PL217525B1 - Układ do formowania włókien metodą elektroprzędzenia - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do formowania włókien metodą elektroprzędzenia.

Do formowania włókien ze stopów lub roztworów polimerów metodą elektroprzędzenia wykorzystuje się zjawiska zachodzące w cieczach i polimerach pod wpływem przyłożonego wysokiego napięcia o określonej biegunowości. W pierwszych pracach dotyczących formowania włókien w drodze elektroprzędzenia wykorzystywano układ zawierający pojedynczą kapilarę zakończoną dyszą, stanowiącą elektrodę podającą stop lub roztwór polimeru, połączoną z generatorem wysokiego napięcia oraz umieszczoną pod nią uziemioną elektrodę kolektorową. W wyniku oddziaływania sił pola elektrostatycznego wytworzonego między elektrodami kropla polimeru powstała na końcu dyszy ulega odkształceniu do postaci tak zwanego stożka Taylora, po czym przemieszczając się zgodnie z kierunkiem prądu ulotu w kierunku elektrody uziemionej ulega przyspieszeniu i rozciąganiu i jest gromadzona na powierzchni elektrody kolektorowej w postaci luźno ułożonych włókien.

Prace nad zwiększeniem wydajności procesu elektroprzędzenia dotyczyły zmiany sposobu odbioru formowanych włókien oraz zmiany sposobu podawania roztworu lub stopu polimeru.

Z czasopisma Journal of Physics. Conference Series 142 (2008) 012027 Electrostatics 2007 jest znany układ do elektroprzędzenia, w którym do odbioru formowanych włókien stosuje się obrotowe walce wykonane z materiału przewodzącego, na które nakłada się kolejne warstwy włókien aż do osiągnięcia zakładanej grubości, natomiast z opisu patentowego US 2009/0091065 A1 jest znany układ do elektroprzędzenia, w którym do odbioru formowanych włókien stosuje się wirujące dyski.

W pierwszych rozwiązaniach dotyczących zwiększenia wydajności przędzenia przez zmianę sposobu podawania roztworu lub stopu polimeru, roztwór lub stop polimeru tłoczono za pomocą sprężonego powietrza lub pomp infuzyjnych. Rozwiązania te pozwalały na odizolowanie polimeru o wysokim potencjale elektrycznym od otoczenia, a tym samym zabezpieczały obsługę przed porażeniem prądem, ale równocześnie ograniczały kontrolę nad ilością wytłaczanego polimeru i niestabilnością w czasie procesu elektroprzędzenia.

Firma Elmarko z Czech zastosowała układ do elektroprzędzenia, w którym obracający się wałek podający, zanurzony w roztworze polimeru, obracając się pokrywał się filmem polimerowym i napięcie przyłożone do wałka powodowało oderwanie się od jego powierzchni strużek polimeru i osadzanie się uformowanych włókien na przesuwającej się nad walcem taśmie włókninowej.

Znany jest także układ do elektroprzędzenia, w którym proces elektroprzędzenia zintensyfikowano stosując wałek podający o ząbkowanej powierzchni. Układ wymagał zastosowania dodatkowego nośnika w postaci tkaniny lub włókniny do odbioru wytworzonych włókien.

Z opisu patentowego zgłoszenia EP 1982735 A1 jest znany układ do elektroprzędzenia, w którym do zasilania polimerem zastosowano kilka kapilar usytuowanych w jednym rzędzie jedna nad drugą, zaś do odbioru uformowanych włókien zastosowano usytuowany pionowo, obracający się wałek.

Układ do formowania włókien metodą elektroprzędzenia, wyposażony w usytuowane pionowo kapilary przędzące złączone ze źródłem wysokiego napięcia oraz umieszczone pod dyszami wylotowymi tych kapilar urządzenie do odbioru uformowanych włókien złączone z urządzeniem napędzającym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że kapilary przędzące są zamocowane w głowicy przędzącej z materiału nieprzewodzącego prądu, wewnątrz której jest umieszczona przekładka z materiału przewodzącego prąd, złączona z każdą z kapilar, wyposażona w przyłącza do źródła wysokiego napięcia. Głowica jest osadzona przesuwnie, za pomocą mechanizmu przesuwu poziomego złączonego z silnikiem napędowym, na usytuowanej poziomo prowadnicy, której końce są osadzone przesuwnie, za pomocą mechanizmu przesuwu pionowego złączonego z silnikiem napędowym, na pionowych ramionach konstrukcji nośnej układu. Nadto układ jest wyposażony w wielotorową pompę perystaltyczną, której każdy z torów jest połączony z jedną z kapilar przędzących, umieszczoną na poziomym ramieniu konstrukcji nośnej. Jako urządzenie do odbioru uformowanych włókien stosuje się korzystnie zamocowany obrotowo walec lub transporter. Głowica zawiera co najmniej 32 kapilary ustawione korzystnie w czterech rzędach, w odległościach od siebie korzystnie 3 cm w rzędzie i 6 cm między rzędami. Układ zawiera dodatkowo element dogrzewający w postaci tunelu suszącego, umożliwiającego odparowanie resztek rozpuszczalnika z uformowanych włókien, usytuowanego na wyjściu z urządzenia do odbioru włókien.

Układ według wynalazku cechuje znacznie wyższa wydajność formowania włókien w porównaniu z dotychczas znanymi układami. Nadto w układzie tym wyeliminowano niebezpieczeństwo porażenia prądem osób obsługujących układ.

PL 217 525 B1

Przedmiot według wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym układ w widoku z przodu.

Układ jest wyposażony w usytuowane pionowo 32 kapilary przędzące 1 zamocowane w głowicy przędzącej 2 z teflonu. Kapilary 1 są ustawione w czterech rzędach, w odległościach od siebie 3 cm w rzędzie i 6 cm między rzędami. W głowicę 2 jest wbudowana przekładka 3 z waty stalowej, złączona z każdą z kapilar 1, wyposażona w przyłącza do źródła wysokiego napięcia. Głowica 2 jest osadzona przesuwnie, za pomocą mechanizmu 4 przesuwu poziomego złączonego z silnikiem napędowym, na usytuowanej poziomo prowadnicy 5, której końce są osadzone przesuwnie, za pomocą mechanizmu 7 przesuwu pionowego złączonego z silnikiem napędowym, na pionowych ramionach 6 konstrukcji nośnej układu. Pod dyszami wylotowymi kapilar 1 jest usytuowany zamocowany obrotowo, metaliczny walec 8 do odbioru uformowanych włókien. Walec 8 jest zamocowany w uchwycie zapewniającym galwaniczne połączenie z uziemieniem i złączony z urządzeniem napędzającym. Układ jest nadto wyposażony w 32-torową pompę perystaltyczną 9, której każdy z torów jest połączony z jedną z kapilar przędzących 1, umieszczoną na poziomym ramieniu 10 konstrukcji nośnej układu. Układ zawiera tunel suszący usytuowany wzdłuż drogi włókien opuszczających walec 8.

W celu wytworzenia nanowłókien pompę perystaltyczną 9 napełnia się polimerem, przekładkę 3 łączy się ze źródłem wysokiego napięcia i rozpoczyna pompowanie polimeru do kapilar 1. Po wypełnieniu kapilar 1 polimerem, przy pomocy mechanizmu 7 przesuwu pionowego ustawia się prowadnicę 5 z głowicą 2 w odpowiedniej odległości od odbierającego walca 8. Następnie przy pomocy mechanizmu 4 przesuwu poziomego ustala się zakres ruchu poziomego głowicy 2 po prowadnicy 5 taki, aby obejmował cały obszar roboczy walca 8 i włącza urządzenie napędzające walec 8. Po wprawieniu walca 8 w ruch obrotowy, za pomocą mechanizmu 4 przesuwu poziomego wprawia się głowicę 2 w ruch poziomy po prowadnicy 5. Formowane nanowłókna, są odbierane na uziemionym walcu 8 w postaci włókniny. Po uzyskaniu warstwy włókniny o pożądanej grubości przepuszcza się ją przez tunel suszący, na wyjściu z którego otrzymuje się gotowy produkt.

Za pomocą tego układu formowano nanowłókna w postaci włókniny z:

-15% roztworu poliakrylonitrylu (PAN) w dimetylosulfotlenku (DMSO) w temperaturze 20°C przy prędkości pompy perystaltycznej 9 równej 0,5 obrotów/minutę, w polu elektrostatycznym wytworzonym przez napięcie 20 kV, przy odległości między głowicą 2 i walcem 8 równej 20 cm i prędkości obrotowej walca 8 równej 30 obrotów/minutę; otrzymano nanowłókna o średnicy 500 nm

-17% roztworu PAN w DMSO w temperaturze 20°C przy prędkości pompy perystaltycznej 9 równej 0,5 obrotów/minutę, w polu elektrostatycznym wytworzonym przez napięcie 20 kV, przy odległości między głowicą 2 i walcem 8 równej 20 cm i prędkości obrotowej walca 8 równej 30 obrotów/minutę; otrzymano nanowłókna o średnicy 400 nm

- 20% roztworu polikaprolaktonu w dichlorometanie w temperaturze 20°C przy prędkości pompy perystaltycznej 9 równej 0,5 obrotów/minutę, w polu elektrostatycznym wytworzonym przez napięcie 25 kV, przy odległości między głowicą 2 i walcem 8 równej 20 cm i prędkości obrotowej walca 8 równej 30 obrotów/minutę; otrzymano nanowłókna o średnicy 1200 nm.

Claims (3)

1. Układ do formowania włókien metodą elektroprzędzenia, wyposażony w usytuowane pionowo kapilary przędzące złączone ze źródłem wysokiego napięcia oraz w umieszczone pod dyszami wylotowymi tych kapilar urządzenie do odbioru uformowanych włókien złączone z urządzeniem napędzającym, znamienny tym, że kapilary przędzące (1) są zamocowane w głowicy przędzącej (2) z materiału nieprzewodzącego prądu, wewnątrz której jest umieszczona przekładka (3) z materiału przewodzącego prąd, złączona z każdą z kapilar (1), wyposażona w przyłącza do źródła wysokiego napięcia, przy czym głowica (2) jest osadzona przesuwnie, za pomocą mechanizmu (4) przesuwu poziomego złączonego z silnikiem napędowym, na usytuowanej poziomo prowadnicy (5), której końce są osadzone przesuwnie, za pomocą mechanizmu (7) przesuwu pionowego złączonego z silnikiem napędowym, na pionowych ramionach (6) konstrukcji nośnej układu, nadto układ jest wyposażony w wielotorową pompę perystaltyczną (9), której każdy z torów jest połączony z jedną z kapilar przędzących (1), umieszczoną na poziomym ramieniu (10) konstrukcji nośnej układu oraz w element dogrzewający w postaci tunelu suszącego usytuowanego na wyjściu z urządzenia (8) do odbioru włókien.

PL 217 525 B1

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że głowica (2) zawiera co najmniej 32 kapilary ustawione korzystnie w czterech rzędach, w odległościach od siebie korzystnie 3 cm w rzędzie i 6 cm między rzędami.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że jako urządzenie (8) do odbioru uformowanych włókien korzystnie stosuje się zamocowany obrotowo metalowy walec lub transporter.