CZ35967U1 - Zařízení pro výrobu nanovláken a mikrovláken upravených nízkoteplotním plazmatem - Google Patents

Description

Zařízení pro výrobu nanovláken a mikrovláken upravených nízkoteplotním plazmatem

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro kontinuální výrobu nanovláken a mikrovláken připravených elektrospiningem a povrchově upravených působením nízkoteplotního plazmatu.

Dosavadní stav techniky

Moderní tzv. DCSBD (Diffuse Coplanar Surface Barrier Discharge neboli difuzní koplanámí povrchový bariérový výboj) zdroje plazmatu, generující tenké vrstvy elektrického plazmatu o tloušťce obvykle méně než 0,3 mm, s vysokou hustotou chemicky aktivních částic při tlacích blízkých atmosférickému tlaku ateplotě obvykle nižší než 100°C, známé např. z EP 1387901, byly úspěšně využity, jak je uvedeno v D. Pavliňák et al.: Materials Today Communications 16 (2018), 330 338. a E. Múdra et al.: Applied Surface Science 415 (2017), 90 98. pro plazmochemickou úpravu, konkrétně pro povrchovou aktivaci a kalcinaci tenkých vrstev vláken o průměru menším než 1.10^-6 m, t.j. „nanovláken“ se strukturou podobnou netkaným textiliím vyrobených metodou elektrospiningu. V porovnání s jinými typy plazmových zdrojů je výhodou této DCSBD aplikace, že v důsledku vysoké homogenity plazmatu nezpůsobuje nežádoucí mechanické a strukturální změny vláken textilních materiálů, jako např. tzv. pinholing ve vrstvě plazmatem upravovaných nanovláken. Vzhledem k nízké mechanické pevnosti jednotlivých nanovláken i takto připravených vrstev nanovláken se tyto připravují elektrospiningem na substrát s dostatečnou mechanickou pevností, ideálně flexibilní, jako jsou např. polymemí nebo kovové fólie, papír, tkané a netkané textilie. Obvyklým technickým problémem při tomto způsobu přípravy je slabá adheze vrstvy elektrospiningem připravených nanovláken k běžným substrátům. Tento problém je řešitelný aktivací substrátu účinkem plazmatu, která však rychle ztrácí účinnost, a proto musí být provedena v co nejkratším čase před následným nanesením vrstvy nanovláken. Z tohoto důvodu i vzhledem k nízké mechanické pevnosti a otěruvzdomosti vrstev nanovláken, a z toho vyplývající komplikované manipulaci (např. srolování a skládání substrátů s nanesenou vrstvou nanovláken), i vzhledem k ekonomickým důvodům, je žádoucí provést plazmovou aktivaci substrátu, elektrostatické nanášení vrstvy nanovláken na plazmatem aktivovaný substrát elektrospiningem, a následnou úpravu vrstvy nanovláken uložených na substrátu elektrickým plazmatem kontinuálním způsobem.

V článku D. Pavliňák et al.: Materials Today Communications 16 (2018), 330-338 je popisována metoda a zařízení, kde byly kompozitní textilie skládající se z vrstvy nanovláken připravené elektrospiningem na vrstvě z polypropylenové netkané textilie následně kontinuálně opracované DCSBD plazmatem ze strany vrstvy nanovláken. Vzhledem k malé tloušťce plazmatu generovaného DCSBD metodou musela být taková kompozitní textilie z důvodu dostatečné účinné úpravy v kontaktu s plazmatem, a tedy vedena s vysokou přesností ve vzdálenosti menší než 0,3 mm od povrchu elektrod DCSBD zdroje plazmatu, čímž je tato metoda technicky náročná. Dalším významným technickým problémem je, že nelze při ní vyloučit nežádoucí kontakt povrchu elektrod DCSBD zdroje s povrchem mechanicky málo pevné a otěruvzdomé vrstvy nanovláken, což může způsobit nežádoucí mechanické poškození vrstvy nanovláken především při úpravě vrstvy nanovláken kontinuálním způsobem, kdy se tato vrstva uložená na povrchu substrátu pohybuje vůči elektrodám plazmového zdroje. Úkolem technického řešení je vytvoření takového zařízení, které by výše uvedené nedostatky zcela odstranilo.

Podstata technického řešení

Tento úkol je vyřešen vytvořením zařízení pro výrobu nanovláken a/nebo mikrovláken podle tohoto technického řešení. Zařízení pro výrobu nanovláken a/nebo mikrovláken podle technického

- 1 CZ 35967 UI řešení zahrnuje stejně jako v dosavadním stavu techniky zařízení pro elektrospining, které elektrostaticky nanáší vrstvu nanovláken na nosný substrát, který je flexibilní a plošný, např. na folii nebo netkanou textilii. Pro účely popisu technického řešení se vrstva nanovláken považuje za ekvivalent vrstvy mikrovláken, záleží pouze na rozměru generovaných vláken. Vrstva nanovláken a/nebo mikrovláken se následně kontinuálním způsobem upravuje elektrickým plazmatem, generovaným alespoň jednou pracovní výbojovou jednotkou pro generování difuzního koplanámího povrchového bariérového výboje (DCSBD). Nosný substrát s vrstvou nanovláken a/nebo mikrovláken se přitom kontinuálně posouvá oblastí plazmatu generovaného pracovní výbojovou jednotkou, k čemuž slouží alespoň dva vodící válce a zařízení pro posun nosného substrátu, např. zařízení pro odvíjení a navíjení polymemích folií nebo netkaných textilií. Pracovní výbojová jednotka obsahuje také nezbytný zdroj vysokého střídavého napětí, který zajišťuje její napájení.

Podstata zařízení podle technického řešení a jeho odlišnost od zařízení známých z dosavadního stavu techniky spočívá vtom, že nosný substrát, na kterém je elektrospiningem nanesena vrstva nanovláken a/nebo mikrovláken, je při průchodu pracovní výbojovou jednotkou orientován kjejímu povrchu opačnou stranou, než na které je uspořádána vrstva nanovláken a/nebo mikrovláken. Tím je dosaženo toho, že vrstva nanovláken a/nebo mikrovláken nemůže být při kontinuální plazmové úpravě v mechanickém kontaktu s povrchem pracovní výbojové jednotky a nemůže proto dojít k mechanickému poškození této vrstvy při posunu nosného substrátu zařízením. Zařízení pro elektrospining je orientováno pro aplikaci vrstvy nanovláken a/nebo mikrovláken protilehle vůči vodícím válcům a protilehle vůči pracovní výbojové jednotce, vztaženo k trajektorii posunu nosného substrátu zařízením, tak aby aplikovalo vrstvu na první stranu nosného substrátu. Jedná se o spodní stranu nosného substrátu ve vertikálním směru. Druhá strana nosného substrátu přiléhá na vodící válce a také na povrch pracovní výbojové jednotky, popř. na povrchy více pracovních výbojových jednotek, které působí na druhou stranu nosného substrátu shora.

Ve výhodném provedení je zařízení podle technického řešení doplněno aktivační výbojovou jednotkou, která je uspořádána před zařízením pro elektrospining, ve směru posunu nosného substrátu. Tato aktivační výbojová jednotka také generuje difuzní koplanámí povrchový bariérový výboj (DCSBD) a její orientace je stejná jako orientace zařízení pro elektrospinning. Jejím úkolem je aktivovat, resp. modifikovat povrch nosného substrátu pro lepší adhezi vrstvy nanovláken a/nebo mikrovláken.

Pracovní nebo aktivační výbojová jednotka má s výhodou rovinný a/nebo konvexní tvar, aby na ni dobře doléhal plošný a flexibilní nosný substrát. Dobrý kontakt horního povrchu nosného substrátu s povrchem více pracovních výbojových jednotek je s výhodou zajištěn takovým prostorovým uspořádáním vodících válců a pracovních výbojových jednotek, které vede ke konvexnímu zakřivení nosného substrátu s vrstvou nanovláken a/nebo mikrovláken, shodnému s konvexním tvarem sestavy pracovních výbojových jednotek. V této konvexně tvarované sestavě mohou mít pracovní výbojové jednotky rovinný povrch. V jiných provedeních mohou mít pracovní výbojové jednotky konvexní povrchy. Konvexní tvar, ať již jednotlivých pracovních výbojových jednotek, nebo jejich sestavy, je výhodný pro plazmové opracování vrstvy nanovláken a/nebo mikrovláken ve vhodném pracovním plynu při tlacích vyšších než 0,1 bar. Za tímto účelem jsou pracovní výbojové jednotky uspořádány v pracovní komoře naplněné vhodným pracovním plynem.

Výhoda zařízení podle technického řešení spočívá zejména v tom, že nosný substrát se v průběhu aktivace, nanášení vrstvy nanovláken a/nebo mikrovláken i následné plazmové úpravy této vrstvy může pohybovat relativně vysokou a konstantní rychlostí bez odstávek a poruchových časů, aniž by přitom došlo k mechanickému poškození vrstvy nanovláken a/nebo mikrovláken.

-2CZ 35967 UI

Objasnění výkresů

Zařízení je blíže osvětleno pomocí připojených výkresů, na nichž znázorňují:

obr. 1 funkční schéma zařízení obr. 2 detail nosného substrátu při průchodu aktivační pracovní jednotkou obr. 3 zvětšený detail řezu nosného substrátu s vrstvou nanovláken a/nebo mikrovláken obr. 4 detail nosného substrátu s vrstvou nanovláken a/nebo mikrovláken při průchodu pracovní výboj ovou j ednotkou

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

V zařízení 7 pro výrobu nanovláken a/nebo mikrovláken dle obr. 1 byl po povrchovém očištění zpracován nosný substrát 5 tvořený netkanou textilií o šířce 80 mm a tloušťce 0,1 mm, ze skleněných vláken o průměru 2 pm. Tento nosný substrát 5 byl posouván zařízením 7 rychlostí 0,5 m/min pomocí nezobrazeného odvíjecího a navíjecího zařízení a vodících válců 4, které byly ve vertikálním směru uspořádány nad nosným substrátem 5. Nosný substrát 5 nejprve procházel oblastí 3 nízkoteplotního plazmatu vytvořeného difuzním koplanámím povrchovým bariérovým výbojem (DCSBD), generovaným aktivační výbojovou jednotkou 2, která byla umístěna pod první stranou 5a nosného substrátu 5, která byla ve vertikálním směru spodní stranou. Jako aktivační výbojová jednotka 2 bylo použito komerční zařízení se systémem DCSBD elektrod, typu RPS 400, výrobce ROPLASS s.r.o. Po aktivaci první strany 5a nosného substrátu 5 byla na tuto první stranu 5a nanesena vrstva 6 nanovláken o průměru 1 pm a tloušťce 0,15 mm, a to v zařízení 1 pro elektrospining, uspořádaném pod nosným substrátem 5. Jednalo se o komerční zařízení 1 pro elektrospining typu Nanospider™ NS Lab, výrobce ELMARCO. Nanovlákna byla připravena z materiálu N, N-dimethylformamidu (DMF, Across Organic, 99,8%) a Al (NO3) 3 * 9H2O (Central Chem) smolámím poměrem 3/30/3 při Mw = 150,000 g mol¹. Následně byl nosný substrát 5 s vrstvou 6 nanovláken posouván rychlostí 0,5 m / min. do pracovní komory 8 naplněné pracovním plynem tvořeným směsí 50% O2 a 50% N2 při atmosférickém tlaku a teplotě 100 °C. V pracovní komoře 8 byl nosný substrát 5 vedený druhou stranou 5b podélně po rovinném povrchu sedmi pracovních výbojových jednotek 9 se systémem DCSBD elektrod, typu RPS 400, výrobce ROPLASS s.r.o. Počet pracovních výbojových jednotek 9 na obr. 1 je pouze ilustrativní. Pracovní výbojové jednotky 9 byly uspořádány do konvexního tvaru přibližně čtvrtkruhu, a v tomto tvaru byl na nich také posouván nosný substrát 5. Vrstva 6 nanovláken byla při tomto procesu kalcinována plazmatem v oblastech 3 plazmatu generovaného pracovními výbojovými jednotkami 9. Výsledný produkt obsahoval vrstvu 6 kompozitních nanovláken AI2O3, silnou 0,1 mm, nepoškozenou a pevně ukotvenou na první straně 5a nosného substrátu 5. Produkt byl určen pro aplikaci ve fotochemické katalýze a pro aplikace v separátorech pro baterie. Kalcinace vrstvy 6 byla účinná i při větších tloušťkách až do 0,5 mm.

Příklad 2

Zařízení 7 pro výrobu nanovláken a/nebo mikrovláken mělo stejnou strukturu jako v Příkladu 1, s tím rozdílem, že byla použita jen jedna pracovní výbojová jednotka 9, jejíž povrch měl konvexní tvar, s poloměrem zakřivení 15 cm. Jako nosný substrát 5 byla použita tenká polypropylenová textilie o plošné hmotnosti 17 g/m², na kterou byla elektrospiningem nanesena tenká vrstva 6 nanovláken z PA6, o plošné hmotnosti 2g/m². Nosný substrát 5 s vrstvou 6 nanovláken se pohyboval všemi částmi zařízení 7 kontinuální a konstantní rychlostí 1 m/min. Pracovní komora 8 zařízení 7 byla naplněna laboratorním vzduchem. Generace plazmatu aktivační výbojovou

-3 CZ 35967 UI j ednotkou 2 pro aktivaci první strany 5a nosného substrátu 5 probíhala také ve vzduchir Na zařízení 7 byl připraven hydrofilní kompozit, u kterého byla plazmovou aktivací trojnásobně zvýšena adheze mezi nosným substrátem 5 a vrstvou 6 nanovláken. Plazmová úprava vrstvy 6 nanovláken hydrofilizovala původně hydrofobní, tzn. pro vodu nepropustný, kompozit na úroveň průsaku 5 10 sekund měřeného metodou „strike through time“ podle ČSN EN ISO 9073 -13. Takto připravený kompozit byl využit jako filtrační materiál filtru k nanofiltraci biologicky znečištěné vody.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle technického řešení lze využít pro výrobu plazmatem upravené vrstvy nanovláken a/nebo mikrovláken na nosném substrátu.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení (7) pro výrobu vrstvy (6) nanovláken a/nebo mikrovláken na nosném substrátu (5), zahrnující zařízení (1) pro elektrospining, alespoň jednu pracovní výbojovou jednotku (9) pro generování difuzního koplanámího povrchového bariérového výboje (DCSBD), a alespoň dva vodící válce (4) pro vedení a posun nosného substrátu (5) zařízením (1) pro elektrospining a oblastí (3) plazmatu generovaného pracovní výbojovou jednotkou (9), přičemž pracovní výbojovájednotka (9) je uspořádána za zařízením (1) pro elektrospining ve směru posunu nosného substrátu (5) zařízením (7), vyznačující se tím, že zařízení (1) pro elektrospining je orientováno pro aplikaci vrstvy (6) nanovláken a/nebo mikrovláken protilehle vůči vodícím válcům (4), a protilehle vůči pracovní výbojové jednotce (9), vztaženo k trajektorii posunu nosného substrátu (5) zařízením (7).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje alespoň jednu aktivační výbojovou jednotku (2) pro aktivaci nosného substrátu (5), uspořádanou před zařízením (1) pro elektrospining ve směru posunu nosného substrátu (5) zařízením (7), a orientovanou stejně jako zařízení (1) pro elektrospining.
3. 3. Zařízení podle nároku 2 a 3, vyznačující se tím, že povrch pracovní výbojové jednotky (9) a/nebo aktivační výbojové jednotky (2) má rovinný a/nebo konvexní tvar.
4. 4. Zařízení podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že zahrnuje alespoň dvě pracovní výbojové jednotky (9), které jsou vzájemně uspořádané tak, že tvoří sestavu konvexního tvaru, přičemž alespoň jeden vodící válec (4) je uspořádán před touto sestavou a alespoň jeden vodící válec (4) je uspořádán za touto sestavou ve směru posunu nosného substrátu (5).
5. 5. Zařízení podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že alespoň jedna pracovní výbojová jednotka (9) je uspořádána v pracovní komoře (8) naplněné pracovním plynem.