Способ производства полимерных нановолокон путем электрического формования волокна из раствора или расплава полимера, волокнообразующий электрод для этого способа и устройство для производства полимерных нановолокон, оснащенное, по крайней мере, одним вол - RU2726726C2
Код документа: RU2726726C2
Чертежи
Описание
Область техники
Изобретение касается волокнообразующего электрода для производства полимерных нановолокон путем электрического формования волокна из раствора или расплава полимера.
Изобретение касается также устройства для производства нановолокон путем электрического формования волокна из раствора или расплава полимера, оснащенного, по крайней мере, одним волокнообразующим электродом.
Кроме того, изобретение касается также способа изготовления полимерных нановолокон путем электрического формования волокна из раствора или расплава полимера.
Уровень техники
Для производства полимерных нановолокон (т.е., волокон диаметром до 1000 нм), электростатическим (т.е., с использованием высокого напряжения постоянного тока) формованием волокна из раствора или расплава полимера в настоящее время используют два основных типа волокнообразующих электродов. Первым из них является движущееся тело - чаще всего вращающийся цилиндр или спираль, витки которой лежат на цилиндрической поверхности, погружаются в раствор или расплав полимера в подходящем сосуде и выносят этот раствор или расплав в электростатическое поле на своей поверхности (см., например, WO 2005024101). Вторым типом волокнообразующего электрода является трубочка, точнее, сопло или капилляра, на наконечник которой, расположенный в электростатическом поле, подается раствор или расплав полимера полостью этой трубочки (смотри, например, WO 2005042813).
Эти волокнообразующие электроды можно использовать одновременно также для так называемого «электрического формования волокна» (или « «переменного электрического формования волокна») способом согласно патенту CZ 304137, в котором для производства полимерных нановолокон используется переменное электрическое напряжение, подаваемое только на волокнообразующий электрод/электроды. Электрическое поле для производства нановолокон при этом образуется между волокнообразующим электродом и противоположно заряженными ионами воздуха и/или газа, которые возникают в его окрестностях путем ионизации окружающего воздуха или другого газа, и/или подаются в ее окрестности из источника ионов и/или противоположно заряженными нановолокнами, только что образованными.
Недостатком известных до сих пор волокнообразующих электродов, образованных стержнем, трубочкой, или соплом, является то, что подаваемое на них электрическое напряжение очень значительно концентрирует напряженность электрического поля на их острых гранях - особенно при переходе между их торцом и кожухом, что не позволяет воспользоваться полностью их рабочей поверхностью, которая сама по себе небольшая (их диаметр, как правило, меньше 1 мм), благодаря чему эти электроды достигают очень малой производительности формования волокон.
При электрическом формовании волокна, более того, небольшая часть уже образованных нановолокон, вследствие электрических сил притяжения, возвращается обратно к поверхности волокнообразующего электрода, где они осаждаются, образуя цветообразный осадок, который постепенно уменьшает производительность волокнообразующего электрода, см., например, фиг. 11, и после относительно короткого времени полностью прекращает процесс формования волокон.
Целью изобретения является спроектирование волокнообразующего электрода для электрического формования волокон, который устранил бы недостатки существующих электродов, образованных трубочкой, или же соплом, т.е., сделал бы возможным не только увеличение их теперешней производительности, а наряду с этим бы сделал бы возможным удлинение времени непрерывного электрического формования волокна.
Кроме того, целью изобретения является также спроектирование устройства для производства нановолокон и способа электрического формования волокна из раствора или расплава полимера, который устранил бы недостатки электрического формования волокна при использовании известных до сих пор электродов, используя для этого волокнообразующий электрод согласно изобретению.
Суть изобретения
Цели изобретения достигается с помощью волокнообразующего электрода для производства полимерных нановолокон электрическим формованием волокна из раствора или расплава полимера, причем этот электрод содержит подающий канал раствора или расплава полимера, выход которого расположен на его торце, причем вокруг хотя бы части отверстия подающего канала раствора или расплава полимера на торце волокнообразующего электрода образована волокнообразующая поверхность, закругленная вниз, под отверстие, причем эта волокнообразующая поверхность плавно переходит в ориентированную вниз поверхность отвода, образованную на наружной поверхности подающего канала раствора или расплава полимера. Эта конструкция волокнообразующего электрода делает возможным получение преимущественной части полимерных нановолокон в одинаковых условиях - в одинаковой части электрического поля и при одинаковой напряженности, значит, степени силового воздействия этого поля на раствор или расплав полимера, благодаря чему эти нановолокна достигают очень подобных параметров, особенно диаметра, или пониженного диапазона этих параметров, и в то же время увеличение площади, на которой проходит формование волокон, и, следовательно, количества формованных нановолокон.
В выгодном варианте исполнения, стенка подающего канала раствора или расплава полимера в направлении к выпускному отверстию подающего канала расширяется в направлении наружу, причем вокруг хотя бы части полости отверстия на расширенном торце волокнообразующего электрода образована волокнообразующая поверхность, закругленная в направлении вниз, под отверстие, причем эта волокнообразующая поверхность плавно переходит в ориентированную вниз поверхность отвода, расположенную на наружной поверхности подающего канала раствора или расплава полимера. Преимущество этого варианта состоит в том, что хотя бы часть поверхности отвода расположена в электрической тени с низкой напряженностью электрического поля под расширением стенки подающего канала раствора или расплава полимера, что значительно уменьшает опасность нежелательного формования на этой поверхности волокна из раствора или расплава.
В большинстве вариантов волокнообразующего электрода согласно изобретению, между отверстием подающего канала раствора или расплава полимера и волокнообразующей поверхностью образована плоская, наклонная, закругленная или ломаная транспортная поверхность, ориентированная в направлении вверх или вниз, в которую плавно переходит волокнообразующая поверхность. Эта транспортная поверхность предназначена, в первую очередь, для транспортировки раствора или расплава полимера из подающего канала раствора или расплава полимера на волокнообразующую поверхность волокнообразующего электрода.
Во избежание случайного формования волокон из раствора или расплава полимера на поверхности отвода волокнообразующего электрода, хотя бы часть подающего канала раствора или расплава полимера под волокнообразующей поверхностью по всему своему периметру покрыта кожухом. Вместе с тем, между наружной поверхностью подающего канала раствора или расплава полимера и внутренней поверхностью этого кожуха образован зазор для отвода раствора или расплава полимера.
Например, для образования смеси нановолокон или двухкомпонентных нановолокон, в свою очередь, предназначен волокнообразующий электрод, который содержит, по крайней мере, два отделенных друг от друга подающего канала раствора или расплава полимера, причем вокруг хотя бы части отверстия каждого из них расположена отдельная волокнообразующая поверхность, закругленная вниз, под это отверстие. Итак, на каждой из этих отделенных волокнообразующих поверхностей можно формовать волокна из иного раствора или расплава полимера и образовать так смесь нановолокон, которые отличаются своим материалом и/или диаметром и/или другим параметром, как, например, содержание активного вещества/веществ, или на них можно формовать одинаковые нановолокна, увеличивая таким образом их производство.
Отделенные волокнообразующие поверхности расположены выгодно друг над другом и ориентированы соосно.
В другом варианте исполнения волокнообразующего электрода с несколькими отделенными волокнообразующими поверхностями, поверхность отвода на наружной поверхности подающего канала раствора или расплава полимера плавно переходит во вторую транспортную поверхность, которая дальше плавно переходит во вторую закругленную волокнообразующую поверхность, расположенную на большем наружном диаметре, чем волокнообразующая поверхность, расположенная хотя бы на части периметра отверстия подающего канала раствора или расплава полимера, и она образована с меньшим радиусом закругления, чем эта волокнообразующая поверхность, причем вторая волокнообразующая поверхность плавно переходит во вторую поверхность отвода.
В случае подходящей формы, например, когда волокнообразующая поверхность волокнообразующего электрода, образованного хотя бы двумя частными волокнообразующими поверхностями, плавно следующими друг за другом в направлении от отверстия подающего канала раствора или расплава полимера, радиусы которых в направлении от отверстия подающего канала раствора или расплава полимера постепенно уменьшаются, или когда образующая ее кривая образована соответственной спляйн-кривой, т.е., кривой, которая соответствует полиномической функции, определенной по интервалам, можно пропустить транспортную поверхность между отверстием подающего канала и волокнообразующей поверхностью волокнообразующего электрода, поскольку в этом случае происходит инициация формования волокна, в принципе, сразу после выхода раствора или расплава полимера из подающего канала.
Расширение стенки подающего канала раствора или расплава полимера может быть интегральной частью подающего канала раствора или расплава полимера, или может быть образовано отдельным телом, расположенным на подающем канале раствора или расплава полимера, или соединенным с этим подающим каналом.
Хотя бы часть расширения стенки подающего канала раствора или расплава полимера может иметь хотя бы на части своей высоты постоянный наружный диаметр - т.е., в предполагаемом круговом поперечном сечении волокнообразующего электрода может быть образована цилиндром.
Волокнообразующий электрод, согласно изобретению, может быть создан как из токопроводящего, так и из токонепроводящего материала. При этом во втором варианте, переменное электрическое напряжение подается непосредственно в волокнообразующий раствор или расплав полимера.
Целью изобретения также будет достигнуто устройством для производства нановолокон путем электрического формования волокон из раствора или расплава полимера, суть которого состоит в том, что оно оснащено хотя бы одним волокнообразующим электродом в соответствии с изобретением.
Кроме того, цели изобретения достигается также способом производства нановолокон путем электрического формования волокон из раствора или расплава полимера, когда раствор или расплав полимера подается подающим каналом раствора или расплава полимера, выходящим на торце волокнообразующего электрода, причем на волокнообразующий электрод и/или в раствор или расплав полимера подается переменное электрическое напряжение, суть которого состоит в том, что раствор или расплав полимера вследствие тяготения растекается по торце волокнообразующего электрода и формуется в волокна на волокнообразующей поверхности, расположенной вокруг хотя бы части отверстия подающего канала раствора или расплава полимера, закругленной в направлении вниз, под это отверстие. При этом на эту волокнообразующую поверхность подается избыток раствора или расплава полимера, и не преобразованный в волокна раствор или расплав полимера омывает волокнообразующую поверхность волокнообразующего электрода, после чего с ней вследствие тяготения стекает на последующую поверхность отвода на наружной поверхности подающего канала раствора или расплава полимера.
В случае, что у волокнообразующего электрода больше волокнообразующих поверхностей, раствор или расплав полимера вследствие тяготения могут быть ведены с поверхности отвода на закругленную, наклонную, горизонтальную или ломаную вторую транспортную поверхность, и с нее потом на вторую волокнообразующую поверхность, которая закруглена и ориентирована в направление вниз, или на каждую волокнообразующую поверхность волокнообразующего электрода подающим каналом раствора или расплава полимера подается одинаковый или разные растворы или расплавы полимера, которые на каждой из волокнообразующих поверхностей формуются в волокна, в результате чего в случае применения разных растворов или расплавов полимера образуется смесь нановолокон двух типов, которые отличаются друг от друга материалом и/или диаметром и/или возможным содержанием активного вещества/веществ в материале волокон и/или другим параметром.
В другом варианте, в течение формования волокон из раствора или расплава полимера на волокнообразующей поверхности волокнообразующего электрода, на эту волокнообразующую поверхность подается со второй волокнообразующей поверхности, расположенной над первой, другой раствор или расплав полимера, вследствие чего образуются двухкомпонентные нановолокна.
Объяснение чертежей
В приложенном чертеже, на фиг. 1 схематически изображен продольный разрез первого варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением; на фиг. 2 - продольный разрез второго варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением; на фиг. 3a - схематически изображен продольный разрез третьего варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением; на Фиг. 3b - визуализация изоповерхностей, показывающих ход напряженности электрического поля вблизи волокнообразующего электрода по фиг. 3a; на фиг. 4 - продольный разрез четвертого варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением; на фиг. 5 - продольный разрез пятого варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением; на фиг. 6 - продольный разрез шестого варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением, исходящим из варианта исполнения, показанного на фиг. 3; на фиг. 7 - продольный разрез седьмого варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением с двумя волокнообразующими поверхностями; на фиг. 8 - продольный разрез восьмого варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением с двумя волокнообразующими поверхностями; на фиг. 9 - продольный разрез девятого варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением с тремя волокнообразующими поверхностями; на фиг. 10 - продольный разрез десятого варианта исполнения волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением с одной волокнообразующей поверхностью; на фиг. 11 - фотография волокнообразующего электрода в ходе электрического формования волокна в соответствии с уровнем техники, с нежелательным осадком нановолокон на его верхнем крае.
Примеры осуществления изобретения
Волокнообразующий электрод 1 в соответствии с изобретением содержит подающий канал 2 раствора или расплава полимера, который выходит на его торце 3, причем вокруг хотя бы части его отверстия 20 расположена волокнообразующая поверхность 4, закругленная в направлении вниз, которая, в первую очередь, предназначена для формования волокон из раствора или расплава полимера, который находится на ней. При этом радиус Rz закругления волокнообразующей поверхности 4 при этом спроектирован так, чтобы на волокнообразующей поверхности 4 волокнообразующего электрода в данных условиях достигнуть наибольшей напряженности электрического поля для производства полимерных нановолокон, значит, чтобы достигнуть или превысить критическую минимальную напряженность электрического поля, при котором происходит формование волокон из раствора или расплава полимера, но в то же время так, чтобы при этой напряженности не происходили электрические пробои.
При этом в выгодных вариантах исполнения волокнообразующего электрода стенка подающего канала 2 раствора или расплава полимера по направлению к его отверстию 20 расширяется в направлении наружу, и волокнообразующая поверхность 4 расположена на расширенном торце волокнообразующего электрода 1. При этом это расширение является интегральной частью подающего канала 2 раствора или расплава полимера, или оно образовано отдельным корпусом, установленным на подающем канале 2 раствора или расплава полимера, или соединенным с этим подающим каналом. Речь может идти о более выгодном постепенном расширении, но, кроме этого, речь может идти также о резком расширении, причем такое расширение может иметь хотя бы на части длины подающего канала 2 раствора или расплава полимера постоянный наружный диаметр - т.е., при предполагаемом круговом поперечном сечении волокнообразующего электрода 1 оно хотя бы частично образовано цилиндром - см., например, фиг 2.
Между отверстием 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера раствора и волокноонразующей поверхностью 4, в случае необходимости, на торце 3 волокнообразующего электрода образована плоская и/или наклонная и/или ломаная и/или закругленная транспортная поверхность 5, которая соединяет отверстие 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера и волокнообразующую поверхность 4 волокнообразующего электрода 1, и которая, в первую очередь, предназначена для транспортировки раствора или расплава полимера под воздействием силы тяжести на волокнообразующую поверхность 4. В случае, когда эта транспортная поверхности 5 образована как закругленная, радиус Rт ее закругления больше, чем радиус Rz закругления волокнообразующей поверхности 4. Наклонная, ломаная или закругленная транспортная поверхность 5 может быть ориентирована в направлении вверх или вниз.
На фиг. 1 изображено продольный разрез первого иллюстративного варианта исполнения волокнообразующего электрода 1 согласно изобретению. Этот волокнообразующий электрод 1 содержит подающий канал 2 раствора или расплава полимера, образованный полой трубочкой, причем его отверстие 20 на торце 3 волокнообразующего электрода 1 переходит в транспортную поверхность 5 в виде кругового кольца, которая в показанном варианте горизонтальная. Эта транспортная поверхность 5 плавно переходит в закругленную, ориентированная вниз, под отверстие 20, волокнообразующую поверхность 4 в виде кругового кольца. Эта волокнообразующая поверхность 4 плавно переходит в поверхность отвода 6, которая образована наружной поверхностью подающего канала 2 раствора или расплава полимера, и которая предназначена, в первую очередь, для отвода несформированного в волокна излишка раствора или расплава полимера с волокнообразующей поверхности 4.
Электрическое поле в ходе формования волокна сосредоточено в области волокнообразующей поверхности 4 волокнообразующего электрода 1 - см., например, фиг. 3b, которая показывает визуализацию изоповерхностей, изображающих развитие напряженности электрического поля вблизи волокнообразующего электрода 1. Благодаря этому, электрическое поле в этом месте достигает наибольшей напряженности, и при этом здесь происходит электрическое формование волокон из раствора или расплава полимера, который в данный момент находится на этой волокнообразующей поверхности 4. Благодаря этому, подавляющее большинство нановолокон образуется при одинаковых условиях - в одной и той же части электрического поля и при одной и той же напряженности, значит, степени силового воздействия поля на раствор или расплав полимера, так что они достигают очень похожих параметров, прежде всего, диаметра, значит, меньшего диапазона этих параметров. Подготовленные таким образом полимерные нановолокна, или же слои, или скопления полимерных нановолокон являются, таким образом, более равномерными и, благодаря этому, более подходящими для реального использования.
В других не изображенных вариантах исполнения волокнообразующего электрода 1 согласно фиг. 1 его транспортная поверхность 5 может быть выполнена как закругленная, наклонная или ломаная, и при этом может быть ориентирована в направлении вверх или вниз.
На фиг. 2 изображен продольный разрез второго иллюстративного варианта исполнения волокнообразующего электрода 1 в соответствии с изобретением. Этот волокнообразующий электрод 1 содержит подающий канал 2 раствора или расплава полимера, образованный полой трубочкой, стенка которого по направлению к отверстию 20 на торце 3 волокнообразующего электрода 1 резко расширяется в направлении наружу, причем расширение стенки подающего канала 20 раствора или расплава полимера имеет хотя бы на части своей высоты постоянный наружный диаметр - оно образовано цилиндром. Отверстие 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера на расширенном торце 3 волокнообразующего электрода 1 переходит в транспортную поверхность 5 в виде кругового кольца, которая в изображенном варианте исполнения создана в виде горизонтальной поверхности. Эта транспортная поверхность 5 плавно переходит в закругленную, ориентированную в направлении вниз, под отверстие 20, волокнообразующую поверхность 4 в виде кругового кольца. Эта волокнообразующая поверхность 4 дальше плавно переходит в поверхность отвода 6, которая служит, в первую очередь, для отвода с волокнообразующей поверхности 4 несформированного в волокна излишка раствора или расплава полимера. Эта волокнообразующая поверхность 6 в изображенном варианте исполнения образована наружной поверхностью подающего канала 2 раствора или расплава полимера, причем вследствие его резкого расширения она ломаная. При этом ее существенная часть расположена в электрической «тени» с низкой напряженностью электрического поля под расширением стенки подающего канала 2 раствора или расплава полимера.
При этом электрическое поле в ходе формования волокон концентрируется в области волокнообразующей поверхности 4 волокнообразующего электрода 1, благодаря чему в этом месте достигает наибольшей напряженности, причем здесь происходить электрическое формование волокон из раствора или расплава полимера, который в данный момент находится на этой волокнообразующей поверхности 4. Благодаря этому, подавляющее большинство нановолокон производится в одинаковых условиях - в одной и той же части электрического поля и при одной и той же напряженности, значит, степени силового воздействия этого поля на раствор или расплав полимера, так что они достигают очень похожих параметров, прежде всего, диаметра, значит, меньшего диапазона этих параметров. Подготовленные таким образом полимерные нановолокна, или же слои, или скопления полимерных нановолокон поэтому являются более равномерными и, благодаря этому, более подходящими для реального использования.
В других не изображенных вариантах исполнения волокнообразующего электрода 1 согласно фиг. 1 его транспортная поверхность 5 может быть выполнена как закругленная, наклонная или ломаная, и при этом может быть ориентирована в направлении вверх или вниз. При этом расширение стенки подающего канала 2 раствора или расплава полимера может быть постепенным вместо резкого, и тогда поверхность отвода 6 может быть хотя бы частично образована наклонной или закругленной поверхностью.
На фиг. 3а изображено продольный разрез третьим иллюстративным вариантом исполнения волокнообразующего электрода 1 в соответствии с изобретением. Этот волокнообразующий электрод 1 содержит подающий канал 2 раствора или расплава полимера, образованный полой трубочкой, стенка которого в направлении к его отверстию 20 на торце 3 волокнообразующего электрода 1 плавно расширяется в направлении наружу. Его отверстие 20 потом на расширенном торце 3 волокнообразующего электрода 1 плавно переходит в транспортную поверхность 5 в виде кругового кольца, которая в изображенном варианте исполнения закруглена в направлении вниз. Эта транспортная поверхность 5 плавно переходит в ориентированную в одинаковом направлении закругленную волокнообразующая поверхность 4 в виде кругового кольца, радиус Rz закругления которой меньше радиуса Rт закругления транспортной поверхности 5, и которая расположена в месте наибольшего наружного диаметра стенки подающего канала 2 раствора или расплава полимера. Эта волокнообразующая поверхность 4 потом плавно переходит в поверхность отвода 6 которая предназначена, в первую очередь, для отвода с волокнообразующей поверхности 4 несформированного в волокна излишка раствора или расплава полимера. Эта поверхность отвода 6 в изображенном варианте образована наружной поверхностью подающего канала 2 раствора или расплава полимера, причем вследствие его расширения она ломаная. Ее существенная часть при этом расположена в электрической «тени» с низкой напряженностью электрического поля, под расширением стенки подающего канала 2 раствора или расплава полимера (смотри фиг. 3d).
Отверстие 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера является, таким образом, в этом варианте исполнение наиболее высокой частью торца 3 волокнообразующего электрода 1.
Электрическое поле в ходе формования волокон концентрируется в области волокнообразующей поверхности 4 волокнообразующего электрода см., например, фиг. 3b, на которой изображена визуализация изоповерхностей, изображающих ход напряженности электрического поля вблизи волокнообразующего электрода 1 в исполнении согласно фиг. 3a. Благодаря этому, электрическое поле в этом месте достигает наибольшей напряженности, причем здесь происходит электрическое формование волокна из раствора или расплава полимера, который в данный момент находится на этой волокнообразующей поверхности 4. Благодаря этому, подавляющее большинство нановолокон образуется в одинаковых условиях - в одной и той же части электрического поля и при одной и той же напряженности, значит, степени силового воздействия поля на раствор или расплав полимера, так что они достигают очень похожих параметров, прежде всего, диаметра, значит, меньшего диапазона этих параметров. Подготовленные таким способом полимерные нановолокна, или же слои, или скопления полимерных нановолокон являются, таким образом, более равномерными и, благодаря этому, более подходящими для реального использования.
В других не изображенных вариантах исполнения волокнообразующего электрода 1 согласно фиг. 3a его транспортная поверхность 5 может быть создана как плоская, или наклонная, или ломаная. Поверхность отвода 6 может быть создана как закругленная.
На фиг. 4 изображен продольный разрез четвертого иллюстративного варианта исполнения волокнообразующего электрода 1 в соответствии с изобретением. Конструкция этого волокнообразующего электрода 1 почти совпадает с конструкцией волокнообразующего электрода 1, показанного на фиг. 3а, причем разница такая, что в этом варианте транспортная поверхность 5 на торце 3 волокнообразующего электрода выполнена как плоская и она ориентирована в плоскости с отверстием 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера - в изображенном варианте исполнения - горизонтально.
На фиг. 5 изображен продольный разрез пятого иллюстративного варианта исполнения волокнообразующего электрода 1 в соответствии с изобретением. Конструкция этого волокнообразующего электрода 1 почти совпадает с конструкцией волокнообразующего электрода 1, показанного на фиг. 3, с разницей, что в этом варианте транспортная поверхность 5 на торце 3 волокнообразующего электрода 1 выполнена как закругленная и она ориентирована в направлении вверх - над отверстие 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера.
В не изображенном варианте исполнения может быть транспортная поверхность 5 выполнена как наклонная, или ломаная.
На фиг. 6 изображен продольный разрез шестого иллюстративного варианта исполнения волокнообразующего электрода 1 в соответствии с изобретением. Конструкция этого волокнообразующего электрода 1 почти совпадает с конструкцией волокнообразующего электрода 1, показанного на фиг. 3а, с той разницей, что часть наружной поверхности подающего канала 2 раствора или расплава полимера, в изображенном варианте исполнения под расширением его стенки, значит, часть поверхности отвода 6, покрыта трубчатым кожухом 7, который препятствует нежелательному формованию волокна из раствора или расплава полимера на этом месте поверхности волокнообразующего электрода 1 Преимуществом является то, что этот трубчатый кожух 7 создан из токонепроводящего материала, например, пластмассы. При этом между кожухом 7 и наружной поверхностью подающего канала 2 раствора или расплава полимера образован достаточный зазор 72 для беспроблемного отвода не сформованного в волокна раствора или расплава полимера.
Одинаковый или подобный трубчатый кожух 7 можно в случае необходимости использовать также в любом из вариантов волокнообразующего электрода 1, описанных выше, а также ниже.
На фиг. 7 изображен продольный разрез пятого иллюстративного варианта исполнения волокнообразующего электрода 1 в соответствии с изобретением. Этот волокнообразующий электрод 1 составлен из корпусов двух волокнообразующих электродов, основывающихся на принципе изобретения, и его техническое решение основано на волокнообразующем электроде 1 показанном на фиг. 4, который образует его основной корпус, который дополнен корпусом второго волокнообразующего электрода 11 подобной конструкции, который в изображенном варианте исполнения частью своего подающего канала 22 раствора или расплава полимера установлен в полости подающего канала 2 раствора или расплава полимера основного корпуса волокнообразующего электрода 1 согласно фиг. 4. Второй Волокнообразующий электрод 11 при этом содержит подающий канал 22 раствора или расплава полимера, образованный полой трубочкой, стенка которого на его конце над транспортной поверхностью 5 основного корпуса волокнообразующего электрода 1 резко расширяется в направлении наружу и образует дисковое тело 8, причем подающий канал 22 раствора или расплава полимера выходит на его наружную поверхность. Отверстие 202 этого подающего канала 22 на этой поверхности переходит в транспортную поверхность 55 в виде кругового кольца, которая закруглена в направлении вниз под это отверстие 202, которая потом плавно переходит в ориентированную одинаково закругленную волокнообразующую поверхность 44 в виде кругового кольца, радиус Rzz закругления которой в изображенном варианте исполнения меньше, чем радиус Rтт закругления транспортной поверхности 55, и которая расположена в месте наибольшего диаметра дискового тела 8. Между внутренней поверхностью подающего канала 2 раствора или расплава полимера основного корпуса волокнообразующего электрода 1 и наружной поверхностью установленного в нем подающего канала 22 раствора или расплава полимера второго волокнообразующего электрода 11 при этом образован достаточный зазор 222, позволяющий беспроблемную подачу раствора или расплава полимера на транспортную поверхность 5 основного корпуса волокнообразующего электрода 1.
В случае использования этого волокнообразующего электрода 1, каждым из подающих каналов 2, 22 раствора или расплава полимера подается через соответственную транспортную поверхность 5, 55 на соответственную волокнообразующую поверхность 4, 44 раствор или расплав полимера, который на этой волокнообразующей поверхности 4, 44 преобразуется в волокна. При этом можно комбинировать два разных раствора или расплава (или раствор и расплав) полимера и создавать таким образом смесь нановолокон двух типов, которые отличаются друг от друга материалом и/или диаметром и/или возможным содержанием активного вещества/веществ в материале волокон и/или другим параметром, или увеличить производство одного типа нановолокон. На состав создаваемой таким образом смеси нановолокон при этом можно в случае необходимости повлиять, например, ограничением или закрытием подающего канала одного из растворов/расплавов полимеров, и/или увеличением подающего канала второго из них. В случае, что раствор или расплав полимера переливается с волокнообразующей поверхности 44 второго волокнообразующего электрода 11 на транспортную поверхность 5 или лучше на волокнообразующую поверхность 4 основного корпуса волокнообразующего электрода 1, можно из перекрывающихся слоев двух разных растворов или расплавов полимеров на волокнообразующей поверхности 4 волокнообразующего электрода 1 формовать двухкомпонентные нановолокна, содержащие оба полимера. При подходящей настройке электрического поля и условий волокнообразования, можно одновременно достигнуть того, что производимые двухкомпонентные нановолокна будут нановолокнами типа ядро-оболочка, оболочка которых будет образована полимером, раствор или расплав которого подается подающим каналом 22 второго волокнообразующего электрода 11.
В не изображенных вариантах исполнения волокнообразующего электрода 1 этого типа можно в качестве его основного корпуса 1 использовать любой из описанных выше вариантов волокнообразующего электрода 1. Второй Волокнообразующий электрод 11 потом может содержать, например, горизонтальную, или наклонную, или ломаную транспортную поверхность 55, или закругленную, наклонную или ломаную транспортную поверхность 55, ориентированную в направлении над отверстие 202 подающего канала 22 раствора или расплава полимера.
В варианте исполнения, показанном на фиг. 7, радиус закругления Rzz волокнообразующей поверхности 44 второго волокнообразующего электрода 11 меньше, чем радиус закругления Rz волокнообразующей поверхности 4 основного корпуса волокнообразующего электрода 1. В других не изображенных вариантах, однако, это может быть наоборот, или закругления обоих радиусов Rz, Rzz могут быть одинаковые.
На фиг. 8 изображено продольный разрез шестого иллюстративного варианта волокнообразующего электрода 1 в соответствии с изобретением. Также этот волокнообразующий электрод 1 составлен из корпусов двух волокнообразующих электродов, основывающихся на принципе изобретения, причем его техническое решение основано на волокнообразующем электроде 1, изображенном на фиг. 4, который образует основной корпус этого волокнообразующего электрода 1, и который дополнен вторым волокнообразующим электродом 11 подобной конструкции, расположенным вокруг его трубчатого кожуха 7. При этом второй Волокнообразующий электрод 11 содержит подающий канал 22 раствора или расплава полимера образованный полой трубочкой, стенка которого, и в изображенном варианте исполнения также его внутренняя полость (это, однако, не является условием), в направлении к его концу расширяются. При этом между наружной поверхностью трубчатого кожуха 7 основного корпуса волокнообразующего электрода и внутренней поверхностью подающего канала 22 раствора или расплава полимера второго волокнообразующего электрода 11 образован достаточный зазор 222 для беспроблемной подачи раствора или расплава полимера. Отверстие 202 подающего канала 22 раствора или расплава полимера второго волокнообразующего электрода переходит в наклонную, ориентированную вниз транспортную поверхность 55 в виде кругового кольца. Эта транспортная поверхность 55 потом плавно переходит в закругленную в направлении вниз волокнообразующую поверхность 44, причем радиус Rzz ее закругления меньше, чем радиус Rz закругления волокнообразующей поверхности 4 основного корпуса волокнообразующего электрода 1, причем эта волокнообразующая поверхность 44 расположена в месте наибольшего наружного диаметра подающего канала 22 раствора или расплава полимера второго волокнообразующего электрода 11. Эта волокнообразующая поверхность 44 плавно переходит в поверхность отвода 66, которая служит, в первую очередь, для отвода с волокнообразующей поверхности 44 несформированного в волокна излишка раствора или расплава полимера. Эта поверхность отвода 66 в изображенном варианте исполнения образована наружной поверхностью подающего канала 22 раствора или расплава полимера второго волокнообразующего электрода 11, причем вследствие его расширения она ломаная. Ее существенная часть расположена в электрической «тени» с низкой напряженностью электрического поля под расширением стенки подающего канала 22 раствора или расплава полимера. Часть наружной поверхности ее подающего канала 22 раствора или расплава полимера при этом выгодно покрыта неизображенным трубчатым кожухом.
В случае использования этого волокнообразующего электрода 1 каждым из подающих каналов 2, 22 раствора или расплава полимера подается через соответственную транспортную поверхность 5, 55 на соответственную волокнообразующую поверхность 4, 44 раствор или расплав полимера, из которого на этой волокнообразующей поверхности 4, 44 формуется волокно. При этом можно комбинировать два разных раствора или расплава (или раствор и расплав) полимера и создавать таким образом смесь нановолокон двух типов, которые отличаются друг от друга материалом и/или диаметром и/или возможным содержанием активного вещества/веществ в материале волокон и/или другим параметром. На состав создаваемой таким образом смеси нановолокон при этом можно в случае необходимости повлиять, например, ограничением или закрытием подающего канала одного z растворов/расплавов полимеров, и/или увеличением подающего канала второго из них. В другом варианте исполнения можно обоими подающими каналами 2, 22 раствора или расплава полимера подавать одинаковый раствор или расплав полимера, и конструкцию волокнообразующего электрода 1 с двумя отделенными волокнообразующими поверхностями 4, 44 использовать для образования большего количества нановолокон из одинакового материала.
В не изображенных вариантах исполнения волокнообразующего электрода 1 этого типа можно в качестве его основного корпуса 1 использовать любой из выше или ниже описанных вариантов волокнообразующего электрода 1. Второй Волокнообразующий электрод может содержать, например, горизонтальную, наклонную или ломаную транспортную поверхность 55, или наклонную, или ломаную ориентированную вверх транспортную поверхность 55.
В варианте исполнения, показанном на фиг. 6, радиус Rzz закругления волокнообразующей поверхности 44 второго волокнообразующего электрода 11 меньше, чем радиус Rz закругления волокнообразующей поверхности 4 основного корпуса волокнообразующего электрода 1. В других не изображенных вариантах это, однако, может быть наоборот, или оба диаметра Rz, Rzz закругления могут быть одинаковые.
На фиг. 9 изображен поперечный разрез седьмого иллюстративного варианта волокнообразующего электрода 1 в соответствии с изобретением. Техническое решение этого волокнообразующего электрода 1 основывается на волокнообразующем электроде 1, показанном на фиг. 3а (однако в других, неизображенных вариантах исполнения его техническое решение может основываться на любом из описанных выше типов волокнообразующего электрода 1), причем его поверхность отвода 6 плавно переходит во вторую транспортную поверхность 52 - в изображенном варианте это наклонная, ориентированная вниз транспортная поверхность 52 в виде кругового кольца, образованная на расширении стенки подающего канала 2 раствора или расплава полимера снаружи. Вторая транспортная поверхность 52 плавно переходит во вторую закругленную волокнообразующую поверхность 42, которая расположена на большем наружном диаметре, чем волокнообразующая поверхность 4 на расширенном торце волокнообразующего электрода 1, однако с меньшим радиусом закругления Rz. Вторая волокнообразующая поверхность 42 плавно переходит в вторую поверхность отвода 62, которая служит, в первую очередь, для отвода с второй волокнообразующей поверхности 42 не сформованного в волокна излишка раствора или расплава полимера. Эта вторая поверхность отвода 62 в изображенном варианте исполнения образована наружной поверхностью подающего канала 2 раствора или расплава полимера, причем вследствие его расширения она ломаная. Ее существенная часть, вследствие этого, расположена в электрической «тени» с низкой напряженностью электрического поля, в месте меньшего наружного диаметра подающего канала 2 раствора или расплава полимера, чем вторая волокнообразующая поверхность 42. Вторая поверхность отвода 62 плавно переходит в третью транспортную поверхность 53 - в изображенном варианте это наклонная, ориентированная вниз транспортная поверхность 53 в виде кругового кольца, выполненная на расширении стенки подающего канала 2 раствора или расплава полимера снаружи. Третья транспортная поверхность 53 плавно переходит в третью закругленную волокнообразующую 1 поверхность 43, которая расположена на большем наружном диаметре, чем вторая волокнообразующая поверхность 42, и она образована с меньшим радиусом закругления Rz. Третья волокнообразующая поверхность 43 плавно переходит в третью поверхность отвода 63, которая служит, в первую очередь, для отвода не сформованного в волокна излишка раствора или расплава полимера на третьей волокнообразующей поверхности 43. Эта третья поверхность отвода 63 в изображенном варианте исполнения образована наружной поверхностью подающего канала 2 раствора или расплава полимера, причем вследствие его расширения она ломаная и ее существенная часть, таким образом, расположена в электрической «тени» с низкой напряженностью электрического поля, под этим расширением.
Итак, этот волокнообразующий электрод 1 содержит три концентрических волокнообразующих поверхности 4, 42, 43, что дает возможность существенного увеличения количества образуемых нановолокон, причем благодаря уменьшающемуся радиусу Rz закругления этих волокнообразующих поверхностей 4, 42, 43 можно достигнуть подобной или одинаковой напряженности электрического поля вблизи каждого из них, и благодаря этому - также очень малого диапазона диаметров создаваемых нановолокон.
Подобным способом можно создать Волокнообразующий электрод 1, который будет содержать две концентрических волокнообразующих поверхности 4, 42, 43, или четыре или больше концентрических волокнообразующих поверхностей 4, 42, 43. Каждая из транспортных поверхностей 5, 52, 53 при этом может быть создана в виде горизонтальной или наклонной, закругленной или ломаной поверхности, ориентированной вверх или вниз.
В не изображенном варианте исполнения, подающий канал 2 раствора или расплава полимера выходит хотя бы одним отверстием вблизи каждой из транспортных поверхностей 52, 53, или прямо на некоторой из них.
На фиг. 10 изображен разрез восьмого иллюстративного варианта волокнообразующего электрода 1 в соответствии с изобретением. Этот волокнообразующий электрод 1 содержит подающий канал 2 раствора или расплава полимера, образованный полой трубочкой, стенка которого в направлении к его концу постепенно расширяется в направлении наружу и впоследствии опять сужается, причем на наружной поверхности этого подающего канала 2 она образует составную волокнообразующую поверхность 4, образованную четырьмя частными закругленными волокнообразующими поверхностями с 41 по 44, плавно переходящими друг в друга в направлении от отверстия 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера, радиусы с RZD1 по RZD4 закругления которых в направлении от отверстия 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера постепенно уменьшаются, однако одновременно плавно растет их наружный диаметр. Последняя частная закругленная волокнообразующая поверхность 44 переходит в ломаную поверхность отвода 6. Форма волокнообразующей поверхности 4, образованной хотя бы двумя следующими друг за другом частными, закругленными волокнообразующими поверхностями 41 и 42, радиусы с RZD1 по RZD4 закругления которых в направлении от отверстия 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера постепенно уменьшаются, однако одновременно плавно растет их наружный диаметр, обеспечивает, что у электрического поле на всей поверхности этой волокнообразующей поверхности 4 будет постоянная, или в принципе постоянная напряженность, достаточно высокая для инициации электрического формования волокон изданного раствора или расплава полимера. Раствор или расплав полимера при этом вследствие тяготения разливается по всей сформированной таким способом волокнообразующей площади 4, причем постепенно происходит инициация электрического формования волокон на всей этой волокнообразующей площади 4, или ее существенной части. Благодаря постоянной, или в принципе постоянной напряженности электрического поля, у создаваемых нановолокон одинаковые или очень похожие параметры, прежде всего, диаметр.
Такая волокнообразующая поверхность 4 может быть образована, как минимум, двумя частными закругленными волокнообразующими поверхностями 41, 42, плавно переходящими одна в другую от отверстия 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера, радиусы RZD1 и RZD2 закругления которых в направлении от отверстия 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера постепенно уменьшаются.
В другом варианте исполнения, волокнообразующая поверхность 4, которая последует за отверстием 2 подающего канала 2 раствора или расплава полимера, образована подходящей сплайн-кривой (т.е., кривой, которая соответствует полиномической функции, определенной по интервалам), которая благодаря непрерывному изменению радиуса обеспечивает одинаковую или сравнимую напряженность электрического поля вдоль всей волокнообразующей поверхности 4.
Волокнообразующий электрод 1 в соответствии с изобретением может быть во всех описанных выше вариантах исполнения создан как из токопроводящего, так и из токонепроводящего материала, причем во втором случае, в ходе формования волокон электрическое напряжение подается прямо на раствор или расплав полимера, который следуют формовать в волокна, и электрическое поле образуется между ним и окружающими ионами, значит, между ним и хотя бы одним сборным электродом, расположенным над волокнообразующим электродом 1. Во всех описанных выше вариантах, благодаря форме волокнообразующего электрода 1, раствор или расплав полимера движется по его торцу и поверхности вследствие тяготения, так что не происходит нежелательное прилипание несформованного в волокна раствора или расплава полимера или нановолокон, образованных в ходе предыдущего формования волокон, на волокнообразующую площадь 4, и вследствие этого - постепенное затухание волокнообразования.
Во всех описанных выше вариантах исполнения у волокнообразующего электрода 1 и всех его частей круговой поперечный разрез. Кроме того, однако, в других вариантах его поперечный разрез может быть любой другой, например, овальный, треугольный и большеугольный, регулярный или нерегулярный. В специфическом варианте его поперечный разрез может быть прямоугольный, причем отверстие 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера образовано прямоугольным зазором (его преимуществом являются закругленные углы), или группой упорядоченных друг рядом с другом отверстий 20 произвольной формы.
Во всех описанных выше вариантах волокнообразующего электрода 1 может быть внутренная грань на переходе между устьем 20 подающего канала 2 раствора или расплава полимера и транспортной поверхностью 5 или волокнообразующей поверхностью 4 создана в виде наклонной или закругленной.
Волокнообразующий электрод 1 в соответствии с изобретением предназначен для электрического, или же переменного электрического волокнообразования, при котором противоположным электродом служит, так наз., «виртуальный коллектор», образованный противоположными ионами и заряженными противоположно нановолоконными участками, эмитированными в ходе предыдущего переменного электрического формования волокон. При этом этот виртуальный коллектор копирует поверхность волокнообразующего электрода 1, т.е., окружает волокнообразующий электрод 1, точнее, его волокнообразующую поверхность/поверхности 4, 44, 444, на характерном расстоянии нескольких десяток сантиметров, и таким образом значительно способствует высокой и расположенной равномерно напряженности электрического поля. Однако итоговая равномерность определена, прежде всего, формой волокнообразующей поверхности/поверхностей 4, 44, 444 волокнообразующего электрода 1. Только что образованные нановолокна частично рекомбинируют с теми, которые уже образованы в области виртуального противоположного электрода. С учетом характера использованного переменного высокого напряжения, этот процесс постоянно повторяется. Заряженные противоположно нановолоконные пучки из эмиссий с обратной полярностью, следующих непосредственно друг за другом, притягивают друг друга и образуют фигуру - нановолоконный шлейф. Этот шлейф содержит рекомбинированные электрически струи нановолокон, образованные волокнообразующим электродом, и он движется в направлении от волокнообразующего электрода, вдоль его оси. Это его движение возникает вследствие действия так наз. «электрического ветра», образованного волокнообразующим электродом. На расстоянии около 5 см (в зависимости от условий формования волокон) от поверхности волокнообразующего электрода 1, нановолоконная масса внутри шлейфа неподвижная, и в этой области уже не происходит перегруппировка нановолокон.
Устройство для производства полимерных нановолокон электрическим формованием волокон применительно к CZ 304137 содержит хотя бы один волокнообразующий электрод 1 произвольной конструкции, описанной выше, подающий канал 2 раствора или расплава полимера которой соединен с источником раствора или расплава полимера. Волокнообразующий электрод 1 и/или раствор или расплав полимера соединен или его можно соединить с источником переменного электрического тока. В выгодном варианте исполнения, в пространство над волокнообразующим электродом 1 выходит генератор или другой источник ионов воздуха или другого газа. Кроме того выгодно, однако не необходимо, если в пространстве над волокнообразующим электродом 1 установлен неподвижный или статической коллектор (электрически активный или неактивный) для улавливания образуемых нановолокон, или отвод создаваемых нановолокон струей воздуха или газа.
При выгодном способе производства полимерных нановолокон путем электрического формования волокон из раствора или расплава полимера с использованием волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением, подающим каналом 2 раствора или расплава полимера посредством непоказанного насоса, на волокнообразующую поверхность/поверхности 4, 44, 444 волокнообразующего электрода 1 подается большее количество раствора или расплава полимера, чем которое в данных условиях способно сформироваться в нановолокна. При этом несформованный в волокна излишек раствора или расплава полимера вследствие гравитации переливается через волокнообразующую поверхность/поверхности 4, 44, 444 и его отводят через поверхность отвода 6 в неизображенный приемник или в сток. При этом из приемника можно этот раствор или расплав полимера снова подать в подающий канал 2 раствора или расплава полимера, или же в резервуар раствора или расплава полимера со свежим раствором или расплавом, и оттуда в подающий канал 2 раствора или расплава полимера. В случае необходимости, раствор или расплав полимера перед следующей подачей в подающий канал 2 можно утилизировать, например, добавлением растворителя, или дополнительным нагревом, и т.п.
Излишек раствора или расплава полимера, подаваемый на волокнообразующую поверхность/поверхности 4, 44, 444 волокнообразующего электрода 1, в комбинации с равномерным распределением электрического поля вдоль этой волокнообразующей поверхности/поверхностей 4, 44, 444 позволяет создавать идентичные по характеру нановолокна на всей волокнообразующей поверхности, или же, на всех волокнообразующих поверхностях 4, 44, 444, и таким образом существенным способом поднять достигаемую мощность волокнообразования. При таком приеме, волокнообразующая поверхность/поверхности 4, 44, 444 волокнообразующего электрода 1 одновременно постоянно омываются несформованным в волокна излишком раствора или расплава полимера, благодаря чему на ней/них не происходит нежелательное прилипание затверделого раствора и оседающих нановолокон, или расплава, причем этот самоочистительный эффект обеспечивает, что формование волокон может происходить с одинаковой, или, по существу, неизменной интенсивностью, в принципе, неограниченное время.
При использовании волокнообразующего электрода 1, изображенного на фиг. 7, выгодно, если раствор или расплав полимера, который подается на волокнообразующую поверхность 44 второго волокнообразующего электрода 11 на этой волокнообразующей поверхности не превращается в волокно, а переливается через эту поверхность на транспортную поверхность 5 или, выгоднее, на волокнообразующую поверхность 4 основного корпуса волокнообразующего электрода 1, причем на этой волокнообразующей поверхности 4 формуются нановолокна типа ядро-оболочка, их оболочка образована полимером, раствор или расплав которого подается через волокнообразующую поверхность 44 второго волокнообразующего электрода и образует на волокнообразующей поверхности 4 двойной слой полимерных растворов. Вследствие этого происходит в этих местах образование двухкомпонентных нановолокон типа ядро-оболочка. При этом их оболочка состоит из верхнего полимера, и ядро образовано полимером нижним, который в полимерное сопло втягивается вследствие естественной гидродинамики процесса.
Реферат
Изобретение касается волокнообразующего электрода (1) для производства полимерных нановолокон путем электрического формования волокон из раствора или расплава полимера, содержащего подающий канал (2) раствора или расплава полимера, который выходит на его торце (3), причем около хотя бы части отверстия (20) на торце подающего канала (2) раствора или расплава полимера образована волокнообразующая поверхность (4), закругленная в направлении вниз, под отверстие (20), причем эта волокнообразующая поверхность (4) плавно переходит в поверхность отвода (6) на наружной поверхности подающего канала (2) раствора или расплава полимера. Изобретение касается также устройства для производства нановолокон путем электрического формования волокон из раствора или расплава полимера, которое оснащено хотя бы одним волокнообразующим электродом (1) в соответствии с изобретением. Кроме того, изобретение касается также способа производства нановолокон путем электрического формования волокон из раствора или расплава полимера, который основывается на использовании волокнообразующего электрода в соответствии с изобретением. 3 н. и 17 з.п. ф-лы. 12 ил.
