СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ВОЛОКОН
METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING FINE FIBRES

Область техники
Данное изобретение относится к способу и устройству для получения тонких волокон, в частности, но не исключительно, очень тонких волокон, относящихся к классу, который часто называют нановолокнами, из различных полимеров, смесей полимеров, смесей керамических предшественников и смесей металлических предшественников.
Уровень техники
Полученные из растворов полимеров очень тонкие волокна, которые часто называют нановолокнами, пригодны в широком спектре областей применения, включая фильтрующие среды, каркасные структуры и устройства для тканевой инженерии, армированные нановолокнами композитные материалы, датчики, электроды для аккумуляторов и топливных элементов, материалы носителей катализаторов, впитывающие ткани, гигроскопические прокладки, агенты, препятствующие прилипанию (повязки) после операции, избирательный текстиль, а также в искусственном кашемире и искусственной коже.
Электростатическое прядение волокон было, вероятно, впервые описано в патенте США 692631. В принципе, небольшую каплю раствора или расплава полимера помещают в сильное электрическое поле, что вызывает отталкивание между индуцированными в каплях зарядами одного знака, которое противодействует поверхностному натяжению жидкости. Если приложить достаточно сильное электрическое поле (обычно 0,5-4 кВ/см), электростатические силы могут преодолеть поверхностное натяжение жидкости, и из капли извергается струя раствора или расплава полимера.
Электростатическая нестабильность приводит к быстрому, хаотичному биению струи, что приводит, в свою очередь, к быстрому испарению любого растворителя, а также к растяжению и утончению оставшегося полимерного волокна. Полученные волокна затем собирают на противоэлектроде, обычно в виде нетканого полотна. Собранные волокна обычно являются достаточно однородными и могут иметь диаметр волокон от порядка нескольких микрон вплоть до таких низких величин, как 5 нм.
Технические препятствия при изготовлении больших количеств нановолокон с помощью электропрядения включают низкие производительности и тот факт, что прядение большинства полимеров осуществляют из раствора.
2
2
В одном из обычных способов производства применяют множество каналов, которые, например, могут быть выполнены в виде многоканальных игольных фильер. В среднем электропрядение из раствора с использованием многоканальных игольных фильер имеет производительность по раствору порядка 1 мл в час на канал. Волокна с диаметрами порядка 50-100 нм обычно прядут из растворов с относительно низкими концентрациями, обычно 5-10% масс., в зависимости от типа полимера и молекулярной массы. Это означает, что, в предположении, что плотность полимера составляет около 1 г/мл, типичная производительность процесса электропрядения на основе многоканальных игольных фильер по твердому веществу составляет от 0,05 до 0,1 г волокна в час на один игольный канал. При такой скорости производство полотна из нановолокна с поверхностной плотностью 80 г/м при скорости 5 м/с будет требовать как минимум 14400000 игольных каналов.
Кроме того, взаимное наложение электрических полей между различными игольными каналами ограничивает минимальное расстояние между ними и, более того, непрерывная работа многоканальных игольных фильер требует частой очистки игольных каналов, поскольку имеется тенденция забивания многоканальных фильер полимером. Общим итогом является то, что производство в промышленных объемах становится почти непомерно дорогостоящим для большей части применений в потребительских товарах, таких как ткани для фильтрации и гигроскопические ткани.
Formhals (патент США 1975504) попытался увеличить производительность электропрядения путем применения в качестве одного из электродов зубчатого колеса. В более поздних конструкциях он применял установку с многоканальными игольными фильерами (патент США 2109333).
Reneker et al. (публикация Международной патентной заявки WO 0022207) описывают процесс, в котором нановолокна производят путем подачи раствора для образования волокон в колонну с кольцеобразным сечением и подачи через эту колонну газа под давлением с целью формирования кольцеобразной пленки, которую затем разделяют на многочисленные пряди волокнообразующего материала.
Были выдвинуты многочисленные другие предложения, которые основаны на создании струй волокнообразующего раствора с использованием игольных каналов и отверстий для получения волокон таким образом.
Система с весьма высокой производительностью, известная как NanoSpider, описана в публикации международной патентной заявки WO 05024101. В этой системе раствор полимера для формирования волокон находится в кювете (ванне), и в этой ванне медленно вращается частично погруженный в нее электропроводный цилиндр, с целью формирования на его поверхности тонкого слоя раствора. Выше цилиндра на 10-20 см размещен противоэлектрод, и в процессе электропрядения сотни струй вылетают с поверхности цилиндра и попадают на противоэлектрод.
Публикация Международной патентной заявки WO 2006131081 описывает усовершенствованный тип технологии NanoSpider, в которой электропроводные цилиндры заменены смонтированными на одной оси вращающимися цилиндрическими структурами, обеспечивающими множество «разрядных» поверхностей, с которых раствор должен вытекать с образованием полимерных волокон. Это устройство является довольно сложным, а цилиндрические структуры, очевидно, являются весьма дорогими.
Японский патент JP 3918179 описывает способ, в котором на поверхности раствора полимера непрерывно генерируют пузыри путем продувки в раствор сжатого воздуха через пористую мембрану или через тонкую трубку. На этих пузырьках образуются струи для электропрядения, а образующиеся волокна собирают на противоэлектроде. Как представляет автор данной заявки, эта система требует, чтобы пузырьки в растворе полимера образовывались в больших объемах и чтобы они очень быстро лопались. Кроме того, большинство органических растворителей недостаточно легко образуют пену, и данные примеры демонстрируют прядение только с растворами полимеров в воде, 2-пропаноле и ацетоне. К тому же этот патент требует, чтобы противоэлектрод был помещен на достаточном расстоянии от пены, так как капли прядильного раствора, которые возникают из-за постоянно лопающихся пузырей, могут брызгать на волокна, образованные на противоэлектроде, и повреждать или разрушать их.
В своей находящейся на рассмотрении Международной патентной заявке, опубликованной под номером WO 2008125971, авторы описывают усовершенствование пузырькового процесса электропрядения на основе стабилизации образованных пузырьков с использованием поверхностно-активного вещества.
Задача изобретения
Задачей данного изобретения являются способ и устройство для получения таких волокон, которые решают, по меньшей мере до некоторой степени, одну или более из вышеупомянутых проблем, относящихся к высокопроизводительному получению электростатически пряденых волокон.
Сущность изобретения
В соответствии с одним из аспектов данного изобретения предложен способ получения тонких волокон посредством электропрядения волокон, путем наложения электрического поля между первичным электродом и противоэлектродом, расположенным на некотором расстоянии от первичного электрода и в основном параллельно ему, при котором по меньшей мере рабочая поверхность первичного электрода покрыта раствором полимера, и между первичным электродом и противоэлектродом создают электрическое поле достаточной величины для того, чтобы вызвать образование тонких волокон в пространстве между электродами, при этом способ характеризуется тем, что рабочая поверхность первичного электрода, которая покрыта раствором полимера, состоит из соответствующих частей поверхностей ряда свободно размещенных (не присоединенных к чему-либо) элементов, являющихся в рабочем состоянии полупогруженными, опирающихся на дно ванны или поддона или другой поддерживающей конструкции или конструкций, и в способе использовано приспособление, обеспечивающее нанесение раствора полимера на выступающие поверхности свободно размещенных элементов, принуждая их вращаться в растворе полимера таким образом, чтобы их поверхности были покрыты тонким слоем раствора полимера.
Эти элементы обычно являются закругленными, а наиболее обычно - круглыми, по меньшей мере в одной проекции. Это могут быть сферы, цилиндры или промежуточные эллипсоидальные формы, хотя в настоящее время предпочтительной является сферическая форма.
Вращение можно вызывать, наклоняя поддон или ванну или находящийся в ней поддерживающий элемент.
Альтернативно, поддерживающая пластина или подобный ей элемент может перемещаться относительно этих элементов, чтобы вызвать их вращение, в данном случае обычно таким образом, чтобы это было возвратное движение вперед и назад или вращательное движение.
В другом варианте элементам можно придавать вращательное движение, используя стержни или рамы. Например, элементы можно поместить в окружающую их рамку, чтобы заполнить определенную площадь этими элементами, опирающимися на опорную конструкцию в форме находящейся под этими элементами движущейся поверхности, например, широкой бесконечной ленты конвейера, при этом вся сборка наполовину погружена в раствор полимера.
В случае стальных элементов или элементов, изготовленных из другого магнитного материала, их можно приводить во вращение под воздействием переменных магнитных полей.
Поверхность элементов обычно может быть гладкой, но она также может быть и текстурированной различным образом, например, в виде заостренных выступов, канавок в поверхности, или любым другим образом, деформирующим гладкую поверхность элемента.
Элементы могут иметь любой размер в диапазоне примерно от 1 мм до 300 мм, обычно примерно от 3 мм до 30 мм. Элементы могут быть изготовлены из стали, стекла или любого другого подходящего материала, при условии, что они должны быть достаточно стабильны в растворе полимера и способны работать с соответствующими механизмами устройства.
Раствор полимера может быть раствором любого природного или синтетического полимера в соответствующем растворителе, или же смесью различных полимеров, или золь-гель смесью, или любой другой комбинацией компонентов, из которой можно произвести волокна в процессе электропрядения. Раствор полимера может также содержать добавки, необходимые для модификации поверхностного натяжения, вязкости и/или других реологических или электрических свойств раствора.
Согласно второму аспекту данного изобретения, предложено устройство для получения тонких волокон описанным выше способом, в котором первичный электрод расположен на некотором удалении от противоэлектрода и в основном параллельно ему, и это устройство характеризуется тем, что рабочая поверхность первичного электрода, которая должна быть покрыта применяемым раствором полимера, состоит из соответствующих частей поверхностей множества полупогруженных в рабочем состоянии, свободно размещенных (не присоединенных к чему-либо) элементов, опирающихся на дно ванны или поддона или другого поддерживающего элемента или элементов, и в это устройство включено приспособление, позволяющее наносить раствор полимера на выступающие поверхности свободно размещенных элементов, приводя их во вращение в растворе полимера так, чтобы их поверхности покрывались тонким слоем раствора полимера.
Дополнительные признаки этого аспекта данного изобретения следуют непосредственно из дополнительных признаков первого аспекта данного изобретения.
Способ применим также в сочетании со специализированными коллекторами нановолокна для производства геометрически более сложных структур из нановолокна, например, с устройством для формирования нити из нановолокна, описанным в нашей находящейся на рассмотрении Международной патентной заявке, опубликованной под номером WO 2008062264.
Для обеспечения более полного понимания данного изобретения, далее будут описаны несколько примеров его реализации, со ссылкой на сопровождающие чертежи.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение вида сбоку одного из примеров реализации данного изобретения;
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение вида сбоку второго примера реализации данного изобретения;
Фиг.3 представляет собой вид сбоку третьего примера реализации данного изобретения;
Фиг.4 представляет собой вид сверху третьего примера реализации, проиллюстрированного на Фиг.3;
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение вида сбоку четвертого примера реализации данного изобретения; и
Фиг.6 и 7 иллюстрируют другие возможные формы элементов.
Подробное описание со ссылкой на чертежи
В примере реализации данного изобретения, проиллюстрированном на Фиг.1, многочисленные свободно размещенные элементы (1), более конкретно - сферы, расположены так, чтобы составить то, что фактически является первичным электродом; при этом многочисленные свободно размещенные сферы организованы таким образом, что они могут катиться под действием силы тяжести по наклонно расположенной ванне (2), содержащей раствор (3) полимера, если эта ванна наклонена соответствующим образом. Таким образом, ванну наклоняют с целью создания тонкого слоя раствора полимера на выступающих поверхностях сфер, которые только частично погружены в раствор.
Источник (4) обеспечивает подачу высокого напряжения между первичным электродом и противоэлектродом (5), который в основном параллелен первичному электроду, но расположен на некотором расстоянии от него. Электрический контакт с раствором полимера, нанесенным на выступающие из раствора поверхности сфер, поддерживают с помощью контактной пластины (6), на которую опираются сферы внутри ванны.
Периодическое перемещение сфер получают путем придания ванне наклона сначала в одном направлении, а затем в противоположном или по меньшей мере в другом направлении, так что сферы перемещаются одна за другой, а обычно - туда и обратно, в пределах ванны, каждый раз вращаясь и собирая на своих поверхностях тонкий слой раствора полимера. Придание наклона ванне можно осуществить любым способом, например, посредством выдвижения и втягивания поддерживающих устройств (7), состоящих из поршня и цилиндра, расположенных на углах ванны или вблизи углов ванны. Действие такого устройства, состоящего из поршня и цилиндра, может быть гидравлическим или пневматическим, и его можно регулировать автоматически, например, с помощью соответствующим образом настроенного по времени автоматического клапанного устройства (8). Альтернативно, ванна может опираться на соответствующие эксцентрики, которые при вращении вызывают последовательные наклоны в различных направлениях.
Получение волокон регулируют, в частности, регулируя напряжение, приложенное между первичным электродом и противоэлектродом, так, чтобы под воздействием приложенного высокого напряжения с поверхностей сфер вырывались многочисленные струи (9) электропрядения. За исключением конструкции первичного электрода, установка работает по производственным принципам, которые хорошо известны специалистам, и дополнительные подробности которых нет необходимости включать в текст настоящего патентного описания.
Однако следует отметить, что иногда может быть необходимо инициировать образование струи на сферах путем физического контакта со смоченной поверхностью, например, прикасаясь к смоченной поверхности стеклянным стержнем. Результатом является образование на поверхности жидкости жидкого выступа заостренной формы, например, при удалении стеклянного стержня. После этого из этой точки извергаются одна или более струй. Высокий заряд на сферах приводит затем к автоматическому расщеплению первой струи (или струй) на множество струй, которые распределяются по другим сферам без дополнительного внешнего вмешательства. Такую инициацию можно также осуществить многими другими способами, включающими какую-либо физическую деформацию слоя жидкости на сфере.
Следует понимать, что вместо сфер можно использовать любую пригодную форму или сочетание форм, которые позволяют элементам вращаться. Например, элементы могут быть цилиндрическими по форме или даже эллипсоидной формы.
Рассмотрим теперь Фиг.2, где проиллюстрирована подобная же форма, в которой такие же сферы (11) опираются на погруженную горизонтальную поддерживающую конструкцию (12), которая при использовании может перемещаться в ванне (13) взад и вперед или по кругу, что заставляет сферы перекатываться в растворе (14) полимера внутри ванны. Это движение организовано так, чтобы вызвать образование тонкого слоя раствора полимера на выступающих из раствора поверхностях сфер, как описано выше.
В ходе работы под воздействием приложенного высокого напряжения с поверхностей сфер вырываются многочисленные струи (15) электропрядения. Движение поддерживающей конструкции может быть достигнуто с применением любого пригодного механизма; в качестве одной из возможностей можно рассматривать электрический двигатель, приводящий в движение эксцентрик, обозначенный позицией (16).
Обращаясь к Фиг.3 и 4, в третьей форме данного изобретения сферы (17) частично погружены в ванну (19), и их поддерживают расположенные параллельно друг другу вращающиеся стержни (18). Стержни (18) двигаются в унисон с помощью цепной передачи (20), в результате чего сферы (17) приводятся во вращение. Части сфер (17), расположенные между стержнями (18), погружены в раствор полимера, и при вращении поверхность сфер покрывается тонким слоем раствора полимера. В зависимости от размера стержней и сфер и расстояния между ними стержни могут быть полностью погружены или же слегка выступать над поверхностью раствора полимера, при этом сферы погружены в раствор частично.
В примере реализации данного изобретения, проиллюстрированном на Фиг.5, сферы (21) опираются на широкую бесконечную ленту (транспортер) (22), расположенную внутри ванны (23) таким образом, что при движении ленты сферы вращаются, с описанным выше результатом.
Способ и устройство согласно данному изобретению позволяют осуществлять прядение с высокой производительностью без трудностей, связанных с использованием многоканальных игольных фильер. Этого достигают созданием того, что может быть описано как твердая, подобная пузырям поверхность. Покрытые пленкой раствора элементы имитируют пузыри на поверхности прядильного раствора полимера, но имеют то преимущество, что они не лопаются, приводя к вредному разбрызгиванию, и сохраняют постоянную геометрию, что приводит к лучшему регулированию процесса, предсказуемости и однородности.
При использовании многочисленных свободно размещенных (не присоединенных к чему-либо) вращающихся элементов в данном изобретении преодолевают ограничения, которые налагает конструкция закрепленного на оси цилиндра устройства NanoSpider. Применение многочисленных свободно размещенных (то есть не закрепленных на оси) вращающихся элементов позволяет одновременно использовать вращающиеся элементы различных размеров, более оптимально использовать площадь прядильного оборудования в результате более плотной упаковки вращающихся элементов, а также дает дополнительную степень свободы в отношении маневренности вращающихся элементов и большую свободу возможностей при конструировании оборудования.
Следует понимать, что в пределах объема защиты данного изобретения можно осуществить многочисленные различные формы его выполнения, не выходя за пределы этого объема. В частности, возможны многочисленные вариации формы и конфигурации элементов и способа их поддержки. Так, например, они могут быть в основном цилиндрическими, как проиллюстрировано на Фиг.6, хотя могут быть и эллипсоидальными, как проиллюстрировано на Фиг.7. Если это желательно, элементы могут также иметь текстурированные поверхности, которые могут включать множество небольших выступов.