znázorněných spojovacích šroubů, které se vloží do kotevních otvorů 21 a zašroubují do závitových otvorů 31, se pevně spojí distribuční prstenec 3 a kotevní prstenec 2, které současně mezi sebou sevřou kotevní konce zvlákňovacích nástavců 5.

Zvlákňovací hlava 1 se přichytí na neznázoměný hnací mechanismus a do prostoru mezi horní vnitřní okraj kotevního prstence 2 a hřídel 6 se zaústí neznázoměný dávkovač materiálu ke zvlákňování.

Poté je možné zařízení spustit, přičemž se zvlákňovací hlava 1 otáčí kolem své osy a tavenina nebo zvlákňovaný roztok se z vnitřního prostoru 7 působením odstředivé síly dostává do vstupní dutiny 8 a dále skrz výstupní kanálky 10 ven. Vznikající vlákna jsou dloužena a nesena proudem vzduchu na sběrný pás.

Možnost rychlého vyjmutí a vyčištění pouze zvlákňovacích nástavců 5, nikoliv celé zvlákňovací hlavy 1 významným způsobem usnadňuje údržbu zařízení a snižuje množství a délku technologických přestávek ve výrobním procesu a zároveň je díky systému vkládacích zvlákňovacích nástavců 5 ukotvených pomocí kotevního prstence 2 zajištěná jednoduchá údržba zvlákňovací hlavy 1 a zároveň je eliminován problém související se zatékáním polymeru do prohlubní a nerovností daných rozebíratelnou konstrukcí zařízení.

Ačkoli byla 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 nároků na ochranu.

Claims (10)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zvlákňovací hlava (1) pro výrobu nanovlákenných a/nebo submikronových vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru nebo směsi polymerů, vyznačující se tím, že obsahuje:

   - hřídel (6), která je opatřená distribučním prstencem (3),

   - kotevní prstenec (2) rozebíratelně upevněný k distribučnímu prstenci (3), přičemž distribuční prstenec (3) a kotevní prstenec (2) mezi sebou vymezují vnitřní prostor (7) pro zvlákňovaný roztok nebo taveninu polymeru nebo směsi polymerů, a přičemž distribuční prstenec (3) a/nebo kotevní prstenec (2) má ve své boční stěně alespoň jedno průchozí vybrání (4),

   - alespoň jeden zvlákňovací nástavec (5), který je svým kotevním koncem vyjímatelně upevníteIný ve vybrání (4), přičemž zvlákňovací nástavec (5) obsahuje vstupní dutinu (8) se vstupem ve vnitřním prostoru (7) a na ni navazuj ící soustavu výstupních kanálků (10) s výstupy na vněj ší straně zvlákňovací hlavy (1).
2. 2. Zvlákňovací hlava (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že vybrání (4) jsou v distribučním prstenci (3) uspořádána s rovnoměrným vzájemným úhlovým rozestupem a zvlákňovací nástavce (5) jsou vyjímatelně upevnitelné každý v jednom vybrání (4).
3. 3. Zvlákňovací hlava (1) podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že uvedené alespoň jedno vybrání (4) má tvar komplementární k tvaru kotevního konce příslušného zvlákňovacího nástavce (5).
4. 4. Zvlákňovací hlava (1) podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vybrání (4) má dorazovou plochu (32) pro vymezení vzdálenosti zvlákňovacího nástavce (5) od osy zvlákňovací hlavy (1) a zvlákňovací nástavec (5) je svým kotevním koncem zasunutelný do vybrání (4) podél dorazové plochy (32).
5. 5. Zvlákňovací hlava (1) podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že vybrání (4) má navzájem přivrácené bočnice (34) a dosedací plochu (35), které jsou vytvořené v distribučním prstenci (3).
6. 6. Zvlákňovací hlava (1) podle nároku 5, vyznačující se tím, že zvlákňovací nástavec (5) obsahuje na straně odvrácené od dosedací plochy (35) vybrání (4) obloukovitou drážku (51), do které v sestaveném stavu zvlákňovací hlavy (1) zapadá kruhové těsnění (39) uspořádané na dolní straně kotevního prstence (2).
7. 7. Zvlákňovací hlava (1) podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že vybrání (4) obsahuje na svém vnějším obvodu přídržný lem (36) a zvlákňovací nástavec (5) obsahuje k přídržnému lemu (36) komplementární osazení.
8. 8. Zvlákňovací hlava (1) podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že průměr výstupních kanálků (10) je v rozmezí 150 pm ±50 pm.
9. 9. Zvlákňovací hlava (1) podle nároku 8, vyznačující se tím, že průměr výstupních kanálků (10) je v rozmezí 150 pm ± 20 pm.

   - 6 CZ 35864 UI
10. 10. Zvlákňovací hlava (1) podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že výstupní kanálky (10) jsou uspořádány v distribuční stěně (9) zvlákňovacího nástavce (5), která je více vzdálena od osy zvlákňovací hlavy (1), než vnější boční stěny distribučního prstence (3) a/nebo kotevního prstence (2).