CZ201093A3

CZ201093A3 - Zarízení pro výrobu dvojrozmerných nebo trojrozmerných vlákenných materiálu z mikrovláken nebo nanovláken

Info

Publication number: CZ201093A3
Application number: CZ20100093A
Authority: CZ
Inventors: Pokorný@Marek; Velebný@Vladimír
Original assignee: Cpn S.R.O.
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-08-17
Also published as: EP2531636B1; CN102753738B; IL221215A0; DK2531636T3; US8721313B2; WO2011095141A1; RU2547638C2; PT2531636E; KR20120128664A; JP2013518996A; BR112012019532A2; RU2012137379A; HUE025211T2; SI2531636T1; CA2786931A1; JP5816199B2; ES2536430T3; CN102753738A; US20120301567A1; EP2531636A1

Abstract

Zarízení pro výrobu dvojrozmerných nebo trojrozmerných vlákenných materiálu z mikrovláken nebo nanovláken, obsahuje soustavu zvláknovacích kovových trysek (3), pripojených k prvnímu potenciálu, proti ní soustavu elektrod (6) kolektoru, usporádaných v konstantním vzájemném odstupu a pripojených ke druhému potenciálu, a sbernou desku (7) nebo sberný válec (14) pro sber mikrovláken nebo nanovláken usazených mezi dvojicemi sousedících elektrod (6) kolektoru. Podstatou vynálezu je, že soustava elektrod (6) kolektoru obsahuje alespon dva v rovine usporádané elektrody (6) kolektoru a sberná deska (7) v cáre jejího pruniku nebo tecna ke sbernému válci (14) kolmá na dotykovou linii s rovinou elektrod (6) kolektoru svírá s rovinou elektrod (6) kolektoru úhel .alfa., jehož velikost je v rozmezí od 0.degree. do 90.degree., pricemž sberná deska (7) nebo sberný válec (14) je vuci elektrodám (6) kolektoru uložena pohyblive ve smeru, ležícím v rovine kolmé na rovinu elektrod (6) kolektoru a osou elektrody (6) kolektoru procházející, pricemž smer pohybu sberné desky (7) nebo sberného válce (14) svírá s osou této elektrody (6) kolektoru úhel .beta., jehož velikost je v rozmezí od 0.degree.do 90.degree.. Takové usporádání dovoluje vytváret z usporádaných nanovláken velké plošné i objemové útvary.

Description

Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken, obsahujícího soustavu zvlákňovacích trysek, připojených k prvnímu potenciálu, proti ní soustavu elektrod, uspořádaných v konstantním vzájemném odstupu a připojených ke druhému potenciálu, a sběrnou desku pro sběr mikrovláken nebo nanovláken usazených mezi dvojicemi sousedících elektrod.

Dosavadní stav techniky

Doposud známá zařízení pro výrobu mikro- a nano- vláken pracující na principu elektrostatického pole o vysoké intenzitě, jehož účinky formují taveninu nebo roztok polymerů do vlákenných útvarů, nejčastěji používají plošné sběrné elektrody. První způsoby zvláknění polymerů jsou patentovány již na počátku dvacátého století US0705691 (1900), US0692631 (1902), US2048651 (1934) [1], Jednotlivá vlákna nanesená na takovou plochou elektrodu jsou ukládána náhodně, tzn. nejsou ukládána v žádném preferovaném směru. To je dáno nestabilní fází pohybujícího se polymemího paprsku před dopadem na sběrnou elektrodu, jehož trajektorie je velice komplikovaná, prostorově chaotická.

Pokud bude vyrobený materiál složený z pravidelně uspořádaných mikronebo nano- vláken, mohou se aplikace takových materiálů neomezeně rozšířit, také do mnoha nových moderních oborů a oblastí. Jejich perspektivní potenciál spočívá ve výrazném zvýšení morfologických vlastností a následně vlastností mechanických, fyziologických, biologických, fyzikálních, optických a chemických, a to zejména díky vnitřní pravidelné orientované struktuře.

Několik prací se zabývá principy pro dosažení uspořádání takto nanesených vláken. Jsou známy dvě základní metody. První využívá mechanického principu navíjení vláken na rotující válec, tyč, nebo disk s vysokými otáčkami. Druhý princip, k němuž se vztahuje také tento vynález, využívá statický sběrný kolektor rozdělený na dvě a více vodivých částí od sebe oddělených nevodivou mezerou určité velikosti, který tvaruje siločáry působícího elektrostatického pole. Trajektorie polymemího paprskuje těmito elektrostatickými silami vymezena a vlákna dopadající na sběrný kolektor se ukládají v navzájem podélném preferovaném směru v nevodivých oblastech deieneho kolektoru. Struktura vodivých a nevodivých oblastí kolektoru definuje působící elektrostatické síly ovlivňující doposud náhodný let polymemího paprsku a tím kontroluje a řídí jeho pohyb. Mechanizmus uspořádaného ukládání vláken na kolektor lze odvodit na základě systematických experimentálních studií, a nebo numerických simulací fyzikálního modelu. V principu tyto metody pracují úspěšně. V letech 2003 až 2005 publikoval Dan Li a kolektiv uvedený princip v odborných časopisech [2-4].

Výroba plošných (2D) nebo objemových (3D) materiálů na podobných zařízeních je významně limitována a není možné vyrábět plošně větší a tloušťkově silnější materiály s pravidelnou strukturou. Výroba je takto omezena na tvorbu pouze jednotlivých orientovaných vláken. Uspořádaná mikro- nebo nanovlákna jsou nanášena na nevodivé oblasti děleného kolektoru, kde vytvářejí jemnou pravidelnou vrstvu. Dělený kolektor je tvořen vodivými, zpravidla kovovými spoji oddělenými nevodivou podložkou s velkou rezistivitou (větší než 10¹⁶ Ω-cm). Vlákna nanesená na takový sběrný kolektor jsou s ním mechanicky spojena, což omezuje jejich další samostatné praktické využití. Umístění podkladového substrátu na dělený kolektor, resp. mezi emitor a kolektor, vede k degradaci strukturovaných elektrostatických sil, které se svými účinky podílejí na vzniku orientace vláken. Pro aplikace tímto způsobem

vyrobených materiálů musí být nejprve vzniklá vrstva z kolektoru odebrána a přenesena.

Publikace Rouhollaha Jaliliho a kolektivu [5] popisuje jednoduchý kolektor sloužící k hromadění více orientovaných vláken do společného svazku. Výsledkem ale není plošný útvar, nýbrž pouze svazek vláken. Takový vzorek vláken byl připraven jen pro účely následné rentgenové a mechanické analýzy vlastnosti svazku. Praktické využití svazku několika vláken zde není zmíněno a podle dosažených rozměrů (délka 30 mm a průměr přibližně 0.08 mm) se dá předpokládat, že není nijak významné.

Přihlášky patentů US2005-0104258A1 a PPVCZ2007-0727A3 hovoří o struktuře sběrné elektrody vytvářející singulární elektrické náboje, ale nezaobírají se uspořádanou tvorbou a orientací vláken. Dělený kolektor je součásti patentu US4689186, zde je však využit k jiným účelům a přímo se nepodílí na vzniku orientovaných vláken. Patentová přihláška EP2045375A1 popisuje aparaturu na výrobu 2D nebo 3D materiálů složených z mikro- nebo nano- vláken s pravidelnou strukturou pomocí elektricky děleného kolektoru ve tvaru válce, při jehož rotaci dochází ke sběru orientovaných vláken. Pomocí uvedeného řešení lze vyrábět materiály s omezeným rozměrem, který je částečně limitován průměrem rotujícího kolektoru. Také realizace konstrukce pro výrobu materiálu tohoto typu s větší plochou (tj. vícenásobná opakování navrhovaného řešení) je prakticky komplikovaná, liniově omezená a z toho důvodu neefektivní.

Mikro- nebo nano- vlákna s nižší pevností, zejména pak vlákna vyráběná z biopolymerů, se při tvorbě silnějších vrstev (2D nebo 3D) mezi elektrodami kolektoru vlastní vahou trhají a dochází k narušení celé struktury. To omezuje technologickou výrobu a dosažení použitelných materiálů cílených parametrů.

Při ukládání vláken do silnějších vrstev dochází k degradaci stupně orientace a uspořádání vláken se stává opět více náhodným. To je dáno postupným nárůstem elektrického náboje ve vytvářejících se vrstvách vláken, tj.

·♦ ···· A* «· · «A • · · · · ♦ · · 4 A · : ···. . i : . :::

v oblastech kolektoru, které by měly pro správnou funkčnost principu orientujícího vlakna zůstat nevodivé, bez elektrického náboje. Tento negativní efekt způsobuje ukládání orientovaných vláken pouze do nižších vrstev materiálu, tj. těch prvně nanesených na začátku depozice, naopak ve vyšších vrstvách převládají vlákna s náhodným uspořádáním. Z tohoto důvodu byla navržena konstrukce sběrného kolektoru a automatický mechanizmus, který odebírá nanesené tenké vrstvy mikro- nebo nano- vláken a ukládá je do silnějších vrstev (2D nebo 3D) současně během procesu vláknění.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je umožnění řízem morfologických a z nich vyplývajících dalších vlastností vyráběných mikro- nebo nano- vlákenných materiálů, a tím dosažení lepších, také anizotropních, vlastností těchto nových materiálů. Pomocí parametrů procesu se ovlivňují výsledné vlastnosti vyrobených vlákenných materiálů, zejména stupeň orientace vlákenných struktur, morfologie, hustota, porozita, mechanické, fyzikální, biologické a chemické vlastnosti. Uvedené nové materiály dosahují velkých makroskopických rozměrů ve formě plošných (2D) nebo objemových (3D) objektů. Pro proces zvlákňování vedoucí k produkci mikro- nebo nano- vláken lze použít různých výchozích materiálů, nejlépe však polymerů, a to syntetických nebo přírodních.

Tohoto cíle je dosaženo zařízením pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken, obsahujícím soustavu zvlákňovacích trysek, připojených k prvnímu potenciálu, proti ní soustavu elektrod, uspořádaných v konstantním vzájemném odstupu a připojených ke druhému potenciálu, a sběrnou desku pro sběr mikrovláken nebo nanovláken usazených mezi dvojicemi sousedících elektrod, kde podstatou vynálezu je, že soustava elektrod obsahuje alespoň dvě v rovině uspořádané elektrody a sběrná deska svírá s rovinou elektrod úhel a, jehož velikost je v rozmezí od 0° do 90°, přičemž sběrná deska je vůči elektrodám uložena

pohyblivě ve směru, ležícím v té kolmé rovině na rovinu elektrod, v níž je uložena osa elektrody, přičemž směr pohybu sběrné desky svírá s osou této elektrody úhel β, jehož velikost je v rozmezí od 0° do 90°.

Ve výhodném provedení zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle vynálezu dosedá sběrná deska na elektrody hranou opatřenou břitem.

V dalším výhodném provedení tohoto zařízení je sběrná deska opatřena otevřenými rovnoběžnými štěrbinami, z nichž každá je uspořádaná vždy proti jedné z elektrod, přičemž výběžky sběrné desky mezi dvěma štěrbinami jsou zasunuty do prostoru mezi dvě sousední elektrody.

V jiném výhodném provedení tohoto zařízení obsahuje soustava v konstantním vzájemném odstupu uspořádaných elektrod alespoň tři rovnoběžné elektrody.

V ještě jiném výhodném provedení tohoto zařízení je sběrná deska na svém povrchu odvráceném od elektrod pokryta snímatelným substrátem pro umožnění zabalení vrstvy nanovláken do tohoto substrátu.

Konečně v ještě dalším výhodném provedení tohoto zařízení je sběrná deska na svém povrchu odvráceném od elektrod opatřena vybráním pro uložení sběrnou deskou sebraných vrstev nanovláken.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresů, kde na obr. 1 je schematicky znázorněno první příkladné provedení zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle vynálezu s elektrodami kolektoru ve tvaru rovnoběžných přímých vodicích tyčí, na obr. 2 je schematicky znázorněno druhé příkladné provedení zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle vynálezu s elektrodami kolektoru

vytvořených jako vodicí tyče ve tvaru v rovině uspořádaných soustředných kružnic, na obr. 3 je schematicky znázorněn boční pohled na sběrný mechanizmus s rovinnou sběrnou deskou, na obr. 4 je schematicky znázorněn boční pohled na sběrný mechanizmus se sběrným válcem, na obr. 5 je schematicky znázorněn boční pohled na sběrný mechanizmus s přímým sběrem vláken z povrchu vodivých tyčí pomocí nakloněného ostří, na obr. 6 je fotografie uspořádaně nanesených vláken mezi tyčové elektrody oddělené vzduchovou mezerou před jejich sejmutím sběrnou deskou ze zařízení podle vynálezu, na obr. 7 je fotografie náhodně ukládaných vláken nanesených na deskový kolektor, na obr. 8 je fotografie částečně orientovaných vláken nanesených na elektricky dělený kolektor, na obr. 9 je fotografie orientovaných vláken s postupným odebíráním z děleného kolektoru podle tohoto vynálezu, na obr. 10 je úhlové spektrum znázorňující orientaci vláken korespondujících s obrázky 7, 8 a 9 a na obr 11 je příklad materiálu z vláken polyvinylalkoholu vytvořeného na zařízení podle vynálezu v postupném zvětšení 70x, 350x a 3700x.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schematicky znázorněno první příkladné provedení zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken. Tryskový emitor 2 je naplněn roztokem polymeru 1 a k jeho kovové trysce 2 je připojen jeden pól zdroje 4 stejnosměrného elektrického napětí, jehož druhý pól je spojen s vodivými tyčemi elektrod £ kolektoru. Vodivé tyče elektrod £ kolektoru procházejí štěrbinami ve sběrné desce 2, která je nakloněná o úhel a k ose x. Vodivé tyče elektrod £ kolektoru jsou uloženy v rovině x, y a jsou přímé a rovnoběžné.

V činnosti tohoto zařízení je roztok polymeru 1 vytlačován mechanickým pístem kovovou tryskou X Stejnosměrné vysoké elektrické napětí ze zdroje 4 přivedené mezi trysku 2 a elektrody £ kolektoru, které jsou vytvořeny jako

vodivé tyče, směruje polymemí paprsek jako vlákno 5, které se pohybuje od trysky 2 směrem ke kolektoru, tedy ve směru osy z, po náhodné trajektorii. Toto vlákno 5 před dopadem na kolektor tuhne do formy mikro- nebo nanovlákna. Elektrostatické síly působící na vlákno £ ovlivní jeho ukládání do preferovaného směru g, jímž je v tomto případě směr osy y, který je kolmý na vodivé tyče elektrod £ kolektoru uložené v rovině %, y. Sběrná deska 2, nakloněná o úhel a k ose x, se v určitých časových intervalech pohybuje translací ve směru v(t), který je nakloněn o úhel β vůči ose x, Při tomto pohybu sběrné desky 2 dochází k samovolnému ukládání vláken 5 na plochy 2 o velikosti S, = /, w,. Orientovaná vlákna g vytvoří nový plošný (2D) nebo objemový (3D) materiál lg.

Na obr. 2 je schematicky znázorněno druhé příkladné provedení zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle vynálezu s elektrodami £ kolektoru vytvořenými jako vodicí tyče ve tvaru v rovině uspořádaných soustředných kružnic. Tryskový emitor 2 je naplněn roztokem polymeru lak jeho kovové trysce 2 je připojen jeden pól zdroje 4 stejnosměrného elektrického napětí, jehož druhý pól je spojen s elektrodami £ kolektoru. Vodivé tyče elektrod g kolektoru procházejí štěrbinami ve sběrné desce 2, která je nakloněná o úhel a k ose x. Vodivé tyče elektrod g kolektoru jsou uloženy v rovině x, y a jsou ve tvaru soustředných kružnic.

V Činnosti tohoto zařízení je roztok polymeru 1 vytlačován mechanickým pístem tryskového emitoru 2 kovovou tryskou 3· Stejnosměrné vysoké elektrické napětí mezi kovovou tryskou 2 a elektrodami g kolektoru směruje paprsek polymemího vlákna g, který se pohybuje od kovové trysky J směrem ke kolektoru, tedy ve směru osy z, po náhodné trajektorii. Tento paprsek polymemího vlákna g před dopadem na kolektor tuhne do formy mikro- nebo nanovlákna. Elektrostatické síly působící na vlákno g ovlivní jeho ukládání do preferovaného směru g, který je vůči kruhovým vodivým tyčím elektrod £

kolektoru, uloženým v rovině x, y, radiální. Sběrná deska Z, nakloněná o úhel a k ose x, se v určitých časových intervalech pohybuje rotací kolem vertikální osy 11 ve směru ω(ί), přičemž těžiště sběrné desky opisuje kružnici 12 nakloněnou o úhel β vůči ose x. Při tomto pohybu sběrné desky dochází k samovolnému ukládání vláken na plochy 2. Orientovaná vlákna 5 vytvoří nový plošný (2D) nebo objemový (3D) materiál IQ, Na obr. 3 je schematicky znázorněn boční pohled na sběrný mechanizmus s rovinnou sběrnou deskou 2. Na vodivé tyče elektrod £ kolektoru jsou elektrostatickým zvlákňováním nanesena vlákna 5» která jsou poté ukládána na povrch sběrné desky 2 při zachování jejich uspořádání. V tomto příkladném provedení je sběrná deska 2 rovinná a je nakloněná vzhledem k tyčím elektrod £ kolektoru o úhel a, přičemž koná translační pohyb ve směru svírajícím s osou x úhel β.

Na obr. 4 je schematicky znázorněn boční pohled na sběrný mechanizmus se sběrným válcem 14. Na vodivé tyče elektrod £ kolektoru jsou elektrostatickým zvlákňováním nanesena vlákna 5, která jsou poté ukládána na povrch sběrného válce 14 při zachování jejich uspořádání. Sběrný válec 14 rotuje kolem své osy a zároveň koná translační pohyb podél osy x.

Na obr. 5 je schematicky znázorněn boční pohled na sběrný mechanizmus s přímým sběrem vláken 5 z povrchu vodivých tyčí elektrod £ kolektoru pomocí nakloněného ostří. Na vodivé tyče elektrod £ kolektoru jsou elektrostatickým zvlákňováním nanesena vlákna 5, která jsou poté ukládána na povrch sběrné desky 2 při zachování jejich uspořádání. V tomto příkladném provedení dochází k přímému sběru vláken 5 z povrchu vodivých tyčí elektrod 6 kolektoru pomocí nakloněného ostří 12 Toto ostří 13 je k vodivým tyčím elektrod £ kolektoru nakloněné o úhel a, a pohybuje se podél osy x translací.

Na obr. 6 je fotografie uspořádaně nanesených vláken mezi vodivé tyče elektrod £ kolektoru oddělené vzduchovou mezerou před jejich sejmutím ···«· · · · ♦ · · sběrnou deskou. Na obrázku je zřejmé, že nanovlákna jsou uspořádána paralelně.

Na obr. 7, 8 a 9 jsou fotografie ilustrující význam konstrukce sběrného kolektoru a metody postupného ukládání na nanovlákna z polyvinylalkoholu. Tyto fotografie byly pořízeny elektronovým mikroskopem při zvětšení přibližně 5 OOOx. Vlákna 5 nanesená na deskový kolektor jsou na obr. 7 ukládána náhodně, na obr. 8 jsou částečně orientovaná vlákna 5 nanesená na elektricky dělený kolektor a na obr. 9 jsou vyfotografovaná orientovaná vlákna 5 s postupným odebíráním z děleného kolektoru podle tohoto vynálezu.

Na obr. 10 je úhlové spektrum znázorňující orientaci vláken 5 vzorků z obr. 7, vzorek A, obr. 8, vzorek B a obr. 9, vzorek C. Spektrum bylo získáno na základě analýzy obrazu pomocí Fourierovy transformace. Špička ve spektru vzorku C odpovídá nej významnějšímu úhlu uspořádání vláken 5, zde směr vertikální pod úhlem 90°. Použitá analýza se v odborné praxi běžně používá k automatickému vyhodnocení a porovnání orientace vláken 5, přestože obrazová analýza pracuje s body, to jest pixely obrazu, nikoliv s jednotlivými vlákny g.

Na obr. 11 jsou fotografie příkladného materiálu vytvořeného na zařízení podle tohoto vynálezu. Na tomto obrázku jsou tři různá zvětšení části materiálu z vláken 5 polyvinylalkoholu, a to na snímku a) je zvětšení 70x, na snímku b) je zvětšení 350x a na snímku c) je detail struktury ve zvětšení 3700x.

Mikro- nebo nanovlákna jsou formována metodou elektrostatického zvlákňování. Jednoduchý nebo vícenásobný tryskový emitor 2 generuje proud polymemích vláken 5 ve formě paprsků, které se přemísťují směrem k druhé elektrodě £ kolektoru a rovnoměrně pokrývají celou plochu kolektoru. Mikronebo nanovlákna jsou unášena silami elektrostatického pole a ukládají se v navzájem paralelním směru, neboť jejich trajektorie při pohybu z tryskového emitoru 2 na elektrody £ kolektoru ovlivňují siločáry elektrostatického pole v blízkém okolí kolektoru, který je pro tyto účely rozdělen na dvě a více • •4 « · · « ·· · · ····· · · · · v · vodivých a nevodivých oblastí. Na základě četných experimentů byl navržen a odzkoušen sběrný kolektor, u něhož jsou elektrody £ kolektoru tvořeny dvěma a více tenkými vodivými tyčemi, například ve formě drátů nebo struny, které jsou od sebe odděleny vzduchovou mezerou. Jejich počet ani délka nejsou omezeny. Dále bylo zjištěno, že nej vhodnější tvar řezu tyče není kruhový, ale hranatý, a to čtvercový nebo obdélníkový s šířkou 0.1 mm až 10 mm, nejlépe 1 až 5 mm. Jednotlivé tyče jsou od sebe podélně vzdáleny a odděleny vzduchovou mezerou o určité vzdálenosti, respektive 0.1 mm až 200 mm, lépe však 1 až 100 mm. Systematicky byl studován vliv vzduchové mezery na tvorbu uspořádaných vláken 5 a bylo zjištěno, že při malé vzdálenosti je stupeň orientace snížen.

Naopak při velké vzdálenosti dochází k ukládání vláken £ přímo na vodivé elektrody a orientovaných vláken 5 natažených mezi vodivými tyčemi je méně, případně jsou vlastní vahou přetrhána. Proto se pro každý typ polymeru musí experimentálně ověřit nejpříhodnější velikost vzduchové mezery pro úspěšnou tvorbu orientovaných vláken 5- Dále bylo zjištěno, že šířka vodivých tyčí nemusí být nutně velká, ale naopak z konstrukčního i funkčního hlediska se jeví jako výhodné použít tenkých tyčí čtvercového průřezu, nikoliv širších desek jak f je ukázáno v citované literatuře. Velikost vzduchové mezery byla optimalizována pro několik druhů syntetických i přírodních polymerů v závislosti na jejich mechanických vlastnostech.

Při depozici se vlákny 5 postupně zaplňuje prostor mezi vodivými tyčemi elektrod £ kolektoru, kde jsou vlákna 5 právě srovnána podélně do jednoho směru, resp. kolmo na vodivé tyče elektrod £ kolektoru přes nevodivou oblast. Ukládání takto orientovaných vláken 5 do silnějších vrstev není možné z důvodů uvedených dříve, tj. např. degradací stupně orientace, atd., a proto byl navržen postup, při kterém byla nanesená tenká vrstva v pravidelných časových intervalech odebírána a přenášena na podložku, nejlépe současně při depozici.

Ke sběru, přenosu a vrstvení orientovaných vláken 5 slouží sběrná deska 2 s podlouhlými otvory, které umožňují její zasunutí do vodivých tyčí elektrod £

kolektoru a translační pohyb v podélném směru podél těchto vodivých tyčí. Tvar sběrné desky 2 byl opakovaně experimentálně zkoušen a modifikován. Výsledný optimální design je popsán právě v tomto řešení. V určitých časových intervalech, od 1 s do 1 hod, se tato sběrná deska 2 přesune podélně přes vodivé tyče, přičemž na svůj povrch zachytává uspořádaně nanesená mikro- nebo nanovlákna. Bylo zjištěno, že sběrná deska 2 sklopená pod určitým úhlem k tyčím elektrod £ kolektoru, a to v intervalu 0 < a < 90°, mechanicky méně namáhá odebíraná vlákna 5 v blízkosti hran vodivých tyčí elektrod 6 kolektoru a dále také to, že sklon sběrné desky 2 napomáhá pravidelnému ukládání jednotlivých vláken § po celé jejich délce na tuto sběrnou desku 2- Tento sklon sběrné desky dále umožňuje současné odebírání vláken 5 nanesených přímo na vodivé tyče elektrod £ kolektoru, které jsou v těchto místech nanášeny ve větším počtu, a to vlivem výraznějších působících elektrostatických sil, a proto zvyšují mechanickou odolnost výsledného materiálu. Dále byl vyřešen problém sběru orientovaných vláken £ na větší plochu S = £S, = £(4 · ^) (kde Z, je délka, w, je šířka i-té plochy) a to právě nově navrženým a experimentálně ověřeným postupem. Sběrná deska se pohybuje translací (rychlostí od 0.001 do 10 m/s) podél vodivých tyčí elektrod £ kolektoru, přičemž směr tohoto pohybu je nakloněn vůči vodivým tyčím elektrod Q kolektoru o úhel který je v intervalu 0 < β < 90°. Při tomto pohybu dochází k ukládání uspořádaně nanesených mikro- nebo nanovláken do silných vrstev (2D) nebo objemových (3D) objektů, přičemž se zachovává pravidelná uspořádaná struktura materiálu IQ. Velikost úhlu β určuje plošnou hustotu vláken £ ve vytvořené vrstvě nového materiálu IQ a délku l pokrytou na sběrné desce. Plošné nebo objemové materiály 10 se postupně tvoří v závislosti na celkové době procesu a celkové ploše vyráběného materiálu IQ. Vypracovaný postup umožňuje nanášet mikro- nebo nanovlákna do silnějších vrstev při zachování stupně orientace i ve vyšších vrstvách.

Ukládáním na připravenou finální podložku jsou vlákna 5 jen minimálně mechanicky namáhána, a proto není narušena jejich struktura.

Vlákna 5 vyrobená z různých směsí, např. polymerů syntetických nebo přírodních, mají obecně jiné mechanické vlastnosti a elektrostatickým zvlákňováním vyrobené materiály 10 mají také různou morfologii. Na základě zkoumaných vlastností byl vybrán jeden z navržených postupů sběru a ukládání uspořádaných vláken 5- Bylo zjištěno, že pro vlákna 5 s menší mechanickou pevností, vyrobená z přírodních polymerů, je vhodné použít sběrnou desku 2, která je zasunutá mezi vodivé tyče elektrod £ kolektoru. Vlákna 5 mohou být tak jemná, že dochází k jejich přetržení i vlastní vahou, když jsou zavěšena mezi vodivými tyčemi elektrod £ kolektoru. V tomto případě neexistuje jiná možnost, než vlákna 5 odebrat zařízením podle vynálezu. Naopak u odolnějších materiálů IQ, jako jsou syntetické polymery, se použije sběrná deska 2 se sběrným ostřím 13, které se translací pohybuje po povrchu vodivých tyčí. Výhodou tohoto postupuje to, že výsledný materiál 10 není v žádných místech přerušen a dokonce v oblastech na vodivých tyčích elektrod £ kolektoru je materiál 10 zesílen, což výrazně zvyšuje jeho odolnost při následném mechanickém namáhání například v konkrétní aplikaci.

Translační pohyb sběrné desky 2 podél vodivých tyčí elektrod £ kolektoru je v určitých časových intervalech zpětný, za účelem tvorby jednostranného nánosu materiálu 10. Protože je nový materiál 10 vytvářen na libovolné podložce, může být tato podložka navržena jako obalový materiál. Praktické řešení umožňuje výrobu uspořádaných materiálů, které budou současně ukládány v depoziční komůrce „in-situ“ do sterilního obalu a tak připraveny přímo k aplikaci a použití. Navržené zařízení řeší problém s technicky náročným mechanickým přemísťováním jemných vlákenných materiálů 10 na jiný transportní substrát a odstraňuje možné příčiny narušení, poškození, znečištění a znehodnocení materiálu 10 při manipulaci. Navržené zařízení umožňuje proces výroby probíhající v jediném prostředí depoziční komůrky a proto může být snadno dosažena potřebná sterilita materiálů 10 určených pro medicínu.

• · · · · · · ·*·· » · · · · ·· ♦ « · · ’ .;Λ.^:

V dalším případě se sběrná deska 2 pohybuje po uplynutí časového intervalu vždy jen jedním směrem. V koncové pozici setrvá opět stejný časový interval a pak se pohybuje zpět. Rozdělený translační pohyb vede k nanášení mikro- nebo nanovláken z obou stran sběrné desky 2, která je tvarově přizpůsobena k přichycení podkladového materiálu. Tento princip umožňuje vytvářet vlákenné vrstvy oboustranně na jedinou nosnou podložku.

Dále byl řešen problém s diskrétním pohybem sběrné desky 2, který je konstrukčně náročnější. Středově symetrická konstrukce používá jako elektrod 6 kolektoru kruhových vodivých tyčí kolektoru. Sběrná deska 2 se v tomto případě pohybuje rotací kolem středové osy s úhlovou rychlostí ω(ί) od 0.001 do 10 rad/s. K ukládání a vrstvení vláken 5 dochází stejným způsobem jako v předchozím řešení. Zde je výhodou kontinuální rotační pohyb sběrné desky 2, oproti diskrétním translacím v předchozím řešení.

Konstrukční modifikace sběrné desky 2 umožňují rotaci jednotlivých elementů sběrné desky 2 o úhel γ, který se nachází v intervalu 0 < γ < 90°. Po uplynutí určitého časového intervalu (od 1 s do 1 hod) vrstvení vlákenného materiálu IQ se pootočí elementy sběrné desky 2 s plochou Si = 4 · w,· a opět se nanáší další vrstvy materiálu IQ. Vnitřní struktura tímto způsobem vytvořeného materiálu IQ má jednotlivé vrstvy tvořené mikro- nebo nanovlákny, které jsou navzájem pootočené o nastavený úhel γ. Tento princip umožňuje výrobu materiálů IQ se dvěma a více preferovanými směry anizotropního materiálu 10 a také k tvorbě uspořádané 3D struktury. Pravidelná struktura vzniká nejen na ploše, ale také do třídimenzionálního objemu rotací elementů sběrné desky 2, nebo vícenásobným opakováním sběru vláken 5 postupem popsaným dříve.

Ukládaná vlákna 5 zaplňují plochu mezi otvory na sběrné desce 2Velikost plochy 2, kam se vrství orientovaná mikro- nebo nanovlákna, není rozměrově omezená. Jediným důležitým parametrem je příčná šířka vodivých tyčí elektrod Q kolektoru a z toho odvozená šířka otvorů ve sběrné desce 2V těchto místech jsou ve výsledném materiálu 10 vlákna 5 nanesená

neuspořádaně, nebo jsou zde zanechána místa nezaplněná. Tyto oblasti tvoří maximálně 20 % ve výsledném materiálu 10.

Vícenásobné kovové trysky J emitoru jsou použity za účelem pokrytí větší plochy kolektoru vlákny § a zvýšení efektivity výroby. Jednotlivé kovové trysky 3 emitoru slouží také k nanášení vláken 5 z různých polymemích směsí. V případě, že jsou kovové trysky J emitoru umístěny v řadě podélně s vodivými tyčemi elektrod £ kolektoru, jsou vlákna 5 ukládaná po vrstvách, přičemž jednotlivé vrstvy jsou z vláken 5 jiného polymeru. Vytvořený materiál je vlákenné struktury kompozitního charakteru.

Nahrazení sběrné desky 2 sběrným válcem 14 o určitém průměru R, v jehož plášti jsou vytvořeny výřezy pro jednotlivé vodivé tyče elektrod £ kolektoru, umožňuje výrobu dutých trubiček, jejichž stěny jsou složeny s podélně pravidelně uspořádaných vláken g. Sběrný válec 14 koná dva nezávislé pohyby: rotační kolem své podélné osy a translační ve směru podélném s vodivými tyčemi elektrod & kolektoru (s osou x). Uvedený pohyb válce umožňuje sběr mikro- nebo nanovláken na jeho povrch. Plášť sběrného válce 14 s podložkou, kde se vlákna £ ukládají do plošných (2D) materiálů IQ, je ponechán ve tvaru trubičky, nebo rozložen za účelem vzniku plochých materiálů 10 větších rozměrů.

Uvedená konstrukce kolektoru a mechanizmus sběru a ukládání orientovaných mikro- nebo nanovláken umožňuje efektivní výrobu nových materiálů, které jsou plošně rozsáhlé a nebo vrstvené do objemných (3D) forem, přičemž si zachovávají jemnou pravidelnou vláknitou strukturu.

Průmyslová využitelnost

Vynález lze využít k výrobě plošných (2D) nebo objemových (3D) materiálů, které mají vnitřní vlákennou strukturu složenou zorientovaných mikro- nebo nanovláken uspořádaných podélně do jednoho nebo více směrů.

• · · · · · · ·· · * • · ·♦· · · ♦ · · * ·: J Z. ·

Reference

1. S. P. N. Sangamesh G. Kumbar, Roshan James, MaCalus V. Hogan and Cato T. Laurencin, Recent Patents on Biomedical Engineering 1, 68 - 78 (2008).

2. D. Li, Y. Wang and Y. Xia, Nano Letters 3 (8), 1167-1171 (2003).

3. Y. W. D. Li, Y. Xia,, Advanced Materials 16 (4), 361-366 (2004).

4. D. Li, G. Ouyang, J. T. McCann and Y. Xia, Nano Letters 5 (5), 913-916 (2005).

5. R. Jalili, M. Morshed, S. Abdolkarim and H. Ravandi, Journal of Applied Polymer Science 101 (6), 4350-4357 (2006).

««·*· · ♦ * · · ·

Patentové nároky

Claims

Patentové nároky

1. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken, obsahující soustavu zvlákňovacích kovových trysek (3), připojených k prvnímu potenciálu, proti ní soustavu elektrod (6) kolektoru, uspořádaných v konstantním vzájemném odstupu a připojených ke druhému potenciálu, a sběrnou desku (7) nebo sběrný válec (14) pro sběr mikrovláken nebo nanovláken usazených mezi dvojicemi sousedících elektrod (6) kolektoru, vyznačující se tím, že soustava elektrod (6) kolektoru obsahuje alespoň dvě v rovině uspořádané elektrody (6) kolektoru a sběrná deska (7) v čáře jejího průniku nebo tečna ke sběrnému válci (14) kolmá na dotykovou linii s rovinou elektrod (6) kolektoru svírá s rovinou elektrod (6) kolektoru úhel a, jehož velikost je v rozmezí od 0° do 90°, přičemž sběrná deska (7) nebo sběrný válec (14) je vůči elektrodám (6) kolektoru uložena pohyblivě ve směru, ležícím v rovině kolmé na rovinu elektrod (6) kolektoru a osou elektrody (6) kolektoru procházející, přičemž směr pohybu sběrné desky (7) nebo sběrného válce (14) svírá s osou této elektrody (6) kolektoru úhel β, jehož velikost je v rozmezí od 0° do 90°.
2. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle nároku 1, vyznačující se t í m , že sběrná deska (7) dosedá na elektrody (6) kolektoru hranou opatřenou ostřím (13).
3. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle nároku 1, vyznačující se t í m , že sběrná deska (7) je opatřena otevřenými rovnoběžnými štěrbinami, z nichž každá je uspořádaná vždy proti jedné z elektrod (6)

kolektoru, přičemž výběžky sběrné desky (7) mezi dvěma štěrbinami jsou zasunuty do prostoru mezi dvě sousední elektrody (6) kolektoru.
4. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle nároků laž3, vyznačující se tí m, že soustava v konstantním vzájemném odstupu uspořádaných elektrod (6) kolektoru obsahuje alespoň tři rovnoběžné elektrody (6) kolektoru.
5. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle nároku 1, vyznačující se t í m , že sběrná deska (7) je na svém povrchu odvráceném od elektrod (6) kolektoru pokryta snímatelným substrátem pro umožnění zabalení vrstvy mikrovláken nebo nanovláken do tohoto substrátu.
6. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle nároku 1, vyznačující se t í m , že sběrná deska (7) je na svém povrchu odvráceném od elektrod (6) kolektoru opatřena vybráním pro uložení sběrnou deskou (7) sebraných vrstev mikrovláken nebo nanovláken.
7. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle nároku 1, vyznačující se t í m , že tvar průřezu elektrod (6) kolektoru je čtvercový nebo obdélníkový s šířkou 0.1 mm až 10 mm.
8. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle nároku 7, vyznačující se t í m , že tvar průřezu elektrod (6) kolektoru je čtvercový nebo obdélníkový s šířkou 1 mm až 5 mm.
9. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle nároku 1, vyznačující se t í m , že elektrody (6) kolektoru jsou od sebe odděleny vzduchovou mezerou, přičemž jsou od sebe vzdáleny 0,1 mm až 200 mm.
10. Zařízení pro výrobu dvojrozměrných nebo trojrozměrných vlákenných materiálů z mikrovláken nebo nanovláken podle nároku 9, vyznačující se t í m , že elektrody (6) kolektoru jsou od sebe vzdáleny 1 mm až 100 mm.