УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОФОРМОВАНИЯ НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к устройствам для получения нетканых материалов электроформованием растворов или расплавов полимеров с использованием ультразвуковых колебаний.
Известно устройство для получения нетканого материала электроформованием раствора полимеров (патент на полезную модель RU 134536, МПК D01D5/00, D04H3/00, опубликовано 20.11.2013), состоящее из узла подачи полимерного раствора, оканчивающегося металлическим капилляром, соединенным с источником высокого напряжения, и заземленного осадительного электрода для формирования нетканого материала из осаждаемых полимерных волокон. Устройство дополнительно содержит ультразвуковой аэрозольный генератор для покрытия осаждаемого волокна аэрозолем технологического или функционального соединения, расположенный вблизи осадительного электрода.
Однако известное устройство не позволяет подавать через капилляр полимерный раствор высокой вязкости.
Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для изготовление нетканого материала (патент на изобретение CN 103757719, МПК D01D 5/00, D01D 7/00, D01D 13/02, опубликовано 30.04.2014), содержащее волокнообразующий электрод, размещённый в ванне с раствором, собирательный электрод, ультразвуковой генератор, соединенный с одним концом волокнообразующего электрода при помощи первой ультразвуковой колебательной системы. Волокнообразующий электрод выполнен в виде набора пластин, на боковых сторонах, обращенных к собирательному электроду, которого расположены треугольные выступы.
Недостатком прототипа является недостаточно эффективное распыление материала с волокнообразующего электрода в местах нахождения узлов стоячих волн.
Техническая проблема заключается в качественном равномерном распылении полимера со всей поверхности волокнообразующего электрода при электроформовании из полимера с высокой вязкостью.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в более равномерном распределении ультразвуковых колебаний по всей поверхности волокнообразующего электрода для снижения прилипания полимера к его поверхности.
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для электроформования нетканого материала, включает волокнообразующий электрод резонансных размеров, размещённый в ванне для прядильного полимерного раствора, собирательный электрод, расположенный над волокнообразующим электродом и прикрепленный к ванне при помощи рамы, первый ультразвуковой генератор с частотой f1, соединенный с первым концом волокнообразующего электрода при помощи первой ультразвуковой колебательной системы, согласно решению содержит второй ультразвуковой генератор с частотой f2, соединенный с вторым концом волокнообразующего электрода при помощи второй ультразвуковой колебательной системы, при этом первая и вторая ультразвуковые колебательные системы включают первый и второй ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь с частотой f1 и f2 соответственно, снабженные кольцевыми коллекторами, соединенными с соответствующим ультразвуковым генератором, а также первый и второй трансформатор с длиной l=λ1(f1)/2 и l=λ2(f2)/2 соответственно, где λ1 и λ2 – длина продольной волны ультразвуковых колебаний в материале соответствующего трансформатора, причем один конец каждого трансформатора жестко соединен с выходом соответствующего ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя на одной оси с ним, а другой конец жестко соединен с соответствующим концом волокнообразующего электрода на одной оси с ним; устройство содержит электромеханический привод вращения волокнообразующего электрода с выходным валом, расположенным внутри кольцевых коллекторов и жестко соединен с первым ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем на одной оси с ним. Устройство дополнительно снабжено, по крайней мере, двумя пьезоэлектрическими преобразователями, закрепленными на дне ванны для прядильного полимерного раствора. Устройство содержит дополнительный электромеханический привод вращения волокнообразующего электрода с выходным валом, расположенным внутри кольцевых коллекторов и жестко соединен с вторым ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем на одной оси с ним. Волокнообразующий электрод выполнен в виде металлического цилиндра или в виде двух соосно расположенных торцевых дисков, соединенных между собой по периметру струнами.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 представлены варианты заявляемого устройства с разными типами резонансных ультразвуковых волокнообразующих электродов. Позициями на чертежах обозначены:
1 -  резонансный волокнообразующий ультразвуковой электрод;
2 -  ванна;
3 -  собирательный электрод;
4 -  первый ультразвуковой генератор;
5 -  второй ультразвуковой генератор;
6 -  первый пьезоэлектрический преобразователь;
7 -  второй пьезоэлектрический преобразователь;
8 -  дополнительный пьезоэлектрический преобразователь;
9 -  кольцевой коллектор;
10 -  первый трансформатор;
11 -  второй трансформатор;
12 -  электромеханический привод вращения;
13 -  выходной вал;
14 -  несущий вал;
15 -  торцевой диск;
16 -  струна;
17 -  эпюра амплитуды смещения от ультразвуковых колебаний, возбуждаемых первым ультразвуковым преобразователем на резонансной частоте f1;
18 -  эпюра амплитуды смещения от ультразвуковых колебаний, возбуждаемых вторым ультразвуковым преобразователем на резонансной частоте f2;
19 -  блок управления.
1
2
Устройство для электроформования нетканого материала содержит волокнообразующий электрод 1, размещённый в ванне 2 для прядильного полимерного раствора и подключенный к первому полюсу источника высокого напряжения (на чертежах не показан). Волокнообразующий электрод может быть выполнен в виде металлического цилиндра длиной L, закрепленного в ванне 2 горизонтально с возможностью вращения вокруг своей оси так, чтобы нижняя часть цилиндра по всей длине была погружена в прядильный полимерный раствор, а верхняя возвышалась над его поверхностью (фиг. 1). На фиг. 2 показано заявляемое устройство с резонансным ультразвуковым волокнообразующим электродом барабанного типа, который содержит несущий вал 14 длиной L, два торцевых диска 15 диаметром D, жестко закреплённых перпендикулярно несущем валу и соединенных между собой по периметру струнами 16, снабженными пружинным устройством натяжения. Все элементы электрода размещены строго осесимметрично. Барабан на валу 14 закреплен в ванне 2 горизонтально с возможностью вращения вокруг своей оси так, чтобы нижние струны по всей длине были погружены в прядильный полимерный раствор, а верхние возвышались над его поверхностью. К одному торцу волокнообразующего электрода 1 жестко прикреплена первая ультразвуковая колебательная система, включающая в себя первый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 6 с частотой f1 и первый трансформатор 10. К другому торцу волокнообразующего электрода жестко прикреплена вторая ультразвуковая колебательная система, включающая в себя второй ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 7 с частотой f2 и второй трансформатор 11. Трансформатор ультразвуковой колебательной системы представляет собой осесимметричную конструкцию, например, решение согласно авторскому свидетельству SU 1378927, МПК B06B 1/00, опубликовано 07.03.1988, или любую другую известную конструкцию полуволнового трансформатора, причем каждый трансформатор жестко соединен с волокнообразующим электродом на одной оси с ним. К первому трансформатору 10 жестко присоединен выход первого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя 6 на одной оси с ним, а преобразователь снабжен кольцевыми коллекторами 9, электрически соединенными с первым ультразвуковым генератором 4 с частотой f1. К второму трансформатору 11 жестко присоединен выход второго ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя 7 на одной оси с ним, а преобразователь снабжен кольцевыми коллекторами 9, электрически соединенными с вторым ультразвуковым генератором 5 с частотой f2. Ультразвуковые генераторы выбирают из условий достижения разных амплитудно-частотных комбинаций, возбуждаемых в волокнообразующем электроде, например f1=22 кГц, f2=44 кГц. При этом элементы конструкции имеют следующие размеры: L=К⋅λ/2, где λ– длина продольной волны ультразвуковых колебаний в материале цилиндра, вала и струны на резонансной рабочей чистоте преобразователя, К – число полуволн продольной волны ультразвуковых колебаний; D=λизг, где λизг – длина волны ультразвуковых колебаний в материале торцевого диска на резонансный рабочей частоте преобразователя; первый и второй трансформаторы имеют длину l=λ1(f1)/2 и l=λ2(f2)/2 соответственно, где λ1 и λ2 – длина продольной волны ультразвуковых колебаний в материале соответствующего трансформатора, возбуждаемых первым с частотой f1 и вторым с частотой f2 ультразвуковым генератором соответственно. Устройство снабжено собирательным электродом 3, подключенным к второму полюсу источника высокого напряжения (на чертежах не показан) и закрепленным над волокнообразующим электродом 1 при помощи рамы (на чертеже не показана), скрепленной с ванной 2. Устройство содержит электромеханический привод 12 вращения волокнообразующего электрода 1 с выходным валом 13, расположенным внутри кольцевых коллекторов 9 первого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя 6 и жестко соединенным с первым ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем 6 на одной оси с ним. Устройство может содержать дополнительный электромеханический привод 12 вращения волокнообразующего электрода 1 с выходным валом 13, расположенным внутри кольцевых коллекторов 9 второго ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя 7 и жестко соединенным с вторым ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем 7 на одной оси с ним. С целью поддержания стабильности свойств полимерного раствора в процессе работы и в холостом режиме, а также обеспечения качественной ускоренной очистки волокнообразующего электрода и ванны, в дно ванны встроены не менее двух дополнительных ультразвуковых преобразователей 8, подключенных к любому из ультразвуковых генераторов и имеющих соответствующие частотные характеристики. Устройство содержит блок управления 19 питанием исполнительных механизмов устройства.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Ванну 2 заполняют прядильным полимерным раствором или расплавом. При помощи блока управления 19 включают источник высокого напряжения, питающий электроды 1 и 3, ультразвуковые генераторы 4 и 5, которые через кольцевые коллекторы 9 подают питание на ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи 6 и 7, которые с помощью трансформаторов 10 и 11 возбуждают в волокнообразующем электроде ультразвуковые колебания на различных частотах, например 22 кГц и 44 кГц. В результате в волокнообразующем электроде возникают две стоячие волны с эпюрами 17 и 18, а благодаря их суперпозиции уменьшается количество узловых точек, где амплитуда смещения от ультразвуковых колебаний предельно мала. Далее включают электромеханический привод 12, вращающий волокнообразующий электрод 1, смоченный тонким слоем прядильного раствора. В этот момент на нанесенный слой раствора действует электростатическое поле и ультразвуковые колебания, возбужденные в электроде. Происходит одновременное действие на полимерный слой сил, созданных электростатическим полем и ультразвуковыми колебаниями в стенке волокнообразующего электрода. Под действием этих сил происходит заряжение частиц жидкости, соединение и отталкивание заряженных капель, ультразвуковое воздействие приводит к параметрическому возбуждению капиллярных волн, в результате работы которых, происходит явления звукокапиллярного эффекта – движения жидкости, образование капель, пузырей, схлопывания пузырей (кавитация). Эти одновременные воздействия на слой прядильного полимерного раствора приводят к энергетическому обогащению процесса распыления пленочного слоя, что в итоге позволяет значительно расширить технологические возможности процесса электроформования полимерных нановолокнистых материалов на собирательном электроде 3. При помощи пьезоэлектрических преобразователей 8 осуществляют ультразвуковую обработку прядильного полимерного раствора для поддержания стабильности его рабочих характеристик, а при необходимости осуществляют ультразвуковую очистку рабочих элементов вращающегося волокнообразующего электрода на рабочем месте без его съёма с устройства.
Пример конкретного выполнения.
5
5
3
5
3
5
3
1
2
1
2
Расчёты по определению резонансных размеров рабочих элементов устройства производились согласно литературному источнику [Физика и техника мощного ультразвука. Том 3. Физические основы ультразвуковой технологии. Издательство «Наука». Москва, 1970 г. Стр. 220-225]. Несущий вал 14 выполнен из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Его длину L рассчитывают по формуле L=кС/2fр, где к - число полуволн в стержне, С - скорость звука продольной волны С=5,1⋅10 см/сек; fр – резонансная рабочая частота пьезоэлектрического преобразователя выбирается из конструкционно-технологических задач устройства. fр=22 кГц, Lв=к⋅5,1⋅10/2⋅22⋅10=11,5 см⋅к. Для получения полотна шириной 100 см необходимо изготовить вал Lв=11,5⋅10=115 см. Трансформаторы ультразвуковых колебаний 10 и 11 изготовлены из стали 1Х18Н9Т и рассчитываются аналогично: в нашем случае к=1. L=к⋅5,1⋅10/2⋅22⋅10=11,5 см; l=к⋅5,1⋅10/2⋅44⋅10=55,75 см. Диаметры несущего вала 14, трансформаторов 10 и 11 выбраны из конструкционных соображений и соответственно равны Дв=25 мм; Дт1=25 мм; Дт2=25 мм. Диаметры торцевых дисков 15 Тд=15 мм выбраны методом экспериментального приближения до размеров, обеспечивающих условие резонансного возбуждения на резонансных рабочих частотах пьезоэлектрических преобразователей fр=22 кГц и fр=44 кГц согласно требованиям [Физика и техника мощного ультразвука. Том 3. Физические основы ультразвуковой технологии. Издательство «Наука». Москва, 1970 г. Стр. 220-225]. Выходные валы 13 изготовлены из конструкционной пластмассы типа «капролактан», диаметр валов 30 мм. Токосъёмные кольцевые коллекторы 9 изготовлены из меди и покрыты гальваническим серебряным покрытием. Токосъёмные щётки изготовлены из медно-графитового материала (на чертеже не показаны). Электромеханические приводы 12 изготовлены на базе шаговых двигателей типа ШД-5, ЩД-6. Ультразвуковые генераторы 4 и 5 с выходной мощностью ≈500 Вт и резонансной частотой fр=22 кГц ± 10% и выходной мощностью ≈500 Вт и резонансной частотой fр=44 кГц ± 10%. Пьезоэлектрические преобразователи 6, 7, 8 с потребляемой мощностью 100 Вт, работающие на частотах 22 кГц и 44 кГц, производятся на предприятиях: ООО «Торговый дом «Техно ГО», г. Ульяновск; ООО «Центр ультразвуковых технологий», г. Бийск, www.u-sonic.com; ООО «Ультразвуковая техника», г. Санкт-Петербург, www.petrosonic.ru; НПП «Ультразвук ТЕО», г. Саратов, e-mail: ultrasonic TEO@yandex.ru. Шаговые двигатели типа ШД-5 и ШД-6 доступны для покупки в сети Интернет.