Комбинированная фильера для производства нановолокнистых и микроволокнистых материалов
COMBINATION DIE FOR PRODUCTION OF NANOFIBROUS AND MICROFIBROUS MATERIALS

Область техники
Изобретение относится к устройствам для производства нановолокнистого или микроволокнистого материала, содержащего комбинированную фильеру, соединенную с одной из точек электрического потенциала высоковольтного источника питания и связанную через распределительные каналы с устройством для дозирования полимерной смеси, при этом через указанную фильеру проходит воздух, протекающий в непосредственной близости от полимерной смеси соответствующей формы.
Уровень техники
Способ электростатического формирования волокна, используемый для производства нановолокнистых или микроволокнистых материалов, основан на использовании двух электродов, соединенных с точками различного электрического потенциала. Один из указанных электродов служит для дозирования полимерного раствора и для формирования одинаковых криволинейных форм, имеющих малые радиусы кривизны. Благодаря действию сил, возбужденных сильным электрическим полем, образуется так называемая воронка Тэйлора и одновременно создается волокно, которое притягивается силами электростатического поля к другому, противоположному электроду с полностью измененной полярностью и служащему для захвата летающих волокон. Захваченные волокна последовательно формируют непрерывный слой на поверхности указанного противоположного электрода, причем этот слой состоит из беспорядочно расположенных волокон малого диаметра (в диапазоне от десятков нанометров и нескольких микрометров). Чтобы фактически создать волокна в сильном электрическом поле, нужно соблюдать определенные условия относительно физических и химических свойств непосредственно полимерного раствора, так же как и влияние окружающей среды, и геометрию электродов.
В способе электростатического формирования волокна отдельные волокна формируются с поверхности полимерной смеси под действием сил электростатического поля. Жидкости или вязкие растворы подвергаются воздействию внутренних сил сцепления и капиллярных сил. Капиллярные силы зависят от поверхностного натяжения в прямой пропорции от размера элемента поверхности соответствующей жидкости и в обратной пропорции к ее радиусу кривизны. Если радиус кривизны уменьшается, внутренние силы в жидкости, действующие на поверхностный слой жидкости среди других сил, увеличиваются, вызывая соответствующее повышение давления в жидкой или вязкой полимерной смеси. Такое уменьшение радиуса кривизны имеет место, например, в тонких капиллярах, где происходит увеличение или уменьшение капилляров. Вышеупомянутые эффекты (особенно сужение капилляров) предпочтительно используются для того, чтобы обеспечить нужную форму полимерной смеси непосредственно до пуска процесса формирования волокна. Чтобы создать конус Тэйлора и обеспечить впрыскивание обрабатываемого полимера, внешние силы электростатического поля должны преодолеть когезионные и капиллярные силы. Создание конуса Тэйлора прежде всего поддерживается кривизной поверхности полимерной смеси, достигаемой посредством фильеры соответствующей формы (уменьшение кривизны поверхности помогает увеличению капиллярных сил, что, в свою очередь, вызывают снижение внутреннего давления и содействует расщеплению поверхностного слоя и разрушению капель). В этом отношении использование тонкого капилляра, в который нагнетается обработанная полимерная смесь, будет наиболее выгодным для электростатического процесса формирования волокна. Смесь затем формируется в небольшую каплю в области вокруг отверстия капилляра. Смесь будет проталкиваться дальше в виде струи (и инициирование самого процесса будет осуществлено, когда могут быть обработаны полимерные смеси с неблагоприятными свойствами формирования) под действием сил электростатического поля, которые слабее сил, которые действуют в свободно сформированной капле полимерной смеси (имеющий больший диаметр кривизны поверхности). Поэтому главный и общепринятый принцип создания фильеры включает тонкую полую иглу в сочетании с непрерывным дозированием полимерной смеси, которая под давлением подается в фильеру. По вышеуказанным причинам было разработано множество различных типов фильер. В этом отношении мы имеем следующие основные устройства.
Прежде всего, известна тонкая капиллярная игла, используемая в качестве фильеры. По всей вероятности, этот тип фильеры - самый распространенный в той степени, в которой осуществляется подготовка нановолокон и микроволокон в лабораторных условиях. Основные преимущества этой конструкции включают простоту, относительную легкость дозирования и формирование обработанной полимерной смеси в виде капель, имеющих очень небольшой диаметр, облегчающий создание конуса Тэйлора, так же как последующее производство волокон (которое также поддерживается заметным градиентом электростатической области, в области конца иглы, где местные действующие силы электростатического поля умножаются, облегчая, таким образом, создание волокон). Капиллярные фильеры часто используются в лабораторных устройствах, но они недостаточно эффективны для целей промышленного производства. Аналогичное решение было раскрыто в оригинальных патентах США, номера 0705691 и 0692631, опубликованных в 1900 и 1902 годах, соответственно, и относящиеся к жидким дисперсиям, в которых процессы основаны на принципах, аналогичных тем, которые лежат в основе современного электростатического формирования волокон.
Другая известная фильера состоит из сменной капиллярной иглы. Капиллярная игла выполняет поперечное движение (подобное движению печатающей головки), чтобы охватить большую площадь противоположного электрода во время применения волокон, формирующих слой покрытия. Однако, в принципе, это воплощение основано на предшествующем типе. Хотя игла может производить волокнистые материалы в больших объемах, ее общая производительность все еще остается очень низкой.
Кроме того, известны многократные фильеры. Такие фильеры также основаны на первом типе, описанном выше, где отдельные капиллярные иглы группируются в матрицу, чтобы повысить производительность соответствующих процессов формирования волокон, как раскрыто, например, в заявках на патент WO2007035011 (A1), WO2004016839 (А1) и WO2007061160 (А1). Главное неудобство таких групповых фильер связано с проблемами неравномерного распределения прядильных растворов и с тенденцией загрязнения (забивания) фильер, что требует последующей очистки и усложняет общее обслуживание системы.
Еще одна известная фильера является коаксиальной фильерой. Тонкие двойные капиллярные коаксиальные фильеры снабжаются двумя полимерными смесями, которые отличаются по типу. Следовательно, конечные волокна имеют свои сердцевины и оболочки, сделанные из различных материалов.
В области техники также известны безыгольчатые вращающие электроды. Такие электроды используют естественные выступы (кривизну) свободных поверхностей или тонкие слои полимерных смесей, чтобы преобразовать последние в волокна посредством сил, созданных электростатическими областями. Для этого типа фильер ожидается более высокий уровень обработки. Это основано на предположении, что конуса Тэйлора могут быть одновременно созданы во многих местах свободной поверхности. Однако вышеупомянутое предположение экспериментально до сих пор не доказано. Кроме того, применение таких систем ограничено узким ассортиментом легко формируемых полимеров. Главное неудобство, которое мешает крупномасштабному производству, состоит в изменении свойств растворов во время процессов формирования волокон, потому что эти процессы выполняются в открытых климатических условиях, когда компоненты растворов подвергаются испарению под действием солнечных лучей и нерегулируемым изменениям физических и химических свойств.
В таких случаях формирование конусов Тэйлора происходит непосредственно на свободной поверхности полимерной смеси. Альтернативно, конуса Тэйлора формируются из больших капель, которые принимают естественную форму на небольшой площади электрода. Все вышеупомянутое безыгольчатые (или безструйные) системы формирования волокон несомненно основаны на оригинальных патентах США номера №1975504 и US2048651 (опубликованные в 1934 и 1936 годах соответственно), которые также лежат в основе современного электростатического способа, используемого для подготовки нановолокон и микроволокон. Такие фильеры формируются, например, в виде чашек, наполненных полимерной смесью, в которую частично погружен вращающийся цилиндр. Вращение цилиндра заставляет полимерную смесь смачивать наружную поверхность этого цилиндра, инициируя формирование конусов Тэйлора на противоположной стороне. Таким образом, осуществляется формирование волокон. В более поздних документах, таких как ЕР1409775 (A1), WO2005024101 (A1), WO2009156822 и US2008150197 (А1), описывается аналогичное безструйное устройство, основанное на том же самом рабочем принципе. Главный недостаток такого формирования волокон безыгольчатыми фильерами состоит в изменении параметров полимерной смеси во время процесса формирования волокна. Это происходит из-за реакций на непрерывных поверхностях и из-за испарения компонентов формирующей волокна смеси как в чашке, так и на поверхности цилиндра. Таким образом, формирующая волокна смесь подвергается значительным изменениям во время процесса (особенно по концентрации, вязкости, химического состава и т.д.). Поэтому свойства налагаемых волокон также изменяются. На такое изменение свойств (диаметр, химический состав и морфология волокон) нельзя влиять никаким управляемым образом. Во многих случаях процесс формирования волокон спонтанно прекращается после нескольких минут, и весь объем формирующей смеси должен быть заменен. Следовательно, производство является неэффективным и дорогостоящим, так как композиция не полностью обработанных формирующих смесей полностью неизвестна, и их восстановление невозможно. Другим неудобством является результатом числового моделирования распределения электростатической области, которое было выполнено заявителем. Это неудобство состоит в том, что активная поверхность, на которой могут развиваться конуса Тэйлора, является относительно большой (по сравнению с использованием капиллярной фильеры). На поверхности безыгольчатой фильеры имеется только небольшой градиент, и внешние силы электростатического поля не являются достаточно прочными для того, чтобы начать процесс формирования волокон. Эта технология не может использоваться для обработки трудно формируемых материалов.
Эта категория может также включать так называемый затопленный электрод, который позволяет волокнам формироваться в областях, где полимерная смесь переливается через выпуклое тело или заливает это тело (PPVCZ2009-0425A3). Однако последний способ потребляет значительное количество полимерной смеси и не обеспечивает возможности регенерации. Нет достаточного градиента электрического поля на выпуклой поверхности токопроводящего тела, что делает обработку трудно формируемых полимерных смесей абсолютно невозможной.
Специальная группа включает те механизмы формирования волокон, которые поддерживают формирование конуса Тэйлора наиболее эффективным образом и используют другие принципы, поддерживающие инициирование и ход процесса формирования волокон. Это особенно желательно по отношению к смесям, которые не могут быть преобразованы в нановолокна или микроволокна посредством классических методик. Эффект сил электростатического поля может дополнительно поддерживаться касательной компонентой воздуха, текущего в непосредственной близости от капиллярной фильеры, как описано в документах WO2005033381, WO 2010143916 (А2), WO 2010144980 (А1) и также Ji, Gjosh и др., 2006, Medeiros; Glenn и др. 2009 или Larsen, Spretz и др. 2004. Такие фильеры с использованием горячего воздуха комбинируют использование тонких капиллярных игл, вокруг которых циркулирует подогретый воздух. Касательные силы, созданные потоком воздуха на поверхности полимерного раствора, таким образом, поддерживают формирование конусов Тэйлора и формирование волокон. Поэтому использующие горячий воздух фильеры служат для обработки трудно формируемых полимерных смесей. Преимущество последнего устройства состоит в том, что температурой потока воздуха можно управлять так, что воздух может, например, активно поддерживать быстрое отверждение полимерного луча (волокна). Поэтому вышеупомянутый принцип весьма желателен. Кроме того, подогретый воздух благоприятно влияет на климатические условия в камере осаждения, ускоряя испарение растворителей, содержавшихся в полимерной смеси. В отношении физических и химических свойств полимерного раствора последняя технология не требует частого использования токсичных растворителей или поверхностно-активных веществ. Однако главные неудобства этого технического решения состоят, по меньшей мере, в низкой эффективности процесса формирования волокна и в сложном обслуживании и очистке капиллярных фильер, как описано выше. Дальнейшие недостатки всех вышеупомянутых технических решений включают сложную конструкцию самих фильер. Тонкая фильера внедрена в токопроводящий материалом, который, в основном, подавляет градиент электростатической области, созданной вокруг отверстия фильеры, где особенно желательно действие сил электростатического поля. Такое уменьшение сил электростатического поля будет препятствовать началу процесса формирования волокон, несмотря на дополнительное действие сил, созданных потоком воздуха. Еще один недостаток связан с прямым контактом подогретого воздуха с металлической фильерой, когда теплопередача нагревает полимерную смесь и, в зависимости от обстоятельств, отверждает ее. Затем отвердевшая смесь накапливается внутри отверстия фильеры, забивая его и приводя к прекращению процесса.
Другая известная фильера известна как пузырьковая фильера. Пузырьковая фильера состоит из двух коаксиальных трубок, внутренняя часть которых служит для продувки сжатым воздухом, а внешняя часть используется для дозирования полимерного раствора, который благодаря эффекту потока воздуха формируется в тонкостенные пузырьки. Такое формование из тонкостенных пузырьков способствует инициированию процесса и последующему созданию волокон, как описано в WO2009042128.
Наконец, также известны комбинации вышеупомянутых способов. Примерный вариант может включить вращающуюся проволочную спираль, как описано в WO2010043002(A1).
Краткое описание изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы представить новое конструкторское решение комбинированной фильеры, которая пригодна для электростатического формирования волокон, и предназначена для производства нановолокнистых или микроволокнистых материалов. Фильера согласно изобретению должна устранить недостатки известных фильер. Вышеупомянутая цель была достигнута, главным образом, посредством использования комбинированной фильеры для производства нановолокнистых или микроволокнистых материалов, где указанная фильера содержит тонкостенный электрод и первое непроводящее тело, примыкающее к первой стенке указанного тонкостенного электрода, при этом указанное первое тело имеет стенку, которая обращена к указанному тонкостенному электроду, снабженному множеством канавок, которые сформированы в нем и ведут к дистальному концу комбинированной фильеры. Указанные канавки имеют проксимальные концы, соединенные с источником формирующей смеси. Коллекторный электрод расположен на определенном расстоянии от дистального конца комбинированной фильеры, и подача напряжения осуществляется по проводам между указанным коллекторным электродом и указанным тонкостенным электродом.
В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения комбинированная фильера дополнительно содержит второе непроводящее тело, примыкающее ко второй стенке тонкостенного электрода и направляющее воздух от проксимального конца к дистальному концу комбинированной фильеры.
В другом предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения тонкостенный электрод имеет форму цилиндрической гильзы, в котором размещено первое непроводящее тело, имеющее цилиндрическую форму и снабженное канавками на своей поверхности, тогда как второе непроводящее тело, служащее для направления газообразной среды от проксимального конца к дистальному концу комбинированной фильеры, сформировано как цилиндрическая оболочка. Тонкостенный электрод расположен в цилиндрическом корпусе, сделанном из непроводящего материала. Между указанным цилиндрическим корпусом, сделанным из непроводящего материала, и вторым непроводящим телом имеется коаксиальное внутреннее пространство, при этом это пространство служит для направления воздуха к дистальному концу комбинированной фильеры.
Этот вариант воплощения особенно выгоден, если дистальный конец цилиндрического корпуса, сделанного из непроводящего материала, расположен ниже уровня дистального конца тонкостенного электрода.
В другом предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения тонкостенный электрод первого непроводящего тела и второго непроводящего тела имеет пластинчатую форму, причем первая стенка указанного тонкостенного электрода, примыкающего к указанному первому непроводящему телу, имеет поверхность, проходящую по направлению к указанному тонкостенному электроду, и имеет канавки, ведущие к дистальному концу этого электрода. Напротив второй стенки тонкостенного электрода имеется второе непроводящее тело, которое определяет пространство между стенкой и тонкостенным электродом, при этом указанное пространство служит для направления воздуха к дистальному концу комбинированной фильеры.
В еще одном предпочтительном варианте воплощения комбинированной фильеры для производства нановолокнистых или микроволокнистых материалов согласно изобретению указанная фильера имеет третье и четвертое непроводящие тела, при этом тонкостенный электрод, так же как первый, второй, третий и четвертый непроводящие тела, соответственно, имеют пластинчатую форму. Вторая стенка тонкостенного электрода примыкает к первой стенке третьего непроводящего тела, поверхность которого примыкает к тонкостенному электроду, имеющему канавки, проходящие от проксимального конца к дистальному концу тонкостенного электрода. Напротив второй стенки первого непроводящего тела имеется второе непроводящее тело, которое определяет пространство между этим телом и первым непроводящим телом, при этом указанное пространство служит для направления воздуха к дистальному концу комбинированной фильеры. Напротив второй стенки третьего непроводящего тела расположено четвертое непроводящее тело, которое определяет пространство между этим телом и третьим непроводящим телом, причем указанное пространство служит для направления воздуха к дистальному концу комбинированной фильеры.
Краткое описание чертежей
Различные детали устройства по настоящему изобретению будут подробно описаны со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фигура 1 - перспективный поперечный разрез, показывающий одностороннюю линейную комбинированную фильеру согласно изобретению;
фигура 2 - вид сверху на одностороннюю линейную комбинированную фильеру фигуры 1;
фигура 3 - перспективный поперечный разрез, иллюстрирующий двухстороннюю линейную комбинированную фильеру согласно изобретению;
фигура 4 - вид сверху на двухстороннюю линейную комбинированную фильеру фигуры 3; и
фигура 5 - продольный разрез, иллюстрирующий цилиндрическую компоновку комбинированной фильеры согласно изобретению.
Примерные варианты воплощения изобретения
Примерный вариант воплощения односторонней линейной комбинированной фильеры согласно изобретению показан на фигурах 1 и 2. Первая стенка тонкостенного электрода 1, в данном варианте имеющего форму тонкой пластины, соединена с первой стенкой первого непроводящего тела 2, которое также имеет пластинчатую форму. Напротив второй стенки тонкостенного электрода 1 параллельно этой стенке расположено второе пластинчатое непроводящее тело 4, причем указанная стенка отделена от указанного второго тела внутренним пространством 3. Тонкостенный электрод 1 связан с источником высокого напряжения (не показан). Первое непроводящее тело 2 имеет канавки 5, которые, в основном, параллельны друг другу и проходят от проксимального конца до дистального конца 6 линейной комбинированной фильеры. Дистальный конец 6 комбинированной фильеры означает конец линейной комбинированной фильеры, вокруг которой вращается полимерный раствор, который выходит из насадки. В настоящем примерном варианте воплощения размеры площади поперечного сечения канавок 5 составляют 1 х 2 мм. Однако могут иметь место любые другие размеры в зависимости от свойств полимерного вращаемого раствора. Внутреннее пространство 3 служит для подачи воздуха и для направления струи воздуха к дистальному концу 6 линейной комбинированной фильеры. Коллекторный электрод (не показан) расположен на предопределенном расстоянии от дистального конца 6 комбинированной фильеры, и источник высокого напряжения (не показан) включен между коллекторным электродом и тонкостенным электродом 1.
При работе фильеры полимерный раствор проходит под давлением через канавки 5 к дистальному концу 6 комбинированной фильеры. По достижении края тонкостенного проводящего электрода 1 полимерный раствор формируется в небольшие капли или в непрерывный тонкий слой, имеющий малый радиус кривизны. Так как капиллярные силы прямо пропорционально зависят от поверхностного натяжения и от размера элемента поверхности соответствующей жидкости и обратно пропорционально от ее радиуса кривизны, небольшая капля является идеальным источником производства микроволокон или нановолокон в процессе формирования волокна. Значительный градиент электростатической области, имеющийся на дистальном конце тонкостенного электрода 1, вызывает извлечение капель, которые формируют волокно из полимерного раствора. Затем капли движутся к коллекторному электроду, который в настоящем варианте воплощения имеет нулевой потенциал. Это движение капель также поддерживается воздушным потоком, который нагнетается по направлению к дистальному концу 6 линейной комбинированной фильеры. Число одновременно формируемых микроволокон или нановолокон может быть приблизительно равно числу канавок 5. Таким образом, число волокон ограничивается только практической выполнимостью. Использование односторонней линейной комбинированной фильеры согласно изобретению повышает эффективность производства микроволокон и нановолокон, обладающих стабильным составом и высоким качеством. Это осуществляется благодаря тому, что асимметричная линейная комбинированная фильера защищает обрабатываемый полимерный раствор от вредного влияния окружающей среды, так как полимерный раствор не входит в контакт с окружающей атмосферой до формирования капли на дистальном конце линейной комбинированной фильеры, причем развитие капель сразу сопровождаемых формированием микроволокна или нановолокна. Таким образом, отдельные составные части полимерного раствора не испаряются, и не может произойти никаких изменений состава сформированных микроволокон или нановолокон. Другое преимущество связано с легким обслуживанием и очисткой линейной комбинированной фильеры, так как отдельные части фильеры могут быть демонтированы простейшим путем, делая плоские поверхности первого непроводящего тела 2 с канавками 5, так же как поверхности тонкостенного электрода 1 доступными для очистки.
Один примерный вариант воплощения односторонней линейной комбинированной фильеры согласно изобретению показан на фигурах 3 и 4. Первая стенка тонкостенного электрода 1, имеющего форму тонкой пластины, примыкает к первой стенке первого непроводящего тела 2. Напротив второй стенки первого непроводящего тела 2 параллельно этому телу расположено второе непроводящее тело 4, при этом указанная стенка отделена от указанного второго тела внутренним пространством 3. Первая стенка первого непроводящего тела 2 имеет канавки 5, которые, в основном, параллельны друг другу и проходят от проксимального конца до дистального конца 6 линейной комбинированной фильеры. Вторая стенка тонкостенного электрода 1 соединена с первой стенкой третьего непроводящего тела 7. Напротив второй стенки третьего непроводящего тела 7 и параллельно этой стенке расположено четвертое непроводящее тело 8, причем указанная стенка отделена от указанного четвертого тела внутренним пространством 3. Первая стенка третьего непроводящего тела 7 имеет канавки 5, которые, в основном, параллельны друг другу и проходят от проксимального до дистального конца 6 линейной комбинированной фильеры. Тонкостенный электрод 1 связан с источником высокого напряжения (не показан). Коллекторный электрод (не показан) расположен на определенном расстоянии от дистального конца 6 комбинированной фильеры, и источник высокого напряжения (не показан) включен между коллекторным электродом и тонкостенным электродом 1. В настоящем примерном варианте воплощения первое, второе, третье и четвертое непроводящие тела 2,4, 7 и 8 также имеют пластинчатую форму.
В процессе работы функция двухсторонней линейной комбинированной фильеры согласно изобретению аналогична функции односторонней линейной комбинированной фильеры согласно изобретению. Снова полимерный раствор нагнетается по канавкам 5 к дистальному концу 6 комбинированной фильеры. По достижении края тонкостенного проводящего электрода 1 полимерный раствор смешивается и преобразуется в небольшие капли или в непрерывный тонкий слой, имеющий малый радиус кривизны. Значительный градиент электростатической области на дистальном конце 6 тонкостенного электрода 1 вызывает извлечение капель, которые формируют волокно из полимерного раствора. Затем капли перемещаются к коллекторному электроду, который в настоящем примерном варианте воплощения имеет нулевое напряжение. В настоящем варианте воплощения число канавок 5 увеличено в два раза, что может привести к повышению эффективности процесса формирования волокна. Это также может создать новые возможности для дальнейшего усовершенствования. В примерном варианте воплощения изобретения, которое показывают на фигурах 3 и 4, канавки 5 сформированы на поверхности первого непроводящего тела 2 и на поверхности третьего непроводящего тела 7, расположенных непосредственно напротив друг друга. В этом случае канавки 5, сформированные на поверхности первого непроводящего тела 2, и те, которые сформированы на поверхности третьего непроводящего тела 7, могут использоваться для подачи различных жидких смесей. Подготовка реактивных смесей может немедленно предшествовать инициированию последующего процесса формирования волокна. Это позволяет предотвратить нежелательные реакции во время процесса формирования волокна. Внутреннее пространство 3 используется для подачи воздуха и для направления струи воздуха к дистальному концу 6 линейной комбинированной фильеры.
Снова число одновременно сформированных микроволокон или нановолокон может быть приблизительно равно числу канавок 5. Таким образом, число волокон ограничено только практической выполнимостью. Использование двухсторонней линейной комбинированной фильеры согласно изобретению аналогично использованию односторонней линейной комбинированной фильеры по настоящему изобретению, но она дополнительно повышает эффективность производства микроволокон и нановолокон, имеющих стабильный состав и высокое качество. Как односторонние, так и двухсторонние линейные комбинированные фильеры защищают обрабатываемый полимерный раствор от вредного влияния окружающей среды, так как полимерный раствор не входит в контакт с окружающей атмосферой до формирования капель на дистальном конце линейной комбинированной фильеры, при этом создание капель немедленно сопровождается формированием микроволокна или нановолокна. Таким образом, отдельные составные части полимерного раствора не могут испариться и не может произойти никаких изменений состава сформированных микроволокон или нановолокон. Другое преимущество связано с легким обслуживанием и очисткой линейной комбинированной фильеры, так как отдельные части последней могут быть демонтированы простейшим путем, делая плоские поверхности первого и третьего непроводящих тел 2,7 с канавками 5, так же как поверхности тонкостенного электрода 1, доступными для очистки.
Один примерный вариант воплощения комбинированной цилиндрической фильеры согласно изобретению показан на фигуре 5. Это фильера содержит цилиндрический тонкостенный электрод 1, который постепенно входит в ножку к проксимальному концу и расположен в полом цилиндре 10, сделанным из непроводящего материала. Цилиндрический тонкостенный электрод 1 охватывает первое проводящее тело 2, которое сформировано в виде сплошного цилиндра, снабженного множеством канавок на внешней поверхности, при этом указанные канавки проходят к дистальному концу 6 комбинированной цилиндрической фильеры. Части проксимального конца первого непроводящего тела 2 имеют питательный канал 11, имеющий форму кольца, окружающего первое непроводящее тело 2 и получающего полимерный раствор от всех канавок 5 и устье линии питания. Коллекторный электрод 9 расположен на определенном расстоянии от дистального конца 6 комбинированной фильеры, и источник высокого напряжения (не показан) включен между коллекторным электродом и тонкостенным электродом 1. Цилиндрическая комбинированная фильера входит в опорную чашку 12. Проксимальный конец 13 тонкостенного электрода 1 несет держатель 14 фильеры, который имеет канал 15 для соединения линию источника высокого напряжения с тонкостенным электродом 1.
В отношении всех вышеупомянутых вариантов воплощений фильеры согласно изобретению очевидно, что напряжение, то есть разность электрического потенциала между тонкостенным электродом 1 и коллекторным электродом 9, очень важно для функции комбинированной фильеры согласно изобретению, а не для отдельного электрического потенциала самого тонкостенного электрода 1.
При работе функция цилиндрической комбинированной фильеры согласно изобретению аналогична функции вышеуказанной линейной комбинированной фильеры согласно изобретению. Полимерный раствор нагнетается через канавки 5 из канала подачи раствора 11 к дистальному концу 6 комбинированной фильеры. По достижении края тонкостенного проводящего электрода 1 полимерный раствор смешивается и сформирует небольшие капли или непрерывный тонкий слой, имеющий малый радиус кривизны. Значительный градиент электростатической области, созданной на дистальном конце 6 тонкостенного электрода 1, вызывает извлечение капель из полимерного раствора, которые формируют волокно. Затем капли перемещаются к коллекторному электроду, который расположен напротив дистального конца 6 цилиндрической комбинированной фильеры и в настоящем примерном варианте воплощения имеет нулевое напряжение. Это движение капель также поддерживается воздушным потоком, который проходит через внутреннее пространство 3 к дистальному концу 6 линейной комбинированной фильеры. Число одновременно сформированных микроволокон или нановолокон может быть приблизительно равно числу канавок 5. Таким образом, число волокон ограничено только практической выполнимостью. Использование цилиндрической линейной комбинированной фильеры согласно изобретению повышает эффективность производства микроволокон и нановолокон, обеспечивая их стабильный состав и высокое качество. Это достигается благодаря тому, что цилиндрическая комбинированная фильера защищает обрабатываемый полимерный раствор от вредного влияния окружающей среды, так как полимерный раствор не входит в контакт с окружающей атмосферой до формирования капель на дистальном конце линейной комбинированной фильеры, причем создание капель, немедленно сопровождается формированием микроволокна или нановолокна. Таким образом, отдельные составные части полимерного раствора не могут испариться, и не может произойти никаких изменений состава микроволокон или нановолокон. Другое преимущество связано с легким обслуживанием и очисткой комбинированной цилиндрической фильеры. Оно состоит в том, что отдельные части фильеры могут быть демонтированы простейшим путем, делая плоские поверхности первого непроводящего тела 2 с их канавками 5, так же как поверхности тонкостенного электрода 1, доступными для очистки.
Комбинированная фильера согласно всем вышеописанным вариантам воплощения изобретения позволяет формировать волокна из различных типов синтетических и естественных полимеров, которые трудно поддаются преобразованию в нановолокна или микроволокна. Благодаря использованию тонкостенного электрода 1 комбинированная фильера по настоящему изобретению многократно увеличивает силы градиента электростатических областей, внедряя более высокие силы в действие на полимерном растворе. Это, в свою очередь, делает формирование волокон намного легче. Дополнительные касательные силы, которые действуют на поверхности полимерного раствора, облегчают формирование волокон, особенно изготавливаемых из трудно формируемых полимеров. Фильера согласно изобретению повысит общую производительность установки. Ее можно использовать в промышленном производстве нановолокнистых или микроволокнистых материалов посредством электростатического формирования волокон. В то же время сводится к минимуму риск забивания каналов, используемых для распределения полимерных растворов в комбинированной фильере, и легкая последующая очистка даже при использовании множества фильер. До процесса формирования самих волокон полимерная смесь не подвергается воздействию высоких температур. Кроме того, смесь обрабатывается в закрытом пространстве, которое предотвращает любые изменения физических и химических свойств полимерного раствора перед началом процесса формирования волокон.
Это было достигнуто благодаря новой конструкции фильеры, которая основана на результатах числового моделирования, исполненного с намерением продемонстрировать распределения линий воздушного потока и линии электростатических сил около комбинированной фильеры, созданной по настоящему изобретению. Вышеупомянутые результаты были проверены посредством многочисленных экспериментов по формированию волокна, включая синтетические и природные полимеры, причем последние являются наиболее трудно формируемыми. Конструкция фильеры согласно изобретению преодолевает существующие проблемы, связанные с известными фильерами, а именно неравномерное распределение электростатических областей, частое забивание каналов и трудную очистку фильер, низкую производительность и изменение свойств полимерных смесей во время процесса формирования волокна. Комбинированная фильера согласно изобретению осуществляет оптимальные способы дозирования и формования из полимерных смесей, благоприятные распределения линий электростатических сил в условиях высокого напряжения и благоприятное распределение линий воздушного потока. Таким образом, влияние воздуха, который подается в насадку фильеры, может быть сведено к минимуму.
Полимерная смесь распределяется через тонкие канавки 5, сформированные между металлическим тонкостенным электродом 1 и смежным первым непроводящим телом 2 или, в зависимости от обстоятельств, смежным третьим непроводящим телом 7. После выдавливания полимерная смесь спонтанно формируется в небольшие капли на краю проводящего тонкостенного электрода 1. Такое начальное формирование полимерной смеси создает условия, которые благоприятны для развития конусов Тэйлора и для последующего инициирования процесса формирования самого волокна. Будучи подготовленной вышеупомянутым образом, полимерная смесь остается закрытой в замкнутом пространстве. Таким образом, можно эффективно избежать любых нежелательных изменения физических и химических свойств полимерной смеси из-за испарения ее компонентов. Другое преимущество комбинированной фильеры согласно изобретению состоит в этом, все детали фильеры очень легко очистить, потому что фильера не содержит тонких и длинных отверстий (таких как капиллярные трубки и т.д.), которые были бы недоступны для чистки. Дизайн самой комбинированной фильеры разработан таким образом, что фильера является очень легкой, легкосъемной и ее детали можно легко промыть.
Когда тонкостенный электрод 1 связан с высоким электрическим потенциалом, который создает сильную электростатическую область, самый сильный градиент создается на небольшой площади тонкостенного электрода 1, то есть в области, которая соответствует пятну на дистальном конце тонкостенного электрода 1, где формируется капля полимерного раствора. Такие значительные силы градиента электростатической области необходимы для формирования конуса Тэйлора и для инициирования последующего процесса формирования волокна. Конструкция комбинированной фильеры преимущественно основана на тонкой капиллярной фильере, которая имеет несколько явных преимуществ включая, среди прочих, легкую очистку и незначительный риск забивания каналов в процессе формирования волокон наряду с несравнимо более высокой производительностью по сравнению с существующими устройствами.
Еще одно преимущество устройств, составляющих сущность настоящего изобретения, состоит в высокой производительности комбинированных фильер, которые не могут быть достигнуты ни на одном из известных типов фильер, не имея недостатков известной технологии, таких как забивание каналов, изменения в параметрах полимерных растворов во время процесса формирования волокна, последующей сложной очистки и т.д. Такой уровень высокой производительности достигнут умножением распределительных каналов на плоских поверхностях односторонней или двухсторонней линейной комбинированной фильеры или на криволинейной поверхности цилиндрической комбинированной фильеры, и полученным образованием многочисленных миниатюрных капель, из которых формируются конуса Тэйлора, и затем формируются сами волокна.
Кроме того, во всех вышеупомянутых воплощениях комбинированной фильеры используется дополнительный воздушный поток, поддерживающий через свои касательные силы развитие конусов Тэйлора и последующее формирование волокон, не влияя на свойства вращающегося полимерного раствора из-за увеличенной температуры. Расходом потока воздуха можно управлять, чтобы увеличить объем полимерного вращаемого раствора, повышая, таким образом, производительность всего процесса. Помимо этого, возможное регулирование температуры благоприятно влияет на климатические условия в точках формирования отдельных волокон, и в камере осаждения. Таким образом, физические величины, связанные со свойствами воздуха, такими как расход потока воздуха и температура, являются регулируемыми параметрами, которые инициируют процесс, которым можно управлять с целью получения желательных морфологические свойств нановолокнистых и микроволокнистых материалов.
Пример 1
В предпочтительном варианте воплощения изобретения односторонняя комбинированная фильера для осуществления электростатического способа формирования волокна содержит три параллельных пластинчатых компонента, как показано на фигурах 1 и 2. Первое непроводящее тело 2, имеющее толщину 5 мм, находится в тесном контакте с тонкостенным электродом 1, который связан с электрическим источником высокого напряжения. Стенка указанного электрода имеет толщину 1 мм. На ее поверхности, примыкающей к тонкостенному электроду 1 первого непроводящего тела 2, имеются канавки 5, имеющие размер 1 х 2 мм и служащие для распределения полимерной смеси. Полимерная смесь подается по канавкам 5 к краю тонкостенного электрода 1, где она смешивается и формирует небольшие капли или непрерывный тонкий слой, имеющий малый радиус кривизны. Второе непроводящее тело 4 расположено на расстоянии 8 мм от второй стенки тонкостенного электрода 1, создавая, таким образом, внутреннее пространство 3, в которое подается поток воздуха.
Пример 2
В другом предпочтительном варианте воплощения изобретения двухсторонняя комбинированная фильера для осуществления электростатический способа формирования волокна содержит пять параллельных пластинчатых компонентов, которые устроены в следующем порядке: второе непроводящее тело 4, первое непроводящее тело 2, тонкостенный электрод 1, третье непроводящее тело 7 и четвертое непроводящее тело 8. Таким образом, средний компонент представляет собой тонкостенный электрод 1, который сформирован пластиной толщиной 1 мм, высотой 50 мм и длиной 100 мм, которая соединена с источником высокого электрического напряжения. С обеих сторон поверхности тонкостенного электрода 1 близко примыкают к первому непроводящему телу 2, которое сформировано пластиной толщиной 5 мм, и к третьему непроводящему телу 7, также толщиной 5 мм. На их поверхностях, примыкающих к тонкостенному электроду 1, первое и третье непроводящие тела 2, 7 имеют канавки 5 размером 1 х 2 мм, которые служат для распределения двух различных жидких смесей. Каждая смесь индивидуально подается по соответствующими канавками 5 к краю тонкостенного электрода 1, который расположен в центре на дистальном конце 6 двухсторонней комбинированной фильеры, где смеси смешиваются и формируются в небольшие капли или в непрерывный тонкий слой, имеющий малый радиус кривизны. Второе непроводящее тело 4 расположено на расстоянии 8 мм от первого непроводящего тела 2, и между этими двумя телами создается внутреннее пространство 3, служащее для подачи и направления воздуха, который течет к дистальному концу 6 комбинированной фильеры. Аналогичным образом, четвертое непроводящее тело 8 расположено на расстоянии 8 мм от третьего непроводящего тела 7, и между этими двумя телами создано внутреннее пространство 3, которое служит для подачи и направления воздуха, который течет к дистальному концу 6 комбинированной фильеры.
Пример 3
В другом предпочтительном варианте воплощения изобретения комбинированная фильера содержит тонкостенный электрод 1 в виде тонкостенного полого цилиндра, который имеет диаметр 50 мм и толщину стенки 1 мм. Внутренняя сторона стенки указанного цилиндра соединена с первым непроводящим телом 2, имеющим вид сплошного цилиндра. Поверхности указанного сплошного цилиндра имеют 16 канавок 5 размером 1 х 2 мм, которые служат для подачи полимерной смесь. Полимерная смесь подается из бака-хранилища по подающему каналу 11, окружающему первое непроводящее тело 2 в канавки 5, и далее нагнетается через указанные канавки, так же как через отверстия, при этом указанная смесь подается нисходящим потоком к краю тонкостенного электрода 1, где смесь формируется в небольшие капли. Расход потока полимерных смесей лежит в диапазоне между 10 и 10000 μл/мин. Второе непроводящее тело 4 также имеет форму полого цилиндра, закрепленного на определенном расстоянии от тонкостенного электрода 1. В этом примерном варианте воплощения, расстояние 8 мм между тонкостенным электродом 1 и вторым непроводящим телом 4 создает внутреннее пространство 3, которое служит для подачи потока воздуха, подогреваемого в диапазоне от 20 до 100°С и при расходе от 0 до 1000 л/мин соответственно. Внутреннее пространство 3 включает полый непроводящий цилиндр 10, имеющий электроизоляционные и теплоизоляционные свойства. Таким образом, градиент электрического поля лучше сконцентрирован и усилен, теплообмен от потока воздуха через тонкостенный электрод 1 в полимерную смесь предотвращается и, кроме того, формируется внешняя поверхность оболочки электрического поля, чтобы удерживать избыточную полимерную смесь.
Промышленная применимость
Изобретение особенно полезно для лабораторной подготовки и промышленного производства волокнистых материалов, таких как материалы, состоящие из нановолокон или микроволокон, полученных методом электростатического формирования волокон.