ПРЯДИЛЬНАЯ ФИЛЬЕРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НАНОВОЛОКОННЫХ И МИКРОВОЛОКОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
SPINNING DIE FOR PRODUCTION NANOFIBER AND MICROFIBER MATERIALS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к производству нановолоконных и микроволоконных материалов, в котором используется рабочий электрод, подсоединенный к одному полюсу источника высокого напряжения, причем электрод состоит из компонентов, проводящих и не проводящих электрический ток, и в него по двум отдельным распределительным каналам, соединенным с двумя соответствующими дозирующими устройствами, подаются две разные смеси для прядения, при этом из одной смеси формируется продольная сердцевина волокна, а из другой смеси формируется его продольная оболочка, причем дополнительно фильеру обтекает подаваемый поток воздуха.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ электростатического прядения, используемый для производства нановолоконных и микроволоконных материалов, основывается на использовании двух электродов, подсоединенных к точкам с противоположными электрическими потенциалами. В базовой конструкции один из электродов используется для дозирования полимерного раствора и его формирования в криволинейные элементы с малыми радиусами кривизны. Под действием сил очень сильного электрического поля формируется так называемый конус Тейлора и одновременно возникает волокно, которое электростатические силы притягивают к противоположному электроду, имеющему другую полярность и служащему для захвата летящих волокон. После захвата волокна формируют на поверхности противоположного электрода сплошной слой, составленный из хаотично расположенных волокон малого диаметра (обычно в диапазоне от десятков нанометров до нескольких микрометров). Для обеспечения формирования волокна в сильном электрическом поле необходимо обеспечить выполнение ряда условий в отношении физических и химических свойств самого полимерного раствора, условий внешней среды, а также формы и размеров электродов. Когда в подходящую фильеру подаются два разных материала с соблюдением нескольких обязательных условий, могут формироваться коаксиальные волокна, которые состоят из коаксиальной сердцевины, сформированной из одного из двух разных материалов, и из оболочки, сформированной из другого материала. Такой процесс указывается как коаксиальное электростатическое прядение. Как можно понять, для получения таких коаксиальных волокон с использованием вышеуказанной технологии должен быть получен конус Тейлора, который начинается из внутренней капли одной из смесей и из охватывающей ее внешней капли другой смеси. Для этого две разные смеси подаются с помощью коаксиальной электропроводной фильеры.
В связи с развитием новых нановолоконных и микроволоконных материалов и их применений продолжают расширяться требования в отношении различных морфологических параметров таких материалов. То же самое относится к требованиям в отношении создания более сложных наноструктур и микроструктур с расширенными функциональными возможностями. В современных приложениях упрощенная концепция волокна как объекта, имеющего тонкую длинную форму с круговым поперечным сечением, сменилась концепцией волокон с модифицированными наноструктурами или микроструктурами. Такие структурные модификации могут также включать коаксиальные волокна, состоящие из сердцевины и оболочки, выполненных из двух разных материалов. Конечный продукт, изготовленный из таких коаксиальных волокон, может использоваться в современных медицинских применениях, а также в других промышленных применениях (регулируемое высвобождение лекарственных средств, повышенная поверхностная активность волокон, улучшенные механические характеристики, повышенная эффективность фильтрации и др.). Примеры применений включают новый материал, используемый для регулируемого распределения и высвобождения лекарственных средств, причем первоначально первый материал высвобождается из оболочки волокна, а затем второй материал высвобождается из его сердцевины (кинетика реакций регулируется структурой материала). Кроме того, в оболочку могут быть инкапсулированы другие частицы или субстанции, такие как вирусы, бактерии и т.п., которые не могут быть введены отдельно в процессе прядения или же могут быть повреждены или могут быстро потерять свою эффективность в процессе прядения. Оболочка также может быть неразрушаемой преградой, обеспечивающей возможность инкапсуляции токсичных веществ используемых, например, для целей измерений, диагностики и т.п. Напротив, сердцевина может прикреплять второй материал, то есть смесь, содержащуюся в оболочке, к своей поверхности, если такой материал сам по себе не поддается прядению, однако его функция совершенно необходима для соответствующего применения. Внутренний материал может быть удален затем на последующей стадии процесса для получения волокон с полой внутренней частью. Таким образом, могут быть сформированы наноканалы или микроканалы, в результате чего может быть увеличена удельная поверхность соответствующего волоконного материала, могут быть получены микропипетки и т.п. Другое достоинство таких волокон заключается в том, что они обладают улучшенными механическими характеристиками, причем такие характеристики имеет один из материалов, который обеспечивает несущую конструкцию для другого материала. Вышеуказанный диапазон возможных применений со всей очевидностью показывает, что значение разработки и использования сложных нановолоконных и микроволоконных материалов в будущем будет повышаться и промышленное производство коаксиальных волокон будет все более востребованным.
Способ электростатического прядения коаксиальных волокон заключается в дозированной подаче двух разных растворов с помощью фильеры для формирования одной миниатюрной коаксиальной капельки, причем один раствор подается через внутреннее круговое сопло, а другой раствор подается через внешнее кольцевое сопло, которое тесно облегает внутреннее сопло. Оба сопла, имеющие малые диаметры (диаметр внешнего сопла обычно не превышает 2 мм, и диаметр внутреннего сопла не превышает 1 мм), соединены с точкой, на которую подается потенциал высоковольтного источника. Другой полюс этого источника соединен с противолежащим собирающим электродом, притягивающим волокна в результате действия электростатического поля. Конструкция такой коаксиальной фильеры описана, например, в документах US 20060213829, WO 2012058425 и GB 2482560. Имеются и другие патентные документы, относящиеся к производству коаксиальных волокон. Однако в этих документах раскрываются решения, в которых используется одна коаксиальная фильера, которая имеет недостаточную производительность, и с практической точки зрения может использоваться для получения нановолоконных и микроволоконных материалов лишь для лабораторных целей. Таким образом, существует потребность в технических решениях, обеспечивающих технологию широкомасштабного производства, которая позволяла бы наладить промышленное производство коаксиальных нановолоконных или микроволоконных материалов. Такое решение, обеспечивающее повышенную производительность, раскрыто в документе US 20120034461, в котором предложены отдельные коаксиальные фильеры, имеющие одинаковую конструкцию, и, таким образом, повышенная производительность достигается за счет использования множества фильер и группирования их внутри микроколлектора. Система миниатюрных фильер, раскрытая в вышеуказанном документе, не обеспечивает решения задачи цикличного производства. В частности, отсутствует возможность чистки фильер в процессе практического производства. Другое решение для промышленного производства коаксиальных фильер описано в патентном документе CZ 302876 (В6). В вышеуказанном документе раскрывается решение, в котором используются две смеси, протекающие по проводящему электроду, без формирования двухкомпонентной капельки, необходимой для непосредственного получения коаксиального волокна. Когда две смеси протекают по электроду, они смешиваются возле него, что приводит к неконтролируемому распределению компонентов в формируемом волокне, то есть в его сердцевине или в оболочке. Таким образом, очень просто обеспечивается независимое и раздельное прядение разных материалов. После прохождения по электроду жидкая смесь не может быть использована повторно и, соответственно, не может быть затем восстановлена каким-либо подходящим способом. В этом заключается основной недостаток этого решения для промышленного производства, принимая во внимание то обстоятельство, что натуральные исходные материалы или их компоненты, используемые для производства коаксиальных волокон, достаточно дороги.
Основная проблема, связанная с формированием коаксиальных волокон, состоит в сложном и дорогостоящем производстве специальных тонких коаксиальных фильер. При производстве коаксиальных волокон в увеличенных масштабах по сравнению с производством для лабораторных целей соответствующее множество фильер формирует рабочий электрод. Технические решения, которые раскрываются в вышеуказанных документах, связаны с большим объемом технического обслуживания оборудования и не очень подходят для долговременного производства коаксиальных волокон. Многолетний опыт заявителей по настоящей заявке в данной области техники показывает, что смеси часто затвердевают внутри тонких капилляров даже в тех случаях, когда используются простые некоаксиальные фильеры, в результате чего необходимо выполнять их чистку, которая требует больших затрат времени. В некоторых случаях такие фильеры вообще невозможно прочистить. Если бы была предложена оригинальная многоканальная прядильная фильера, обеспечивающая возможность производства коаксиальных волокон в промышленных масштабах не за счет комплексирования множества тонких коаксиальных фильер, известных в технике, и техническое обслуживание которой было бы простым и быстрым, то была бы обеспечена уникальная возможность перехода от производства коаксиальных волокон в лабораторных целях к действительно промышленному производству. Такая фильера должна обеспечивать возможность надежного формирования двухкомпонентной капельки (состоящей из внутренней капельки и внешней оболочки) из двух независимо дозируемых смесей для создания конуса Тейлора, имеющего заданную коаксиальную структуру.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения заключается в создании оригинальной конструкции высокопроизводительной фильеры, которая обеспечивает возможность получения нановолоконных или микроволоконных материалов из отдельных коаксиальных волокон, которые формируются из сердцевины, состоящей из одного из двух разных материалов, и оболочки, состоящей из второго материала.
Указанная цель во многом достигается с использованием прядильной фильеры, предназначенной для производства нановолоконных и микроволоконных материалов, которая в соответствии с изобретением содержит:
- первую пластинку, снабженную по меньшей мере одной сквозной канавкой для направления первого материала к выпускной части сквозной канавки на передней стороне первой пластинки;
- вторую пластинку, снабженную по меньшей мере одной сквозной канавкой для направления второго материала к выпускной части сквозной канавки второй пластинки, причем выпускная часть расположена возле выпускной части первой пластинки; и
- разделительную пластинку, расположенную между первой пластинкой и второй пластинкой для отделения сквозных канавок первой пластинки от сквозных канавок второй пластинки, причем передняя сторона разделительной пластинки формирует с передней стороной первой пластинки и/или с передней стороной второй пластинки сплошную поверхность в зоне выпускных частей сквозных канавок.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов первая пластинка выполнена из электроизоляционного материала, а вторая пластинка и разделительная пластинка выполнены из электропроводного материала.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом сквозные канавки первой пластинки шире сквозных канавок второй пластинки и выходят за границы сквозных канавок второй пластинки с каждой стороны, причем продольные оси сквозных канавок накладываются друг на друга по меньшей мере в зоне выпускных частей сквозных канавок, если смотреть в плоскости, перпендикулярной разделительной пластинке.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом прядильная фильера содержит третью пластинку, которая снабжена сквозными канавками, выходящими на передней стороне третьей пластинки, и которая прилегает ко второй пластинке, причем выпускные части сквозных канавок третьей пластинки расположены возле соответствующих выпускных частей сквозных канавок второй пластинки.
В соответствии с другим вариантом прядильная фильера содержит четвертую пластинку, находящуюся на некотором расстоянии от второй пластинки и служащую для подачи формирующего и/или нагревающего воздуха к передним сторонам первой пластинки, разделительной пластинки и второй пластинки.
В соответствии еще с одним вариантом прядильная фильера содержит пятую пластинку, находящуюся на некотором расстоянии от третьей пластинки, и шестую пластинку, находящуюся на некотором расстоянии от первой пластинки, причем пятая и шестая пластинки служат для подачи формирующего и/или нагревающего воздуха к передним сторонам первой пластинки, разделительной пластинки, второй пластинки и третьей пластинки с каждой стороны.
В предпочтительных вариантах передние стороны первой пластинки, разделительной пластинки, второй пластинки и третьей пластинки формируют канал на выпускной стороне прядильной фильеры, продольная ось которого параллельна передней стороне разделительной пластинки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет описано ниже более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фигура 1 - схематический вид сверху части прядильной фильеры по настоящему изобретению;
фигура 2 - схематический вид продольного сечения прядильной фильеры по настоящему изобретению, показанной на фигуре 1;
фигура 3 - схематический вид продольного сечения второго иллюстративного варианта прядильной фильеры по настоящему изобретению;
фигура 4 - схематический вид продольного сечения третьего иллюстративного варианта прядильной фильеры по настоящему изобретению;
фигура 5 - схематический вид продольного сечения четвертого иллюстративного варианта прядильной фильеры по настоящему изобретению;
фигура 6 - схематическая иллюстрация процесса формирования коаксиального волокна с использованием варианта прядильной фильеры, представленного на фигуре 1.
ИЛЛЮСТРАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фигуре 1 приведен схематический вид сверху дистального конца прядильной фильеры по настоящему изобретению. Прядильная фильера содержит первую пластинку 1, в которой выполнена сквозная канавка 2 и к которой прилегает разделительная пластинка 8 таким образом, что она полностью перекрывает сквозную канавку 2 в поперечном направлении. С противоположной стороны разделительная пластинка 8 прилегает ко второй пластинке 5, в которой выполнена сквозная канавка 6, таким образом, что разделительная пластинка 8 полностью перекрывает сквозную канавку 6 в поперечном направлении. Противоположная сторона второй пластинки 5 прилегает к третьей пластинке 11, в которой выполнена сквозная канавка 12, таким образом, что вторая пластинка 5 полностью перекрывает сквозную канавку 12 в поперечном направлении. Сквозные канавки 2 и 12 первой пластинки 1 и третьей пластинки 11 соответственно проходят с двух сторон напротив сквозной канавки 6 второй пластинки 5, причем центры сквозных канавок 2, 6, 12 соответственно первой 1, второй 5 и третьей 11 пластинок находятся на одной линии, как это видно на виде сверху дистального конца прядильной фильеры, причем эта линия перпендикулярна лицевой поверхности разделительной пластинки 8, которая прилегает к первой пластинке 1. Сквозная канавка 6 предназначена для направления материала сердцевины коаксиального волокна, а сквозные канавки 2 и 12 предназначены для направления материала оболочки, охватывающей сердцевину коаксиального волокна. Вторая пластинка 5 и разделительная пластинка 8 выполнены из электропроводного материала, в то время как первая пластинка 1 и третья пластинка 11 выполнены из электроизоляционного материала. Первая 1, вторая 5 и третья 11 пластинки могут быть снабжены множеством сквозных канавок 2, 6, 12 соответственно, причем на дистальном конце прядильной фильеры формируются выпускные части 3, 7, 14 отдельных канавок, расположение которых соответствует расположению канавок, показанному на фигуре 1. Первая 1, вторая 5 и третья 11 пластинки, а также разделительная пластинки 8 жестко соединены между собой с возможностью рассоединения, например, с помощью винтов. На некотором расстоянии от дистального конца составной прядильной фильеры расположен собирающий электрод (не показан). Высоковольтный источник (также не показан) подсоединен между собирающим электродом и второй пластинкой 5, которая соединена с разделительной пластинкой 8.
На фигуре 2 схематически показан вид продольного сечения прядильной фильеры по первому иллюстративному варианту осуществления изобретения, показанному на фигуре 1, причем сечение выполнено по линии А-А фигуры 1. Как показано на фигуре 2, передняя сторона 4 первой пластинки 1 вместе с выпускной частью 3 сквозной канавки 2 первой пластинки 1, а также передняя сторона 13 третьей пластинки 11 вместе с выпускной частью 14 сквозной канавки 12 третьей пластинки 11 формируют приподнятые стенки канала, а нижняя его часть формируется передней стороной 9 разделительной пластинки 8 и передней стороной 10 второй пластинки 5 вместе с выпускной частью 7 сквозной канавки 6 второй пластинки 5.
На фигуре 3 показан схематический вид аналогичного продольного сечения второго иллюстративного варианта прядильной фильеры. Этот вариант прядильной фильеры отличается от предыдущего тем, что в нем нет третьей пластинки 11.
На фигуре 4 показан схематический вид аналогичного продольного сечения третьего иллюстративного варианта прядильной фильеры. Последняя фильера сформирована на основе второго иллюстративного варианта. Однако она дополнительно снабжена четвертой пластинкой 15, которая установлена параллельно второй пластинке 5 и находится от нее на некотором расстоянии. Четвертая пластинка 15 обычно выполняется из электроизоляционного материала. Зазор между второй пластинкой 5 и четвертой пластинкой 15 предназначен для подачи потока воздуха, обычно теплого, для воздействия на формирование коаксиального конуса 19 Тейлора (см. фигуру 6) в непосредственной близости от выпускной части фильеры. В этом варианте воздух, подаваемый в этот промежуточный зазор, нагревают до температуры в диапазоне от 20°C до 100°C, и его расход составляет от 0 л/мин до 1000 л/мин.
На фигуре 5 показан схематический вид аналогичного продольного сечения четвертого иллюстративного варианта прядильной фильеры. Последняя фильера сформирована на основе первого иллюстративного варианта. Однако она снабжена дополнительно пятой пластинкой 16, которая установлена параллельно третьей пластинке 11 и находится от нее на некотором расстоянии, а также шестой пластинкой 17, которая установлена параллельно первой пластинке 1 и находится от нее на некотором расстоянии. Зазоры между первой пластинкой 1 и шестой пластинкой 17, а также между третьей пластинкой 11 и пятой пластинкой 16 предназначены для подачи потока воздуха, обычно теплого, для воздействия на формирование коаксиального конуса 19 Тейлора (см. фигуру 6) в непосредственной близости от выпускной части фильеры. Пятая пластинка 16 и шестая пластинка 17, как правило, выполняется из электроизоляционного материала.
На фигуре 6 приведена схематическая иллюстрация процесса формирования коаксиального волокна с использованием варианта прядильной фильеры, показанного на фигурах 1 и 2. На продольном сечении прядильной фильеры на стадии А показаны сквозные канавки 2, 6, 12 соответственно первой 1, второй 5 и третьей 11 пластинок. На стадии В на продольном сечении прядильной фильеры показано экструдирование первого материала для формирования оболочки микроволокна или нановолокна через сквозные канавки 2 и 12 первой 1 и третьей 11 пластинок соответственно, причем экструдируемый первый материал формирует капельку 18 в канале на выпускной части фильеры. На стадии С, как можно видеть на продольном сечении прядильной фильеры, осуществляется экструдирование второго материала через сквозную канавку 6 второй пластинки 5 для формирования сердцевины микроволокна или нановолокна, причем выпускная часть 7 (см. фигуру 2) сквозного канала 6 расположена между выпускными частями 3 и 14 сквозных канавок 2 и 12 первой 1 и третьей 11 пластинок соответственно. Второй материал вдавливается в капельку, сформированную из первого материала. На стадии D после подачи напряжения на прядильную фильеру формируется коаксиальный конус 19 Тейлора.
В каждом из вышеописанных вариантов в первой 1, второй 5 и третьей 11 пластинках могут быть выполнены группы сквозных канавок 2, 6, 12 соответственно, соответствующие проксимальные концы которых соединены с устройствами подачи первого и второго материалов, так что в одной фильере может быть сформирована группа параллельных коаксиальных волокон. Единственное предварительное условие заключается в том, что проксимальные концы всех сквозных канавок 6 второй пластинки 5 должны быть подсоединены к устройству подачи материала сердцевины для формируемого коаксиального волокна, проксимальные концы всех сквозных канавок 2 и 12 первой 1 и третьей 11 пластинок соответственно должны быть подсоединены к устройству подачи материала оболочки для формируемого коаксиального волокна, и соответствующие выпускные части 3, 7, 14 сквозных канавок 2, 6, 12 соответственно должны быть расположены, как это указано на фигуре 1.
Из вышеприведенного описания конструкции многоканальной прядильной фильеры может понять, что после демонтажа прядильной фильеры и рассоединения первой 1, второй 5, третьей 11 пластинок, а также разделительной пластинки 8 стенки пластинок и в особенности поверхности сквозных канавок 2, 6, 12 становятся доступными, в результате чего упрощается их чистка и стерилизация.
Что касается самого процесса прядения, то конструкция прядильной фильеры, раскрытая в настоящей заявке, обеспечивает возможность ее достаточно широкого применения. Так, могут быть получены различные структуры формируемых коаксиальных волокон. Внутренние электропроводные сквозные канавки 6, формирующие электрод, подсоединенный к одному из полюсов высоковольтного источника (не показан), предназначены для дозированной подачи смеси, представляющей первый материал, в то время как сквозные канавки 2 и 12, сформированные соответственно в первой 1 и третьей 11 электроизоляционных пластинках, которые тесно прилегают к электропроводной второй пластинке 5, предназначены для дозированной подачи смеси, представляющей второй материал. Могут использоваться следующие режимы прядения:
- если смесь состоит из двух отличающихся материалов, то в процессе прядения будут формироваться коаксиальные волокна, каждое из которых содержит сердцевину, сформированную из первого материала, и оболочку, сформированную из второго материала;
- если первый материал смеси заместить газом, то в процессе прядения будут формироваться полые волокна, содержащие только второй материал;
- если первый материал смеси содержит дисперсию частиц в газообразной или жидкой среде, то в процессе прядения эти частицы будут инкапсулированы в структуре волокон, которая состоит из второго материала; такими частицами могут быть кристаллы, бактерии, вирусы, лечебные вещества, стимуляторы роста, ДНК, полипептиды и т.п.;
- если первый материал смеси состоит из растворенного веществ, формирующего раствор, а второй материал смеси представляет собой дисперсию частиц в газообразной или жидкой среде, то в процессе прядения будут формироваться волокна, сердцевины которых состоят из первого растворенного материала, а оболочки состоят из второго, зернистого материала; частицы не обязательно должны быть материалом, который можно прясть отдельно; как и в предыдущем случае, указанными частицами могут быть кристаллы, бактерии, вирусы, лечебные вещества, стимуляторы роста, ДНК, полипептиды и т.п.;
- электрод также может использоваться в процессе электростатического прядения, в котором обеспечивается возможность формирования нанокапелек и микрокапелек, имеющих структуру "сердцевина-оболочка";
- первый материал смеси может быть заменен газом, подаваемым дозированно таким образом, чтобы обеспечивалось формирование пузырька внутри второго материала смеси; в этом случае процесс прядения происходит на основе конусов Тейлора, сформированных на тонком слое нижележащего пузырька внутри второго материала смеси.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Настоящее изобретение особенно подходит для получения в лаборатории, а также для промышленного производства волоконных материалов, таких как материалы, состоящие из нановолокон или микроволокон, имеющих коаксиальную структуру, с использованием способа электростатического прядения.