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

Zařízení pro výrobu nanovláken a mikrovláken upravených nízkoteplotním plazmatem Download PDF

Info

Publication number
CZ35967U1
CZ35967U1 CZ2021-39513U CZ202139513U CZ35967U1 CZ 35967 U1 CZ35967 U1 CZ 35967U1 CZ 202139513 U CZ202139513 U CZ 202139513U CZ 35967 U1 CZ35967 U1 CZ 35967U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
nanofibers
layer
working
electrospinning
discharge unit
Prior art date
Application number
CZ2021-39513U
Other languages
English (en)
Inventor
Mirko ČERNÁK
CSc. Černák Mirko Prof. RNDr.
Dušan KOVÁČIK
Kováčik Dušan doc. Mgr., Ph.D.
Jakub Kelar
Kelar Jakub Mgr., Ph.D.
Oleksandr Galmiz
Galmiz Oleksandr Mgr., Ph.D.
David PAVLIŇÁK
Pavliňák David Mgr., Ph.D.
Original Assignee
Masarykova Univerzita
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Masarykova Univerzita filed Critical Masarykova Univerzita
Priority to CZ2021-39513U priority Critical patent/CZ35967U1/cs
Publication of CZ35967U1 publication Critical patent/CZ35967U1/cs

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06BTREATING TEXTILE MATERIALS USING LIQUIDS, GASES OR VAPOURS
    • D06B21/00Successive treatments of textile materials by liquids, gases or vapours
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/02Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements ultrasonic or sonic; Corona discharge
    • D06M10/025Corona discharge or low temperature plasma

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

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.
CZ2021-39513U 2021-12-21 2021-12-21 Zařízení pro výrobu nanovláken a mikrovláken upravených nízkoteplotním plazmatem CZ35967U1 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-39513U CZ35967U1 (cs) 2021-12-21 2021-12-21 Zařízení pro výrobu nanovláken a mikrovláken upravených nízkoteplotním plazmatem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-39513U CZ35967U1 (cs) 2021-12-21 2021-12-21 Zařízení pro výrobu nanovláken a mikrovláken upravených nízkoteplotním plazmatem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ35967U1 true CZ35967U1 (cs) 2022-04-27

Family

ID=81926062

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2021-39513U CZ35967U1 (cs) 2021-12-21 2021-12-21 Zařízení pro výrobu nanovláken a mikrovláken upravených nízkoteplotním plazmatem

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ35967U1 (cs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1278849C (zh) 穿孔层压材料
EP1673493B1 (en) A method of nanofibres production from a polymer solution using electrostatic spinning and a device for carrying out the method
Rombaldoni et al. Adhesion enhancement of electrospun nanofiber mats to polypropylene nonwoven fabric by low-temperature oxygen plasma treatment
Chronakis Micro-/nano-fibers by electrospinning technology: processing, properties and applications
CN108698741B (zh) 灭菌用包装材料
KR101357483B1 (ko) 전기 방사 및 정전기 스프레이 방식을 이용한 혼합 코팅 장치
US11162193B2 (en) Apparatus and process for uniform deposition of polymeric nanofibers on substrate
CZ300574B6 (cs) Zpusob a zarízení na úpravu textilních materiálu
EP2231301A1 (en) Nanometre fibres
US10208408B2 (en) Method for manufacturing ultrafine fiber
Amariei et al. Electrospinning polyaniline for sensors
CZ35967U1 (cs) Zařízení pro výrobu nanovláken a mikrovláken upravených nízkoteplotním plazmatem
JP2011052337A (ja) エレクトロスピニング装置
CZ309078B6 (cs) Zařízení a způsob výroby nano- a/nebo mikrovlákenných vrstev se zvýšenou tloušťkovou rovnoměrností
CZ2015163A3 (cs) Způsob pro výrobu textilního kompozitu zejména pro outdoorové aplikace, který obsahuje alespoň jednu vrstvu polymerních nanovláken, a tímto způsobem připravený textilní kompozit
CZ306018B6 (cs) Způsob a zařízení pro výrobu textilního kompozitního materiálu obsahujícího polymerní nanovlákna, textilní kompozitní materiál obsahující polymerní nanovlákna
KR101069493B1 (ko) 전기방사용 다중 롤 콜렉터 및 이를 포함하는 전기방사장치
CN101312812A (zh) 生产多功能聚合膜的混合制造平台
KR101375996B1 (ko) 항균 코팅층 형성 장치
KR101400280B1 (ko) 전기방사 장치
Sinha et al. Electrospun nanofibrous materials for biomedical textiles
Neznakomova et al. Non-woven composites intensification properties for air filters by plasma pre-treatment
WO2014089458A1 (en) Apparatus and method using an electric field for creating uniform nanofiber patterns on nonconductive materials to enhance filtration and for embedment of fibers into materials for other applications
KR101479751B1 (ko) 나노섬유 제조용 전기방사장치
WO2015075658A1 (en) Electrospun fibre collection and handling

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20220427