УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОВОЛОКНА, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОВОЛОКНА И СТРУКТУРА, СФОРМОВАННАЯ ИЗ НАНОВОЛОКНА
DEVICE FOR PRODUCING NANOFIBRES, METHOD OF PRODUCING NANOFIBRES AND STRUCTURE MADE OF NANOFIBRES

Область технического применения
Настоящее изобретение относится к устройству и к способу изготовления нановолокна и структуры из нановолокна.
Предпосылки к созданию изобретения
Процесс электропрядения привлекает к себе внимание, как технология, при применении которой обеспечивается возможность относительно легкого изготовления волокон, имеющих нанодиаметр (т.е. изготовления нановолокон) без использования механических или термических сил. Обычный процесс электропрядения включает загрузку раствора материала для формования нановолокна в шприц, содержащий иглу на его конце, и впрыскивание раствора из иглы к лицевой поверхности собирающего электрода, при одновременном создании высокого напряжения постоянного тока между иглой и собирающим электродом. Растворитель из впрыскиваемого раствора мгновенно испаряется, а материал вытягивается под действием силы электростатического взаимодействия, и при этом коагулирует, превращаясь в нановолокно, которое осаждается на собирающем электроде.
Описанный выше обычный процесс электропрядения пригоден для изготовления только одного или небольшого количества нановолокон из одной иглы. Технология изготовления большого количества нановолокон пока еще не создана, и практическое применение процесса электропрядения только медленно прогрессирует.
В патентном документе 1, указанном ниже, с целью увеличения производительности при производстве нановолокна, раскрыт способ изготовления нановолокна, включающий создание множества устройств для электропрядения, расположенных параллельно друг другу, и устройства для сбора нановолокон. Каждое устройство для электропрядения содержит: металлический шарик маленького диаметра; металлическое прядильное сопло, расположенное таким образом, чтобы расстояние между металлическим шариком и отверстием прядильного сопла было небольшим; и сопло для подачи воздуха с высокой скоростью, предназначенное для направления высокоскоростной воздушной струи перпендикулярно линии, соединяющей металлический шарик и отверстие прядильного сопла. Между металлическим шариком и прядильным соплом создают высокое напряжение для изготовления нановолокна, и нановолокна, выходящие из сопел, собирают вместе на устройстве для сбора нановолокон.
цилиндр, имеющий
цилиндром
цилиндру,
В патентном документе 2, указанном ниже, раскрыто устройство для изготовления нановолокна, содержащее: прядильное сопло, заземленное через выбранный один из двух выпрямителей; диэлектрик, состоящий из электрода, содержащего на нем диэлектрическое изоляционное покрытие и проводящее покрытие; и источник переменного тока для подачи переменного тока к диэлектрику. Полярность заряда прядильного сопла, которое заземлено, изменяется попеременно таким образом, что получаются попеременно нановолокна с противоположными полярностями, для предотвращения однополярной заряженности атмосферы. Это позволяет упростить систему изоляции и обеспечивать безопасность производственного устройства, и предотвращать заряжение расположенных рядом элементов, облегчая сбор нановолокон. В патентном документе 3, указанном ниже, раскрыто устройство для изготовления нановолокон, содержащее, вместо прядильного сопла, токопроводящий  диаметр от 10 мм до 300 мм и содержащий большое количество сквозных отверстий в его стенке. Между  и электродом, содержащим изоляционное покрытие на его боковой поверхности, обращенной к  создают напряжение для формования нановолокон, которые притягиваются двумя собирающими электродами (притягивающими электродами), обладающими противоположными полярностями, и осаждаются на устройстве для сбора нановолокон. Изоляционное покрытие, имеющее толщину около 0,2 мм, защищает электрод от прилипания нановолокон и изменяет заряженное состояние нановолокон, и сбор нановолокон происходит более эффективно благодаря использованию двух собирающих электродов (притягивающих электродов).
В патентном документе 4 предложено использование пластмассового прядильного сопла вместо металлического сопла. Благодаря использованию пластмассового сопла обеспечивается возможность управления отверждением прядильного раствора вблизи сопла, в результате чего облегчается операция чистки сопла и предотвращаются удары электрических разрядов от сопла. Согласно этой технологии, прядильный раствор заряжают посредством расположения электрода любой формы в контейнере, содержащем запас прядильного раствора, или в проходе между контейнером и соплом.
Перечень цитируемых документов
Патентная литература
Патентный документ 1: JP 2012-107364
Патентный документ 2: JP 2009-13535
Патентный документ 3: JP 2010-59557
Патентный документ 4: JP 2011-102455
Краткое описание изобретения
Техническая проблема
Производительность при изготовлении нановолокна в основном зависит от выпуска прядильного раствора из одного сопла в единицу времени. К соплу может быть подано большое количество прядильного раствора в единицу времени таким образом, чтобы процесс прядения (формования) происходил непрерывно, нормально и стабильно. Это может быть достигнуто в случае использования устройства для изготовления нановолокна с применением процесса электропрядения, посредством увеличения величины заряда прядильного раствора. Однако об описанных выше обычных технических средствах нельзя сказать, что они достаточны с точки зрения увеличения величины заряда прядильного раствора. Было сложно получать нановолокно с удовлетворительной производительностью.
Кроме того, некоторые из описанных выше различных технологий электропрядения все еще непригодны для обеспечения достаточной производительности по массе, или некоторые из них экономически не успешны, так как для их осуществления требуется сложное оборудование или большое производственное пространство для оборудования.
Изобретение относится к устройству для изготовления нановолокна, при использовании которого исключаются недостатки обычных технических средств.
Решение проблемы
Согласно настоящему изобретению создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащие токопроводящее сопло для впрыска запаса прядильного раствора, для изготовления нановолокна;
электрод, отстоящий от сопла;
средство для создания напряжения, создащее напряжение между соплом и электродом;
средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, чтобы воздушная струя была направлена между соплом и электродом; и
средство для сбора нановолокна; при этом
средство для создания напряжения создает напряжение таким образом, чтобы сопло служило положительным полюсом, а электрод - отрицательным полюсом;
электрод покрыт почти по всей площади его стороны, обращенной к соплу, покрытием с диэлектриком, открытым на наружной поверхности покрытия; и
диэлектрик, открытый на наружной поверхности покрытия, имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более.
Согласно изобретению также создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащее токопроводящее сопло для впрыска запаса прядильного раствора, для изготовления нановолокна;
электрод, отстоящий от сопла;
средство для создания напряжения, создающее напряжение между соплом и электродом;
средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, что воздушная струя направлена между соплом и электродом; и
средство для сбора нановолокна; при этом
средство для создания напряжения создает напряжение таким образом, что сопло служит положительным полюсом, а электрод - отрицательным полюсом;
сопло покрыто почти по всей площади его наружной стороны покрытием с диэлектриком, открытым на наружной поверхности покрытия, и покрытие проходит за конец сопла.
Согласно изобретению также создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащее токопроводящее сопло для впрыска запаса прядильного раствора, для изготовления нановолокна;
электрод, отстоящий от сопла;
средство для создания напряжения, создающее напряжение между соплом и электродом;
средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, что воздушная струя направлена между соплом и электродом; и
средство для сбора нановолокна; при этом
средство для создания напряжения создает напряжение таким образом, что сопло служит отрицательным полюсом, а электрод - положительным полюсом; и
сопло покрыто почти по всей площади его наружной стороны покрытием с диэлектриком, открытым на наружной поверхности покрытия.
Согласно изобретению также создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащее токопроводящее сопло для впрыска запаса прядильного раствора для изготовления нановолокна;
электрод, отстоящий от сопла;
средство для создания напряжения, создающее напряжение между соплом и электродом;
средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, что воздушная струя направлена между соплом и электродом; и
средство для сбора нановолокна; при этом
средство для создания напряжения создает напряжение таким образом, что сопло служит отрицательным полюсом, а электрод - положительным полюсом;
электрод покрыт почти по всей площади его стороны, обращенной к соплу, покрытием с диэлектриком, открытым на наружной поверхности покрытия; и
диэлектрик, открытый на наружной поверхности покрытия, имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более.
Согласно изобретению также создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащее токопроводящее сопло для впрыска под давлением запаса прядильного раствора для изготовления нановолокна;
электрод, отстоящий от сопла;
средство для создания напряжения, создающее напряжение между соплом и электродом;
средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, что воздушная струя направлена между соплом и электродом; и
средство для сбора нановолокна; при этом
средство для сбора нановолокна содержат собирающий электрод, и собирающий электрод покрыт почти по всей его площади покрытием с диэлектриком, открытым со стороны наружной поверхности покрытия.
Согласно изобретению также создан способ изготовления нановолокна, согласно которому получают нановолокно с помощью устройства согласно изобретению.
Согласно изобретению также создана структура из нановолокна, содержащая нановолокно, изготовленное посредством использования устройства согласно изобретению.
Согласно изобретению величина заряда прядильного раствора, используемого для изготовления нановолокна, увеличена в сравнении с обычно достигаемыми уровнями. Как следствие этого, созданы устройство для электропрядения и устройство для изготовления нановолокна, содержащее устройство для электропрядения, при использовании которых достигают увеличения производительности при производстве нановолокна в сравнении с обычными технологиями и уменьшения занимаемого производственного пространства.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1(a) изображен вид сбоку варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;
на фиг. 1(b) - вид спереди устройства, представленного на фиг. 1(a);
на фиг. 2 - продольное сечение сопла, пригодного для использования в устройстве, представленном на фиг. 1;
на фиг. 3 - вид в перспективе в разобранном состоянии другого варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;
на фиг. 4 - схематическое поперечное сечение устройства для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 3;
на фиг. 5(a) - поперечное сечение еще одного варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;
на фиг. 5(b) - вид сверху устройства, представленного на фиг. 5(a);
на фиг. 6 - поперечное сечение модификации устройства для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 5(a);
на фиг. 7(a) - поперечное сечение еще одного варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;
на фиг. 7(b) - вид спереди устройства, представленного на фиг. 7(a);
на фиг. 8(a) - вид сбоку еще одного варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;
на фиг. 8(b) - вид спереди устройства, представленного на фиг. 8(a);
на фиг. 9 - вид в перспективе с вырывом средств для подачи воздушной струи, представленных на фиг. 8(a);
на фиг. 10 - схематическое поперечное сечение еще одного варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;
на фиг. 11 - вид в перспективе в разобранном состоянии существенной части устройства для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 10;
на фиг. 12(a) - вид спереди средств для подачи воздушной струи, используемых в устройстве для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 10;
на фиг. 12(b) - продольное сечение (вдоль продольного направления сопла) средств для подачи воздушной струи;
на фиг. 13 - вид спереди варианта осуществления устройства для электропрядения согласно изобретению;
на фиг. 14 - схематическое продольное сечение устройства для электропрядения, показанного на фиг. 13;
на фиг. 15 - вид в перспективе в разобранном состоянии устройства для электропрядения, показанного на фиг. 13;
на фиг. 16 - схематическое поперечное сечение другого варианта осуществления устройства для электропрядения согласно изобретению (эквивалентное показанному на фиг. 13);
на фиг. 17 - схематический вид устройства для изготовления нановолокна, содержащего устройство для электропрядения, представленное на фиг. 13;
на фиг. 18 - схематическое поперечное сечение сопла;
на фиг. 19 - диаграмма, на которой показано взаимоотношение между толщиной покрытия и током утечки между соплом и электродом в устройстве для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 1;
на фиг. 20(a) - схематически система для измерения величины заряда прядильного раствора в устройстве, представленном на фиг. 1;
на фиг. 20(b) - схематически система для измерения величины заряда прядильного раствора в устройствах, представленных на фиг. 3, 4 и 13;
на фиг. 21(a) - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, полученных с использованием варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;
на фиг. 21(b) - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, с использованием варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна, не подпадающего под объем действия изобретения;
на фиг. 22 - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, с использованием другого варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;
на фиг. 23(a) - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, полученных в Примере 17;
на фиг. 23(b) - изображение в увеличенном масштабе, представленное на фиг. 23(a);
на фиг. 24(a) - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, полученных в Сравнительном примере 12;
на фиг. 24(b) - изображение в увеличенном масштабе, представленное на фиг. 24(a).
Описание вариантов осуществления
Изобретение далее описано на примерах его предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи. На фиг. 1(a) изображен вид сбоку варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению. На фиг. 1(b) изображен вид спереди устройства, представленного на фиг. 1(a). Как показано на фиг. 1(a) и 1(b), устройство 10 для изготовления нановолокна согласно варианту осуществления основано на использовании процесса, в котором сочетают распыление и осаждение в электрическом поле, и высокоскоростную воздушную струю. Устройство 10 содержит средство 11 для впрыскивания прядильного раствора, для впрыскивания запаса раствора, для изготовления нановолокна. Средство 11 для впрыскивания прядильного раствора содержат часть 12 для подачи раствора и сопло 13. Сопло 13 присоединено вертикально к переднему концу части 12 для подачи раствора. Верхний конец сопла 13 открыт, и через него впрыскивают прядильный раствор. Сопло 13 изготовлено из токопроводящего материала, например, металла, и оно, таким образом, является токопроводящим. Часть 12 для подачи раствора выполнено с возможностью впрыскивания из него прядильного раствора через сопло 13 с предварительно определенным расходом в единицу времени.
Сопло 13 является иглообразной прямой трубкой, через которую может проходить прядильный раствор. Внутренний диаметр сопла 13 предпочтительно составляет 200 мкм или более, более предпочтительно - 300 мкм или более, и предпочтительно - 3000 мкм или менее, более предпочтительно - 2000 мкм или менее. Например, внутренний диаметр сопла 13 предпочтительно составляет от 200 мкм до 3000 мкм, более предпочтительно - от 300 мкм до 2000 мкм. Наружный диаметр сопла 13 предпочтительно составляет 300 мкм или более, более предпочтительно - 400 мкм или более, и предпочтительно - 4000 мкм или менее, более предпочтительно - 3000 мкм или менее. Наружный диаметр сопла 13 предпочтительно составляет, например, от 300 мкм до 4000 мкм, более предпочтительно - от 400 мкм до 3000 мкм. Если внутренний и наружный диаметры сопла находятся в выше указанных соответствующих диапазонах, то прядильный раствор, содержащий полимер и обладающий высокой вязкостью, подается равномерно с постоянным расходом, и электрическое поле сконцентрировано в небольшом пространстве вокруг сопла для эффективного заряжения прядильного раствора.
Электрод 14 расположен на отдалении от сопла 13. Более подробно: электрод 14 расположен прямо над отверстием сопла 13 и обращен к отверстию. Электрод 14 является пластинообразным, имеющим две плоские поверхности и четыре торцевых поверхности. Одна из двух плоских поверхностей (нижняя сторона на фиг. 1) обращена к соплу 13. Направление, в котором выставлено сопло 13, и плоские поверхности электрода 14 по существу перпендикулярны друг другу. Электрод 14 изготовлен, например, из металла и обладает электропроводимостью. Расстояние (кратчайшее расстояние) между концом сопла 13 и электродом 14 предпочтительно составляет 20 мм или более, более предпочтительно - 30 мм или более. Если это расстояние меньше указанной величины, то прядильный раствор, впрыскиваемый из конца сопла 13 в виде волокна, обладает тенденцией к прилипанию к электроду 14. Верхний предел расстояния между концом сопла 13 и электродом 14 предпочтительно составляет 100 мм, более предпочтительно - 50 мм. Если расстояние превышает верхний предел, то электрическое поле, создаваемое между соплом 13 и электродом 14, становится слишком слабым для придания прядильному раствору заряда достаточной величины. Расстояние между ними предпочтительно составляет, например, от 20 мм до 100 мм, более предпочтительно - от 30 мм до 50 мм.
Для пропуска постоянного тока между соплом 13 и электродом 14 обеспечены средства 101 для создания напряжения, каждое из которых изготовлено из токопроводящего материала с использованием заземления 102 и металлического электропровода 103. Сопло 13 заземлено так, как показано на фиг. 1. Отрицательное напряжение приложено к электроду 14. Соответственно, электрод 14 служит в качестве отрицательного полюса, а сопло 13 служит в качестве положительного полюса, посредством чего между электродом 14 и соплом 13 создается напряжение для образования электрического поля. Вместо приложения напряжения, как это показано на фиг. 1, положительное напряжение может быть приложено к соплу 13, а электрод 14 может быть заземлен. Тем не менее, заземление сопла 13 является более предпочтительным, чем приложение положительного напряжения к соплу 13, с точки зрения обеспечения более простой и более легкой изоляции. Напряжение, создаваемое с помощью средств 101 для создания напряжения, может быть изменяемым напряжением, состоящим из переменного напряжения, наложенного на постоянное напряжение, когда электрод 14 служит в качестве отрицательного электрода, а сопло 13 служит в качестве положительного электрода, т.е., когда на сопле 13 поддерживают более высокий потенциал, чем на электроде 14. Напряжение, которое должно быть приложено, предпочтительно является напряжением постоянного тока, для поддержания величины заряда прядильного раствора на постоянном уровне и для изготовления нановолокон одинаковой толщины.
Средства 101 для создания напряжения могут быть известным устройством, например, источником тока высокого напряжения. Для заряжения в достаточной мере прядильного раствора, разница потенциалов между электродом 14 и соплом 13 предпочтительно должна составлять 1 кВ или более, более предпочтительно - 10 кВ или более. Для предотвращения разряда между соплом 13 и электродом 14, разница потенциалов должна составлять предпочтительно 100 кВ или менее, более предпочтительно - 50 кВ или менее. Например, разница потенциалов предпочтительно должна составлять от 1 кВ до 100 кВ, более предпочтительно от 10 кВ до 50 кВ. Если напряжение, прикладываемое с помощью средств 101 для создания напряжения, является изменяемым напряжением, то предпочтительно, чтобы усредненная по времени разница потенциалов между электродом 14 и соплом 13 находилась в выше указанном диапазоне.
Производственное устройство 10 содержит средство 15 для подачи воздушной струи. Средство 15 для подачи воздушной струи выполнено с возможностью подачи основной высокоскоростной воздушной струи. Средство 15 для подачи воздушной струи расположено таким образом, чтобы воздушная струя проходила между соплом 13 и электродом 14. Нановолокно, сформованное из прядильного раствора, несет положительные заряды и понуждается к перемещению от сопла 13, служащего в качестве положительного полюса, к электроду 14, служащему в качестве отрицательного полюса. С помощью воздушной струи, выпускаемой из средств 15 для подачи воздушной струи, изменяют направление перемещения нановолокна и несут волокно к собирающим средствам [направо на фиг. 1(a)], в то же время внося вклад в вытягивание (растяжение) нановолокна.
Воздушная струя, вытекающая из средств 15 для подачи воздушной струи, может быть осушена до относительной влажности (ОВ), составляющей 30% или менее, посредством использования, например, сушилки. Температуру воздушной струи предпочтительно поддерживают на постоянном уровне, чтобы поддерживать одинаковые условия изготовления нановолокна. Скорость воздушной струи предпочтительно составляет, например, 200 м/с или более, более предпочтительно - 250 м/с или более. При более низких скоростях сложно отклонять направление движения нановолокна к собирающим средствам против действия электрического поля между соплом 13 и электродом 14. Верхний предел скорости воздушной струи предпочтительно составляет, например, 600 м/с, более предпочтительно - 530 м/с. Обеспечение более высокой скорости воздуха, чем указана выше, ведет к увеличению нагрузки на оборудование. Кроме того, при такой высокой скорости может происходить обрыв нановолокна. Скорость воздушной струи предпочтительно составляет от 200 м/с до 600 м/с, более предпочтительно - от 250 м/с до 530 м/с.
Производственное устройство 10 дополнительно содержит второе средство 16 для подачи воздушной струи в дополнение к средству 15 для подачи воздушной струи. С помощью второго средства 16 для подачи воздушной струи создают вспомогательную высокоскоростную воздушную струю, имеющую более низкую скорость, чем основная высокоскоростная воздушная струя, выпускаемая из средства 15 для подачи воздушной струи, чтобы вспомогательная высокоскоростная воздушная струя могла расширяться и увлекать основную высокоскоростную воздушную струю. Так как вспомогательную высокоскоростную воздушную струю подают в большем количестве для увлечения основной высокоскоростной воздушной струи, то благодаря этому предотвращают турбулентность основной высокоскоростной воздушной струи, таким образом обеспечивая возможность стабильного изготовления нановолокна.
Устройство 10 согласно варианту осуществления содержит средства для сбора нановолокна, обращенные к средствам 15 для подачи воздушной струи и вспомогательным средствам 16 для подачи воздушной струи. В частности, может быть обеспечен собирающий электрод (не показан), как часть собирающих средств. Собирающий электрод может быть пластинообразным электродом, изготовленным из токопроводящего материала, например, металла. Собирающий электрод расположен таким образом, чтобы его главная поверхность была по существу перпендикулярна к направлению выпуска воздуха. Как описано ниже, собирающий электрод может быть покрыт, почти по всей его площади, предпочтительно - по всей его площади, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Под словосочетанием «почти по всей площади» (при использовании его в данном документе) следует понимать, что покрытие занимает, по меньшей мере, 90% всей площади, а под словосочетанием «по всей площади» следует понимать, что оно занимает 100% всей площади. Для притяжения положительно заряженных нановолокон к собирающему электроду, собирающему электроду сообщают более низкий (более отрицательный) потенциал, чем соплу 13, служащему в качестве положительного полюса. Для повышения эффективности притяжения собирающему электроду предпочтительно сообщают более низкий (более отрицательный) потенциал, чем электроду 14, служащему в качестве отрицательного полюса. Расстояние (кратчайшее расстояние) между собирающим электродом (поверхностью собирающего электрода) и концом сопла 13, предпочтительно составляет 100 мм или более, более предпочтительно - 500 мм или более. Нановолокну предоставляют возможность достаточного отверждения во время перемещения вдоль этого расстояния до достижения им собирающего электрода. Верхний предел расстояния предпочтительно составляет 3000 мм, более предпочтительно - 1000 мм. В этих пределах, указанных выше, электрическая сила притяжения, действующая со стороны собирающего электрода, является достаточно большой для обеспечения высокой эффективности сбора нановолокна. Например, расстояние предпочтительно должно составлять от 100 мм до 3000 мм, более предпочтительно - от 500 мм до 1000 мм.
Устройство 10 согласно варианту осуществления может содержать устройство для сбора нановолокна (не показано) для сбора нановолокна, расположенное между собирающим электродом и соплом 13, и рядом с собирающим электродом. Устройство для сбора нановолокна может быть изготовлено из изоляционного вещества, например, пленки, сетки, нетканого материала или бумаги.
Устройство 10 согласно варианту осуществления может дополнительно содержать средства для вентиляции воздуха (не показаны), для вентиляции выпускаемого под давлением воздуха, обращенные к средствам 15 для подачи воздушной струи и вспомогательным средствам 16 для подачи воздушной струи. Средства для вентиляции воздуха предпочтительно расположены позади собирающего электрода, т.е. дальше от сопла 13, чем собирающий электрод. В качестве средств для вентиляции воздуха может быть использовано известное устройство, например, камера отсоса.
Устройство 10 согласно варианту осуществления имеет описанную выше базовую структуру. Из двух плоских поверхностей пластинообразного электрода 14, поверхность, обращенная к соплу 13 (нижняя сторона электрода 14 на фиг. 1), покрыта покрытием 17, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, покрытие 17 изготовлено из одного вида диэлектрика.
Согласно изобретению почти вся площадь стороны электрода, обращенной к соплу, покрыта покрытием, где диэлектрик раскрыт снаружи. Более предпочтительно вся площадь стороны электрода, обращенной к соплу, покрыта покрытием, где диэлектрик раскрыт снаружи. Термин «сторона, обращенная к соплу», означает поверхность электрода, которую можно видеть со стороны конца сопла (со стороны отверстия, через которое впрыскивают прядильный раствор). Более конкретно: «сторона, обращенная к соплу», представляет собой множество точек, в которых прямые линии, проведенные из каждой точки конца сопла к электроду, сначала контактируют с электродом. Под словосочетанием «почти по всей площади» (при использовании его в данном документе) следует понимать, что покрытие занимает, по меньшей мере, 90% всей площади, а под словосочетанием «по всей площади» следует понимать, что оно занимает 100% всей площади. Словосочетание «покрытие, содержащее диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности,» или «покрытие, на поверхность которого выходит диэлектрик,» означает покрытие, почти вся площадь которого (по меньшей мере, 90% всей его поверхности) изготовлена только из диэлектрика. Как описано ниже, предпочтительно, чтобы вся площадь (100% площади) поверхности покрытия была изготовлена только из диэлектрика. Другими словами, предпочтительно, чтобы покрытие содержало диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, и не содержало токопроводящего вещества, например, металла, со стороны наружной поверхности. Такое покрытие обычно описывают в качестве примера в виде покрытия, изготовленного из одного вида диэлектрика. Покрытие может быть композитом, состоящим из множества диэлектрических листов, уложенных один поверх другого. Покрытие может быть композитом, содержащим металлические частицы или слой воздуха внутри его (т.е. часть, которая не выходит на поверхность), тогда как поверхность изготовлена только из диэлектрика. Например, слой воздуха может присутствовать в части соединения между электродом и покрытием. Тем не менее, предпочтительно, чтобы электрод и покрытие были в тесном контакте друг с другом для обеспечения их надежного соединения. Согласно изобретению, принято, что нет вещества, которым дополнительно была бы покрыта поверхность покрытия. Если какое-либо токопроводящее покрытие, например, из металла, выходит на поверхность покрытия, то положительные эффекты изобретения уменьшаются.
Хотя электрод 14, показанный на фиг. 1, содержит покрытие 17 только на стороне, обращенной к соплу 13, предпочтительно, чтобы часть других сторон, которые не обращены к соплу 13, были бы также покрыты покрытием 17, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Более предпочтительно, чтобы все стороны, которые не обращены к соплу 13, были покрыты покрытием 17, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Под «сторонами, которые не обращены к соплу,» понимают стороны, которые невозможно увидеть со стороны конца сопла (со стороны отверстия, через которое впрыскивают прядильный раствор); более конкретно: все стороны, отличные от стороны, обращенной к соплу.
Авторами изобретения установлено, что величина заряда прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 13, заметно увеличивается, когда поверхность электрода 14, обращенная к соплу 13, покрыта покрытием, описанным выше. Механизм этого явления рассматривали следующим образом. В устройстве 10 для электропрядения согласно варианту осуществления, катионы в прядильном растворе притягиваются к электроду 14 (отрицательному полюсу), а анионы к внутренней стенке сопла 13 (положительному полюсу) под действием электрического поля, образованного между электродом 14 и соплом 13. Следовательно, прядильный раствор, впрыскиваемый к электроду 14, содержит много катионов, и прядильный раствор заряжен положительно. В то же время, при действии напряжения, создаваемого между электродом 14 и соплом 13, электроны вылетают из электрода 14 (отрицательного полюса) в атмосферу и летят к соплу 13 (положительному полюсу). Летящие (отрицательно заряженные) электроны ударяют по впрыскиваемому (положительно заряженному) прядильному раствору, нейтрализуя заряд прядильного раствора, в результате чего уменьшается величина заряда прядильного раствора. Если поверхность электрода 14, служащего в качестве отрицательного полюса, покрыт покрытием 17, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, то эмиссия электронов из электрода 14 уменьшается. В результате этого нейтрализация прядильного раствора, т.е. уменьшение величины заряда, летящими электронами может быть уменьшена, в результате чего величина заряда увеличивается. Кроме того, так как количество электронов, вылетающих из электрода 14 к соплу 13 уменьшается, удары разрядов между электродом 14 и соплом 13 предотвращаются. Благодаря этому обеспечивается возможность повышения напряжения, подлежащего приложению между электродом 14 и соплом 13, или уменьшения расстояния между ними. Следовательно, интенсивность электрического поля между электродом 14 и соплом 13 может быть увеличена, и, таким образом, увеличена величина заряда прядильного раствора. Кроме того, электрод 14 (отрицательный полюс) и сопло 13 (положительный полюс), между которыми находится воздух, можно рассматривать как конденсатор. Так как электрическая емкость конденсатора увеличивается при введении диэлектрика между двумя полюсами, то можно ожидать увеличения величины заряда прядильного раствора. С уменьшением количества электронов, вылетающих из электрода 14 к соплу 13, ток (ток утечки), протекающий между электродом 14 и соплом 13, уменьшается, из-за чего ожидается уменьшение мощности, требующейся для изготовления нановолокна.
Для обеспечения этих эффектов предпочтительно покрывать покрытием 17 почти всю площадь (по меньшей мере, 90% площади) стороны электрода 14, обращенной к соплу 13, особенно - всю площадь (100% площади) этой стороны. Если большая доля поверхности не будет покрыта покрытием 17, то электроны будут вылетать в атмосферу из непокрытой площади, и летящие электроны будут уменьшать величину заряда прядильного раствора. Эффективность факторов, указанных выше, дополнительно повышается, если не только сторона, обращенная к соплу 13, но и другие, не обращенные к соплу 13, стороны будут покрыты покрытием 17, так как достаточно большое количество электронов вылетает в атмосферу из этих поверхностей, которые не обращены к соплу 13. Для увеличения величины заряда прядильного раствора предпочтительно, чтобы все стороны электрода 14 были покрыты покрытием 17.
Согласно Патентному документу 2, процитированному выше, раскрыто устройство для изготовления нановолокна, в котором прядильный электрод содержит изолирующий слой, изготовленный из диэлектрика, расположенный на его наружной поверхности, обращенной к средствам для впрыскивания прядильного раствора, для уменьшения возможности электрического удара при контакте с электродом. Однако электрод, раскрытый в Патентном документе 2, дополнительно содержит токопроводящий слой на поверхности изоляционного слоя. Другими словами, покрытие, используемое в Патентном документе 2, содержит токопроводящий слой, раскрытый со стороны наружной поверхности. Так как электроны пригодны для испускания из такого токопроводящего слоя в атмосферу, то авторы считают, что эффект покрытия, содержащего диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, согласно изобретению, т.е. эффект подавления эмиссии электронов, нельзя ожидать. С этой точки зрения предпочтительно, чтобы покрытие согласно изобретению изготавливали только из диэлектрика, расположенного по всей поверхности электрода (на 100% площади), т.е. он должен содержать диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности и не содержащий какого-либо токопроводящего вещества например, металла, со стороны наружной поверхности.
Примеры диэлектрика, который можно использовать для покрытия, включают керамические материалы, например, слюду, окись алюминия, двуокись циркония и титанат бария, и смолистые материалы, например, бакелит (фенольные смолы), нейлоны (полиамиды), винилхлоридные смолы, полистирол, сложный полиэфир, полипропилен, политетрафторэтилен и полифениленсульфид. Предпочтительно использовать, по меньшей мере, один изоляционный материал, выбранный из: окиси алюминия, бакелита, нейлонов и винилхлоридных смол. Нейлоны особенно предпочтительны. Примерами пригодных нейлонов являются полиамиды, например, нейлон 6 и нейлон 66. Можно использовать нейлоны, доступные для приобретения, например, нейлон MONOMER CAST (зарегистрированная торговая марка). Диэлектрик, используемый в покрытии 17, может содержать антистатик для уменьшения заряжения покрытия 17, даже если заряженный прядильный раствор, заряженное нановолокно или подобное вещество прилипнет к покрытию 17. Можно использовать доступные для приобретения антистатики, включающие: Pelectron, доступный для приобретения у компании Sanyo Chemical Industries, Ltd.; Electrostripper, доступный для приобретения у компании Kao Corp.; Elestmaster, доступный для приобретения у компании Kao Corp.; Rikemal, доступный для приобретения у компании Riken Vitaмин Co., Ltd.; и Rikemaster, доступный для приобретения у компании Riken Vitaмин Co., Ltd.
Покрытие 17 на электроде 14 предпочтительно имеет одинаковую толщину. Диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности покрытия 17, предпочтительно имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более, более предпочтительно - 2 мм или более, даже более предпочтительно - 8 мм или более. При такой толщине эмиссия электронов из электрода 14 предотвращается или уменьшается в достаточной степени, что ведет к увеличению величины заряда прядильного раствора. При толщине, меньшей чем указана выше, покрытие 17 может не обеспечивать достаточное уменьшение эмиссии электронов из электрода 14, что может приводить в результате к невозможности увеличения величины заряда прядильного раствора. В случае, если покрытие 17 изготовлено из одного вида диэлектрика или из множества видов диэлектриков, то толщина диэлектрика, раскрытого со стороны наружной поверхности покрытия 17, соответствует (равна) толщине покрытия 17. В случае, если покрытие 17 является композитом, содержащим металлические частицы, слой воздуха и подобного вещества в его внутренней структуре (в части, не раскрытой со стороны наружной поверхности), то толщину определяют глубиной от поверхности до металла или воздуха. Верхний предел толщины покрытия 17 предпочтительно составляет 25 мм, более предпочтительно - 20 мм, даже более предпочтительно - 15 мм. Если эта толщина находится внутри верхнего предела, то предотвращается притягивание и прилипание прядильного раствора, впрыскиваемого из конца сопла в виде волокна, к диэлектрику. Благодаря уменьшению прилипания прядильного раствора к электроду обеспечивается возможность приложения повышенного напряжения, что ведет к увеличению величины заряда прядильного раствора. Если толщина превышает верхний предел, то прядильный раствор, впрыскиваемый из конца сопла 13 в виде волокна, предрасположен к прилипанию к покрытию 17. Если покрытие 17 изготовлено из одного или двух, или большего количества видов диэлектриков, то толщина покрытия 17 предпочтительно составляет, например, от 0,8 мм до 25,0 мм, более предпочтительно - от 2 мм до 20 мм, даже более предпочтительно - от 8 мм до 15 мм.
цилиндру
Устройство для изготовления нановолокна, раскрытое в Патентном документе 3, процитированном выше, содержит электрод, содержащий тонкий изоляционный слой со стороны наружной поверхности. Это устройство существенно отличается от устройства согласно настоящему изобретению тем, что токопроводящий цилиндр, имеющий диаметр от 10 мм до 300 мм и содержащий большое количество сквозных отверстий в его стенке, используют вместо сопла для впрыскивания прядильного раствора. Предположим, что это сделано так, как это возможно, т.е. электрод содержит тонкий изоляционный слой на его стороне, обращенной к . Целью создания изоляционного слоя является предотвращение прилипания нановолокна к электроду и изменение заряженного состояния нановолокна. Для достижения цели изоляционный слой делают очень тонким, его толщина составляет около 0,2 мм. Можно считать, что такой тонкий изоляционный слой не способен обеспечить достаточное уменьшение электронной эмиссии из электрода, из-за чего невозможно ожидать достижения эффектов настоящего изобретения.
При использовании устройства согласно варианту осуществления величина заряда прядильного раствора может также быть увеличена посредством покрытия почти всей площади наружной стороны сопла 13 покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны его наружной поверхности вместо или в дополнение к покрытию 17, расположенному почти по всей площади стороны электрода 14, обращенной к соплу 13. Более подробно (как показано на фиг. 2): сопло 13 покрыто покрытием 107 по всей его наружной поверхности. Покрытие 107 содержит выступающую часть 107a, выступающую за конец 13a сопла 13. Выступающая часть 107a является полым цилиндром, окружающим сопло 13, и полость выступающей части 107a соединена с полостью сопла 13. Термин «наружная сторона» (при использовании в данном документе) сопла 13 обозначает сторону, отличную от (i) стороны внутренней стенки, с которой прядильный раствор вступает в контакт; (ii) стороны переднего конца 13a, из которого прядильный раствор впрыскивают; и (iii) стороны заднего конца сопла 13, противоположного стороне переднего конца. Покрытие 107 может быть изготовлено из одного вида или множества видов диэлектриков.
Количество электронов, вылетающих из электрода 14 и попадающих в сопло 13, уменьшается из-за покрытия 107, которым покрыта почти вся площадь наружной стороны сопла 13, где покрытие содержит диэлектрик, раскрытый снаружи. Следовательно, разряд между электродом 14 и соплом 13 маловероятен, благодаря чему обеспечивается возможность увеличения напряжения, которое может быть создано между электродом 14 и соплом 13, или уменьшения расстояния между ними, чтобы таким образом интенсифицировать электрическое поле между электродом 14 и соплом 13 для увеличения величины заряда прядильного раствора. Для обеспечения указанного выше эффекта предпочтительно покрывать почти всю площадь (по меньшей мере, 90% всей площади) наружной стороны сопла 13 покрытием 107 и предпочтительно покрывать всю площадь (100% всей площади) наружной стороны сопла 13 покрытием 107. Если покрытие 107 выполнено таким образом, чтобы оно выступало за конец 13a сопла 13, то предотвращается достижение летящими электронами конца 13a сопла 13, и, в результате этого, величина заряда прядильного раствора дополнительно увеличивается.
Длина выступающей части 107a покрытия 107 предпочтительно составляет 1 мм или более, более предпочтительно - 10 мм или более. Если длина выступающей части меньше указанной выше, то эффективность выступающей части меньше. Верхний предел длины предпочтительно составляет 15 мм, более предпочтительно - 12 мм. Если длина выступающей части больше указанной выше, то прядильный раствор, впрыскиваемый из конца покрытия 107 в виде волокна, предрасположен к прилипанию к электроду 14 или покрытию 17. Например, длина выступающей части 107a предпочтительно составляет от 1 мм до 15 мм, более предпочтительно - от 10 мм до 12 мм. Возможность разряда между электродом 14 и соплом 13 уменьшается или исключается, и эффективно увеличивается величина заряда прядильного раствора благодаря обеспечению выступающей части 107a такой длины.
Диэлектрик, который может быть использован для образования покрытия 107 сопла 13, может быть выбран из диэлектриков, описанных выше со ссылкой на покрытие 17 электрода 14. Диэлектрик, используемый для изготовления покрытия 107, может содержать антистатик аналогично диэлектрику, используемому для изготовления покрытия 17. Предпочтения, касающиеся толщины покрытия 17 электрода 14, также применимы к покрытию 107 сопла 13.
При использовании устройства согласно варианту осуществления величина заряда прядильного раствора может также быть увеличена посредством покрытия почти всей площади собирающего электрода, составляющего часть собирающих средств с покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый на их поверхности. Как указано выше, собирающему электроду (не показан) сообщают более низкий (более отрицательный) потенциал, чем соплу 13 (положительный полюс), чтобы притягивались положительно заряженные нановолокна. Таким образом, электроны также испускаются из поверхности собирающего электрода в атмосферу и летят к соплу 13. Эмиссию электронов из собирающего электрода уменьшают с помощью покрытия почти всей площади собирающего электрода покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый снаружи. В результате этого нейтрализация прядильного раствора поступающими электронами, т.е. уменьшение величины заряда прядильного раствора, снижается, и таким образом увеличивается величина заряда прядильного раствора. Для обеспечения эффекта предпочтительно покрывать почти всю площадь (по меньшей мере, 90% всей площади), более предпочтительно - всю площадь (100% всей площади), собирающего электрода. Диэлектрик, который может быть использован для покрытия собирающего электрода, может быть выбран из диэлектриков, описанных выше со ссылкой на покрытие 17 электрода 14. Диэлектрик может содержать антистатик аналогично диэлектрику, используемому для изготовления покрытия 17. Для стабилизации электрического поля между электродом и соплом собирающий электрод предпочтительно покрывают покрытием одинаковой толщины. Толщина диэлектрика, раскрытого со стороны наружной поверхности покрытия, предпочтительно составляет 0,8 мм или более, более предпочтительно - 2 мм или более, даже более предпочтительно - 8 мм или более. При такой толщине эмиссия электронов из электрода предотвращается или уменьшается в достаточной степени для увеличения величины заряда прядильного раствора. При толщине, меньшей, чем указана выше, покрытие может не обеспечивать достаточное уменьшение эмиссии электронов из собирающего электрода, что может приводить в результате к невозможности увеличения величины заряда прядильного раствора. Хотя толщина покрытия не имеет определенного верхнего предела, верхний предел предпочтительно составляет 25 мм, более предпочтительно - 20 мм, даже более предпочтительно - 15 мм, с точки зрения экономии (сбережения материала). Если эта толщина находится внутри верхнего предела, то предотвращается притягивание и прилипание прядильного раствора, впрыскиваемый из конца сопла в виде волокна, к диэлектрику. Благодаря уменьшению прилипания прядильного раствора к электроду обеспечивается возможность приложения повышенного напряжения, что ведет к увеличению величины заряда прядильного раствора. Если покрытие изготовлено из одного или двух, или большего количества видов диэлектриков, то толщина покрытия предпочтительно составляет, например, от 0,8 мм до 25,0 мм, более предпочтительно - от 2 мм до 20 мм, даже более предпочтительно - от 8 мм до 15 мм.
В устройстве согласно варианту осуществления покрывание собирающего электрода покрытием можно сочетать с (a) покрыванием электрода 14 покрытием 17; (b) покрыванием сопла 13 покрытием 107 или (c) покрыванием электрода 14 покрытием 17 и сопла 13 покрытием 107.
Способ изготовления нановолокна с использованием устройства 10 согласно варианту осуществления выполняют следующим образом. Создав электрическое поле между электродом 14 и соплом 13, впрыскивают прядильный раствор из конца сопла 13. Так как катионы в прядильном растворе притягиваются к стороне электрода 14 (отрицательного полюса) в электрическом поле, прядильный раствор, впрыскиваемый из сопла 13 к электроду 14 является обогащенным катионами и заряженным положительно. Как описано ранее, величина заряда единицы массы прядильного раствора является очень большой благодаря электроду 14, покрытому покрытием 17. Заряженный таким образом прядильный раствор у конца сопла, деформируется с образованием конуса Тейлора под воздействием электрического поля. Если сила электрического поля превышает критическое значение поверхностного натяжения прядильного раствора, то струя прядильного раствора тянется к электроду 14 до разрыва. В это время выпускают под давлением воздушный поток из средств 15 для подачи воздушного потока к струе прядильного раствора, посредством чего прядильный раствор отклоняется к устройству (не показано) для сбора нановолокна. В это время уменьшается толщина потока впрыскиваемого прядильного раствора до порядка наноразмера посредством цепи взаимных отталкиваний зарядов, полученных прядильным раствором, испарения растворителя и отверждения полимера, происходящих одновременно и ведущих к образованию нановолокна. Сформованное таким образом нановолокно направляется в воздушные струи, выпускаемые из средств 15 для подачи воздушной струи, и вспомогательных средств 16 для подачи воздушной струи, в то же время подвергается вытягиванию под воздействием электрического поля, создаваемого посредством собирающего электрода (не показан), и осаждается на поверхности устройства для сбора нановолокна, расположенное таким образом, чтобы оно было обращено к средствам 15 для подачи воздушной струи. Для притяжения положительно заряженного прядильного раствора к устройству для сбора нановолокна, собирающему электроду сообщают более низкий (более отрицательный) потенциал, чем соплу 13 (положительному полюсу). Для дополнительного увеличения эффективности вытягивания волокна, собирающему электроду сообщают более низкий (более отрицательный) потенциал, чем электроду 14 (отрицательному полюсу).
Согласно способу изготовления нановолокна, описанному выше, так как величина заряда прядильного раствора, впрыскиваемого из конца сопла 13, очень высока, возникает большая притягивающая и вытягивающая сила, действующая на прядильный раствор в направлении к электроду 14. Соответственно, даже если количество прядильного раствора, впрыскиваемого в единицу времени, увеличено по сравнению с обычной системой, то возможно изготовление нановолокна той же тонины, которую обычно достигают. Кроме того, менее вероятно, что увеличение расхода при впрыскивании прядильного раствора может вызывать дефекты в изготавливаемом продукте, например, образование затвердевших капель прядильного раствора и шариков, образующихся в результате отверждения недостаточно вытянутых капель прядильного раствора.
На фиг. 3 и 4 показан другой вариант осуществления устройства согласно изобретению. Если контекст определенно не отличается, то описание варианта осуществления, представленного на фиг. 1 и 2, применимо соответствующим образом к варианту осуществления, представленному на фиг. 3 и 4.
Устройство 18 согласно настоящему варианту осуществления содержит электрод 19 и сопло 20 для впрыскивания прядильного раствора. Электрод 19 обычно имеет вогнутую, сферическую форму, более конкретно: обычную форму чаши с вогнутой, изогнутой поверхностью R на ее внутренней стороне. Электрод 19, содержащий вогнутую, изогнутую поверхность R, содержит плоский фланец 19a, расположенный вокруг открытого ее края. Так как внутренняя поверхность электрода 19 является вогнутой, изогнутой поверхностью R, то электрод 19 не обязательно должен иметь в общем чашеобразную форму, и может иметь другие формы. Электрод 19 сформован из токопроводящего материала и обычно изготовлен из металла. Электрод 19 прикреплен к основанию 30, изготовленному из изоляционного материала. Как показано на фиг. 4, электрод 19 присоединен к источнику 40 постоянного тока высокого напряжения, служащему средством для создания напряжения, и отрицательное напряжение приложено к электроду 19.
Открытый край вогнутой, изогнутой поверхности R имеет круглую форму, если смотреть со стороны открытого края. Термин «круглый» (при использовании в данном документе) включает не только точно круглую форму, но также и эллипсную форму. Для концентрации электрического поля у конца сопла 20, форма открытого края вогнутой, изогнутой поверхности R предпочтительно должна быть точно круглой, как это пояснено ниже. Вогнутая, изогнутая поверхность R изогнута в любом месте. Термин «изогнутая поверхность» (при использовании в данном документе) включает понятия: (i) изогнутая поверхность, не содержащая плоской части; (ii) вогнутая, на вид изогнутая поверхность, сформованная посредством соединения множества сегментов, каждый из которых содержит плоскую поверхность; (iii) вогнутая, на вид изогнутая поверхность, сформованная посредством соединения множества кольцевых сегментов, каждый из которых содержит лентообразную часть, которая не имеет кривизну вдоль одной из трех перпендикулярных осей. В случае (ii) вогнутая, изогнутая поверхность R предпочтительно сформована посредством соединения сегментов, каждый из которых содержит прямоугольную плоскую поверхность одинакового размера или различных размеров, например, длиной и шириной в диапазоне от около 0,5 мм до 5,0 мм. В случае (iii) вогнутая, изогнутая поверхность R предпочтительно сформована посредством соединения кольцевых сегментов, имеющих форму уплощенного цилиндра, имеющего, например, высоту от 0,001 мм до 5,0 мм и переменный радиус. Из трех перпендикулярных осей (x, y и z) каждого кольцевого сегмента оси x и y определяют поперечное сечение цилиндра, которое имеет кривизну, а вдоль оси z (вдоль направления высоты цилиндра) образующая цилиндра не имеет кривизны.
Расстояние (кратчайшее расстояние) между концом 20a сопла 20 и вогнутой, изогнутой поверхностью R может быть таким же, как и между соплом 13 и электродом 14 устройства 10.
Вогнутая, изогнутая поверхность R предпочтительно имеет такую кривизну, что нормаль, восстановленная в любом месте вогнутой, изогнутой поверхности R, проходит через конец или вблизи конца сопла 20. С этой точки зрения вогнутая, изогнутая поверхность R предпочтительно имеет форму, близкую к внутренней поверхности точно сферической оболочки.
Как показано на фиг. 3 и 4, вогнутая, изогнутая поверхность R содержит отверстие внизу, и сборка 21 сопла вмонтирована в отверстие.
Сборка 21 сопла содержит сопло 20 и опору 22, посредством которой поддерживают сопло 20. Сопло 20 изготовлено из токопроводящего материала, обычно - из металла. Опора 22 изготовлена из изоляционного материала. Таким образом, электрод 19 и сопло 20 электрически изолированы друг от друга посредством опоры 22. Сопло 20 заземлено. Сопло 20 проходит полностью сквозь опору 22 его концом 20a, выступающим в пространство, окруженное вогнутой, изогнутой поверхностью 11 электрода 10. Противоположный, нижний (задний) конец 20b выступает с задней стороны (т.е. со стороны, противоположной вогнутой, изогнутой поверхности R) электрода 19. Сопло 20 не всегда должно проходить сквозь опору 22, и его задний конец 20b может быть расположен посередине сквозного отверстия для подачи запаса прядильного раствора, просверленного сквозь опору 22. Задний конец 20b сопла 20 или сквозное отверстие для подачи запаса прядильного раствора, просверленное сквозь опору 22, соединены с источником (не показан) для подачи прядильного раствора. Сборка 21 сопла представляет собой средства для впрыскивания прядильного раствора вместе с источником для подачи прядильного раствора.
Как показано на фиг. 3 и 4, устройство 18 согласно варианту осуществления содержит средства 23 для подачи воздушной струи, расположенные вблизи основания сопла 20 в сборке 21 сопла. Средства 23 для подачи воздушной струи представляют собой сквозное отверстие. Средства 23 для подачи воздушной струи обеспечены вдоль направления, в котором проходит сопло 20, и выполнены с возможностью подачи воздуха под давлением через него к концу 20a сопла 20. Если смотреть на сборку 21 сопла со стороны открытого края электрода 19, то видно два средства 23 для подачи воздушной струи, сформованных таким образом, чтобы они окружали сопло 20. Средства 23 для подачи воздушной струи сформованы симметрично относительно сопла 20. Задний открытый конец каждого средства 23 для подачи воздушной струи, являющегося сквозным отверстием, соединено с источником (не показан) для подачи воздуха. Средства 23 для подачи воздушной струи выполнены с возможностью подачи воздуха вокруг сопла 20 от источника для подачи воздуха. Выпускаемый под давлением воздух, несет впрыскиваемый прядильный раствор из конца 20a сопла 20, и его вытягивают в виде тонкого волокна посредством воздействия электрическим полем, и притягивают к собирающему электроду (не показан), расположенному таким образом, чтобы он был обращен к средствам 23 для подачи воздушной струи. Хотя устройство, показанное на фиг. 3 и 4, содержит два средства 23 для подачи воздушной струи, количество средств 23 для подачи воздушной струи, которое может быть обеспечено, не ограничено двумя, и может составлять одно или три, или более. Форма поперечного сечения сквозного отверстия, являющегося средством для подачи воздушной струи, не ограничена круглой формой, как показано, и может быть прямоугольной, эллипсной, в виде сдвоенных кругов, треугольной или в виде сот. С точки зрения формования равномерного воздушного потока желательным является сквозное отверстие кольцевой формы, окружающее сопло.
В устройстве согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 3 и 4, электрод 19 содержит покрытие 207, содержащее диэлектрик, раскрытый с наружной стороны, обеспеченный по всей его поверхности, обращенной к соплу 20, и на части его поверхности, не обращенной к соплу 20. Электрод 19 и покрытие 207 находятся в непосредственном контакте друг с другом. Покрытие 207 содержит полую выпуклость 207a, являющуюся взаимодополняющей по отношению к вогнутой, изогнутой поверхности R электрода 19. Выпуклость 207a содержит отверстие вверху, а сборка 21 сопла вмонтирована в отверстие. Выпуклостью 207a покрыта сторона электрода 19, обращенная к соплу 20. Покрытие 207 содержит фланец 207b, проходящий горизонтально вдоль края открытого торца полой выпуклости 107a. Фланец 207b наложен на фланец 19a электрода 19, т.е. на часть сторон электрода 19, которые не обращены к соплу 20. Выпуклое покрытие 207 вмонтировано в вогнутость электрода 19 и надежно прикреплено к электроду 19 с помощью предварительно определенных крепежных средств.
Крепежные средства предпочтительно изготовлены из диэлектрика. Электрический ток не проходит через диэлектрические крепежные средства таким образом, что линии электрической силы, исходящие из соединения между электродом 19 и покрытием 207, могут быть уменьшены или исключены, для предотвращения нарушения электрического поля между электродом 19 и соплом 20. В случае, если электрод 19 и покрытие 207 соединены вместе с использованием крепежных средств, то покрытие 207 может быть легко заменено с одного тип на другой, когда это требуется, и, таким образом, устройством 18 можно легко управлять.
Крепежным средством может служить, например, восприимчивый к давлению адгезив. Крепежным средством может служить винт, как описано ниже. Восприимчивым к давлению адгезивом может служить, например, эпоксидная смола или наружная липкая лента. Отделяемый адгезив, подобный фиксатору для зубных протезов, особенно пригоден, так как при его использовании покрытие 207 легко можно отделять от электрода 19, чем облегчается техническое обслуживание устройства 18. При использовании винта, он может быть изготовлен из диэлектрика, который может быть тем же или отличным от материала покрытия 207, или деревянным. Посредством соединения электрода 19 и покрытия 207 с использованием крепежных средств, изготовленных из таких материалов, слой воздуха вряд ли можно сформовать между ними, и электрическое поле между электродом 19 и соплом 20 получается таким образом стабилизированным.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 3 и 4, винт 207d, используемый в качестве крепежного средства, введен через сквозное отверстие 207c фланца 207b и ввинчен в отверстие 19b под винт, выполненное во фланце 19a электрода 19 для надежного прикрепления покрытия 207 к электроду 19.
Каждое сквозное отверстие 207c обеспечено раззенкованной частью, имеющей больший диаметр, чем головка винта 207d, для того, чтобы головку винта 207d, ввинченного для скрепления электрода 19 и покрытия 207, можно было расположить ниже поверхности покрытия 207 таким образом, чтобы он не выступал над поверхностью покрытия 207. Электрическое поле между электродом 19 и соплом 20 стабилизируют посредством исключения винта 207d, выступающего из поверхности покрытия 207. Винт может быть введен с задней стороны электрода 19 для скрепления вместе электрода 19 и покрытия 207. В таком случае электрическое поле получается более стабилизированным, так как при этом нет необходимости в раззенковке с передней стороны покрытия 207.
С точки зрения стабилизации электрического поля между электродом 19 и соплом 20, винт 207d предпочтительно изготавливать из диэлектрика. Примеры пригодных диэлектриков включают: полиэфирэфиркетон, полифениленсульфид, полиамид MXD6, армированный стекловолокном, поликарбонат, полипропилен, керамику, Тефлон (зарегистрированная торговая марка), поливинилиденфторид, нетермопластичные полиамидные смолы и жесткий поливинилхлорид.
Диэлектрик, из которого можно изготавливать покрытие 207, используемое в варианте осуществления, может быть выбран из тех же материалов, которые используют для изготовления покрытия 17, которым покрывают электрод 14. Удобно использовать формованную часть, полученную посредством формования из расплава термопластичной смолы различных видов. Диэлектрик может содержать антистатик, аналогично диэлектрику, используемому для изготовления покрытия 17. Предпочтения, касающиеся толщины покрытия 17 на электроде 14, также применимы к покрытию 207, которым покрыт электрод 19.
Аналогично устройству 10 согласно ранее описанному варианту осуществления, устройство 18 согласно настоящему варианту осуществления пригодно для увеличения величины заряда прядильного раствора благодаря действию покрытия 207. В дополнение к этому, так как электрод 19 устройства 18 имеет вогнутую сферическую форму, увеличение величины заряда прядильного раствора является более заметным. В устройстве 18 поверхность электрода, которая значительно больше площади сопла 20, расположена по существу на том же расстоянии от конца 20a сопла 20. Так как общая величина заряда, аккумулированного в электроде 19, служащем в качестве отрицательного полюса, и заряда, аккумулированного в сопле 20, служащем в качестве положительного полюса, равны, то заряды распределены на поверхности сопла 20 со значительно более высокой плотностью, чем на электроде 19, в результате чего обеспечивается интенсифицированное электрическое поле вокруг сопла 20. Благодаря интенсифицированному электрическому полю обеспечивается дополнительное увеличение величины заряда прядильного раствора. С этой точки зрения сопло 20 предпочтительно должно иметь как можно меньшую площадь. В частности, сопло 20 предпочтительно должно иметь как можно меньшую длину (расстояние между концом 20a и задним концом 20b сопла 20). Более конкретно: длина сопла 20 предпочтительно составляет 50 мм или менее, более предпочтительно - 10 мм или менее, даже более предпочтительно - 5 мм или менее. Также предпочтительно, чтобы масса электрода 19, имеющего вогнутую сферическую форму, была меньше массы электрода плоской формы, и то же относится к размеру устройства 18.
Сопло 20 предпочтительно расположено таким образом, чтобы направление, в котором оно проходит, проходило через центр или вблизи центра круга, определенного открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности R электрода 19, а также проходило через центр или вблизи центра отверстия, сформированного внизу вогнутой, изогнутой поверхности R. Особенно предпочтительно, чтобы направление, в котором проходит сопло 20, было перпендикулярно плоскости, содержащей круг, определенный открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности R. Если сопло 20 расположено таким образом, то дополнительно обеспечена концентрация зарядов (электрического поля) у конца 20a сопла 20.
Что касается положения конца 20a сопла 20, то сопло 20 предпочтительно должно быть расположено таким образом, чтобы конец 20a находился в плоскости или вблизи плоскости, содержащей круг, определенный открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности R электрода 19. Особенно предпочтительно, чтобы сопло 20 было расположено таким образом, чтобы конец 20a был расположен внутри плоскости, более конкретно: на расстоянии от 1 мм до 10 мм внутри плоскости. При таком расположении конца 20a сопла 20 менее вероятно, что прядильный раствор, впрыскиваемый из конца 20a, будет притягиваться к вогнутой, изогнутой поверхности R электрода 19, из-за чего вогнутая, изогнутая поверхность R может загрязняться прядильным раствором. С этой точки зрения особенно предпочтительно, чтобы вогнутая, изогнутая поверхность R электрода 19 была сформирована в виде приблизительно половины внутренней поверхности точно сферической оболочки.
С той же точки зрения, что и в выше описанном случае, также предпочтительно, чтобы конец 20a сопла 20 был расположен в плоскости, содержащей круг, определенный открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности R. В этом случае конец 20a сопла 20 предпочтительно расположен на расстоянии вдоль радиуса, составляющем 10 мм или менее, более предпочтительно - 5 мм или менее, от центра круга, даже более предпочтительно - в центре круга.
В устройстве согласно варианту осуществления электрод 19 может быть покрыт со всех его сторон (поверхностей), которые не обращены к соплу 20, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны его наружной поверхности. Более подробно, со ссылками на фиг. 4: наружная сторона (противоположная вогнутой, изогнутой поверхности R) электрода 19 и торец 19a фланца могут быть также покрыты покрытием. Аналогично устройству 10 ранее описанного варианта осуществления, величина заряда прядильного раствора может быть также увеличена посредством покрытия почти всей площади наружной стороны сопла 13 покрытием, содержащим диэлектрик, выступающим на его поверхность, вместо или в дополнение к обеспечению покрытия 207 на вогнутой, изогнутой поверхности R электрода 19. Более подробно: структура, показанная на фиг. 2, может быть приспособлена. В дополнение к этому, почти вся площадь собирающего электрода, составляющего часть собирающих средств, может быть также покрыта покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны его наружной поверхности.
На фиг. 5 показан еще один вариант осуществления устройства согласно изобретению. На фиг. 5(b) показан вид сверху устройства 310 согласно варианту осуществления, а на фиг. 5(a) показано поперечное сечение A-A' на фиг. 5(b), рассматриваемое с нижней стороны фиг. 5(b). Как показано на этих чертежах, устройство 310 в основном подобен устройству 10, показанному на фиг. 1 и 2, за исключением того, что пластинообразный электрод 14 устройства 10 заменен электродом 314, имеющим вогнутую, сферическую форму. Если контекст определенно не отличается, то описание вариантов осуществления, представленных на фиг. 1-4, применимо также к варианту осуществления, представленному на фиг. 5. Элементы, показанные на фиг. 5, подобные элементам, показанным на фиг. 1-4, обозначены одинаковыми номерами позиций.
Устройство 310 содержит средство 11 для впрыскивания прядильного раствора, для впрыска под давлением запаса прядильного раствора, для изготовления нановолокна. Средство 11 для впрыскивания прядильного раствора содержат часть 12 для подачи раствора и сопло 13. Электрод 314, имеющий вогнутую, сферическую форму, расположен прямо над отверстием сопла 13 и обращен вниз его внутренней стороной. Сопло 13 и электрод 314 изготовлены, например, из металла и обладают электропроводимостью. Источник 101 постоянного тока высокого напряжения обеспечен в качестве средства для создания напряжения, для создания напряжения постоянного тока между соплом 13 и электродом 314 через заземление 102 и металлический электропровод 103. Сопло 13 заземлено, как показано на фиг. 5(a), и служит в качестве положительного полюса. Отрицательное напряжение приложено к электроду 314. Соответственно электрод 314 служит в качестве отрицательного полюса.
Электрод 314 имеет обычную форму вогнутой сферы, более конкретно - обычную форму чаши с вогнутой, изогнутой поверхностью R с ее внутренней стороны, и содержит плоский фланец 314a вокруг его открытого концевого края. Электрод 314 содержит отверстие 320, в котором установлены средства 15 для подачи воздушной струи с одной его стороны, а с противоположной стороны находится сквозное отверстие 321 для предоставления возможности выпуска под давлением воздушной струи из средств 15 для подачи воздушной струи и прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 13 в виде волокна. Так как внутренняя поверхность электрода 314 является вогнутой, изогнутой поверхностью R, то не требуется, чтобы электрод 314 имел обычную чашеобразную форму, и он может иметь другие формы.
Устройство 310 содержит средства 15 для подачи воздушной струи. Средства 15 для подачи воздушной струи проведены сквозь отверстие 320 электрода 314 и расположены таким образом, чтобы воздушная струя была направлена между соплом 13 и электродом 314. Хотя формируемое волокно заряжено положительно, и его вытягивают из сопла 13 (положительный полюс) к электроду 314 (отрицательный полюс), с помощью воздушной струи, выпускаемой под давлением из средств 15 для подачи воздушной струи, изменяют направление перемещения волокна и несут волокно через отверстие 321 к собирающим средствам [вниз на фиг. 5(b)].
В устройстве 310 согласно настоящему варианту осуществления вся вогнутая, изогнутая поверхность R электрода 314 (отрицательный полюс) и часть поверхности фланца 314a покрыты покрытием 307, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны его наружной поверхности. Так как конец сопла 13 расположен снаружи вогнутой, изогнутой поверхности R, то вогнутая, изогнутая поверхность R и часть поверхности фланца 314a обращены к соплу 13. Покрытие 307 имеет почти одинаковую толщину. Электрод 314 и покрытие 307 находятся в непосредственном контакте друг с другом. Аналогично электроду 19 и покрытию 207, показанным на фиг. 3, электрод 314 и покрытие 307 прикреплены друг к другу ввинчиваемыми винтами, введенными в сквозные отверстия, сформированные во фланце 314a электрода 314 и во фланце покрытия 307.
Диэлектрик, из которого изготовлено покрытие 307, используемый в варианте осуществления, может быть выбран из тех же материалов, которые используют для изготовления покрытия 17, используемого в устройстве 10, показанном на фиг. 1. Удобно использовать формованную часть, полученную посредством формования из расплава термопластичной смолы различных видов. Диэлектрик может содержать антистатик аналогично диэлектрику, используемому для изготовления покрытия 17. Предпочтения, касающиеся толщины покрытия 17 на электроде 14, также применимы к покрытию 307, которым покрыт электрод 314.
Аналогично устройствам 10 и 18 ранее описанных вариантов осуществления, устройство 310 согласно настоящему варианту осуществления пригодно для увеличения величины заряда прядильного раствора благодаря действию покрытия 307. В дополнение к этому, так как электрод 314 устройства 310 имеет вогнутую сферическую форму аналогично устройству 18, увеличение величины заряда прядильного раствора более заметно, и устройство может быть изготовлен меньшего размера. Длина сопла 13 предпочтительно составляет 50 мм или менее, более предпочтительно - 10 мм или менее, даже более предпочтительно - 5 мм или менее.
Расстояние (кратчайшее расстояние) между концом сопла 13 и вогнутой, изогнутой поверхностью R может быть таким же, как и между соплом 13 и электродом 14 устройства 10. Конец сопла 13 предпочтительно расположен в центре или вблизи центра вогнутой, изогнутой поверхности R электрода 314, более конкретно: на расстоянии 10 мм или менее от центра вогнутой, изогнутой поверхности R. При таком расположении конца сопла 13 электрическое поле вокруг конца сопла 13 интенсифицируется, что приводит к дополнительному увеличению величины заряда прядильного раствора. С этой точки зрения особенно предпочтительно, чтобы вогнутая, изогнутая поверхность R электрода 314 была сформирована в виде приблизительно половины внутренней поверхности точно сферической оболочки. В устройстве 310 согласно варианту осуществления электрод 314 расположен таким образом, чтобы плоскость, содержащая круг, определенный открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности R, был расположен по существу перпендикулярно к направлению, в котором проходит сопло 13 так, как показано на фиг. 5(a). Вместо такой конфигурации, электрод 314 может быть расположен таким образом, чтобы плоскость, определенная выше, пересекала направление, в котором проходит сопло 13, была расположена под углом, отличающимся от 90°, как показано на фиг. 6.
В устройстве 310 согласно варианту осуществления электрод 314 может быть покрыт с части сторон или со всех других сторон, не обращенных к соплу 13, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Более подробно [со ссылками на фиг. 5(a)]: наружная сторона (противоположная вогнутой, изогнутой поверхности R) электрода 314 и торец фланца 314a могут быть также покрыты покрытием. Как и в устройстве 10 согласно ранее описанному варианту осуществления, величина заряда прядильного раствора может быть также увеличена благодаря покрытию почти всей площади наружной стороны сопла 13 покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны его наружной поверхности вместо или в дополнение к расположению покрытия 307 на вогнутой, изогнутой поверхности R электрода 314. Более подробно: структура, показанная на фиг. 2, может быть приспособлена. В дополнение к этому, почти вся площадь собирающего электрода, составляющего часть собирающих средств, может быть также покрыта покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны его наружной поверхности.
На фиг. 7 показан еще один вариант осуществления производственного устройства согласно изобретению. На фиг. 7(a) показан вид сбоку устройства 410 согласно варианту осуществления, а на фиг. 7(b) показан вид спереди устройства, представленного на фиг. 7(a). Как показано на этих чертежах, устройство 410 в основном подобен устройству 10, показанному на фиг. 1 и 2, за исключением того, что покрытие 17, которым покрыт электрод 14, заменен покрытием 107, которым покрыто сопло 13, и тем, что полярность средств 101 для создания напряжения изменена. Если контекст определенно не отличается, то описание вариантов осуществления, представленных на фиг. 1-5, применимо также к варианту осуществления, представленному на фиг. 7. Элементы, показанные на фиг. 7, подобные элементам, показанным на фиг. 1-5, обозначены одинаковыми номерами позиций.
Производственное устройство 410 содержит средство 11 для впрыскивания прядильного раствора, для впрыскивания запаса прядильного раствора, для изготовления нановолокна. Средство 11 для выпуска под давлением прядильного раствора содержит часть 12 для подачи раствора и сопло 13.
Пластинообразный электрод 14 расположен прямо над отверстием сопла 13 таким образом, чтобы он был обращен к отверстию сопла 13. Сопло 13 и электрод 14 изготовлены, например, из металла и обладают электропроводимостью. Источник 401 постоянного тока высокого напряжения обеспечен в качестве средств для создания напряжения, для создания напряжения постоянного тока между соплом 13 и электродом 14 через заземление 102 и металлический электропровод 103. Сопло 13 заземлено так, как показано на фиг. 7(a), и оно служит в качестве отрицательного полюса. Положительное напряжение приложено к электроду 14 таким образом, что электрод 14 служит в качестве положительного полюса.
Устройство 410 содержит средства 15 для подачи воздушной струи. Нановолокно, формуемое из прядильного раствора, является отрицательно заряженным, как это описано ниже, и его понуждают к перемещению от сопла 13 (отрицательный полюс) к электроду 14 (положительный полюс). С помощью воздушной струи, подаваемой из средств 15 для подачи воздушной струи, изменяют направление перемещения нановолокна и несут волокно к собирающим средствам [направо на фиг. 7(a)], в то же время внося вклад в вытягивание или растяжение нановолокна.
Производственное устройство 410 дополнительно содержит вспомогательные средства 16 для подачи воздушной струи, где средства для сбора нановолокона содержат собирающий электрод и устройство для сбора нановолокна, и средства для вентиляции воздуха, аналогично устройству 10. Для притяжения отрицательно заряженного нановолокна к собирающему электроду, собирающему электроду сообщают более высокий (более положительный) потенциал, чем соплу 13, служащему в качестве отрицательного полюса. Для усиления притяжения, собирающему электроду предпочтительно сообщают более высокий (более положительный) потенциал, чем электроду 14, служащему в качестве положительного полюса.
Хотя базовая конструкция устройства 410 согласно варианту осуществления, является такой, как это описано выше, устройство 410 отличается тем, что почти вся площадь наружной стороны сопла покрыта покрытием 107, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Для повышения эффективности покрытия 107, покрытие предпочтительно выступает за конец 13a сопла 13, как это показано на фиг. 2.
Как описано выше, величина заряда прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 13, заметно увеличивается, если наружная поверхность сопла 13 покрыта покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Механизм рассматривали следующим образом. В устройстве 410 для электропрядения согласно варианту осуществления анионы в прядильном растворе притягиваются к электроду 14 (положительному полюсу), а катионы - к внутренней стенке сопла 13 (отрицательного полюса), посредством электрического поля, формируемого между электродом 14 и соплом 13. Следовательно, прядильный раствор, впрыскиваемый к электроду 14, содержит увеличенное количество анионов, и прядильный раствор заряжен отрицательно. В то же время, под действием напряжения, создаваемого между электродом 14 и соплом 13, электроны испускаются в атмосферу с наружной поверхности сопла 13 (отрицательного полюса) и летят к электроду 14 (положительному полюсу). Отрицательные заряды сопла 13 таким образом, расходуются посредством эмиссии электронов таким образом, что возможность сопла 13 отрицательно заряжать прядильный раствор уменьшается. В результате этого величина заряда прядильного раствора уменьшается. Если наружная поверхность сопла 13, служащего в качестве отрицательного полюса, покрыта покрытием 107, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности, то эмиссия электронов из сопла 13 уменьшается, в результате чего уменьшение возможности заряжения у сопла 13 уменьшается, и величина заряда прядильного раствора увеличивается. Кроме того, так как количество электронов, летящих от сопла 13 к электроду 14 уменьшается, и разряд между электродом 14 и соплом 13 уменьшается, что делает осуществимым увеличение напряжения, создаваемого между электродом 14 и соплом 13, и/или уменьшение расстояния между ними. Этим обеспечивается возможность увеличения интенсивности электрического поля между электродом 14 и соплом 13, чтобы таким образом можно было увеличить величину заряда прядильного раствора. Кроме того, благодаря уменьшению количества электронов, летящих от сопла 13 к электроду 14, ток (ток утечки), протекающий между электродом 14 и соплом 13, уменьшается, в результате чего ожидается возможность уменьшения мощности, требующейся для изготовления нановолокна.
Для обеспечения такого эффекта предпочтительно покрывать почти всю площадь (по меньшей мере, 90% площади) наружной стороны сопла 13, особенно - всю площадь (100% площади) этой стороны, покрытием 107. Если покрытие 107 обеспечено таким образом, чтобы оно выступало за конец сопла 13, то эмиссия электронов от конца сопла предотвращается, чем обеспечивается возможность дополнительного увеличения величины заряда прядильного раствора. Предпочтительный диапазон длины части покрытия 107, выступающего за конец сопла 13, является таким же, как и описанный со ссылкой на устройство 10.
Согласно варианту осуществления величина заряда прядильного раствора может быть также увеличена посредством покрытия почти всей площади стороны электрода 14, обращенной к соплу 13, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, вместо или в дополнение к расположению покрытия 107, содержащего диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, на наружной поверхности сопла 13. Количество электронов, летящих от сопла 13 к электроду 14, уменьшают посредством покрывания электрода 14 покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. В результате этого пробивание разряда между электродом 14 и соплом 13 менее вероятно, чем обеспечивается возможность повышения напряжения, создаваемого между электродом 14 и соплом 13, и/или уменьшение расстояния между ними. Этим обеспечивается возможность увеличения интенсивности электрического поля между электродом 14 и соплом 13 для увеличения величины заряда прядильного раствора. С уменьшением количества электронов, летящих от сопла 13 к электроду 14, ток (ток утечки), протекающий между электродом 14 и соплом 13, уменьшается, в результате чего ожидается возможность уменьшения мощности, требующейся для изготовления нановолокна.
Для обеспечения этого эффекта, предпочтительно покрывать почти всю площадь (по меньшей мере, 90% площади), особенно - всю площадь (100% площади) стороны, обращенной к соплу 13, покрытием. Если большая доля поверхности не покрыта, то электроны влетают в электрод 14 сквозь непокрытую площадь, препятствуя эффективному подавлению разряда или утечке тока. Если не только сторона, обращенная к соплу 13, но и другие, не обращенные к соплу стороны, покрыты покрытием, то указанные выше эффекты дополнительно усиливаются, так как значительное количество электронов влетает сквозь поверхности сторон, которые не обращены к соплу 13. С целью увеличения величины заряда прядильного раствора и уменьшения мощности, требующейся для изготовления нановолокна, предпочтительно, чтобы все стороны электрода 14 были покрыты покрытием.
В дополнение к сказанному выше, почти вся площадь собирающего электрода, составляющего часть собирающих средств, может быть также покрыта покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Собирающему электроду сообщают более высокий (более положительный) потенциал, чем соплу 13 (отрицательному полюсу) для вытягивания отрицательно заряженных нановолокон. Таким образом, электроны, испускаемые из сопла 13, летят также к собирающему электроду. Предотвращение входа летящих электронов в собирающий электрод обеспечивают посредством покрытия почти всей площади собирающего электрода покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. В результате этого ток (ток утечки), протекающий между собирающим электродом и соплом 13, уменьшается, в результате чего ожидается уменьшение мощности, требующейся для изготовления нановолокна.
На фиг. 8 показан еще один вариант осуществления согласно изобретению. На фиг. 8(a) показан вид сбоку производственного устройства 510 согласно варианту осуществления, а на фиг. 8(b) показан вид спереди устройства, представленного на фиг. 8(a). Как показано на чертежах, устройство 510 согласно варианту осуществления в основном имеет ту же структуру, что и устройства 10 и 410, показанные на фиг. 1 и 7. Разница между устройством 510 и устройствами 10 и 410, представленными на фиг. 1 и 7, заключается в структуре средств для подачи воздушной струи. В устройствах 10 и 410, представленных на фиг. 1 и 7, использовано двое средств для подачи воздушной струи, в то время как в устройстве 510 согласно настоящему варианту осуществления приспособлены одни средства 15A для подачи воздушной струи.
На фиг. 9 показан вид в перспективе с частичным вырывом средств 15A для подачи воздушной струи устройства 510, показанного на фиг. 8. Средства 15A для подачи воздушной струи содержат спереди множество отверстий 151A, из которых выпускают воздух под давлением. Средства 15A для подачи воздушной струи содержат трубу 152A для подачи воздуха, соединенную с задней его стороной. Средства 15A для подачи воздушной струи содержат коллектор, содержащий пространство для хранения воздуха, а именно: коллектор 153A. Благодаря использованию коллектора 153A, обеспечивают возможность равномерного вытекания воздушных струй из отверстий 151A для образования воздушного потока, проходящего в пространстве между электродом 14 и соплом 132 без образования зазоров между отдельными струями. Таким образом эффективно предотвращают притягивание и прилипание прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 13, к электроду 14, и обеспечивают возможность приложения более высокого напряжения для увеличения величины заряда прядильного раствора.
Средства 15A для подачи воздушной струи предпочтительно изготовлены из диэлектрика для исключения нарушения электрического поля между электродом 14 и соплом 13. Диэлектрик, подлежащий использованию, может быть выбран из материалов, пригодных для покрывания электрода 14. Для предотвращения нарушения электрического поля, средства 15A для подачи воздушной струи предпочтительно изготавливают из того же материала, который используют для покрывания электрода 14.
Как показано на фиг. 8, средство 15A для подачи воздушной струи располагают таким образом, чтобы отверстия 151A были обращены к пространству между электродом 14 и соплом 13, в результате чего воздушный поток проходит в пространство между электродом 14 и соплом 13 без образования зазоров между воздушными струями. Как следствие, эффективно предотвращают притягивание и прилипание прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 13, к электроду 14, и обеспечивают возможность приложения повышенного напряжения для увеличения величины заряда прядильного раствора.
С помощью отверстий 151A, сформированных с передней стороны средства 15A для подачи воздушной струи, взаимно соединяют коллектор 153A и наружное пространство. Отверстия 151A могут быть расположены в желаемом порядке без ограничений. Например, отверстия 151A могут быть расположены в шахматном порядке, как показано на фиг. 9, где множество (три, в случае, представленном на фиг. 9) горизонтальных рядов отверстий (ряды проходят в горизонтальном направлении H) расположено в вертикальном направлении V. Посредством такого расположения воздушный поток проходит в пространство между электродом 14 и соплом 13 без образования зазоров между струями воздуха. Как следствие, эффективно предотвращают притягивание и прилипание прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 13, к электроду 14, и обеспечивают возможность приложения более высокого напряжения для увеличения величины заряда прядильного раствора.
Отверстие 151A может, например, представлять собой щелеобразное пространство или, в общем, колоннообразное пространство. Соответственно, фронтальная форма отверстия 151A в средстве 15A для подачи воздушной струи может быть в виде щели, круга, эллипса, многоугольника, например, треугольника или четырехугольника и т.п. Круглая форма является предпочтительной, с точки зрения легкости изготовления. Если отверстия 151A имеют такую форму, то воздушный поток проходит в пространство между электродом 14 и соплом 13 без образования зазоров между струями воздуха. Как следствие, эффективно предотвращают притягивание и прилипание прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 13, к электроду 14, и обеспечивают возможность приложения более высокого напряжения для увеличения величины заряда прядильного раствора. Кроме того, сокращается расход воздуха.
В случае, если отверстие 151A представляет собой щелеобразное пространство, то ширина щели предпочтительно составляет 0,1 мм или более, более предпочтительно - 0,3 мм или более, чтобы можно было подавать воздух при одновременной минимизации потери давления. Верхний предел ширины щели предпочтительно составляет 1,5 мм, более предпочтительно - 1,2 мм. При указанном верхнем пределе или при меньшей ширине, обеспечивается достаточная скорость воздуха, которым обдувают прядильный раствор, впрыскиваемый из сопла 13 к собирающим средствам, таким образом обеспечивая процесс прядения и сокращая расход воздуха. С той же точки зрения, ширина щели предпочтительно составляет от 0,1 мм до 1,5 мм, более предпочтительно - от 0,3 мм до 1,2 мм.
В случае, если отверстие 151A представляет собой, в общем, колоннообразное пространство, например, в общем, столбчатое пространство, то его диаметр предпочтительно составляет 0,1 мм или более, более предпочтительно - 0,3 мм или более, и предпочтительно - 1,5 мм или менее, более предпочтительно - 1,2 мм или менее, по тем же причинам, описанным выше. Более конкретно, диаметр пред-почтительно составляет от 0,1 мм до 1,5 мм, более предпочтительно - от 0,3 мм до 1,2 мм.
Если отверстия 151A регулярно расположены спереди средства 15A для подачи воздушной струи, например, в шахматном порядке, то шаг между отверстиями предпочтительно составляет 3 мм или более, более предпочтительно - 5 мм или более, для исключения изготовления чрезмерного количеств отверстий 151A, чтобы сдерживать стоимость изготовления. Шаг предпочтительно составляет 15 мм или менее, более предпочтительно - 12 мм или менее, чтобы уменьшить или исключить зазоры между струями воздуха, выпускаемого под давлением из отдельных отверстий 151A, таким образом эффективно предотвращая прилипание прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 13, к электроду 14.
На фиг. 10 представлен еще один вариант осуществления согласно изобретению. Производственный устройство 610 согласно варианту осуществления в основном имеет ту же структуру, что и устройство 18, показанный на фиг. 3 и 4. Разница между устройством 610 согласно варианту осуществления и устройством 18, представленным на фиг. 3 и 4, состоит в конструкции средства для подачи воздушной струи. Тогда как устройство 18, представленный на фиг. 3 и 4, содержит средства 23 для подачи воздушной струи, каждое из которых представляет собой сквозное отверстие, расположенное вблизи основания сопла 20 сборки 21 сопла, устройство 610 согласно настоящему варианту осуществления содержит коллектор 24 в качестве средства для подачи воздушной струи, расположенный с передней стороны сборки 21 сопла.
На фиг. 11 представлен вид в перспективе в разобранном состоянии существенной части, представленной на фиг. 10. Как показано на фиг. 11, коллектор 24 имеет, в общем, форму полого цилиндра. Переднюю часть сопла, содержащую сопло 20, вводят в полость цилиндра. Как показано на фиг. 12(a) и (b), коллектор 24, имеющий, в общем, форму полого цилиндра, содержит две противоположные кольцевые стороны 242a и 242b, и ряд отверстий 241 для подачи воздушных струй, открытых с передней стороны 242a. Отверстия 241 для подачи воздушных струй проходят в направлении высоты цилиндра. Коллектор 24 содержит пространство для содержания воздуха, а именно: коллекторное пространство 243, открытое с задней кольцевой стороны 242b, противоположной передней стороне 242a. Коллекторное пространство 243 является кольцевым пространством. Как показано на фиг. 12(b), коллекторное пространство 243 соединено с отверстиями 241 для подачи струй воздуха. Как показано на фиг. 10, при прикреплении коллектора 24 к передней стороне сборки 21 сопла, сквозные отверстия, сформированные в сборке 21 сопла, и коллекторное пространство 243 соединяют друг с другом.
Как показано на фиг. 12(a), отверстия 241 для подачи струй воздуха, сформированные с передней стороны 242a коллектора 24, расположены вдоль окружности, концентричной соплу 20, таким образом, чтобы они окружали сопло 20, если смотреть спереди. Благодаря такому расположению воздушный поток проходит в пространство между электродом 19 и соплом 20 без образования зазора между струями воздуха. В результате этого эффективно предотвращают притягивание и прилипание прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 20, к электроду 19, и обеспечивают возможность приложения более высокого напряжения для увеличения величины заряда прядильного раствора.
Если отверстия 241 для подачи струй воздуха расположены вдоль концентричной окружности, то радиус делительной окружности предпочтительно составляет 6 мм или более, более предпочтительно - 7,5 мм или более, для создания воздушного потока без зазоров между отдельными воздушными струями вокруг сопла 20, без создания помех для сопла 20. Радиус делительной окружности предпочтительно составляет 15 мм или менее, более предпочтительно - 12,5 мм или менее, таким образом, чтобы можно было эффективно предотвращать обратный поток воздуха у конца сопла 20, таким образом осуществляя прядение. С этой же точки зрения, радиус делительной окружности предпочтительно составляет от 6 мм до 15 мм, более предпочтительно - от 7,5 мм до 12,5 мм.
Если отверстия 241 для подачи струй воздуха расположены вдоль концентричной окружности, то центральный угол между смежными отверстиями 241 для подачи струй воздуха предпочтительно составляет 5° или более, более предпочтительно - 8° или более, для формирования воздушного потока вокруг сопла без зазоров между воздушными струями и для сдерживания стоимости изготовления. Центральный угол предпочтительно составляет 60° или менее, более предпочтительно - 30° или менее, чтобы воздушный поток мог проходить между электродом 19 и соплом 20, не оставляя зазоров между смежными воздушными струями, и чтобы эффективно предотвращалось притягивание и прилипание прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 20, к электроду. Кроме того, обеспечивают возможность приложения более высокого напряжения для увеличения величины заряда прядильного раствора. С той же точки зрения, центральный угол между смежными отверстиями для подачи воздушных струй предпочтительно составляет от 5° до 60°, более предпочтительно - от 8° до 30°.
Отверстие 241 для подачи струи воздуха представляет собой, в общем, колоннообразное пространство, например, в общем, столбчатое пространство, диаметр которого предпочтительно составляет 0,1 мм или более, более предпочтительно - 0,3 мм или более, и предпочтительно - 1,5 мм или менее, более предпочтительно - 1,2 мм или менее. Более конкретно, диаметр предпочтительно составляет от 0,1 мм до 1,5 мм, более предпочтительно - от 0,3 мм до 1,2 мм. Благодаря такой конструкции воздух выпускают под давлением, в то же время минимизируя потерю давления; обеспечивают достаточную скорость воздуха, которым обдувают прядильный раствор, впрыскиваемый из сопла 20 к собирающим средствам, таким образом обеспечивая процесс прядения и сдерживая расход воздуха.
В устройстве 610 согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 10-12, обеспечивают выпуск под давлением воздуха в том же направлении, в котором проходит сопло 20. Таким образом эффективно предотвращают приложение слишком большой силы к прядильному раствору, и при этом имеет место меньшая вероятность обрыва прядильного раствора, благодаря чему повышается производительность при изготовлении нановолокна.
На фиг. 13 показан вид спереди еще одного варианта осуществления устройства для электропрядения согласно изобретению. На фиг. 14 показано схематически поперечное сечение устройства для электропрядения, представленного на фиг. 13. Устройство для электропрядения 701, показанное на фиг. 13, содержит электрод 710 и сопло 720 для впрыска прядильного раствора. Если контекст определенно не отличается, то описание вариантов осуществления, представленных на фиг. 1-12, применимо также к варианту осуществления, представленному на фиг. 13-17.
Электрод 710 имеет в целом полую цилиндрическую форму, и содержит цилиндрическую вогнутую, изогнутую поверхность 711 его внутренней стенки. Так как электрод 710 содержит вогнутую, изогнутую поверхность 711 его внутренней стенки, то не требуется, чтобы электрод 710 имел, в общем, форму полого цилиндра в целом, и может иметь другие формы. Цилиндрическая, вогнутая, изогнутая поверхность 711 сформирована из токопроводящего материала и, в общем, изготовлена из металла. Электрод 710 соединен с источником 740 постоянного тока высокого напряжения, как показано на фиг. 13 и 14.
Открытый конец цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 является круглым, если смотреть со стороны открытого конца. Термин «круглый» (при использовании в данном документе) включает не только понятие точно круглый, но также эллипсный. Для концентрации электрических зарядов на конце сопла 720, форма открытого края цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 предпочтительно является точно круглой, как это пояснено ниже. Цилиндрическая, вогнутая, изогнутая поверхность 711 содержит изогнутую поверхность в любом месте. Термин «изогнутая поверхность» (при использовании в данном документе) обозначает любое одно из понятий: (i) изогнутая поверхность, не содержащая плоскую часть; и (ii) вогнутая, кажущаяся изогнутой поверхность, сформированная посредством соединения множества сегментов G, каждый из которых содержит плоскую поверхность P, как показано на фиг. 16. В случае (ii) вогнутая, изогнутая поверхность 711 предпочтительно сформирована посредством соединения сегментов G, каждый из которых содержит прямоугольную плоскую поверхность одинаковых или различных размеров; например, имеют длину и ширину, которые независимо находятся в диапазоне от около 0,5 мм до 150,0 мм.
Цилиндрическая вогнутая, изогнутая поверхность 711 предпочтительно имеет такую кривизну, при которой нормаль, восстановленная в любом месте на линии пересечения вогнутой, изогнутой поверхности 711 и плоскости, в которой находится конец 720a сопла, и перпендикулярной к осевому направлению цилиндра, проходит через конец сопла 720 или вблизи его. С этой точки зрения, поперечное сечение цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711, проведенное вдоль плоскости, перпендикулярной к его осевому направлению, предпочтительно представляет собой точно круг.
Электрод 710, внутренняя стенка которого является в целом цилиндрической, может быть изготовлен посредством отрезания металлической трубы определенной длины; сверления концентричного сквозного отверстия в сплошном металлическом цилиндре; соединение полукруглых полых цилиндров или сгибание плоской пластины в цилиндр. Такой цилиндрический электрод может быть получен посредством использования простых операций механической обработки при низкой стоимости изготовления.
Поперечное сечение внутренней поверхности, проведенное перпендикулярно осевому направлению электрода 710, может быть эллипсом или может содержать небольшую нерегулярность, получившуюся в результате изгиба пластины, но предпочтительно, чтобы был точно круг, для обеспечения возможности концентрации электрического поля на конце 720a сопла для увеличения таким образом величины заряда.
Если электрод 710 изготовлен посредством соединения полукруглых цилиндров или сгибанием плоской пластины в цилиндр, то края обрабатываемой детали (обрабатываемых деталей), подлежащих соединению вместе, не обязательно должны быть соединены по влей их длине, но предпочтительно должны быть соединены вместе таким образом, чтобы не оставалось каких-либо несоединенных зазоров, чтобы электрическое поле могло быть сцентрировано на конце 720a сопла для сохранения увеличенной величины заряда.
Если поперечное сечение внутренней поверхности электрода 710, проведенное перпендикулярно осевому направлению, имеет форму круга или эллипса, то эксцентриситет круга или эллипса должен предпочтительно составлять 0 или менее 0,6, более предпочтительно - 0 или менее 0,3, даже более предпочтительно - 0,0 (= эксцентриситету точно круга), таким образом, чтобы электрическое поле могло быть сцентрировано на конце 720a сопла для сохранения увеличенной величины заряда.
Длина электрода 710 в осевом направлении предпочтительно составляет 10 мм или более, более предпочтительно - 20 мм или более, даже более предпочтительно - 30 мм или более. При такой длине электрода 710 может быть создано сильное электрическое поле между концом 720a сопла и электродом 710 для обеспечения большой величины заряда. Верхний предел длины предпочтительно составляет 150 мм, более предпочтительно - 80 мм, даже более предпочтительно - 60 мм. При длине, меньшей указанного выше диапазона, имеет место меньшая вероятность прилипания прядильного раствора, впрыскиваемого из конца 720a сопла в виде волокна, к электроду 710. Например, длина электрода 710 предпочтительно составляет от 10 мм до 150 мм, более предпочтительно - от 20 мм до 150 мм, даже более предпочтительно - от 20 мм до 80 мм, еще более предпочтительно - от 30 мм до 80 мм, даже еще более предпочтительно - от 30 мм до 60 мм. Если длина электрода 710 находится в указанном диапазоне, то электрическое поле будет эффективно сцентрировано на конце 720a сопла 720 для увеличения величины заряда.
Если поперечное сечение внутренней поверхности электрода 710, проведенное перпендикулярно к осевому направлению электрода 710, является кругом, то радиус круга предпочтительно составляет 10 мм или более, более предпочтительно - 20 мм или более, даже более предпочтительно - 30 мм или более. При таком радиусе имеет место меньшая вероятность прилипания прядильного раствора, впрыскиваемого из конца 720a сопла в виде волокна, к электроду 710. Верхний предел радиуса предпочтительно составляет 200 мм, более предпочтительно - 100 мм, даже более предпочтительно - 50 мм. При таком радиусе может быть создано сильное электрическое поле между концом 720a сопла и электродом 710 для обеспечения большой величины заряда. Например, радиус цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 электрода 710 предпочтительно составляет от 10 мм до 200 мм, более предпочтительно - от 20 мм до 100 мм, даже более предпочтительно - от 30 мм до 50 мм. Если внутренний радиус электрода 710 находится в указанном диапазоне, то электрическое поле будет эффективно сцентрировано на конце 720a сопла 720 для увеличения величины заряда. Кроме того, даже если множество устройств 701 для электропрядения расположено рядом, то их электрические поля не оказывают вредного влияния друг на друга. Под термином «радиус» (при использовании в данном документе) понимают расстояние между соплом 720 и электродом 710 в плоскости, перпендикулярной к осевому направлению электрода 710.
Как показано на фиг. 13 и 14, другой край цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 (низ электрода 710) содержит отверстие, в которое вмонтирована сборка 721 сопла. Сборка 721 сопла содержит сопло 720 и опору 722, поддерживающую сопло 720. Электрод 710 и сопло 720 электрически изолированы друг от друга посредством опоры 722. Конец 720a сопла 720 раскрыт во внутреннем пространстве электрода 710, а его задний конец 720b раскрыт со стороны, противоположной открытому краю электрода 710. Задний конец 720b соединен с запасом прядильного раствора, предназначенного для подачи (не показан).
Сопло 720 заземлено, как показано на фиг. 14. Так как к электроду 710 приложено отрицательное напряжение, то между электродом 710 и соплом 720 создается электрическое поле. Вместо способа приложения напряжения, показанного на фиг. 14, положительный электрод может быть присоединен к соплу 720, а электрод 710 может быть заземлен.
В устройстве 701 для электропрядения согласно варианту осуществления достигается заряжение с использованием принципа электростатической индукции. Электростатическая индукция - это явление, которое вызывает поляризацию проводящего объекта, находящегося в стабильном состоянии, если рядом с незаряженным проводящим объектом располагают заряженный объект. Например, если положительно заряженный объект располагают рядом с проводящим объектом, то внутренние отрицательные заряды в проводящем объекте притягиваются к нему, тогда как внутренние положительные заряды отдаляются от него. Если заряженный объект расположен рядом с проводящим объектом, а положительно заряженную сторону проводящего объекта заземляют, то внутренние положительные заряды электрически нейтрализуются, и проводящий объект становится отрицательно заряженным объектом. В варианте осуществления, показанном на фиг. 13 и 14, так как электрод 710 использован в качестве отрицательно заряженного объекта, то сопло 720 становится положительно заряженным объектом. Таким образом, в то время, когда прядильный раствор проходит через положительно заряженное сопло 720, положительные заряды передаются от сопла 720 и положительно заряжают прядильный раствор.
В варианте осуществления величина заряда прядильного раствора увеличивается под воздействием диэлектрика 730, как это описано ниже. Кроме того, так как электрод 710 устройства 701 для электропрядения согласно варианту осуществления содержит цилиндрическую, вогнутую, изогнутую поверхность 711, то увеличение величины заряда прядильного раствора является значительным. В устройстве 701 для электропрядения поверхность электрода, которая значительно больше площади сопла 720, обеспечена по существу на одинаковом расстоянии от конца 720a сопла 720. Так как общие величины заряда, аккумулированного в электроде 710, служащем в качестве отрицательного полюса, и заряда, аккумулированного в сопле 720, служащем в качестве положительного полюса, равны, то заряды распределены на поверхности сопла 720 со значительно более высокой плотностью, чем на электроде 710, в результате чего обеспечивается интенсифицированное электрическое поле вокруг сопла 720. Благодаря такому интенсифицированному электрическому полю обеспечивается дополнительное увеличение величины заряда прядильного раствора. С этой точки зрения, раскрытая площадь сопла 720 предпочтительно должна быть как можно меньшей. В частности, раскрытая длина сопла 720 (расстояние от опоры 722 до конца 720a сопла 720) предпочтительно должна быть как можно меньшей. Более конкретно, раскрытая длина сопла 720 предпочтительно составляет 50 мм или менее, более предпочтительно - 10 мм или менее, даже более предпочтительно - 5 мм или менее. Что касается электрода 710, который содержит цилиндрическую, вогнутую, изогнутую поверхность 711, то также благоприятно, чтобы масса электрода была меньше массы электрода плоской формы, и таким устройство 701 для электропрядения выполнено по размерам. Кроме того, устройство 701 не содержит подвижных элементов в отличии от устройства для электропрядения, раскрытого в Патентном документе 3, процитированном выше. Это является благоприятным фактором, так как устройство получается не сложным.
Для дополнительной концентрации зарядов на конце 720a сопла 720 предпочтительно, чтобы сопло 720 было расположено таким образом, чтобы направление, в котором оно проходит, проходило бы вблизи центра или через центр круга, определенного открытым краем цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 электрода 710, и чтобы конец 720a сопла 720 был расположен в плоскости, содержащей круг, определенный открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности 711. Особенно предпочтительно, чтобы конец 720a сопла 720 был расположен на расстоянии в радиальном направлении, составляющим 10 мм или менее, более предпочтительно - 5 мм или менее, от центра круга, определенного открытым краем, наиболее предпочтительно - в центре круга.
По той же причине предпочтительно, чтобы конец 720a сопла 720 был расположен в центре или вблизи центра круглого поперечного сечения цилиндрического электрода 710, проведенного перпендикулярно к осевому направлению цилиндрического электрода 710, и был расположен, в осевом направлении, в столбчатом пространстве цилиндра. В частности, если смотреть вдоль осевого направления цилиндрического электрода 710, то конец 720a сопла 720 предпочтительно расположен в столбчатом пространстве цилиндра и предпочтительно расположен между передним краем электрода 710 (краем со стороны, с которой прядильный раствор впрыскивают наружу) и продольным центром оси цилиндра. Более конкретно: конец 720a сопла 720 предпочтительно расположен в пространстве внутри плоскости, определенной открытым краем цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 электрода 710 и вблизи плоскости. Термин «вблизи плоскости» (при использовании в выше приведенном предложении) следует понимать, как расстояние, меньшее 1/5 r, направленное от центра круга, определенного открытым краем цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 электрода 710, где r радиус этого круга. Более конкретно: конец 720a сопла предпочтительно расположен на расстоянии от 1 мм до 20 мм, более предпочтительно - от 1 мм до 15 мм, даже более предпочтительно - от 1 мм до 10 мм, внутри плоскости. Благодаря такому расположению конца 720a сопла 720, прядильный раствор может перемещаться вперед из открытого конца цилиндрического электрода; имеет место меньшая вероятность притягивания прядильного раствора, впрыскиваемого из конца 720a сопла 720, к цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 электрода 710, и загрязнения вогнутой, изогнутой поверхности 711; и электрическое поле сконцентрировано на конце 720a сопла 720, что способствует увеличению величины заряда.
Желательно, в частности, чтобы направление, в котором проходит сопло 720, проходило бы через центр или вблизи центра круга, определенного открытым краем цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 электрода 710, а также через центр или вблизи центра круга, определенного противоположным краем цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711. Особенно желательно, чтобы направление, в котором проходит сопло 720, было перпендикулярно плоскости, содержащей круг, определенный открытым краем цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711. Посредством такой установки сопла 720 заряды определенно концентрируются на конце 720a сопла 720. С этой точки зрения, особенно предпочтительно, чтобы цилиндрическая, вогнутая, изогнутая поверхность 711 электрода 710 имела точно круглую форму.
Если радиус круга, определенного открытым краем цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711 электрода 710, принять за r, и прочертить воображаемый круг, имеющий радиус, составляющий 1/5 r, в той же плоскости, и концентричный с кругом, определенным открытым краем, то предпочтительно, чтобы направление, в котором проходит сопло 720, проходило бы внутри воображаемого круга и через низ 711a цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711. Если прочертить воображаемый круг, имеющий радиус, составляющий 1/10 r, то более предпочтительно, чтобы направление, в котором проходит сопло 720, проходило бы внутри воображаемого круга, имеющего радиус, составляющий 1/10 r, и через низ 711a цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711. Даже более предпочтительно, чтобы направление, в котором проходит сопло 720, проходило бы через центр круга, определенного открытым краем цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711, и через низ 711a цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711. Если сопло 720 собрано таким образом, то электрическое поле будет сцентрировано на конце 720a для генерирования увеличенной величины заряда.
Как было пояснено ранее, устройство 701 для электропрядения согласно настоящему варианту осуществления создано для уменьшения площади металлической части (токопроводящей части) сопла 720, раскрытой со стороны внутреннего пространства электрода 710, и для увеличения площади внутренней поверхности электрода 710, для увеличения плотности заряда на конце 720a сопла 720. С этой точки зрения, отношение площади внутренней поверхности электрода 710 к площади металлической части (токопроводящей части) сопла 720, раскрытой со стороны внутреннего пространства электрода 710, предпочтительно составляет 30 или более, более предпочтительно - 100 или более, и предпочтительно - 90000 или менее, более предпочтительно - 5000 или менее. Например, отношение площадей предпочтительно составляет от 30 до 90000, более предпочтительно - от 100 до 5000. Термин «площадь» металлической части (токопроводящей части) сопла 720, раскрытой со стороны внутреннего пространства электрода 710 (при использовании в данном документе), обозначает площадь боковой поверхности сопла 720 и не включает площадь внутренней стенки сопла 720. «Площадь» внутренней поверхности электрода 710 не включает площадь отверстия, в которое вмонтирована сборка 721 сопла.
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Площадь внутренней поверхности электрода 710 предпочтительно составляет 500 мм или более, более предпочтительно - 1000 мм или более, и предпочтительно - 2000×10мм или менее, более предпочтительно - 4000×10мм или менее. Например, площадь предпочтительно составляет от 500 мм до 2000×10мм, более предпочтительно - от 1000 мм до 4000×10мм. Площадь металлической части (токопроводящей части) сопла 720, раскрытой со стороны внутреннего пространства электрода 710, предпочтительно составляет 2 мм или более, более предпочтительно - 5 мм или более, и предпочтительно - 1000 мм или менее, более предпочтительно - 100 мм или менее. Например, площадь предпочтительно составляет от 2 мм до 1000 мм, более предпочтительно - от 5 мм до 100 мм.
Как показано на фиг. 13 и 14, часть 723 для выпуска воздуха под давлением, являющаяся сквозным отверстием, обеспечено вблизи опоры 722, поддерживающей сопло 720 в сборке 721 сопла. Часть 723 для выпуска воздуха под давлением проходит вдоль направления, в котором проходит сопло 720. При рассматривании сборки 721 сопла со стороны открытого края электрода 710, видно множество частей 723 для выпуска воздуха под давлением, расположенных таким образом, чтобы они окружали сопло 720. Отдельные части 723 для выпуска воздуха под давлением расположены симметрично около сопла 720.
Устройство 701 для электропрядения согласно варианту осуществления имеет описанную выше базовую структуру. В устройстве 701 цилиндрическая, вогнутая, изогнутая поверхность 711 электрода 710, обращенная к соплу 720, покрыта диэлектриком 730. В варианте осуществления, показанном на фиг. 13 и 14, диэлектрик 730 изготовлен из одного вида или из двух видов, или из большего количества видов диэлектриков.
Согласно изобретению почти вся площадь стороны электрода, обращенной к соплу, покрыта диэлектриком. Более предпочтительно вся площадь стороны электрода, обращенной к соплу, покрыта диэлектриком. Термин «сторона, обращенная к соплу», обозначает поверхность электрода, которую можно видеть с конца сопла (отверстие, через которое впрыскивают прядильный раствор). Более конкретно: «сторона, обращенная к соплу», представляет собой множество точек, в которых прямые линии, проведенные из каждой точки конца сопла к электроду, сначала контактируют с электродом. Под словосочетанием «почти по всей площади» (при использовании его в данном документе) следует понимать, что покрытие занимает, по меньшей мере, 90% всей площади стороны, а под словосочетанием «по всей площади» следует понимать, что оно занимает 100% всей площади стороны. Почти вся (90% или более) площадь диэлектрика изготовлена только из диэлектрика. Предпочтительно, чтобы вся площадь (100%) диэлектрика была изготовлена только из диэлектрика. Другими словами, предпочтительно, чтобы диэлектрик не содержал токопроводящее вещество, например, металл, со стороны наружной поверхности. Такой диэлектрик, обычно описывают в качестве примера как диэлектрик, состоящий из одного вида диэлектрика. Диэлектрик может быть композитом, состоящим из множества диэлектрических листов, уложенных один поверх другого, или композитом, содержащим металлические частицы, металлический слой или слой воздуха внутри него (т.е. часть, которая не раскрыта на поверхности), тогда как поверхность изготовлена только из диэлектрика. Например, слой воздуха может присутствовать в части соединения между электродом и диэлектриком. Тем не менее, предпочтительно, чтобы электрод и диэлектрик были в тесном контакте друг с другом, для надежного сохранения соединения между ними. Согласно изобретению, принято, чтобы не было вещества, которым дополнительно была бы покрыта поверхность диэлектрика. Если какое-либо токопроводящее покрытие, например, из металла, выходит на поверхность покрытия, то положительные эффекты изобретения уменьшаются.
Хотя в электроде 710, показанном на фиг. 13 и 14, только сторона которого, обращенная к соплу 720, покрыта диэлектриком 730, предпочтительно, чтобы часть других сторон, которые не обращены к соплу 720, были также покрыты диэлектриком 730. Более предпочтительно, чтобы все стороны, которые не обращены к соплу 720, были покрыты диэлектриком 730. «Стороны, которые не обращены к соплу», являются сторонами, которые невозможно видеть со стороны конца 720a сопла (отверстие, через которое впрыскивают прядильный раствор); более конкретно: все стороны - это стороны, отличные от стороны, обращенной к соплу.
Как показано на фиг. 15, диэлектрик 730 и электрод 710 содержат взаимно сопрягаемые структуры. Показанный диэлектрик 730 состоит из цилиндрической части 731, совместимой с вогнутой, изогнутой поверхностью 711 цилиндрического электрода 710, и фланец 732, нависающий горизонтально со стороны верхнего края цилиндрической части 731. При установке диэлектрика 730 в электроде 710 фланцем 732 покрывают краевую поверхность 712 одного из открытых краев электрода 710.
Диэлектрик 730 вводят в вогнутую, изогнутую поверхность 711 электрода 710 и надежно прикрепляют друг другу предварительно определенными крепежными средствами.
Крепежные средства предпочтительно изготовлены из диэлектрика. Через диэлектрические крепежные средства электрический ток не проходит, благодаря чему линии электрической силы, исходящие из соединения между электродом 710 и диэлектриком 730, могут быть уменьшены или исключены, для предотвращения нарушения электрического поля между электродом 710 и соплом 720. В случае, если электрод 710 и диэлектрик 730 соединены вместе с использованием крепежных средств, то диэлектрик 730, которым покрыт электрод 710, можно легко заменить с одного типа на другой, когда это требуется, и, таким образом, устройством 701 для электропрядения можно легко управлять.
Крепежным средством может служить, например, восприимчивый к давлению адгезив, который использован в ранее описанном варианте осуществления. В других случаях крепежными средствами могут быть винты 733, как показано на фиг. 15. При использовании винтов 733, винт 733 может быть изготовлен из диэлектрика, который может быть тем же или отличным от диэлектрика 730, или деревянным. В варианте осуществления, показанном на фиг. 15, винт 733, используемый в качестве крепежного средства, введен в сквозное отверстие 734 фланца 732; винт 733 ввинчен в отверстие под винт 713, выполненное в краевой поверхности 712 одного из открытых краев 710 цилиндрического электрода 710 для надежного прикрепления диэлектрика 730 к электроду 710.
Каждое сквозное отверстие 734 обеспечено раззенкованной частью, имеющей больший диаметр, чем головка винта 733, для того, чтобы головку винта 733, ввинченного для скрепления электрода 710 и диэлектрика 730, можно было расположить ниже поверхности фланца 732 диэлектрика 730, чтобы он не выступал над поверхностью.
Способ изготовления нановолокна с использованием устройства 701 для электропрядения согласно варианту осуществления выполняют следующим образом. Создав электрическое поле между электродом 710 и соплом 720, впрыскивают прядильный раствор из конца 720a сопла 720. Прядильный раствор заряжается посредством электростатической индукции, пока раствор проходит через сопло 720, и его впрыскивают по мере его заряжения. Так как заряды концентрируются на конце 720a сопла 720, то величина заряда единицы массы прядильного раствора получается очень большой. Заряженный таким образом прядильный раствор на конце сопла деформируется с образованием конуса Тейлора под воздействием электрического поля. Если сила электрического поля, притягивающая прядильный раствор к электроду 710, превышает критическое значение поверхностного натяжения прядильного раствора, то струя прядильного раствора тянется к электроду 710 до разрыва. В это время выпускают под давлением воздушный поток из части 723 для выпуска воздуха под давлением, для воздействия на струю прядильного раствора, в результате чего впрыскиваемый поток прядильного раствора утоняется до порядка наноразмера посредством цепи взаимных отталкиваний зарядов. В то же время увеличивается удельная площадь поверхности волокна, и при этом ускоряется испарение растворителя. В результате этого нановолокно, сформованное при сушке, достигает устройства для сбора нановолокна (не показано) и осаждается хаотически на нем, где это устройство расположено таким образом, чтобы оно было обращено к соплу 720. Для сохранения осаждения нановолокна на устройстве для сбора нановолокна, электрод для сбора нановолокна (не показан) может быть расположен таким образом, чтобы он был обращен к концу 720a сопла 720, а устройство для сбора нановолокона расположено между собирающим электродом и соплом 720 рядом с собирающим электродом. Предпочтительно прикладывать напряжение к собирающему электроду таким образом, чтобы полярность была противоположна зарядам заряженного прядильного раствора. Например, если прядильный раствор заряжен положительно, то собирающий электрод может быть заземлен, или к собирающему электроду может быть приложено отрицательное напряжение.
На фиг. 17 показан пример производственного устройства 750 для изготовления нановолокна, в котором использовано устройство 701 для электропрядения согласно настоящему варианту осуществления. Производственный устройство 750, представленный на фиг. 17, содержит множество устройств 701 для электропрядения, показанных на фиг. 13 и 14. Каждое устройство 701 для электропрядения прикреплено к пластинообразному основанию 745. Множество устройств 701 для электропрядения расположено в двухмерном порядке в направлении плоскости основания 745, где их сопла 720 проходят в одинаковом направлении (направлены вверх на фиг. 17). В каждом устройстве 701 для электропрядения отрицательное напряжение постоянного тока приложено к электроду 710, тогда как сопло 720 заземлено.
Над устройством 701 для электропрядения обеспечен электрод 751 для собора нановолокна, обращенный к концам 720a сопел 720. Собирающий электрод 751 представляет собой пластину, изготовленную из проводника, например, металла. Главная поверхность плоского собирающего электрода 751 по существу перпендикулярна к направлению, в котором проходят сопла 720. Как описано ниже, почти вся площадь собирающего электрода может быть покрыта диэлектриком. Предпочтительно, чтобы вся площадь собирающего электрода была покрыта диэлектриком. Под словосочетанием «почти вся площадь» (при использовании в данном документе) следует понимать, по меньшей мере, 90% всей площади, а под словосочетанием «вся площадь» следует понимать 100% всей площади. Для вытягивания положительно заряженных нановолокон в направлении собирающего электрода, собирающему электроду сообщают более низкий (более отрицательный) потенциал, чем соплу 720, служащему в качестве положительного полюса. Для дополнительного повышения эффективности вытяжки, собирающему электроду предпочтительно сообщают более низкий (более отрицательный) потенциал, чем электроду 711, служащему в качестве отрицательного полюса. Расстояние между собирающим электродом 751 и концами 720a сопел 720 предпочтительно составляет 100 мм или более, более предпочтительно - 500 мм или более, и предпочтительно - 3000 мм или менее, более предпочтительно - 1000 мм или менее. Например, расстояние предпочтительно составляет от 100 мм до 3000 мм, более предпочтительно - от 500 мм до 1000 мм.
Производственное устройство 750 содержит устройство 752 для сбора нановолокна, на котором собирают нановолокно, где устройство 752 расположено между собирающим электродом 751 и соплами 720, рядом с собирающим электродом 751. Устройство 752 для сбора нановолокна имеет непрерывную длину, и его сматывают с рулона 752a транспортирующего полотна. Транспортирующее полотно 752 для сбора нановолокна перемещают в направлении, указанном стрелкой A на фиг. 17, его проводят над и перед соплами 720, и накатывают на накатном устройстве 752b. Устройство 752 для сбора нановолокна может быть пленкой, сеткой, нетканым материалом, бумагой и т. п.
Во время работы производственного устройства 750, показанного на фиг. 17, устройство 752 для сбора нановолокна сматывают и перемещают в направлении стрелки A; к электродам 710 прикладывают отрицательное напряжение постоянного тока, а сопла 720 и собирающий электрод 751 заземлены. В этом состоянии прядильный раствор впрыскивают из конца 720a сопла 720, в то же время выпуская под давлением воздух из части 723 для выпуска воздуха под давлением каждого устройства 701 для электропрядения. Нановолокна формуют из струй прядильного раствора и непрерывно осаждают на подвижном устройстве 752 для сбора нановолокна. Так как устройство 750 содержит множество устройств 701 для электропрядения, то он пригоден для производств большого количества нановолокна. Так как впрыскиваемый прядильный раствор обладает чрезвычайно большой величиной заряда, то расход впрыскиваемого прядильного раствора может быть увеличен для изготовления нановолокна с тониной, равной тонине обычно изготавливаемого нановолокна, что также вносит вклад в изготовление большого объема нановолокна.
Прядильный раствор, который может быть использован в каждом устройстве варианта осуществления, может быть раствором полимера для формования волокна, растворенного или диспергированного в растворителе, или расплавом такого полимера, приготовленного посредством нагревания полимера. Электропрядение с использованием раствора полимера в качестве прядильного раствора иногда называют процессом прядения из раствора, а электропрядение с использованием расплава полимера в качестве прядильного раствора иногда называют процессом прядения из расплава. Раствор или расплав могут содержать, подходящие неорганические частицы, органические частицы, экстракты из растений, поверхностно-активные вещества, масла, электролиты для регулирования концентрации ионов и т.д.
Примеры полимеров, обычно используемых для изготовления нановолокна, включают: полипропилен, полиэтилен, полистирол, поливиниловый спирт, полиуретан, полиэтиленоксид, полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат, полиэтиленнафталат, поли-m-фенилентерефталат, поли-p-фениленизофталат, поливинилиденфторид, сополимеры поливинилиденфторида и гексафторпропилена, поливинилхлорид, сополимеры поливинилиденхлорида и акрилата, сополимеры полиакрилонитрила, полиакрилонитрила и метакрилата, поликарбонат, полиаллилат, сложный полиэфир карбоната, нейлон, арамид, поликапролактан, полимолочную кислоту, полигликолевую кислоту, коллаген, полигидроксибутировую кислоту, поливинилацетат, и полипептид. Эти полимеры могут быть использованы либо отдельно, либо как смесь из двух или большего количества этих веществ.
При использовании раствора, содержащего полимер, растворенный или диспергированный в растворителе, примеры пригодных растворителей включают: воду, метанол, этанол, 1-пропанол, 2-пропанол, гексафторизопропанол, тетраэтиленгликоль, триэтиленгликоль, дибен-зиловый спирт, 1,3-диоксолан, 1,4-диоксан, метилэтилкетон, метилизобутилкетон, метил-n-гексилкетон, метил-n-пропилкетон, диизопропилкетон, диизобутилкетон, ацетон, гексофторацетон, фенол, муравьиную кислоту, метиловый эфир муравьиной кислоты, этиловый эфир муравьиной кислоты, пропиловый эфир муравьиной кислоты, метилбензоат, этилбензоат, пропилбензоат, метилацетат, этилацетат, про-пилацетат, диметилфталат, диэтилфталат, дипропилфталат, метилхлорид, этилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, o-хлоротолуол, p-хлоротолуол, тетрахлорид углерода, 1,1-дихлорэтан, 1,2-дихлорэтан, трихлорэтан, дихлоропропан, дибромэтан, дибромпропан, метилбромид, этилбромид, пропилбромид, уксусную кислоту, бензол, толуол, гексан, циклогексан, циклогексанон, циклопентан, o-ксилилен, p-ксилен, m-ксилен, ацетонитрил, тетрагидрофуран, N,N-диметлформамид и пиридин. Эти растворители могут быть использованы либо отдельно, либо как смесь из двух или большего количества этих растворителей может быть выбрано из указанных выше веществ.
Если в качестве растворителя используют воду, то предпочтительно использовать природный или синтетический полимер, обладающий высокой водорастворимостью. Примеры таких природных полимеров включают: микополиполисахариды, например, пуллулан, гуалуроновую кислоту, хондроитинсульфат, поли-γ-глутаминовую кислоту, модифицированный кукурузный крахмал, β-глюкан, глюкоолигополисахарид, гепарин, кератосульфат, целлюлозу, пектин, ксилан, лигнин, глюкоманнан, галактуроновую кислоту, гумми из семян подорожника, гумми из семян тамаринда, гуммиарабик, адрагантовую камедь, соевый водорастворимый полисахарид, альгиновую кислоту, каррагенан, ламинаран, агар (агарозу), фукоидан, метилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу и гидроксипропилметилцеллюлозу. Примеры водорастворимых синтетических полимеров включают: частично омыленный поливиниловый спирт, малоомыленный поливиниловый спирт, поливинилпирролидон, полиэтиленоксид и полиакрилат натрия. Эти полимеры могут быть использованы либо отдельно, либо в сочетании из двух или большего количества указанных выше веществ. Более предпочтительными из них, с точки зрения легкости изготовления нановолокна, являются природные полимеры, например, пуллулан, и синтетические полимеры, например, частично омыленный поливиниловый спирт, малоомыленный поливиниловый спирт, поливинилпирролидон и полиэтиленоксид.
Пригодны также полимеры, не очень хорошо растворяющиеся в воде, включающие: полностью омыленный поливиниловый спирт, который становится нерастворимым после формования нановолокна; частично омыленный поливиниловый спирт, в котором образуются поперечные связи в присутствии сшивающего агента после формования нановолокна; силиконы, модифицированные оксазолином (например, сополимер поли-N-пропаноилэтиленимина и привитого диметлсилоксана и γ-аминопропилметилсилоксана), зеин (основной компонент маисового протеина), сложные полиэфиры, полимолочную кислоту (ПМК), акриловые смолы (например, полиакрилонитриловые смолы и смолы полиметакриловой кислоты), полистироловые смолы, поливинилбутиральные смолы, полиэтилентерефталатные смолы, полибутилентерефталатные смолы, полиуретановые смолы, полиамидные смолы, полиимидные смолы и полиамидимидные смолы. Эти водонерастворимые полимеры можно использовать либо отдельно, либо в сочетании из двух или большего количества указанных выше веществ.
Нановолокно, изготовленное с использованием устройства согласно описанным выше вариантам осуществления, обычно имеет толщину, составляющую от 10 нм до 3000 нм, предпочтительно - от 10 нм до 1000 нм, если приять, что сечение волокна эквивалентно круглому. Толщину нановолокна измеряют посредством, например, использования сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).
Нановолокно, изготовленное с использованием устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению, может быть осаждено в виде структуры из нановолокна для различных применений. Структура из нановолокна может иметь форму листа, пушистого скопления, шнура и т.п. Структура из нановолокна может быть соединена с другими полотнами или различными жидкостями, мелкими частицами или волокнами в соответствии с предполагаемым использованием. Например, лист из нановолокна пригоден для использования в качестве перевязочного средства, прикрепляемого к коже человека, в качестве средства для лечения зубов или в качестве клеящего средства для медицинских или немедицинских целей (например, для косметических целей). Лист из нановолокна также пригоден для использования в качестве высококлассного фильтра, обладающего высокой способностью к улавливанию пыли и вызывающего небольшую потерю давления; в качестве сепаратора для аккумуляторов, пригодного для использования при высокой плотности тока; в качестве подосновы для культуры клеток, обладающей очень пористой структурой, и т.д. Пушистая масса из нановолокна пригодна для использования в качестве шумопоглощающего материала, теплоизоляционного материала и т.п.
Хотя изобретение описано со ссылками на его предпочтительные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено этими вариантами осуществления. Например, сопло 13 варианта осуществления, показанного на фиг. 1, может быть изогнутой трубкой, имеющей кривизну. Хотя вогнутая, изогнутая поверхность R электрода 19 варианта осуществления, показанного на фиг. 3 и 4, предпочтительно имеет форму внутренней поверхности в виде полусферической оболочки, она может иметь форму внутренней поверхности сферической корончатой оболочки.
Хотя в варианте осуществления, показанном на фиг. 3 и 4, сопло 20 расположено внизу вогнутой, изогнутой поверхности R, она может быть расположена в других местах.
Хотя в варианте осуществления, показанном на фиг. 13-16, сопло 720 расположено в одном из открытых концов цилиндра, оно может быть расположено в других местах.
В каждом из описанных выше вариантов осуществления, как это показано на фиг. 18, сопло 13 (или 20 или 720) может быть разделено, в его поперечном сечении, на множество секций S, через каждую из которых можно подавать прядильный раствор. В этой модификации площадь контакта между прядильным раствором и внутренней стенкой сопла увеличивается, таким образом способствуя электрическому заряжению прядильного раствора. В случае если сопло разделено в его поперечном сечении на множество секций S, то под термином «внутренний диаметр», как было сказано выше в отношении сопла, означает внутренний диаметр каждой секции S. Форма и внутренний диаметр секций могут быть одинаковыми или различными.
Составляющие признаки, рассмотренные в данном документе, являются взаимозаменяемыми в упомянутых выше вариантах осуществления до тех пор, пока благоприятные эффекты изобретения не ухудшаются. Например, средства 15A для подачи воздушной струи, показанные на фиг. 8, можно использовать в варианте осуществления, представленном на фиг. 7.
Что касается вышеописанных вариантов осуществления, то следующие устройства для изготовления нановолокна дополнительно раскрыты.
1. Устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средства для впрыскивания прядильного раствора, содержащие токопроводящее сопло для впрыска запаса прядильного раствора для изготовления нановолокна;
электрод, расположенный на отдалении от сопла;
средства для создания напряжения, с помощью которых создают напряжение между соплом и электродом;
средства для подачи воздушной струи, расположенные таким образом, чтобы воздушная струя была направлена между соплом и электродом; и
средства для сбора нановолокна; где
с помощью средств для создания напряжения создают напряжение таким образом, чтобы сопло служило в качестве положительного полюса, а электрод служил в качестве отрицательного полюса;
электрод покрыт почти по всей площади его стороны, обращенной к соплу, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия; и
диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия, имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более.
2. Устройство для изготовления нановолокна по п. 1, в котором электрод дополнительно покрыт частично или со всех его других сторон, которые не обращены к соплу, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия.
3. Устройство для изготовления нановолокна по п. 1 или 2, в котором сопло покрыто почти по всей площади наружной стороны сопла, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия, и покрытие выступает за конец сопла.
4. Устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средства для выпуска под давлением прядильного раствора, содержащие токопроводящее сопло для выпуска под давлением запаса прядильного раствора для изготовления нановолокна;
электрод, расположенный на отдалении от сопла;
средства для создания напряжения, с помощью которых создают напряжение между соплом и электродом;
средства для подачи воздушной струи, расположенные таким образом, чтобы воздушная струя была направлена между соплом и электродом; и
средства для сбора нановолокна; где
с помощью средств для создания напряжения создают напряжение таким образом, чтобы сопло служило в качестве положительного полюса, а электрод служил в качестве отрицательного полюса; где
сопло покрыто почти по всей площади его наружной стороны покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия, и покрытие выступает за конец сопла.
5. Устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средства для выпуска под давлением прядильного раствора, содержащие токопроводящее сопло для выпуска под давлением запаса прядильного раствора для изготовления нановолокна;
электрод, расположенный на отдалении от сопла;
средства для создания напряжения, с помощью которых создают напряжение между соплом и электродом;
средства для подачи воздушной струи, расположенные таким образом, чтобы воздушная струя была направлена между соплом и электродом; и
средства для сбора нановолокна; где
с помощью средств для создания напряжения создают напряжение таким образом, чтобы сопло служило в качестве отрицательного полюса, а электрод служил в качестве положительного полюса; и
сопло покрыто почти по всей площади его наружной стороны покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия.
6. Устройство для изготовления нановолокна по п. 5, в котором покрытие выступает за конец сопла.
7. Устройство для изготовления нановолокна по п. 5 или 6, в котором электрод покрыт почти по всей площади его стороны, обращенной к соплу, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия.
8. Устройство для изготовления нановолокна по п. 7, в котором электрод дополнительно покрыт частично или со всех его других сторон, которые не обращены к соплу, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия.
9. Устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средства для выпуска под давлением прядильного раствора, содержащие токопроводящее сопло для выпуска под давлением запаса прядильного раствора для изготовления нановолокна;
электрод, расположенный на отдалении от сопла;
средства для создания напряжения, с помощью которых создают напряжение между соплом и электродом;
средства для подачи воздушной струи, расположенные таким образом, чтобы воздушная струя была направлена между соплом и электродом; и
средства для сбора нановолокна; где
с помощью средств для создания напряжения создают напряжение таким образом, чтобы сопло служило в качестве отрицательного полюса, а электрод служил в качестве положительного полюса;
электрод покрыт почти по всей площади его стороны, обращенной к соплу, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия; и
диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия, имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более.
10. Устройство для изготовления нановолокна по п. 9, в котором электрод дополнительно покрыт частично или со всех его других сторон, которые не обращены к соплу, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия.
11. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из п.п. 1-10, в котором собирающие средства содержат собирающий электрод, а собирающий электрод покрыт почти по всей площади собирающего электрода, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия.
12. Устройство для изготовления нановолокна, содержащее:
средства для выпуска под давлением прядильного раствора, содержащие токопроводящее сопло для выпуска под давлением запаса прядильного раствора для изготовления нановолокна;
электрод, расположенный на отдалении от сопла;
средства для создания напряжения, с помощью которых создают напряжение между соплом и электродом;
средства для подачи воздушной струи, расположенные таким образом, чтобы воздушная струя была направлена между соплом и электродом; и
средства для сбора нановолокна; где
собирающие средства содержат собирающий электрод, где собирающий электрод покрыт почти по всей площади собирающего электрода, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия.
13. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 2-8 и 10-12, в котором диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия, имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более.
14. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 1-13, в котором диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия, имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более.
15. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 1-14, в котором диэлектрик, раскрытый со стороны поверхности покрытия, имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более, более предпочтительно - 2 мм или более, даже более предпочтительно - 8 мм или более, и предпочтительно - 25 мм или менее, более предпочтительно - 20 мм или менее, даже более предпочтительно - 15 мм или менее; и если покрытие изготовлено из одного вида или двух, или более видов диэлектриков, то толщина покрытия предпочтительно составляет от 0,8 мм до 25 мм, более предпочтительно - от 2 мм до 20 мм, даже более предпочтительно - от 8 мм до 15 мм.
16. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 1-15, в котором электрод является пластинообразным.
17. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 1-16, в котором средства для подачи воздушной струи расположены таким образом, чтобы воздушная струя была направлена между соплом и электродом;
нановолокно, сформованное из прядильного раствора, перемещается от сопла к электроду; и
с помощью потока воздуха, выпускаемого под давлением, из средств для подачи воздушной струи, изменяют направление перемещения нановолокна таким образом, чтобы нести нановолокно к собирающим средствам с одновременной вытяжкой нановолокна.
18. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 1-15, в котором электрод имеет вогнутую сферическую форму.
19. Устройство для изготовления нановолокна по п. 18, в котором вогнутая, изогнутая поверхность электрода является изогнутой поверхностью, не содержащей плоскую часть; вогнутая, кажущаяся изогнутой поверхность, сформована посредством соединения множества сегментов, где каждый содержит плоскую поверхность; или вогнутая, кажущаяся изогнутой поверхность, сформована посредством соединения множества кольцевых сегментов, где каждый содержит лентообразную часть без искривления по одной из трех перпендикулярных осей.
20. Устройство для изготовления нановолокна по п. 18 или 19, в котором вогнутая, изогнутая поверхность электрода имеет такую кривизну, что нормаль, проведенная в любом месте вогнутой, изогнутой поверхности, проходит через конец или вблизи конца сопла.
21. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 18-20, в котором сопло предпочтительно расположено таким образом, чтобы направление, в котором проходит сопло, проходило через центр или вблизи центра круга, определенного открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности электрода, а также проходило через центр или вблизи центра отверстия, сформованного внизу вогнутой, изогнутой поверхности, и особенно предпочтительно было расположено таким образом, чтобы направление, в котором проходит сопло, было перпендикулярно к плоскости, содержащей круг, определенный открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности.
22. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 18-21, в котором сопло предпочтительно расположено таким образом, чтобы конец сопла был расположен в плоскости, содержащей круг, определенный открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности электрода.
23. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 18-22, в котором средства для подачи воздушной струи обеспечены вдоль направления, в котором проходит сопло, и выполнены с возможностью подачи воздуха к концу сопла; и
множество средств для подачи воздушной струи расположено таким образом, чтобы ими было окружено сопло, если рассматривать их со стороны открытого конца электрода; и
средства для подачи воздушной струи расположены симметрично около сопла.
24. Устройство для изготовления нановолокна по п. 22, в котором конец сопла расположен на расстоянии от 1 мм до 10 мм внутри плоскости.
25. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 1-15, в котором электрод имеет цилиндрическую форму.
26. Устройство для изготовления нановолокна по п. 25, в котором электрод содержит, в общем, цилиндрическую внутреннюю поверхность; где
конец сопла расположен в центре или вблизи центра поперечного сечения электрода, проведенного перпендикулярно к осевому направлению электрода, и расположен относительно положения в осевом направлении электрода, внутри полого столбчатого пространства, определенного цилиндрической внутренней поверхностью.
27. Устройство для изготовления нановолокна по п. 25 или 26, в котором круг или эллипс поперечного сечения электрода, проведенный перпендикулярно к осевому направлению электрода, имеет эксцентриситет, составляющий от 0,0 до менее 0,6, и предпочтительно является точно кругом, имеющим эксцентриситет равный 0.
28. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 25-27, в котором радиус электрода предпочтительно составляет от 20 мм до 100 мм, более предпочтительно - от 30 мм до 50 мм, где радиус определен расстоянием между соплом и электродом в поперечном сечении электрода, перпендикулярном к осевому направлению электрода.
29. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 25-28, в котором длина в осевом направлении цилиндрического электрода составляет от 20 мм до 150 мм, предпочтительно - от 30 мм до 80 мм.
30. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из п.п. 25-29, в котором электрод содержит, в общем, цилиндрическую внутреннюю поверхность; где
конец сопла расположен в плоскости, содержащей круг, определенный открытым краем цилиндрической, внутренней поверхности, а конец сопла расположен на расстоянии в пределах 10 мм от центра круга, определенного открытым краем.
31. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 25-30, в котором конец сопла расположен относительно положения в осевом направлении цилиндрического электрода, в столбчатом пространстве цилиндра, и расположен между передним концом, со стороны электрода, с которой прядильный раствор выпускают наружу; и центром оси цилиндра в продольном направлении.
32. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из п.п. 25-31, в котором средства для подачи воздушной струи обеспечены вдоль направления, в котором проходит сопло; и они выполнены с возможностью подачи воздуха к концу сопла;
множество средств для подачи воздушной струи расположено таким образом, чтобы они окружали сопло, если смотреть вдоль осевого направления электрода; и
множество средств для подачи воздушной струи расположено симметрично около сопла.
33. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 25-32, в котором электрод покрыт диэлектриком по всей площади электрода.
34. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 25-33, в котором диэлектрик предпочтительно имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более, более предпочтительно - 2 мм или более, даже более предпочтительно - 8 мм или более, предпочтительно - 25 мм или менее, более предпочтительно - 20 мм или менее, даже более предпочтительно - 15 мм или менее, предпочтительно -от 0,8 мм до 25 мм, более предпочтительно - от 2 мм до 20 мм, и даже более предпочтительно -от 8 мм до 15 мм.
35. Устройство для изготовления нановолокна по любому одному из пп. 25-34, в котором конец сопла расположен на расстоянии от 1 мм до 10 мм внутри плоскости, определенной открытым краем цилиндрической формы вогнутой, изогнутой поверхности электрода.
36. Устройство по любому одному из пп. 1-35, в котором диэлектрик является, по меньшей мере, одним материалом, выбранным из: окиси алюминия, бакелита, нейлонов и винилхлоридных смол.
37. Устройство по любому одному из пп. 1-36, где диэлектрик является нейлоном.
38. Устройство по любому одному из пп. 1-37, в котором расстояние между концом сопла и электродом предпочтительно составляет 20 мм или более, более предпочтительно - 30 мм или более, предпочтительно - 100 мм или менее, более предпочтительно - 50 мм или менее, например, предпочтительно - от 20 мм до 100 мм, а более предпочтительно - от 30 мм до 50 мм.
39. Устройство по любому одному из п.п. 1-38, в котором скорость воздушной струи предпочтительно составляет 200 м/с или более, более предпочтительно - 250 м/с или более, предпочтительно - 600 м/с или менее, более предпочтительно - 530 м/с или менее, предпочтительно - от 200 м/с до 600 м/с, а более предпочтительно - от 250 м/с до 530 м/с.
40. Устройство по любому одному из пп. 3, 4 и 6, в котором выступающая часть покрытия, которая выступает за конец сопла, является полым цилиндром, окружающим сопло, где полость выступающей части соединена с полым соплом.
41. Устройство по любому одному из пп. 3, 4 и 6, в котором выступающая часть покрытия сопла имеет длину, составляющую 1 мм или более, более предпочтительно - 10 мм или более, предпочтительно - 15 мм или менее, более предпочтительно - 12 мм или менее, предпочтительно - от 1 мм до 15 мм, а более предпочтительно - от 10 мм до 12 мм.
42. Устройство по любому одному из пп. 1-41, в котором сопло предпочтительно имеет наружный диаметр, составляющий 300 мкм или более, более предпочтительно - 400 мкм или более, предпочтительно - 4000 мкм или менее, более предпочтительно - 3000 мкм или менее, например, предпочтительно - от 300 мкм до 4000 мкм, более предпочтительно - от 400 мкм до 3000 мкм.
43. Устройство по любому одному из пп. 1-42, в котором сопло предпочтительно имеет длину, составляющую 50 мм или менее, более предпочтительно - 10 мм или менее, даже более предпочтительно - 5 мм или менее.
44. Устройство по любому одному из пп. 1-43, в котором электрод или сопло покрыты покрытием почти по всей их площади (90% или более всей их площади), предпочтительно - по всей их площади (100% всей их площади).
45. Устройство по любому одному из пп. 1-44, в котором покрытие, содержащее диэлектрик, раскрытый с наружной стороны покрытия, занимает почти всю площадь поверхности покрытия (по меньшей мере, 90% всей площади поверхности), изготовленного только из диэлектрика, предпочтительно занимает всю площадь (100% площади) поверхности покрытия, изготовленного только из диэлектрика.
46. Устройство по любому одному из пп. 1-45, в котором прядильный раствор является раствором полимера для формования волокна, растворенного или диспергированного в растворителе, или является расплавом такого полимера, приготовленным посредством нагревания полимера.
47. Устройство по любому одному из пп. 1-46, в котором электрод и покрытие соединены вместе с использованием крепежных средств, изготовленных из диэлектрика.
48. Устройство по п. 47, в котором крепежные средства изготовлены из диэлектрика.
49. Устройство по п. 47 или 48, в котором крепежным средством является: адгезив, восприимчивый к давлению; винт, изготовленный из диэлектрика; или винт, изготовленный из дерева.
50. Устройство по п. 49, в котором крепежное средство является винтом, а покрытие содержит отверстие под винт, и отверстие под винт обеспечено раззенкованной частью.
51. Устройство по любому одному из пп. 1-50, в котором средства для подачи воздушной струи изготовлены из диэлектрика.
52. Устройство по любому одному из пп. 1-51, в котором средства для подачи воздушной струи содержат множество отверстий, из которых выпускают воздух под давлением, где отверстие представляет собой щелеобразное пространство или, в общем, колоннообразное пространство; и
средства для подачи воздушной струи расположены таким образом, чтобы отверстия были обращены к пространству, находящемуся между электродом и соплом.
53. Устройство по любому одному из пп. 1-52, в котором средства для подачи воздушной струи содержат коллекторную структуру.
54. Устройство по любому одному из пп. 1-53, в котором отверстия расположены в желаемом порядке без ограничений.
55. Устройство по любому одному из пп. 1-54, в котором каждое отверстие, в общем, представляет собой колоннообразное пространство, и отверстия расположены в шахматном порядке в три ряда таким образом, чтобы воздушный поток проходил без образования зазоров между струями воздуха.
56. Устройство по любому одному из пп. 1-55, в котором электрод имеет вогнутую, сферическую форму, а отверстия средств для подачи воздушной струи расположены по кругу концентрично соплу, если смотреть спереди на открытый край электрода.
57. Устройство по любому одному из пп. 1-56, в котором отверстие, сформированное в средствах для подачи воздушной струи, может иметь форму круга, эллипса, треугольника, четырехугольника или многоугольника.
58. Устройство по любому одному из пп. 1-57, в котором отверстие, сформированное в средствах для подачи воздушной струи, имеет круглую форму предпочтительно с диаметром от 0,1 мм до 1,5 мм, более предпочтительно - от 0,3 мм до 1,2 мм.
59. Устройство по любому одному из пп. 1-58, в котором отверстия, сформированные в средствах для подачи воздушной струи, расположены в шахматном порядке предпочтительно с шагом от 3 мм до 15 мм, более предпочтительно - от 5 мм до 12 мм.
60. Устройство по любому одному из пп. 1-59, в котором отверстия, сформированные в средствах для подачи воздушной струи, расположены по кругу, концентричному соплу, где центральный угол между смежными отверстиями предпочтительно находится в диапазоне от 5° до 60°, более предпочтительно - от 8° до 30°.
61. Устройство по любому одному из пп. 1-60, в котором отверстия, сформированные в средствах для подачи воздушной струи, расположены по кругу, концентричному соплу, предпочтительно имеющему радиус делительной окружности, составляющий от 6 мм до 15 мм, более предпочтительно - от 7,5 мм до 12,5 мм.
62. Способ изготовления нановолокна, включающий использование устройства по любому одному из п.п. 1-61.
63. Структура из нановолокона, содержащая нановолокно, изготовленное посредством использования устройства по любому одному из п.п. 1-61.
Примеры
Изобретение ниже представлено более подробно со ссылками на Примеры, но следует понимать, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, приведенными в примерах. Следует также понимать, что все количественные показатели (процентные доли и части) указаны по массе, если четко не сказано иное.
Примеры 1-3
2
Способность устройства 10, показанного на фиг. 1, к заряжению прядильного раствора оценивали следующим образом. В качестве модели прядильного раствора использовали воду, величину заряда которой измеряли. Способ измерения описан ниже. Так как из воды не образуется волокно, заряженную воду можно легко собирать и подвергать измерению ее величины заряда посредством использования способа, описанного ниже. Расход выпускаемой под давлением воды из сопла 13 составлял 1 г/мин. Внутренний диаметр сопла 13 составлял 2 мм, а его длина - 50 мм. Площадь плоской поверхности электрода 14 (его стороны, обращенной к соплу 13) составляла 81 см (9×9 см) и была полностью покрыта покрытием 17 из диэлектрика, выбранного из нейлона (нейлона марки MONOMER CAST MCA-90-90-10, доступного для приобретения у компании Misumi Corp.), бакелита (марки BLA-90-90-10, доступного для приобретения у компании Misumi Corp.) и окиси алюминия (марки CEMN-90-90-10, доступной для приобретения у компании Misumi Corp.). Все диэлектрики имели толщину 10 мм. Расстояние (кратчайшее расстояние) между соплом 13 и электродом 14 составляло 50 мм.
Между электродом 14 и соплом 13 прикладывали напряжение постоянного тока (-20 кВ, -30 кВ или -40 кВ), и ток, протекавший между электродом 14 и соплом 13 (ток утечки), измеряли, в то же время наблюдая за тем, происходит ли разряд. Ток утечки измеряли, используя амперметр, встроенный в источник тока высокого напряжения (марки HAR-60R1-LF, доступный для приобретения у компании Matsusada Precision Inc.), который использовали в качестве средства для создания напряжения. В этом испытании прядильный раствор не выпускали под давлением, чтобы исключить влияние прядильного раствора на ток утечки. Полученные результаты представлены в Таблице 1, приведенной ниже.
Сравнительный пример 1
Сравнительный пример 1 представляет собой пример, в котором электрод 14, который использовали в Примере 1, не был покрыт покрытием 17. Испытания по заряжению проводили таким же способом, как и в Примере 1. Полученные результаты представлены в Таблице 1.
Сравнительные примеры 2-4
Сравнительные примеры 2-4 представляют собой примеры, в которых покрытие, содержащее металлический токопроводящий слой, раскрытый со стороны наружной поверхности, использовано в качестве покрытия 17. Диэлектрик, использованный в каждом из Примеров 1- 3, был дополнительно покрыт алюминиевой лентой (SLIONTEC) толщиной 0,2 мм. Примеры, соответствующие этим сравнительным примерам, приведены в Патентном документе 2. Испытания по заряжению проводили таким же способом, как и в Примере 1. Полученные результаты представлены в Таблице 1.
<b>Таблица 1</b>
Диэлектрик
Проводящий слой на поверхности диэлектрика
Ток утечки (мкА)
Величина заряда (нКл/г)
-20 кВ
-30 кВ
-40 кВ
-5 кВ
Пример 1
Нейлон (MONOMER CAST)
Нет
0
5
13
20,5
Пример 2
Бакелит
Нет
3
8
16
21,0
Пример 3
Окись алюминия
Нет
5
15
34
21,3
Сравнительный пример 1
Отсутствует
Нет
27
Разряд
Разряд
16,2
Сравнительный Пример 2
Нейлон (MONOMER CAST)
Есть
2
Разряд
Разряд
19,7
Сравнительный пример 3
Бакелит
Есть
4
11
Разряд
19,8
Сравнительный пример 4
Окись алюминия
Есть
14
38
Разряд
20,1
Очевидно из сравнения данных, полученных при выполнении Примеров 1-3 и Сравнительного примера 1, представленных в Таблице 1, что в Примерах 1-3 в устройстве имеет место небольшой ток утечки, даже при высоком приложенном напряжении, чем подтверждается то, что количество электронов, вылетавших из электрода 14 к соплу 13, было уменьшено. В Сравнительном примере 1 ток утечки заметно увеличивался с увеличением приложенного напряжения, и происходил разряд при приложении напряжения, составлявшего -30 кВ или -40 кВ. Величина заряда воды, которую использовали в качестве модели прядильного раствора, значительно увеличивалась в Примерах в сравнении со Сравнительным примером 1.
Как очевидно из сравнения данных, полученных при выполнении Примеров 1-3 и Сравнительных примеров 2-4, что, при использовании покрытия, содержавшего металлический токопроводящий слой, раскрытый со стороны его наружной поверхности, (см. Сравнительные примеры 2-4), ток утечки заметно увеличивался при приложении напряжения, и происходил разряд при приложении напряжения в -40 кВ. В Сравнительных примерах 2-4 величина заряда воды, которую использовали в качестве модели прядильного раствора, была меньше, чем в Примерах.
Пример 4
Величину заряда заряженной воды и ток утечки измеряли таким же образом, как и в Примерах 1-3, за исключением случая, когда использовали устройство 18, показанный на фиг. 3 и 4.
Вогнутая, изогнутая поверхность R электрода 19 была полусферической с радиусом 45 мм, а конец 20a сопла 20 был расположен в центре полусферы. Конец 20a был расположен в плоскости, содержавшей круг, определенный открытым краем вогнутой, изогнутой поверхности R. Направление, в котором проходило сопло, совпадало с осью симметрии полусферы. Вся площадь вогнутой, изогнутой поверхности R и часть фланца 19a электрода 19 были покрыты покрытием 207 толщиной 10 мм, изготовленным из диэлектрика [из нейлона марки MONOMER CAST, MC901, в виде отрезанной пластины (голубого цвета), доступного для приобретения у компании Hakudo Corp.]. Другие условия измерения были теми же самыми, как и в Примерах 1-3. Полученные результаты представлены в Таблице 2, приведенной ниже.
<b>Таблица 2</b>
Ди-электрик
Проводящий слой на поверхности диэлектрика
Ток утечки (мкА)
Величина заряда (нКл/г)
-20 кВ
-30 кВ
-40 кВ
-5 кВ
Пример 1
Нейлон (MONOMER CAST)
Нет
0
4
Разряд
101
Как показано в Таблице 2, хотя разряд происходил при напряжении -40 кВ, ток утечки был значительно ниже в Сравнительных примерах 1-4, чем подтверждается то, что разряд был управляемым. Так как электрод 19 имел вогнутую, сферическую форму, то величина заряда воды была заметно более высокой, чем в Сравнительных примерах 1-4, в которых использовали пластинообразный электрод 14.
Пример 5
Измеряли ток утечки в устройстве 10, показанном на фиг. 1, в котором покрытие 17 было выполнено в виде настила из множества полипропиленовых листов толщиной 0,2 мм.
Структура устройства 10 была такой же, которую использовали в Примерах 1-3, за исключением того, что в качестве покрытия 17 использовали полипропиленовые листы. Покрытие 17, которое использовали в Примере 5, представляло собой настил из четырех полипропиленовых листов толщиной 0,2 мм или настил из пяти полипропиленовых листов толщиной 0,2 мм. Уложенные листы находились в тесном контакте друг с другом. Так как покрытие 17, которое использовали в данном случае, изготавливали из одного вида диэлектрика (полипропилена), то общая толщина уложенных листов соответствовала толщине диэлектрика, раскрытого с его наружной поверхности, которая была равна толщине покрытия 17. Соответственно, толщина покрытия 17, состоявшего из четырех листов, составляла 0,8 мм, а толщина покрытия 17, состоявшего из пяти листов, составляла 1,0 мм.
Вся площадь плоской поверхности электрода 14 (стороны, обращенной к соплу 13) была покрыта настилом из полипропиленовых листов, и напряжение постоянного тока величиной -40 кВ создавали между электродом 14 и соплом 13. Измеряли ток утечки, протекавший между электродом 14 и соплом 13, в то же время, наблюдая за тем, происходит ли разряд, таким же образом, как в Примерах 1-3. Полученные результаты представлены в Таблице 3, приведенной ниже.
Сравнительный пример 5
Проводили такие же испытания, как и в Примере 5, за исключением того, что изменяли количество укладываемых стопой полипропиленовых листов, составлявшее 0, 1, 2 и 3. Соответственно, толщина покрытия 17 (толщина диэлектрика, раскрытого с наружной стороны покрытия) составляла 0,0 мм, 0,2 мм, 0,4 мм и 0,6 мм. Полученные результаты представлены в Таблице 3.
<b>Таблица 3</b>
Толщина полипропиленового покрытия (мм)
Ток утечки (мкА)при -40 кВ
Сравнительный пример 5
0,0
Разряд
0,2
180
0,4
174
0,6
142
Пример 5
0,8
115
1,0
121
Пример 6
Устройство 10, показанный на фиг. 1, в котором в качестве покрытия 17 использовали бакелитовое покрытие толщиной 2 мм, 5 мм, 8 мм и 10 мм, которое испытывали для измерения тока утечки и величины заряда заряженной воды.
Структура устройства 10, который использовали в данном случае, была такой же, как и в Примерах 1-3, за исключением того, что в качестве покрытия 17 использовали бакелитовый лист с переменной толщиной. Так как покрытие 17 изготавливали из одного вида диэлектрика (бакелита), то толщина диэлектрика, раскрытого с наружной его поверхности, была равна толщине диэлектрика (бакелита), т.е. толщине покрытия 17.
Вся площадь плоской поверхности электрода 14 (стороны, обращенной к соплу 13) была покрыта бакелитовым покрытием, и напряжение постоянного тока величиной -40 кВ создавали между электродом 14 и соплом 13. Измеряли ток утечки, протекавший между электродом 14 и соплом 13, в то же время, наблюдая за тем, происходит ли разряд, таким же образом, как в Примерах 1-3. Кроме того, величину заряда воды, которую использовали в качестве модели прядильного раствора, измеряли таким же способом, как и в Примерах 1-3. Полученные результаты представлены в Таблице 4, приведенной ниже.
<b>Таблица 4</b>
Толщина бакелитового покрытия (мм)
Ток утечки (мкА) при-40 кВ
Величина заряда (нКл/г) при -5 кВ
Пример 6
2
80
16,0
5
45
15,9
8
35
19,4
10
16
21,0
Токи утечки в Примерах 5 и 6, Сравнительном примере 5 и в Примере 6 соотносили с толщиной покрытия 17 (полипропилена или бакелита), базируясь на результатах испытаний, приведенных в Таблицах 3 и 4, и составляли диаграмму, представленную на фиг. 19. При рассмотрении фиг. 19 видно, что ток утечки сильно уменьшается с увеличением толщины покрытия 17 с 0,0 мм до 0,8 мм. Этим подтверждается то, что эмиссия электронов из электрода 14 эффективно уменьшается при толщине покрытия 17, которым был покрыт электрод 14, составлявшей 0,8 мм или более. Если толщину покрытия дополнительно увеличивали с 0,8 мм до 2,0 мм, то ток утечки дополнительно уменьшался таким образом, что возможность пробивания разряда между электродом 14 и соплом 13 уменьшалась, и потребление мощности из-за тока утечки при производстве нановолокна сдерживалось. При рассмотрении Таблицы 4 можно увидеть, что если толщина покрытия 17 составляла 8 мм или более, то величина заряда воды, измеренная при -5 кВ, заметно увеличивалась, определяя более заметный эффект изобретения. Это рассматривается как фактор, происходящий, во-первых, благодаря, увеличению толщины диэлектрика покрытия, что ведет к увеличению электростатической емкости между соплом и электродом, и, во-вторых, перелет электронов уменьшается благодаря большому снижению тока утечки, таким образом, приводящему в результате к увеличению величины заряда. Такой заметный эффект никогда не получался посредством использования технических средств, описанных в Патентном документе 3 (JP 2010-59557A), согласно которому электрод содержит тонкое диэлектрическое покрытие.
Пример 7
Измерения тока утечки производили, используя устройство 10, показанный на фиг. 1, в котором электрод 14 был покрыт не покрытием 17, а вместо этого вся площадь наружной стороны сопла 13 была покрыта покрытием 107.
Покрытие 107 из поливинилхлоридного листа толщиной 2 мм было наложено не только для покрытия всей наружной сторон сопла 13, но также так, чтобы оно выступало на расстояние, составлявшее 10 мм и 1 мм, от конца сопла 13. Электрод 14 не был покрыт покрытием 17. Измерение тока утечки и наблюдение за разрядом производили таким же образом, как и в Примерах 1-3. Полученные результаты представлены в Таблице 5.
Сравнительный пример 6
Использовали устройство, которое было таким же, как и в Примере 7, за исключением того, что покрытием 107 была покрыта только вся наружная сторона или только часть наружной стороны сопла 13 без выступающей части от конца сопла 13; проводили испытания по измерению тока утечки.
Покрытие 107 из поливинилхлоридного листа толщиной 2 мм было наложено в качестве покрытия на часть наружной стороны сопла 13, имевшую длину 50 мм, которое выступало на 50 мм, 49 мм и 25 мм от корня (заднего конца) сопла. Части, покрытые покрытием, описаны как 0 мм, -1 мм и -25 мм, относительно протяженности от конца сопла, для удобства. Например, длина выступающей части, составляющей -25 мм, означала, что часть сопла, выступавшая на 25 мм от конца сопла 13, была раскрытой и не была снабжена покрытием. Измерение тока утечки и наблюдение за разрядом производили таким же образом, как и в Примере 7. Полученные результаты представлены в Таблице 5.
<b>Таблица 5</b>
Длина выступающей части (мм)
Ток утечки (мкА)
-20 кВ
-30 кВ
-40 кВ
Пример 7
10
0
0
Разряд
1
3
Разряд
Разряд
Сравнительный пример 6
0
7
Разряд
Разряд
-1
7
Разряд
Разряд
-25
7
Разряд
Разряд
Как показано в Таблице 5, при приложении напряжения в -40 кВ разряд происходил в каждом испытании. При приложении напряжения в -20 кВ ток утечки в Примере 7, в котором длина выступающей части составляла 1 мм (или более), был значительно меньше, чем в Сравнительном примере 6, в котором не была обеспечена выступающая часть покрытия. Если, в частности, длина выступающей части составляла 10 мм (или более), то ток утечки был равен нолю, и возможность пробивания разряда предотвращалась, даже при приложении напряжения в -30 кВ. Таким образом, наблюдали, что разряд между электродом 14 и соплом 13 был предотвращен, и потребление мощности при производстве нановолокна из-за тока утечки уменьшалось не только благодаря покрытию наружной стороны сопла покрытием, содержавшим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, но также благодаря обеспечению выступающей части покрытия за конец сопла.
Пример 8
Производили испытания по измерению тока утечки, используя устройство 10, показанный на фиг. 1, в котором не только электрод 14 был покрыт покрытием 17, но также вся площадь наружной стороны сопла 13 была покрыта покрытием 107. Покрытие из поливинилхлоридного листа толщиной 2 мм использовали в качестве покрытия 107. Покрытием 107 была покрыта не только вся площадь наружной поверхности сопла 13, но оно также выступало за конец сопла 13 на величину, составлявшую 1 мм. Структура устройства была в остальном такой же, как в Примере 1. Измерение тока утечки и наблюдение за разрядом производили таким же образом, как и в Примерах 1-3. Покрытие 17 на электроде 14 изготавливали из листа нейлона марки MONOMER CAST толщиной 10 мм. Полученные результаты представлены в Таблице 6.
Сравнительный пример 7
Производили испытания по измерению тока утечки, используя устройство, который использовали в Примере 8, где покрытие 107 было наложено на всю площадь или на часть наружной стороны сопла 13, но без части, выступавшей за конец сопла.
Покрытие из поливинилхлоридного листа толщиной 2 мм использовали в качестве покрытия 107 для покрытия части наружной стороны сопла 13, имевшего длину 50 мм, которое выступало на 50 мм и 25 мм от корня (заднего конца) сопла. Части, покрытые покрытием, описаны как 0 мм, и -25 мм, относительно длины протяженности от конца сопла, для удобства. Например, длина выступающей части, составлявшей -25 мм, означала, что часть сопла, выступавшая на 25 мм от конца сопла 13, была раскрытой и не была снабжена покрытием. Измерение тока утечки и наблюдение за разрядом производили таким же образом, как и в Примере 8. Полученные результаты представлены в Таблице 6.
<b>Таблица 6</b>
Длина выступающей части (мм)
Ток утечки (мкА)
-20 кВ
-30 кВ
-40 кВ
Пример 8
10
0
0
1
9
0
1
6
8
0
2
6
7
0
2
6
6
0
2
6
5
0
2
7
4
0
2
7
3
0
2
8
2
0
3
8
1
0
3
10
Сравнительный пример 7
0
1
6
14
-25
1
6
14
Как показано в Таблице 6, ток утечки в Примере 8, где длина выступающей части составляла 1 мм или более, был значительно меньше, чем в Сравнительном примере 7 (в котором не было выступающей части) при каждом значении приложенного напряжения (от -20 кВ до -40 кВ). При длине выступающей части, составлявшей 10 мм (и более), уменьшение тока утечки было заметным. Так как наружная сторона сопла 13 и электрод 14 были покрыты покрытием, содержавшим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, то ток утечки дополнительно сдерживался таким образом, что разряд не происходил. Согласно изобретению, нейтрализация прядильного раствора посредством электронов, вылетавших из электрода, а именно: уменьшение величины заряда, сокращалось; предотвращалось появление разряда между электродом 14 и соплом 13; сдерживалась потребляемая мощность из-за тока утечки при производстве нановолокна.
В описанных выше Примерах и Сравнительных примерах величину заряда воды измеряли, используя системы измерения, показанные на фиг. 20, и выполняя следующие процедуры. Систему, представленную на фиг. 20(a), использовали для испытания устройства 10 в Примерах 1-3 и 6 и в Сравнительных Примерах 1-4, а систему, представленную на фиг. 20(b), использовали для испытания устройства 18 в Примере 4.
Устройство 10 поворачивали на 90° и располагали таким образом, чтобы сопло 13 проходило горизонтально, как показано на фиг. 20(a). Устройство 18 располагали таким образом, чтобы сопло 20 проходило вертикально вниз, как показано на фиг. 20(b). Напряжение постоянного тока в -5 кВ прикладывали между соплом и электродом, используя источник тока высокого напряжения (HAR-60R1-LF, доступный для приобретения у компании Matsusada Precision Inc.), и воду выпускали под давлением из сопла с расходом 1 г/мин. В этом состоянии заряженная вода капала вниз под действием силы тяжести, и ее собирали в металлический контейнер, расположенный в камере Фарадея (модель NQ-1400, доступная для приобретения у компании Kasuga Electric Works, Ltd.). Величину заряда воды, собранной за заданный период времени (за несколько минут), измеряли с использованием кулонометра (модель NK-1001, 1002, доступная для приобретения у компании Kasuga Electric Works, Ltd.). В то же время измеряли массу собранной воды, используя аналитические весы. Величину заряда единицы массы воды (нКл/г) вычисляли, используя полученные в результате измерений величины. Все испытания производили при приложенном напряжении -5 кВ, так как, если напряжение, создаваемое между соплом и электродом, было ниже -5 кВ (если абсолютная величина прикладываемого напряжения была выше 5 кВ), то заряженная вода иногда распылялась, и ее невозможно было собрать в металлический контейнер.
Пример 9
2
Нановолокно изготавливали, используя устройство 510, показанное на фиг. 8, и 15%-ный водный раствор пуллулана в качестве прядильного раствора. Прядильный раствор выпускали под давлением из сопла 13 с расходом 1 г/мин. Сопло 13 имело внутренний диаметр 2 мм и длину 50 мм. Плоская поверхность (сторона, обращенная к соплу 13) электрода 14 имела площадь 81 см (9×9 см) и была полностью покрыта покрытием 17, изготовленным из бакелита и имевшим толщину 10 мм. Воздух выпускали под давлением из средств 15A для подачи воздушной струи с расходом 100 л/мин. Отверстия 151A, сформированные с передней стороны средств 15A для подачи воздушной струи, были расположены в шахматном порядке, где три ряда отверстий 151A, расположенных в горизонтальном направлении H, было расположено в вертикальном направлении V. Шаг между отверстиями 151A составлял 10 мм в обоих направлениях: горизонтальном направлении H и вертикальном направлении V. Каждое отверстие 151A представляло собой столбчатое пространство диаметром 1 мм. Расстояние (кратчайшее расстояние) между концом сопла 13 и электродом 14 составляло 40 мм. Между соплом 13 и электродом 14 создавали напряжение в -30 кВ. На фиг. 21(a) показан микроснимок полученного в результате нановолокна, выполненный на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ).
Сравнительный Пример 8
Нановолокно изготавливали с использованием устройства 10, показанного на фиг. 1, в котором электрод 14 был заменен сферическим электродом (электрод содержал выпуклую, сферическую поверхность), которая не была покрыта покрытием 17. Сферический электрод имел диаметр 25 мм и был расположен таким образом, чтобы его центр находился над концом сопла 13 в вертикальном направлении. Расстояние (кратчайшее расстояние) между концом сопла 13 и сферическим электродом составляло 75 мм. Устройство в остальном имел такую же структуру, как и устройство, который использовали в Примере 9. Электропрядение осуществляли при тех же условиях, что и в Примере 9. Микроснимок полученного в результате нановолокна, выполненный на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), показан на фиг. 21(b).
Как показано на фиг. 21, средний диаметр нановолокна, полученного в Примере 9 (см. фиг. 21(a)), составлял около 200 нм, в то же время нановолокно, полученное в Сравнительном примере 8 (см. фиг. 21(b)), имело средний диаметр около 500 нм. Кроме того, нановолокно, полученное в Примере 9, обладало хорошим качеством, меньшим количеством дефектов (содержало меньшее количество затвердевших капель прядильного раствора), чем нановолокно в Сравнительном примере 8. Так как в Примере 9 и Сравнительном примере 8 был одинаковый расход выпускавшегося под давлением прядильного раствора из сопла 13, то был сделан вывод, заключавшийся в том, что при использовании устройства в Примере 9 можно было изготавливать нановолокно, которое приблизительно в 6,25 раза длиннее нановолокна, изготавливаемого в единицу времени на устройстве в Сравнительном примере 8, чем подтверждается то, что производительность может быть увеличена посредством использования устройства согласно изобретению. С другой стороны, считая, что толщина нановолокна, в общем, увеличивается с увеличением расхода выпускаемого под давлением прядильного раствора из сопла, можно сделать вывод о том, что при использовании устройства согласно изобретению, можно изготавливать нановолокно диаметром 500 нм при расходе прядильного раствора, выпускаемого под давлением, превышающем 1 г/мин (даже если больше одного грамма прядильного раствора подают к соплу 13 в единицу времени). Этим также подтверждается возможность повышения производительности, достигаемой при использовании устройства согласно изобретению.
Пример 10
Нановолокно изготавливали с использованием устройства 18, показанного на фиг. 3 и 4, и 25%-ный водный раствор пуллулана в качестве прядильного раствора. Прядильный раствор выпускали под давлением из сопла 20 с расходом 1 г/мин. Воздух выпускали под давлением из средств 23 для подачи воздушной струи с расходом 200 л/мин. Напряжение величиной -30 кВ создавали между соплом 20 и электродом 19. Электропрядение осуществляли с использованием устройства, имевшего в остальном такую же структуру, как и в Примере 4. Микроснимок полученного в результате нановолокна, выполненный на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), показан на фиг. 22.
В Примере 10, несмотря на использование водного раствора пуллулана высокой вязкости (7372,8 мПа·с), обладавшего концентрацией, увеличенной до 25%, полученное в результате нановолокно обладало хорошим качеством при среднем диаметре около 856 нм и содержало меньшее количество дефектов (содержало меньшее количество затвердевших капель прядильного раствора). Считалось, что это происходит благодаря тому, что устройство согласно изобретению пригоден для придания повышенной величины заряда прядильному раствору. Заряженный таким образом прядильный раствор притягивается к электроду 19 (отрицательный полюс) с большей силой, что обеспечивает возможность прядения из раствора высокой вязкости (высокой концентрации прядильного раствор). Для использования прядильного раствора высокой концентрации требуется увеличенное содержание твердого вещества в прядильном растворе, что также вносит вклад в повышение производительности устройства согласно изобретению.
Примеры 11-13
Способность устройства 701 для электропрядения, показанного на фиг. 13 и 14, к заряжению прядильного раствора оценивали следующим образом. В качестве модели прядильного раствора использовали воду, величину заряда которой измеряли. Способ измерения описан ниже. Так как из воды не образуется волокно, заряженную воду можно легко собирать и подвергать измерению ее величины заряда посредством использования способа, описанного ниже. Расход выпускавшейся под давлением воды из сопла 720 составлял 1 г/мин. Внутренний диаметр сопла 720 составлял 2000 мкм, а длина сопла составляла 50 мм. Электрод 710 имел цилиндрическую форму и длину 50 мм; внутренний диаметр составлял 45 мм, а толщина - 3 мм (изготовлен из конструкционной углеродистой стали марки S45C). Сопло 720 было расположено таким образом, чтобы его конец 720a находился в плоскости, содержавшей круг, определенный открытым краем цилиндрической, вогнутой, изогнутой поверхности 711. Направление, в котором проходило сопло, совпадало с осью цилиндра. В Примере 11 вся площадь вогнутой, изогнутой поверхности 711 электрода 710 была покрыта диэлектриком 730 толщиной 10 мм [из нейлона марки MONOMER CAST, MC901, в виде отрезанной пластины (голубого цвета), доступного для приобретения у компании Hakudo Corp.], как показано на фиг. 13 и 14. В Примере 12 поверхность открытого края (со стороны, с которой выпускают прядильный раствор под давлением) электрода 710 был также покрыт диэлектриком. В Примере 13 вся площадь наружной периферической поверхности электрода 710 была также покрыта диэлектриком, в дополнение к покрытию поверхности открытого края электрода 710 аналогично Примеру 12. В каждом из Примеров 11-13 к электроду 710 прикладывали напряжение постоянного тока, составлявшее -5 кВ. Сопло 720 было заземлено.
Сравнительные примеры 9 и 10
В Сравнительном примере 9 величину заряда воды измеряли, используя устройство 701 для электропрядения, показанное на фиг. 13, в котором диэлектрик 730, которым был покрыт электрод 710, был расположен на отдалении в 15 мм от внутренней поверхности электрода 710. Диэлектрик 730 был выполнен в виде цилиндра с внутренним диаметром 30 мм. В Сравнительном примере 10 величину заряда воды измеряли, используя электрод 710, который не был покрыт диэлектриком 730. Остальные условия измерения были такими же, как в Примерах 11-13. Полученные результаты представлены в Таблице 7.
<b>Таблица 7</b>
Диэлектрическое покрытие на электроде
Величина заряда (нКл/г)
-5 кВ
Пример 11
На внутренней поверхности
60,5
Пример 12
На внутренней поверхности + на краевой поверхности
114,4
Пример 13
На внутренней поверхности + на краевой поверхности + на наружной поверхности
114,2
Сравнительный пример 9
Не обеспечено
31,8
Сравнительный пример 10
Не обеспечено
37,9
Как очевидно из сравнения данных, полученных при выполнении Примеров 11-13 и Сравнительных примеров 9 и 10, представленных в Таблице 7, величины зарядов воды, использовавшейся в качестве модели прядильного раствора в Примерах, были значительно более высокими, чем в Сравнительных примерах.
Кроме того, напряжение постоянного тока (-20 кВ, -30 кВ, и -40 кВ) создавали между электродом 710 и соплом 720 и измеряли ток, протекавший между электродом 710 и соплом 720 (ток утечки), в то же время наблюдая за тем, не происходит ли разряд. Ток утечки измеряли, используя амперметр, встроенный в источник тока высокого напряжения (модель HAR-60R1-LF, доступная для приобретения у компании Matsusada Precision Inc.), который использовали в качестве средства для создания напряжения. Прядильный раствор не выпускали под давлением, чтобы было исключено влияние прядильного раствора на ток утечки. Полученные результаты представлены в Таблице 8.
<b>Таблица 8</b>
Диэлектрическое покрытие
Ток утечки (мкА)
-20 кВ
-30 кВ
-40 кВ
Пример 11
На внутренней поверхности
6
Разряд
Разряд
Пример 12
На внутренней поверхности + на краевой поверхности
0
3
18
Пример 13
На внутренней поверхности + на краевой поверхности + на наружной поверхности
0
2
12
Сравнительный пример 9
Не обеспечено
11
Разряд
Разряд
Сравнительный пример 10
Не обеспечено
19
Разряд
Разряд
Как очевидно из сравнения данных, полученных при выполнении Примеров 11-13 и Сравнительных примеров 9 и 10, представленных в Таблице 8, ток утечки был низким даже при приложении высокого напряжения в Примерах, что указывает на то, что количество электронов, летевших от электрода 710 к соплу 720, было небольшим. В Сравнительных примерах 9 и 10, в которых электрод, с другой стороны, не содержал покрытия из диэлектрика, ток утечки при напряжении -20 кВ был более высоким, чем в Примере 11, и происходил разряд при напряжении -30 кВ и -40 кВ.
В описанных выше Примерах и Сравнительных примерах величину заряда воды измеряли, используя измерительную систему, показанную на фиг. 20(b), в соответствии со следующими процедурами. Система, представленная на фиг. 20(b), создана для испытания устройства 701, использовавшегося в Примерах 11-13 и Сравнительных Примерах 9 и 10.
Устройство 701 был расположен таким образом, чтобы сопло 720 проходило вертикально вниз, как показано на фиг. 20(b). Напряжение постоянного тока в -5 кВ прикладывали между соплом и электродом, используя источник тока высокого напряжения (HAR-60R1-LF, доступный для приобретения у компании Matsusada Precision Inc.), и воду выпускали под давлением из сопла с расходом 1 г/мин. В этом состоянии заряженная вода капала вниз под действием силы тяжести, и ее собирали в металлический контейнер, расположенный в камере Фарадея (модель NQ-1400, доступная для приобретения у компании Kasuga Electric Works, Ltd.). Величину заряда воды, собранной за заданный период времени (за несколько минут), измеряли с использованием кулонометра (модель NK-1001, 1002, доступная для приобретения у компании Kasuga Electric Works, Ltd.). В то же время измеряли массу собранной воды, используя аналитические весы. Величину заряда единицы массы воды (нКл/г) вычисляли, используя полученные в результате измерений величины. Все испытания производили при приложенном напряжении -5 кВ, так как, если напряжение, создаваемое между соплом и электродом, было ниже -5 кВ (если абсолютная величина прикладываемого напряжения была выше 5 кВ), то заряженная вода иногда распылялась, и ее невозможно было собрать в металлический контейнер.
Примеры 14-16
Величину заряда воды измеряли, используя устройство 701 для электропрядения, показанное на фиг. 13 и 14, в котором конец 720a сопла 720 был расположен внутри плоскости, определенной открытым краем электрода 710 относительно осевого направления электрода 710. Кроме того, то же испытание проводили, за исключением использования прядильного раствора вместо воды для определения степени загрязнения прядильным раствором электрода 710 и диэлектрика 730, которым был покрыт электрод 710. Степень загрязнения оценивали по показателям, приведенным ниже. Условия измерения были такими же, как Примерах 11-13, т.е.: (i) внутренняя поверхность электрода, обращенная к соплу 720, была покрыта (так же, как в Примере 11); (ii) внутренняя поверхность электрода, обращенная к соплу 720, и торцевая поверхность открытого конца электрода были покрыты (так же, как в Примере 12); или (iii) внутренняя и наружная поверхности и торцевая поверхность открытого конца сопла 720 были покрыты (так же, как в Примере 13). В Примере 14 конец 720a сопла 720 был расположен в плоскости, определенной открытым концом электрода 710 аналогично Примерам 11-13. В Примере 15 конец 720a сопла 720 был расположен на расстоянии 16 мм внутри плоскости, определенной открытым концом электрода 710. В Примере 16 конец 720a сопла 720 был расположен на расстоянии 32 мм внутри плоскости, определенной открытым концом электрода 710. Полученные результаты представлены в Таблице 9.
Степень загрязнения электрода 710 и диэлектрика 730 прядильным раствором в ходе электропрядения оценивали по показателям A, B или C следующим образом.
A: небольшое загрязнение электрода 710 и диэлектрика 730 прядильным раствором.
B: слабое загрязнение электрода 710 и диэлектрика 730 прядильным раствором.
C: сильное загрязнение электрода 710 и диэлектрика 730 прядильным раствором.
Сравнительный пример 11
Величину заряда воды измеряли, используя устройство 701 для электропрядения, показанное на фиг. 13 и 14, в котором конец 720a сопла 720 был расположен снаружи плоскости, определенной открытым концом электрода 710 относительно осевого направления электрода 710. Дополнительно проводили то же испытание, за исключением того, что вместо воды использовали прядильный раствор для оценки степени загрязнения электрода 710 и диэлектрика 730, которым был покрыт электрод 710, прядильным раствором. Условия измерения были такими же, как в Примерах 14-16, т.е.: (i) внутренняя поверхность электрода, обращенная к соплу 720, была покрыта (так же, как в Примере 11); (ii) внутренняя поверхность электрода, обращенная к соплу 720, и торцевая поверхность открытого конца электрода были покрыты (так же, как в Примере 12); или (iii) внутренняя и наружная поверхности и торцевая поверхность открытого конца 720 были покрыты (так же, как в Примере 13). Конец 720a сопла 720 был расположен на расстоянии 16 мм снаружи от плоскости, определенной открытым концом электрода 710. Полученные результаты представлены в Таблице 9.
<b>Таблица 9</b>
Поверхность(и), покрытая(ые) диэлектриком
Пример 14
Пример 15
Пример 16
Сравнительный пример 11
Расстояние от открытого конца электрода до конца сопла (мм)
0
-16
-32
16
Величина заряда (нКл/г)
Внутренняяповерхность
60,5
173,3
179,7
34,9
Внутренняя поверхность + краевая поверхность
114,4
287,4
306,0
50,1
Внутренняя поверхность + краевая поверхность + наружная поверхность
114,2
226,3
296,5
47,8
Степень загрязнения электрода и диэлектрика
A
A
B
A
Как очевидно из сравнения данных, полученных при выполнении Примеров 14-16 и Сравнительного примера 11, представленных в Таблице 9, величины зарядов воды, использовавшейся в качестве модели прядильного раствора в Примерах 14-16, были значительно больше, чем в Сравнительном примере 11.
Как совершенно четко следует из результатов, представленных в Таблице 9, в Примерах 14 и 15 и Сравнительном примере 11 наблюдали небольшое загрязнение электрода 710 и диэлектрика 730 прядильным раствором, тогда как в Примере 16 наблюдали слабое загрязнение.
Из этих результатов видно, что величина заряда увеличивается, если конец 720a сопла 720 расположен внутри вогнутой, изогнутой поверхности электрода 710. Также видно, что, если конец 720a сопла 720 расположен вблизи открытого конца (со стороны, с которой прядильный раствор выпускают под давлением) электрода 710, прядильный раствор проходит с меньшей вероятностью прилипания к электроду 710 и диэлектрику 730, и, таким образом, предотвращается загрязнение электрода 710 и диэлектрика 730.
Пример 17
Нановолокно изготавливали, используя устройство 701 для электропрядения, показанное на фиг. 13, и 15%-ный водный раствор пуллулана в качестве прядильного раствора. Поверхности, покрытые диэлектриком, были теми же, что и в Примере 13. Прядильный раствор выпускали под давлением из сопла 720 с расходом 1 г/мин. Воздух выпускали под давлением из средств 723 для подачи воздушной струи с расходом 150 л/мин. Напряжение в -20 кВ создавали между соплом 720 и электродом 710. Расстояние от конца 720a сопла 720 до устройства для сбора нановолокна составляло 1200 мм. Микроснимки полученного в результате нановолокна, выполненные на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), показаны на фиг. 23(a) и 23(b).
Сравнительный пример 12
Нановолокно изготавливали, используя устройство 701 для электропрядения, показанное на фиг. 13, в котором электрод 710 не был покрыт диэлектриком 730. Устройство в остальном имел такую же структуру, как и устройство, который использовали в Примере 17. Электропрядение осуществляли при тех же условиях, что и в Примере 17, за исключением того, что было изменено приложенное напряжение на -10 кВ, при котором было возможно изготовление нановолокна. Микроснимки полученного в результате нановолокна, выполненные на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), показаны на фиг. 24(a) и 24(b).
Нановолокно, полученное в Примере 17, имело средний диаметр 305 нм, как показано на фиг. 23(a) и 23(b), тогда как нановолокно, полученное в Сравнительном примере 12, имело средний диаметр 487 нм, как показано на фиг. 24(a) и 24(b). Кроме того, нановолокно, полученное в Примере 17, было хорошего качества и содержало меньшее количество дефектов (содержало меньшее количество затвердевших капель прядильного раствора), чем нановолокно, полученное в Сравнительном примере 12. Видя, что в Примере 17 и Сравнительном примере 12 имел место одинаковый объем выпуска под давлением прядильного раствора из сопла 720, можно сделать вывод, заключающийся в том, что устройство в Примере 17 пригоден для изготовления в единицу времени нановолокна приблизительно в 2,5 раза большей длины, чем устройство в Сравнительном примере 12, подтверждая этим то, что производительность может быть увеличена посредством использования устройства согласно изобретению. С другой стороны, считая, что обычно толщина нановолокна увеличивается с увеличением объема выпуска под давлением прядильного раствора из сопла, можно сделать вывод, заключающийся в том, что при использовании устройства согласно изобретению можно изготавливать нановолокно, имеющее средний диаметр 487 нм, при более высоком объеме выпуска прядильного раствора под давлением, чем 1 г/мин (даже при подаче более одного грамма прядильного раствора к соплу 720 в единицу времени). Этим также подтверждается повышение производительности, достигаемое посредством использования устройства согласно изобретению.