Устройство для получения нетканого материала электроформованием раствора полимеров

Авторы патента:

Настоящее устройство относится к области химической технологии и предназначено для получения нетканых тонковолокнистых полимерных материалов методом электроформования растворов полимеров. Техническим результатом полезной модели является расширение возможностей устройства за счет покрытия получаемого нетканого материала аэрозолем технологического или функционального соединения непосредственно в процессе формования. Заявленное устройство для получения нетканого материала электроформованием раствора полимеров состоит из узла подачи полимерного раствора, оканчивающегося металлическим капилляром, на который подается высокое напряжение, генерируемое источником высокого напряжения, и заземленного осадительного электрода, на котором формируется нетканый материал из осаждаемых полимерных волокон, а также аэрозольного генератора для покрытия осаждаемого волокна аэрозолем технологического или функционального соединения. 1 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

В настоящее время нетканые волокнистые материалы находят свое применение во многих сферах деятельности человека: их используют в качестве фильтрующих материалов как в промышленности, так и в домашнем хозяйстве, очищая газы и жидкости от различных примесей; в медицине с целью создания клеточных матриц, ранозаживляющих и антибактериальных повязок, пролонгированной доставки лекарств; для создания защитной одежды, сенсоров, компонентов батарей и т.д.

Существует ряд способов получения волокон из полимерных волокон - формование из расплава, «сухое» и «мокрое» формование из растворов полимера, аэродинамическое и центробежное формование, описываемые «классическими» патентами (US 3,945,093; US 4,001,382; US 4,009,248; US 4,256,607; US 4,397,831; US 4,452,860 и др.), но весьма перспективным является метод электроформования (в зарубежной литературе именуемый словом electrospinning), поскольку он позволяет получать волокна как микронной, так и наноразмерной толщины, что затруднительно сделать другими методами.

На сегодняшний день электроспиннинг - уникальный метод, позволяющий получать большой ассортимент нетканых материалов с возможностью варьирования диаметра волокон в широком диапазоне. В качестве исходных материалов могут быть использованы как отдельные полимеры, так и их смеси, а также полимеры с различными добавками, определяющими специфические свойства получаемой продукции. Электроформованием можно формовать волокна сложной структуры, например, коаксиальные, пористые или полые. Все это в сочетании с простотой и "всеядностью" метода позволяет создавать нетканые материалы, предназначенные для применения в самых разнообразных областях.

Известно устройство для получения полимерных волокон (US 1975504), в котором для получения полимерных волокон используется ванна с раствором полимера, в которую частично погружен вращающийся электрод. Между подающим и приемным электродами создается разность потенциалов, которая и позволяет вытягивать жидкие нити из формовочного раствора. Эта технология получила дальнейшее развитие в ряде патентов, например, RU 2365686.

В качестве прототипа выбрано устройство для получения волокнистого полимерного материала, представленное в патенте US 2048651 и состоящее из ванны с полимерным раствором, заканчивающуюся капилляром, на которую подается высокое напряжение от источника, а также приемного устройства (осадительного электрода), которое может иметь различную конструкцию - как подвижную, так и неподвижную.

Недостатком вышеописанных устройств является невозможность функционализации материала непосредственно в процессе электроформования.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение возможностей устройства за счет покрытия получаемого нетканого материала аэрозолем технологического или функционального соединения непосредственно в процессе формования.

Для достижения заявленного результата предложено устройство для получения нетканого материала электроформованием раствора полимеров, 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, при этом устройство дополнительно содержит ультразвуковой аэрозольный генератор для покрытия осаждаемого волокна аэрозолем технологического или функционального соединения, расположенный вблизи осадительного электрода.

При этом:

- осадительный электрод выполнен в виде вращающегося металлического диска;

- осадительный электрод выполнен в виде вращающегося металлического барабана;

- осадительный электрод выполнен в виде неподвижной металлической пластины или неподвижной металлической сетки;

- в качестве полимера используют полиакрилонитрил или его сополимеры, а в качестве технологического или функционального соединения для получения аэрозоля используют дистиллированную воду или 5% водный раствор сульфата аммония.

На фигуре показана схема устройства, где

1 - источник высокого напряжения;

2 - узел подачи полимерного раствора;

3 - металлический капилляр;

4 - осадительный электрод;

5 - ультразвуковой аэрозольный генератор.

Устройство для получения нетканого материала электроформованием раствора полимеров состоит из пяти основных элементов: источник высокого напряжения 1 подает высокое напряжение, достигающее нескольких десятков киловольт, на металлический капилляр 3, по которому проходит прядильный раствор, подаваемый узлом подачи полимерного раствора 2. В межэлектродном пространстве за счет электростатических сил формируются полимерные волокна, попадающие на заземленный осадительный электрод 4 и образуя на его поверхности слой нетканого материала, который покрывается аэрозолем технологического или функционального соединения, вырабатываемым ультразвуковым аэрозольным генератором 5. При этом осадительный электрод может быть выполнен в виде металлического диска, вращающегося с линейной скоростью 10-100 м/с, или металлического барабана, вращающегося с линейной скоростью 0,05-5 м/мин, или неподвижной металлической пластины, или неподвижной металлической сетки.

Технический результат достигается за счет использования в устройстве ультразвукового аэрозольного генератора 5. Например, при электроформовании нетканого материала на основе полиакрилонитрила возможны условия, в которых растворитель не успевает полностью испариться, в результате чего происходит склеивание получаемых волокон между собой. В случае использования аэрозоля из дистиллированной воды удается избежать этого, расширяя возможные параметры процесса формования. В случае использования полиакрилонитрильных волокон в качестве прекурсора для получения углеродного волокна их рекомендуется покрывать сульфатом аммония для оптимизации последующей термообработки. Для этого обычно используется вымачивание материала в ванне с водным раствором сульфата аммония, что требует выделения этого процесса в отдельную стадию с последующей сушкой, что приводит к большим затратам времени и усложнению технологического процесса. Использование ультразвукового аэрозольного генератора позволяет покрывать полиакрилонитрильное волокно сульфатом аммония непосредственно на стадии формования.

1. Устройство для получения нетканого материала электроформованием раствора полимеров, 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, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит ультразвуковой аэрозольный генератор для покрытия осаждаемого волокна аэрозолем технологического или функционального соединения, расположенный вблизи осадительного электрода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осадительный электрод выполнен в виде вращающегося металлического диска.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осадительный электрод выполнен в виде вращающегося металлического барабана.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осадительный электрод выполнен в виде неподвижной металлической пластины или неподвижной металлической сетки.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве полимера используют полиакрилонитрил или его сополимеры, а в качестве технологического или функционального соединения для получения аэрозоля используют дистиллированную воду или 5%-ный водный раствор сульфата аммония.