СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ВОЛОКНА ИЗ ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЫ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
METHOD AND APPARATUS FOR FORMING FIBRE FROM POLYMER MATRIX IN ELECTROSTATIC FIELD

Область техники
Изобретение касается способа формования волокна из полимерной матрицы в электростатическом поле, созданном в пространстве формования волокна между волокнообразующим электродом и осадительным электродом, по которому полимерная матрица подается из резервуара с матрицей в электростатическое поле по поверхности волокнообразующего электрода или волокнообразующими элементами волокнообразующего электрода.
Далее изобретение касается устройства для производства нановолокон электростатическим методом формования волокна из полимерной матрицы в электростатическом поле, созданном между осадительным электродом и волокнообразующим электродом или волокнообразующими элементами волокнообразующего электрода.
Уровень техники
В настоящее время полимерные нановолокна изготавливают электростатическим методом формования волокна из разных типов растворов и расплавов полимеров в жидком состоянии, при этом процесс формования волокна обычно протекает при температуре окружающей среды. В некоторых случаях, в особенности при формовании волокна из расплавов полимеров, необходимо повысить температуру некоторых частей устройства для того, чтобы можно было вообще приготовить расплав, а также для предупреждения его застывания и осаждения на этих частях, что могло бы явиться причиной постепенного снижения производительность всего устройства. Повышение температуры этих частей выгодно также при формовании волокна из некоторых типов полимерных растворов, так как при повышенной температуре уменьшается вязкость этих растворов, что способствует инициированию и поддержанию процесса электростатического формования волокна, а в случае некоторых типов полимерных растворов вообще позволяет осуществлять формование волокна из них.
В настоящее время такой нагрев реализуется главным образом при помощи теплоносителей как, например, горячий воздух или горячее масло, но теплопередача в таких случаях происходит с очень большими потерями, а ввиду необходимости обеспечения движения теплоносителей существенно ограничивается форма внутренних пространств устройства для электростатического формования волокна и компоновка отдельных его элементов. При использовании средств для обеспечения нагрева и циркуляции теплоносителей, а в случае применения масла или другой жидкости также средств для их хранения, в значительной степени не только увеличивается объем, необходимый для размещения этого оборудования, и повышаются требования к его техническому обслуживанию, но и возрастают первоначальные затраты и эксплуационные расходы такого оборудования. Следующим недостатком является низкая точность регулирования температуры и медленная реакция системы регулирования на входные воздействия.
Другим способом нагрева является также индукционный нагрев полимерной матрицы в резервуаре, при котором в пространстве под резервуаром размещается индукционная обогревательная плита. Но и эта конфигурация, кроме сравнительно больших потерь тепла и относительно высоких требований к объему встраивания, имеет тоже медленную реакцию на заданное изменение температуры полимерной матрицы в резервуаре и неточности при поддержании этой температуры.
Целью изобретения является обеспечение легко регулируемого, временного или постоянного повышения температуры некоторых частей устройства для производства нановолокон электростатическим методом формования волокна, и прежде всего частей, соприкасающихся с полимерной матрицей, способом, отличающимся от известных по современному уровню техники, более эффективным и более простым по конструкции.
Далее целью изобретения является устройство для производства нановолокон электростатическим методом формования волокна из полимерной матрицы, в котором используется данный способ для повышения температуры некоторых его частей.
Сущность изобретения
Цель изобретения достигается способом формования волокна из полимерной матрицы в электростатическом поле, созданном в пространстве формования волокна между волокнообразующим электродом и осадительным электродом, по которому полимерная матрица подается из резервуара с матрицей в электростатическое поле по поверхности волокнообразующего электрода или волокнообразующими элементами волокнообразующего электрода, сущность которого заключается в том, что при этом способе температура некоторых элементов устройства, и особенно тех, которые находятся в контакте с полимерной матрицей, например, волокнообразующего электрода или волокнообразующих элементов волокнообразующего электрода и/или резервуара, и/или полимерной матрицы, повышается прямым контактным нагревом выше температуры окружающей среды.
Температура этих частей повышается преимущественно прямым контактным нагревом переменным напряжением, которое подводится непосредственно к той части, температуру которой нужно повысить, и при этом превращается в тепловую энергию. Условием такого нагрева является электропроводность данных частей.
Другим способом повышения температуры нужных частей устройства для производства нановолокон является прямой контактный нагрев постоянным напряжением, когда конкретная часть соединена с источником высокого постоянного напряжения и вспомогательным источником высокого постоянного напряжения, напряжения которых отличаются на значение порядка десятков или сотен вольт, при этом электрическая энергия, соответствующая номинальной разности этих напряжений, после ее передачи к данному элементу преобразуется в тепловую. Этот способ применим главным образом для передвижных устройств, когда источник высокого постоянного напряжения более доступен, чем источник переменного напряжения.
В случае, когда к какой-либо части невозможно подвести переменное напряжение или два постоянных напряжения разной величины непосредственно, например потому, что данная часть не обладает электропроводностью, целесообразно использование варианта косвенного контактного нагрева, когда вблизи от элемента, температуру которого требуется повысить, размещен нагревательный резистор, подключенный к источнику переменного напряжения. В этом резисторе переменное электрическое напряжение преобразуется в тепловую энергию, которая передается дальше к нужному элементу.
Цель изобретения достигается также устройством для производства нановолокон электростатическим методом формования волокна из полимерной матрицы в электростатическом поле, созданном между осадительным электродом и волокнообразующим электродом или волокнообразующими элементами волокнообразующего электрода, сущность которого заключается в том, что волокнообразующий электрод и/или волокнообразующие элементы волокнообразующего электрода присоединены к вторичной обмотке трансформатора, электрическая прочность изоляции которой рассчитана на высокое напряжение, а первичная обмотка этого трансформатора подключена к источнику переменного напряжения. Таким способом у этого устройства обеспечивается передача переменного напряжения к тому элементу устройства, температуру которого требуется повысить, и одновременная изоляция элементов под высоким постоянным напряжением от источника переменного напряжения.
Цель изобретения достигается также устройством для производства нановолокон электростатическим методом формования волокна из полимерной матрицы в электростатическом поле, созданном между осадительным электродом и волокнообразующим электродом или волокнообразующими элементами волокнообразующего электрода, при этом волокнообразующий электрод или волокнообразующие элементы волокнообразующего электрода соединены с одним полюсом источника высокого постоянного напряжения, сущность которого заключается в том, что волокнообразующий электрод или волокнообразующие элементы волокнообразующего электрода подключены к вспомогательному источнику постоянного напряжения. Разность напряжений, подаваемых от источника высокого постоянного напряжения и вспомогательного источника высокого постоянного напряжения, при подведении к данной части преобразуется в тепловую энергию.
Выгодно, и особенно при формовании волокна из расплавов полимеров, если некоторые элементы устройства подключены к источнику переменного напряжения или к вспомогательному источнику постоянного напряжения, а в электростатическом поле также расположен по крайней мере один нагревательный резистор, который соединен с вторичной обмоткой трансформатора, электрическая прочность изоляции которой рассчитана на высокое напряжение, причем первичная обмотка трансформатора соединена с источником переменного напряжения. В таком случае нагревательный резистор служит для косвенного контактного нагрева элементов, размещенных в электростатическом поле, температуру которых нельзя повысить прямым контактным нагревом, или если конструктивно это было бы слишком сложно.
Список рисунков на чертеже
Пример исполнения устройства для осуществления способа электростатического формования волокна из полимерной матрицы согласно изобретению схематически изображен на приложенном чертеже, где: фиг.1 - разрез камеры формования волокна данного устройства; фиг.2 - разрез камеры формования волокна другого варианта данного устройства.
Примеры осуществления изобретения
Описание изобретения и его сущности приводится на примерах исполнения устройства для электростатического формования волокна из полимерных матриц; примеры исполнения схематически изображены на фиг.1 и фиг.2. Для полной ясности и понятности этих рисунков некоторые элементы устройства показаны в упрощенном виде, не считаясь с их действительной конструкцией или пропорциями, а некоторые другие элементы, не существенные для понимания сущности изобретения, конструкция или взаимное расположение которых ясны каждому специалисту в данной области, не показаны вообще.
Устройство для электростатического формования волокна из полимерной матрицы, изображенное на фиг.1, содержит камеру формования волокна 1, в верхней части которой расположен осадительный электрод 2, который соединен с одним полюсом источника 3 высокого постоянного напряжения, размещенного вне камеры формования волокна 1. Изображенный осадительный электрод 2 представляет собой металлическую пластину, но в других непоказанных примерах исполнения, в зависимости от технологических требований или пространственных возможностей, может быть использована любая другая известная конструкция осадительного электрода 2, или же несколько осадительных электродов 2 любого типа, или их комбинация.
Под осадительным электродом 2, при помощи неизображенных средств направляется неэлектропроводная подложка 4, в показанном примере исполнения - из текстильного материала. Конкретный тип подложки 4, способ ее движения и ее физические свойства, например, электропроводность, будут зависеть главным образом от типа примененного осадительного электрода 2 и технологии производства, причем в следующих, не показанных здесь примерах исполнения в качестве подложки 4 могут быть использованы также электропроводные материалы, например, текстильные материалы с электростатической отделкой поверхности, с металлической фольгой и т.п. В случае применения осадительного электрода специального типа, известного, например, по CZ PV 2007-727, подложка 4, наоборот, не применяется вообще, а нановолокна, получаемые электростатическим формованием волокна из полимерной матрицы, укладываются непосредственно на поверхность этого осадительного электрода.
В нижней части камеры формования волокна 1 расположен резервуар 5 с полимерной матрицей 51, который в показанном примере исполнения представляет собой открытую емкость, а полимерной матрицей 51 является раствор полимера в жидком состоянии. Однако в других, непоказанных примерах исполнения можно, используя сущность изобретения, осуществлять формование волокна также из расплавов полимеров или из пригодной для этого полимерной матрицы 51 в твердом состоянии, чему, конечно, соответствуют отличия в конструкции резервуара 5 и неизображенных средств для дополнения полимерной матрицы 51 в резервуар.
Вблизи от резервуара 5 расположен волокнообразующий электрод, содержащий волокнообразующий элемент 6, соединенный с полюсом источника 3 высокого постоянного напряжения, а к противоположному полюсу этого источника присоединен осадительный электрод 2, при этом волокнообразующий элемент 6 может в устанавливаемых интервалах перемещаться между своим положением нанесения и своим положением формования волокна. В положении нанесения волокнообразующий элемент 6 или его часть удаляется от осадительного электрода 2, и на него наносится полимерная матрица 51, а в положении формования волокна волокнообразующий элемент 6 или его часть с нанесенной полимерной матрицей 51, приближается к осадительному электроду 2, где вместе с ним создает электростатическое поле, в котором происходит формование волокна из этой полимерной матрицы 51. На фиг.1 изображен волокнообразующий элемент 6, выполненный в виде электропроводной струны, который в своем положении нанесения погружается ниже уровня полимерной матрицы 51 в резервуаре 5, а между своим положением формования волокна и своим положением нанесения перемещается в обоих направлениях, совершая возвратное движение в плоскости. Однако сущность изобретения без дальнейших усовершенствований может быть использована и для других известных конструкций волокнообразующих элементов 6 волокнообразующих электродов, которые, например, по CZ PV 2006-545, между своим положением формования волокна и своим положением нанесения движутся по круговому пути, или по CZ PV 2007-485 - в направлении своей длины.
Волокнообразующий элемент 6, кроме подключения к источнику 3 высокого постоянного напряжения, соединен с вторичной обмоткой 72 трансформатора 7, электрическая прочность изоляции которой рассчитана на высокое напряжение. Первичная обмотка 74 трансформатора 7 через регулятор 8 и устройство защиты от перенапряжения 9 подключена к источнику 10 переменного напряжения, например, к распределительной сети общего пользования с переменным напряжением 230 В. При этом трансформатор 7 служит в качестве гальванической развязки источника переменного напряжения 10 и волокнообразующего элемента 6, к которому подводится высокое постоянное напряжение порядка десятков кВ, так как благодаря принципу его действия позволяет осуществлять преобразование переменного напряжения, подведенного к первичной обмотке 71, в переменное напряжение, индуктированное во вторичной обмотке 72, но не преобразует высокое постоянное напряжение, подведенное от волокнообразующего элемента 6 к его вторичной обмотке 72. Отношение чисел витков первичной обмотки 71 и вторичной обмотки 72 и величина напряжения, подведенного к первичной обмотке 71, совместно определяют величину переменного напряжения, подведенного к волокнообразующему элементу 6 волокнообразующего электрода, и следовательно, почти для любого требуемого значения переменного напряжения можно в качестве источника 10 низкого переменного напряжения использовать, например, электросеть общего пользования с постоянной величиной переменного напряжения и трансформатор 7 с соответственно выбранными параметрами.
2
2
Электрическая потребляемая мощность переменного напряжения, подведенная к волокнообразующему элементу 6 волокнообразующего электрода, в зависимости от его электрического сопротивления преобразуется, например, согласно формуле: Р=UI=RI=U/R, по закону Джоуля-Ленца в тепло, за счет чего повышается температура данного элемента.
Таким образом, требуемую температуру волокнообразующего элемента 6 можно простым способом установить на регуляторе 8, который поддерживает в заданых пределах величину переменного напряжения, подводимого от источника 10 к первичной обмотке 71 трансформатора 7, а соответственно и величину переменного тока, индуктированного в его вторичной обмотке 72. В непоказанном примере исполнения регулятор 8 с преимуществом дополнен обратной связью, за счет чего обеспечивается более точное и быстрое достижение заданной температуры волокнообразующего элемента 6 и длительное поддержание постоянного значения этой температуры. Устройство защиты от перенапряжения 9 предохраняет трансформатор 7 и волокнообразующие элементы 6 волокнообразующего электрода от скачкообразных отклонений мощности источника 10 переменного напряжения. Следующим защитным элементом является заземление сердечника трансформатора 7.
Повышение температуры волокнообразующих элементов 6 волокнообразующего электрода приносит выгоды, главным образом при формовании волокна из полимерной матрицы 51, состоящей из расплава полимера, так как способствует поддержанию объема расплава в резервуаре 5 или объема расплава 51, нанесенного на волокнообразующий элемент 6, в жидком состоянии в течение времени, необходимого для сформования волокна из этого расплава, за счет чего расширяется применимость этих типов полимерных матриц 51. при электростатическом формовании волокна из них, а также повышается эффективность их использования. Кроме того, при соответствующем выборе температуры волокнообразующего элемента 6 можно формовать волокно из твердой полимерной матрицы 51, когда при контакте с волокнообразующим элементом 6 в жидкое состояние переходит только малая часть ее объема, которая при этом налипает на поверхность волокнообразующего элемента 6, а затем из нее сформовано волокно. Благодаря этому уменьшаются потери тепла, связанные с поддержанием всего объема расплава полимера в жидком состоянии, а также устраняются проблемы, связанные с нежелательным затвердеванием расплава в резервуаре 5.
В других примерах исполнения, наоборот, можно использовать сущность изобретения также для повышения температуры резервуара 5 и/или непосредственно полимерной матрицы 51 и поддержания ее в жидком состоянии в течение всего рабочего цикла устройства.
Благодаря повышению температуры при формовании волокна из некоторых полимерных растворов уменьшается их вязкость, что способствует инициированию процесса электростатического формования волокна. Таким образом, повышение температуры не только способствует повышению производительности всего оборудования, но и расширяет базу применимых для формования волокна растворов, так как позволяет осуществлять и облегчает формование волокна даже из таких полимерных растворов, обработка которых до сих пор была связана с большими затруднениями или не могла осуществляться вообще.
На фиг.2 показан другой возможный вариант электрической схемы соединений, позволяющий повышать температуру волокнообразующего элемента 6 волокнообразующего электрода, где к нему подводится высокое постоянное напряжение от источника 11. вспомогательного напряжения. Значение этого напряжения немного отличается от значения напряжения, подводимого к волокнообразующему элементу от источника 3 высокого постоянного напряжения, причем разность этих напряжений порядка десятков или сотен вольт после подведения к волокнообразующему элементу 6 преобразуется в тепловую энергию и таким образом повышает его температуру. Регулирование температуры волокнообразующего элемента 6 осуществляется при помощи регулятора 12 мощности источника 11 вспомогательного высокого постоянного напряжения. В непоказанном примере исполнения регулятор 12 с преимуществом имеет обратную связь.
Благодаря электропроводности полимерной матрицы 5 высокое постоянное напряжение, подаваемое от вспомогательного источника 11, можно непосредственно использовать также для повышения температуры матрицы 5, а в случае применения электропроводного резервуара 51 - и для непосредственного повышения его температуры, что еще больше способствует расширению вышеприведенных преимуществ.
В других непоказанных случаях исполнения, где, например, волокнообразующий элемент 6 волокнообразующего электрода выполнен из неэлектропроводного материала, для повышения его температуры более выгодно применение косвенного нагрева переменным током. В таком случае вблизи от каждого волокнообразующего элемента 6 волокнообразующего электрода или по крайней мере на части его пути, если в процессе формования волокна он движется, размещен один или по мере необходимости большее число нагревательных резисторов, которые при использовании вышеописанного трансформатора 7 соединены с источником 10 переменного напряжения. Переменный ток согласно закону Джоуля-Ленца преобразуется в тепло непосредственно в нагревательных резисторах, которое в свою очередь передается к волокнообразующему элементу 6. Такой же способ косвенного нагрева может быть использован также для нагрева резервуара 5 и/или находящейся в нем полимерной матрицы 51.
Прямой и косвенный контактный нагрев, кроме вышеописанных вариантов устройств для производства нановолокон, может быть использован и в других известных и обычно применяемых устройствах, в сущности, независимо от типа и конструкции волокнообразующего электрода 2. Следовательно, сущность изобретения можно использовать, например, для нагрева волокнообразующего электрода, выполненного в виде компактного тела, известного по патенту CZ 294274, или волокнообразующих электродов в виде капилляра (распылителя), или же группы капилляров (распылителей), при произвольной конфигурации полярностей постоянного напряжения на осадительном электроде 2 и волокнообразующем электроде или волокнообразующих элементах 6 волокнообразующего электрода. Косвенный нагрев, или нагрев постоянным напряжением, можно использовать также при заземлении волокнообразующего электрода или его элементов 6, не принимая во внимание полярность напряжения, подведенного к осадительному электроду 2.
Список обозначений позиций
1 камера формования волокна
2 осадительный электрод
3 источник высокого постоянного напряжения
4 подложка
5 резервуар
51 полимерная матрица
6 волокнообразующий элемент
7 трансформатор
71 первичная обмотка трансформатора
72 вторичная обмотка трансформатора
8 регулятор
9 устройство защиты от перенапряжения
10 источник переменного напряжения
11 источник вспомогательного высокого постоянного напряжен
12 регулятор.