CZ2018136A3 - Spinning head for producing bulky 3D fibre structures and the equipment - Google Patents
Spinning head for producing bulky 3D fibre structures and the equipment Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2018136A3 CZ2018136A3 CZ2018-136A CZ2018136A CZ2018136A3 CZ 2018136 A3 CZ2018136 A3 CZ 2018136A3 CZ 2018136 A CZ2018136 A CZ 2018136A CZ 2018136 A3 CZ2018136 A3 CZ 2018136A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- spinning
- spinning head
- melt
- solution
- head
- Prior art date
Links
- 238000009987 spinning Methods 0.000 title claims abstract description 192
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 70
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 30
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 18
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 18
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 10
- 238000002074 melt spinning Methods 0.000 claims description 7
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 5
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 8
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 8
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 3
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 3
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 3
- 239000012784 inorganic fiber Substances 0.000 description 3
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 3
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 2
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920000747 poly(lactic acid) Polymers 0.000 description 2
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 2
- 229920001610 polycaprolactone Polymers 0.000 description 2
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 2
- FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-M Butyrate Chemical compound CCCC([O-])=O FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N Butyric acid Natural products CCCC(O)=O FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 description 1
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical compound CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 1
- 241000238633 Odonata Species 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229920000331 Polyhydroxybutyrate Polymers 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 229920000297 Rayon Polymers 0.000 description 1
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003670 easy-to-clean Effects 0.000 description 1
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 description 1
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000007380 fibre production Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000000048 melt cooling Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000005015 poly(hydroxybutyrate) Substances 0.000 description 1
- 239000004632 polycaprolactone Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-L terephthalate(2-) Chemical compound [O-]C(=O)C1=CC=C(C([O-])=O)C=C1 KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
- D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
- D01D5/06—Wet spinning methods
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
- D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
- D01D5/26—Formation of staple fibres
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
- D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
- D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
- D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
- D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
- D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
- D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
- D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
- D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
- D04H1/724—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged forming webs during fibre formation, e.g. flash-spinning
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)
Abstract
Zvlákňovací hlava (1) pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvorného polymeru nebo jejich směsi, přičemž zvlákňovací hlava (1) je uzpůsobená pro rotační uložení a obsahuje prstencovitý vnitřní prostor (8), do kterého je zaústěný přívod (16) roztoku nebo taveniny pro zvlákňování, a alespoň jeden výstupní otvor pro odvod roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru (8) působením odstředivé síly při rotaci zvlákňovací hlavy (1). Podstatou je, že obsahuje nástavec (5), jehož vnější povrch navazuje na vnější povrch zvlákňovací hlavy (1) v oblasti výstupního otvoru / výstupních otvorů pro odvod roztoku nebo taveniny a alespoň jeho část se ve směru od přívodu (16) plynule zužuje, přičemž je rotačně symetrická podél osy rotace zvlákňovací hlavy (1). Řešení se dále týká i zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahující zvlákňovací hlavu (1).Spinning head (1) for the production of bulky 3D structures containing nanofibres and / or submicron fibers by centrifugal spinning of a solution or melt of a fiber-forming polymer or a mixture thereof, the spinning head (1) is adapted for rotational bearing and comprises an annular interior space (8) there is an inlet (16) of solution or melt for spinning, and at least one outlet opening for discharging the solution or melt from the interior space (8) by the centrifugal force during rotation of the spinning head (1). It comprises an extension (5), the outer surface of which extends from the outer surface of the spinning head (1) in the region of the outlet or outlet openings for the solution or melt, and at least a portion of which narrows continuously from the inlet (16). it is rotationally symmetrical along the axis of rotation of the spinning head (1). The invention also relates to an apparatus for producing bulky 3D structures comprising a spinning head (1).
Description
Vynález se týká zvlákňovací hlavy pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nanovlákna a/nebo submikronová vlákna, a to odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsi, a zařízení obsahujícího tuto zvlákňovací hlavu. Takovéto zařízení umožňuje velkokapacitní výrobu objemných 3D nanovlákenných a/nebo submikronových vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním polymemích roztoků i tavenin.The invention relates to a spinning head for the production of bulky 3D structures containing nanofibres and / or submicron fibers by centrifugal spinning of a solution or melt of a fiber-forming polymer or a mixture thereof, and a device comprising this spinning head. Such a device enables large-scale production of bulky 3D nanofibrous and / or submicron fiber structures by centrifugal spinning of polymer solutions and melts.
Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION
Nanovlákna a submikronová vlákna lze vyrobit hned několika technikami. Nejznámější je zřejmě elektrostatické zvlákňování, které k formování vláken využívá elektrostatické síly. Podmínkou tohoto postupu výroby je, že zvlákňováné roztoky či taveniny musí být vodivé. Pokud vodivé nejsou, je nutný přídavek látek, které vodivost roztoku či tavenině zajistí, obvykle se používají anorganické soli, které pro řadu aplikací nejsou vhodné a mohou být i toxické. Dalším problémem elektrostatického zvlákňování je právě přítomnost vysokého napětí, které může způsobit zahoření, proto lze zvlákňovací roztoky obsahující těkavá a hořlavá rozpouštědla zvlákňovat jen velice obtížně a je to velmi riskantní. Tvorbu vláken elektrostatickým zvlákňováním lze podpořit použitím tlakového vzduchu.Nanofibers and submicron fibers can be produced by several techniques. Apparently, the best known is electrospinning, which uses electrostatic forces to form fibers. The condition of this manufacturing process is that the spinning solutions or melt must be conductive. If they are not conductive, it is necessary to add substances to ensure conductivity of the solution or melt, usually inorganic salts are used, which are not suitable for many applications and can be toxic. Another problem of electrospinning is precisely the presence of high voltage, which can cause burning, so spinning solutions containing volatile and flammable solvents can be very difficult to spin and is very risky. The formation of fibers by electrospinning can be promoted by the use of compressed air.
Odstředivé zvlákňování je postup výroby vláken známý již několik desetiletí, pro tvorbu submikronových vláken se ale začal využívat teprve nedávno. Tato metoda ke tvorbě vláken využívá odstředivou sílu a není tedy omezena vodivostí roztoků či tavenin a lze ji bez problémů použít i pro hořlavé a těkavé roztoky.Centrifugal spinning has been known for several decades, but it has only recently been used to form submicron fibers. This method uses centrifugal force to form fibers and is therefore not limited by the conductivity of solutions or melts and can also be used without problems for flammable and volatile solutions.
Klasickým odstředivým zvlákňováním lze vyrobit polymemí submikronová vlákna např. z polyakrylonitrilu, polystyrenu, polyvinylchloridu, polypropylenu, polyhydroxybutyrátu, polykarbonátu, viskózy, ethylcelulózy, škrobu atd., směsná vlákna, dopovaná polymemí vlákna, vlákna s obsahem anoragnických prekurzorů, která se během následného kalcinačního procesu přemění na vlákna anorganická či přímo anorganická vlákna nebo žáruvzdorné materiály, vodivé materiály, sorpční materiály či pH citlivé materiály.Conventional spinning can be used to produce polymeric submicron fibers, for example, from polyacrylonitrile, polystyrene, polyvinyl chloride, polypropylene, polyhydroxybutyrate, polycarbonate, viscose, ethylcellulose, starch, etc., mixed fibers, doped with polymer fibers, fibers containing an anoragic precursor process, converts fibers into inorganic or directly inorganic fibers or refractory materials, conductive materials, sorption materials or pH sensitive materials.
Odstředivým zvlákňováním vznikají submikronové vlákenné či nanovlákenné struktury, které se obvykle nanášejí na nějaký substrát a tvoří plošné útvary a membrány. Touto technologií lze ale vyrábět i objemné 3D vlákenné materiály vatovité struktury (WO 2014127099). Obdobné struktury lze vytvořit i technologií melt-blown, ale tato metoda nedosahuje tak nízkých hodnot průměru vláken. Některé typy odstředivých zvlákňovacích zařízení využívají proudění vzduchu či jiného plynu k unášení vláken ze zvlákňovacího prostoru. V případě horizontálního proudění (WO 2016008797), proudění ve směru formování vláken (US 2006024399) či vertikálního proudění směrem dolů k substrátu (WO 2013096672), na který je nanášena vlákenná vrstva či zachytávány objemné vlákenné struktury, jsou strukturní defekty vznikající při zvlákňování unášeny spolu s vlákny a snižují tak kvalitu vznikajícího produktu.Centrifugal spinning produces submicron fibrous or nanofibrous structures, which are usually applied to a substrate and form sheets and membranes. However, bulky 3D fibrous materials of cotton wool structure (WO 2014127099) can also be produced by this technology. Similar structures can be created with melt-blown technology, but this method does not achieve such low fiber diameter values. Some types of centrifugal spinning devices use the flow of air or other gas to drive fibers from the spinning space. In the case of a horizontal flow (WO 2016008797), a flow in the direction of fiber formation (US 2006024399) or a vertical downward flow towards the substrate (WO 2013096672) onto which the fiber layer is applied or the bulk fiber structures are trapped, the structural defects resulting from spinning are carried together with fibers and reduce the quality of the product.
Jsou známé i případy unášení vláken vertikálně směrem nahoru (US 2016145771). Toto řešení může napomoci k odstranění kapkovitých defektů, které jsou při odstředivém zvlákňování poměrně časté. Těžké a nedostatečně vysušené kapky polymemího roztoku nebo nedostatečně ztuhlé kapky polymemí taveniny nejsou unášeny proudem vzduchu a vlivem gravitace bývají zachyceny na povrchu vnitřního pláště zvlákňovací komory. Bohužel tato úprava ale není dostatečná k odstranění tzv. provázkových defektů, které vznikají záchytem vláken na hranách zvlákňovacích hlav a nežádoucím způsobem ovlivňují kvalitu vznikajících vlákenných struktur.There are also known instances of vertically moving fibers upwards (US 2016145771). This solution can help to remove droplet defects, which are relatively frequent in centrifugal spinning. Heavy and insufficiently dried droplets of polymer solution or insufficiently solidified droplets of polymer melt are not entrained by the air flow and are caught on the surface of the spinner chamber by gravity. Unfortunately, this treatment is not sufficient to eliminate the so-called string defects that arise by trapping the fibers at the edges of the spinning heads and adversely affecting the quality of the formed fiber structures.
- 1 CZ 2018 - 136 A3- 1 GB 2018 - 136 A3
V případě prosycení zvlákňováného roztoku bublinkami vzduchu pak mohou vznikat jemnější vlákna (CN 105648549).If the spinning solution is saturated with bubbles of air, finer fibers can then be formed (CN 105648549).
Zajímavou alternativou odstředivého zvlákňování z trysek je zvlákňování z povrchu rotujícího disku (WO 2009079523) či válce (CZ 20110299, CZ 303298) či z povrchu jiných rotačních těles (KR 101426737). Nevýhodou tohoto postupu přípravy nanovláken a submikronových vláken je nemožnost regulace průměru vláken pomocí velikosti použitých zvlákňovacích trysek. Průměr vláken tak závisí pouze na parametrech roztoku či taveniny a rychlosti otáčení rotujícího tělesa, z jehož povrchu ke zvlákňování dochází. Obvykle je distribuce průměru vláken velice široká a při procesu vzniká velké množství strukturních defektů.An interesting alternative to centrifugal spinning from nozzles is spinning from the surface of a rotating disc (WO 2009079523) or from a roller (CZ 20110299, CZ 303298) or from the surface of other rotating bodies (KR 101426737). The disadvantage of this process of preparation of nanofibres and submicron fibers is the impossibility to control the fiber diameter by the size of the spinning nozzles used. The diameter of the fibers thus depends only on the parameters of the solution or melt and the speed of rotation of the rotating body from whose surface the spinning takes place. Usually, the fiber diameter distribution is very broad and a large number of structural defects are produced in the process.
Dalším typem strukturních defektů jsou útvary připomínající provázky, které vznikají zachycením vznikajících vláken na zvlákňovací hlavě a následným zapletením dalších volných vláken, které se na ně nabalí.Another type of structural defects are strings resembling strings, which arise by trapping the resulting fibers on the spinning head and subsequently entangling other loose fibers that are wrapped on them.
Dalším problémem odstředivého zvlákňování je, že probíhá za vysokých otáček zvlákňovací hlavy a to obvykle několik tisíc otáček za minutu. To v případě zvlákňování tavenin způsobí intenzivní chlazení zvlákňovací hlavy a snížení teploty taveniny. Tavenina, která je dávkována z extrudéru, je vyhřátá na teplotu ideální pro zvlákňování. Než ale dosáhne výstupu ze zvlákňovacích otvorů, musí projít zvlákňovací hlavou, která je rotací chlazena a teplota taveniny se významně sníží. To lze řešit vyhřátím taveniny na vyšší teplotu, což může ale způsobit nežádoucí degradaci polymeru.Another problem of centrifugal spinning is that it takes place at high speed of the spinning head, usually several thousand revolutions per minute. In the case of melt spinning, this causes intensive cooling of the spinning head and a lowering of the melt temperature. The melt that is fed from the extruder is heated to a temperature ideal for spinning. However, before it reaches the exit of the spinning orifices, it must pass through the spinning head, which is cooled by rotation and the temperature of the melt is significantly reduced. This can be solved by heating the melt to a higher temperature, which can, however, cause undesirable degradation of the polymer.
Cílem vynálezu je navrhnout zařízení pro výrobu nanovláken a/nebo mikrovláken odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsí, které překonává nevýhody stavu techniky a přitom je spolehlivé, energeticky nenáročné a umožňující výrobu vláken ve velkém rozsahu.It is an object of the present invention to provide a device for producing nanofibres and / or microfibres by centrifugal spinning of a solution or melt of a fiber-forming polymer or mixtures thereof, which overcomes the disadvantages of the prior art while being reliable, energy efficient and enabling large-scale production.
Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION
Nevýhody výše uvedeného stavu techniky tedy zejména překonává zvlákňovací hlava a zařízení pro výrobu nanovláken a/nebo submikronových vláken odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny. Zvlákňování je uskutečněno s výhodou ve variabilním velkokapacitním zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nano a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním z roztoků a tavenin s výhodou vláknotvomých polymerů nebo jejich směsí, využívá proudění vzduchu vertikálně směrem nahoru k unášení vláken ze zvlákňovacího prostoru. Proudění je dostatečně silné, aby odvedlo vznikající lehká submikronová vlákna a/nebo nanovlákna ze zvlákňovacího prostoru nahoru do záchytného koše, ale zároveň není tak silné, aby odvedlo strukturní defekty vznikající při zvlákňování až do sběrného koše. Uvedené defekty jsou většinou ve tvaru kapkovitých útvarů. Ty vlivem proudění vzduchu opouštějí zvlákňovací prostor a vlivem gravitace jsou zachyceny na stěně zvlákňovací komory. Kapkovité defekty díky své velikosti nebývají řádně vyschnuté či ztuhlé, a proto jsou na stěně zvlákňovací komory přilepeny a proud vzduchu je nestrhne. Tímto způsobem dochází ke zvýšení kvality vyráběného zvlákňováného materiálu a odstranění strukturních defektů z jeho struktury.Thus, the spinning head and the device for producing nanofibres and / or submicron fibers by centrifugal spinning of a solution or melt, in particular, overcome the disadvantages of the above state of the art. The spinning is preferably carried out in a variable mass storage device for producing bulky 3D structures containing nano and / or submicron fibers by centrifugal spinning from solutions and melts, preferably fiber-forming polymers or mixtures thereof, utilizing the air flow vertically upward to entrain fibers from the spinning space. The flow is strong enough to take the resulting light submicron fibers and / or nanofibers up from the spinning space into the collection basket, but at the same time it is not strong enough to remove the structural defects resulting from the spinning to the collection basket. These defects are mostly in the form of teardrop-like formations. They leave the spinning space due to the air flow and are caught by the spinning chamber wall due to gravity. Due to their size, droplet defects are not properly dried or stiffened and are therefore stuck to the spinning chamber wall and are not blown away by the air flow. In this way, the quality of the spinning material produced is improved and structural defects are removed from its structure.
Součástí variabilního velkokapacitního zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nano a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním z roztoků nebo tavenin je také speciální nástavec zvlákňovací hlavy pro prevenci záchytu vláken a zlepšení kvality objemných 3D vlákenných struktur. Při zvlákňování ze zvlákňovacího prstence, který je součástí zvlákňovací hlavy, snadno dochází k zachycení vznikajících vláken na povrchu zvlákňovací hlavy, především pak na jejích hranách. Vlákna bývají často nedostatečně vyschlá (v případě zvlákňování z roztoku) nebo nedostatečně vychladnutá (v případě zvlákňování z taveniny) a pak se snadno přilepí na povrchu, na kterém se zachytí. Další vznikající vlákna se pak nabalují na vlákna již zachycená a to má za následek vlákennou strukturu připomínající provázky (tvoří se tak tzv.The variable mass storage device for producing bulky 3D structures containing nano and / or submicron fibers by centrifugal spinning from solutions or melts also includes a special spinner head extension to prevent fiber capture and improve the quality of bulky 3D fiber structures. During the spinning of the spinning ring, which is a part of the spinning head, it is easy to catch the formed fibers on the surface of the spinning head, especially at its edges. Fibers are often insufficiently dried (in the case of solution spinning) or insufficiently cooled (in the case of melt spinning) and then easily adhere to the surface on which they adhere. Other emerging fibers are then wrapped on the fibers already entrapped, and this results in a fiber structure resembling strings (so-called.
-2CZ 2018 - 136 A3 provázkové struktury neboli provázkový defekt), což je nežádoucí. Proto zvlákňovací hlava podle vynálezu zahrnuje speciální nástavec aerodynamického tvaru z materiálu, jehož povrch je hladký, neprilnavý a je chemicky odolný, s výhodou polytetrafluoretylen pro prevenci záchytu vláken s hladkým povrchem s minimálním třením, které svým tvarem i použitým materiálem účinně zabraňuje tvorbě pro vážkových defektů a umožňuje odvádění vláken ze zvlákňovacího prostoru, a to i při vysokém výkonu zvlákňovacího zařízení. Vlákna jsou zachycena ve sběrném koši v horní části zařízení podle vynálezu.-2GB 2018 - 136 A3 (which is undesirable). Therefore, the spinning head according to the invention comprises a special aerodynamic shape extension made of a material whose surface is smooth, non-sticking and chemically resistant, preferably polytetrafluoroethylene to prevent trapping of fibers with a smooth friction surface with minimal friction. and allows the fibers to be discharged from the spinning space, even at high spinning capacity. The fibers are trapped in a collection basket at the top of the device according to the invention.
Zvlákňovací hlava podle vynálezu pro výrobu objemných 3D struktur obsahující nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsi, přičemž tato zvlákňovací hlava je uzpůsobená pro rotační uložení a obsahuje prstencovitý vnitřní prostor, do kterého je zaústěný přívod roztoku nebo taveniny pro zvlákňování, a alespoň jeden výstupní otvor pro odvod roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru působením odstředivé síly při rotaci zvlákňovací hlavy, jejíž podstatou je, že obsahuje nástavec, jehož vnější povrch navazuje na vnější povrch zvlákňovací hlavy v oblasti výstupního otvoru / výstupních otvorů pro odvod roztoku nebo taveniny a alespoň jeho část se ve směru od přívodu plynule zužuje, přičemž je rotačně symetrická podél osy rotace zvlákňovací hlavy.Spinning head according to the invention for the production of bulky 3D structures containing nanofibres and / or submicron fibers by centrifugal spinning of a solution or melt of a fiber-forming polymer or a mixture thereof, which spinning head is adapted for rotational bearing and contains an annular interior space. for spinning, and at least one outlet opening for discharging the solution or melt from the interior space by centrifugal force during rotation of the spinning head, which comprises an extension whose outer surface adjoins the outer surface of the spinning head in the region of the outlet opening (s) of the solution or melt and at least a portion thereof is continuously tapered away from the feed, being rotationally symmetrical along the axis of rotation of the spinning head.
Podle dalšího provedení vynálezu zvlákňovací hlava obsahuje unášeč a s ním souose uspořádaný, navzájem neotočně spojený distribuční prstenec, ve kterém je vymezen vnitřní prostor zvlákňovací hlavy pro roztok nebo taveninu.According to a further embodiment of the invention, the spinning head comprises a carrier and a coaxially arranged, non-rotatably connected distribution ring, in which the inner space of the spinning head for the solution or melt is defined.
S výhodou unášeč zvlákňovací hlavy podle vynálezu obsahuje hřídel a sní spojený kotouč, zatímco distribuční prstenec je navléknutý na hřídeli unášeče tak, že je vnitřním prostorem přivrácený ke kotouči.Preferably, the spinner head carrier according to the invention comprises a shaft and a lowered disc, while the distribution ring is threaded on the carrier shaft so that it is internally facing the disc.
Ještě podle dalšího provedení vynálezu zvlákňovací hlavy mezi kotoučem a distribučním prstencem je při jejich obvodu vytvořena výškově stavitelná štěrbina tvořící výstupní otvor roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru.According to yet another embodiment of the invention, the spinning heads between the disk and the distribution ring are formed at their circumference by a height-adjustable slit forming an outlet opening of the solution or melt from the interior space.
Ještě podle dalšího provedení vynálezu zvlákňovací hlava dále obsahuje zvlákňovací prstenec, který je uspořádaný mezi distribučním prstencem a unášečem, se kterými je neotočně spojen, přičemž zvlákňovací prstenec obsahuje alespoň jeden zvlákňovací otvor tvořící výstupní otvor pro odvod roztoku nebo taveniny z vnitřního prostoru zvlákňovací hlavy. S výhodou zvlákňovací prstenec zvlákňovací hlavy podle vynálezu obsahuje soustavu radiálně procházejících zvlákňovacích otvorů uspořádaných po jeho obvodu v alespoň dvou řadách.In yet another embodiment of the invention, the spinning head further comprises a spinning ring which is disposed between the distribution ring and the carrier with which it is non-rotatably connected, the spinning ring comprising at least one spinning opening forming an outlet opening for dissolving solution or melt from the interior of the spinning head. Preferably, the spinning ring of the spinning head according to the invention comprises a plurality of radially extending spinning holes arranged around its periphery in at least two rows.
Ještě podle dalšího provedení vynálezu alespoň část vnějšího povrchu nástavce zvlákňovací hlavy podle vynálezu je potažena polytetrafluoretylenem a / nebo se alespoň část vnější povrchu nástavce ve směru od výstupního otvoru / výstupních otvorů zužuje kuželovité nebo konvexně obloukovitě.According to yet another embodiment of the invention, at least a portion of the outer surface of the spinner head extension according to the invention is coated with polytetrafluoroethylene and / or at least a portion of the outer surface of the extension extends conically or convexly in the direction away from the outlet opening (s).
Zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahující nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním roztoku nebo taveniny vláknotvomého polymeru nebo jejich směsi, které obsahuje zvlákňovací hlavu podle vynálezu, dále obsahujeApparatus for producing bulky 3D structures comprising nanofibres and / or submicron fibers by centrifugal spinning of a solution or melt of a fiber-forming polymer or a mixture thereof, comprising a spinning head according to the invention, further comprising
- zvlákňovací komora, ve které je zvlákňovací hlava uložená s možností rotace podél svislé osy, přičemž zužující se část nástavce se zužuje ve směru nahoru od zvlákňovací hlavy a / nebo výstupního otvoru / výstupních otvorů, a- a spinning chamber in which the spinning head is mounted rotatable along a vertical axis, the tapering portion of the extension tapering upwardly from the spinning head and / or the outlet opening (s), and
- ventilátor pro vedení proudu plynu kolem výstupního otvoru nebo výstupních otvorů zvlákňovací hlavy nahoru.a fan for guiding the gas flow around the outlet or outlet ports of the spinner head upward.
S výhodou zařízení podle vynálezu obsahuje indukční topné zařízení pro ohřev taveniny nebo roztoku ve vnitřním prostora zvlákňovací hlavy. S výhodou indukční topné zařízení obsahujePreferably, the device according to the invention comprises an induction heating device for heating the melt or solution in the interior of the spinning head. Preferably, the induction heating device comprises
-3 CZ 2018 - 136 A3 cívku uspořádanou podél části vnější stěny distribučního prstence s odstupem od ní.A3 coil disposed along a portion of the outer wall of the distribution ring spaced therefrom.
Nástavec má s výhodou kuželovitý, případně rotačně symetrický, obloukovitě se zužující tvar. Je vhodné, aby nástavec svým vnějším, zužujícím se povrchem plynule, tedy bez ostrých hran navazoval na vnější povrch zvlákňovací hlavy, případně aby s vnějším povrchem zvlákňovací hlavy tvořil kontinuální, nelomenou plochu bez ostrých hran. Obecně je vhodné, aby povrch, kolem kterého proudí plyn určený pro odnos vláken do sběrného koše, ve směru proudění plynu alespoň od úrovně otvoru/otvorů/štěrbiny pro průchod zvlákňováného polymeru neobsahoval žádné ostré hrany, a alespoň v části oblasti nástavce se postupně zužoval. Tím je zajištěno jednak to, že se vlákna nezachytávají na hraně zvlákňovací hlavy, a jednak to, že je příznivě ovlivňováno proudění vzduchu, což obojí přispívá k snížení, případně eliminaci tvorby provázkových defektů.The adapter preferably has a conical or rotationally symmetrical, arcuate taper. It is desirable that the extension with its outer, tapering surface continuously connects to the outer surface of the spinning head, or to form a continuous, unbroken surface without sharp edges with the outer surface of the spinning head. Generally, it is desirable that the surface around which the fiber-carrying gas flows into the collector in the direction of gas flow at least from the level of the aperture (s) / aperture for the passage of the fiberised polymer does not contain any sharp edges. This ensures, on the one hand, that the fibers do not adhere to the edge of the spinning head, and, on the other hand, that the air flow is favorably influenced, which both contribute to reducing or eliminating the formation of string defects.
Rychlost proudění vzduchu je regulována v rozsahu 0,1 až 10 m3/h, rozsah otáček zvlákňovací hlavy je 500 až 20 000 ot./min.The air flow rate is regulated in the range of 0.1 to 10 m 3 / h, the spinning head speed range is 500 to 20,000 rpm.
Objemné 3D vlákenné struktury jsou velmi nadýchané vatovité útvary obsahující nanovlákna a/nebo submikronová vlákna. Tyto struktury jsou ve formě objemné vaty. Průměr vzniklých nanovláken je v rozsahu 1 až 1000 nm a submikronových vláken je v rozsahu 1 až 1000 μιη.Bulky 3D fiber structures are very fluffy cotton-like structures containing nanofibers and / or submicron fibers. These structures are in the form of bulk wool. The diameter of the produced nanofibres is in the range of 1 to 1000 nm and the submicron fibers are in the range of 1 to 1000 μιη.
Vláknotvomé polymery jsou vybrány ze skupiny obsahující polyamidy (PA6), polyuretany (PUR), polyakrylonitril (PAN), polyvinylidenfluorid (PVDF), polyvinyltereftalát (PET), polyvinylbutyrát (PVB), polyvinylalkohol (PVA), polyethylen oxid (PEO), polykaprolakton (PCL), kyselina polyakrylová (PAA), polylaktidy (PLA), polyolefmy (PE, PP). Lze zvlákňovat také směsi vláknotvomých polymerů či polymemí vlákna s obsahem anorganických solí ve formě koloidních roztoků. Takováto prekurzomí vlákna lze následnou kalcinací přeměnit na vlákna anorganická.The fiber forming polymers are selected from the group consisting of polyamides (PA6), polyurethanes (PUR), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl terephthalate (PET), polyvinyl butyrate (PVB), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), polycaprolactone PCL), polyacrylic acid (PAA), polylactides (PLA), polyolefins (PE, PP). Mixtures of fiber-forming polymers or polymer fibers containing inorganic salts in the form of colloidal solutions can also be spun. Such precursors can be converted to inorganic fibers by subsequent calcination.
Variabilní velkokapacitní zařízení pro výrobu objemných 3D struktur obsahujících nanovlákna a/nebo submikronová vlákna odstředivým zvlákňováním umožňuje i zvlákňování z tavenin. Jak bylo již řečeno, za vysokých otáček zvlákňovací hlavy dochází k intenzivnímu chlazení zvlákňovací hlavy a snížení teploty taveniny. Než se tavenina z dávkovacího zařízení dostane do zvlákňovací hlavy, dojde k významnému snížení teploty taveniny, nárůstu viskozity a dosažení podmínek nevhodných pro zvlákňování. Proto je součástí výhodného provedení velkokapacitního zařízení pro výrobu objemných 3D vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním i aditivní vysokofrekvenční indukční topné zařízení. S výhodou je umístěno tak, že alespoň částečně obklopuje zvlákňovací hlavu, přičemž je mezi ní a zvlákňovací hlavou, resp. vnější stěnou vnitřního prostoru zvlákňovací hlavy ponechána mezera. Hlavní součástí topného zařízení je cívka.Variable high-capacity equipment for the production of bulky 3D structures containing nanofibres and / or submicron fibers by centrifugal spinning also enables melt spinning. As already mentioned, at the high speed of the spinning head, the spinning head is intensively cooled and the melt temperature is reduced. Before the melt from the metering device enters the spinning head, the melt temperature will decrease significantly, the viscosity will increase, and conditions unsuitable for spinning will be achieved. Therefore, an additive high-frequency induction heating device is part of a preferred embodiment of a large-capacity device for producing bulky 3D fiber structures by centrifugal spinning. Preferably, it is positioned at least partially surrounding the spinning head, being between it and the spinning head, respectively. a gap is left through the outer wall of the spinner head interior. The main part of the heating device is a coil.
Tento způsob ohřevu zvlákňovací hlavy v patentových spisech dosud nebyl popsán, vysokofrekvenční indukční ohřev byl doposud využit pouze pro ohřev elektrostaticky zvlákňováných roztoků (JP 2010121238), zřejmě za účelem snížení viskozity a zvýšení rychlosti odpařování použitého rozpouštědla, a pro přípravu uhlíkových nanovláken přímo při karbonizaci (US 2015321919).This method of heating the spinning head has not been described in the patents so far, high-frequency induction heating has hitherto been used only for heating electrostatic spinning solutions (JP 2010121238), apparently to reduce viscosity and increase the evaporation rate of the solvent used, and to prepare carbon nanofibers US 2015321919).
Další výhodné provedení velkokapacitního zařízení pro výrobu objemných 3D vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním je použití beztryskové zvlákňovací hlavy pro odstředivé zvlákňování. Její hlavní výhodou je vyšší výkon zařízení a to, že nedochází k zanášení trysek, což umožňuje podstatně delší chod zařízení bez nutnosti procesních zásahů a prostojů souvisejících s čištěním. Ke zvlákňování nedochází z povrchu rotačních těles, jako ve stávajících řešeních popsaných ve stavu techniky, ale z mezery (Obr. 3), respektive z hrany rotační beztryskové zvlákňovací hlavy. Zvlákňovací hlava se sestává ze dvou částí, mezi nimiž je mezera, ze které dochází ke zvlákňování. Tento design zvlákňovací hlavy umožňuje velmi snadné čištění zvlákňovací hlavy. Zároveň se minimalizuje riziko zasychání polymemího roztoku v tryskách při technologické přestávce zařízení. Výkon zařízení, stejně jako průměr vláken lze účinně regulovatAnother preferred embodiment of a large capacity device for producing bulky 3D fiber structures by centrifugal spinning is the use of a jet-free spinning head for centrifugal spinning. Its main advantage is the higher performance of the device and the fact that there is no clogging of the nozzles, which allows a significantly longer operation of the device without the need for process interventions and downtime associated with cleaning. The spinning does not take place from the surface of the rotating bodies, as in the existing solutions described in the prior art, but from the gap (Fig. 3) or the edge of the rotary jet-free spinning head. The spinning head consists of two parts with a gap from which the spinning takes place. This spinner head design makes it easy to clean the spinner head. At the same time, the risk of drying of the polymer solution in the nozzles during the technological break of the device is minimized. The plant performance as well as the fiber diameter can be effectively controlled
-4CZ 2018 - 136 A3 velikostí této mezery, nicméně distribuce průměru takto vyrobených vláken je mírně vyšší než v případě zvlákňování z trysek. Množství strukturních defektů je opět účinně eliminováno vertikálním prouděním vzduchu směrem nahoru. Tento typ zvlákňovací hlavy navíc umožňuje dopovat zvlákňovací roztoky či taveniny dopantem, jehož velikost částic je relativně velká (řádově jednotky mikrometrů) nebo jsou částice tvarově nevhodné a ucpávaly by trysky zvlákňovací hlavy. Beztrysková zvlákňovací hlava stejně jako zvlákňovací hlava s tryskami ve variabilním velkokapacitním zařízení pro výrobu objemných 3D vlákenných struktur odstředivým zvlákňováním využívá nástavec zvlákňovací hlavy pro prevenci záchytu vláken a lze jej použít i pro zvlákňování tavenin s aditivním indukčním ohřevem.However, the diameter distribution of the fibers thus produced is slightly higher than in the case of spinning from nozzles. Again, a number of structural defects are effectively eliminated by the vertical air flow upwards. This type of spinner also allows dopants to be doped with dopants whose particle size is relatively large (on the order of micrometers) or the particles are unsuitable in shape and would clog the spinneret nozzles. A jet-free spinning head, as well as a spinning head with nozzles in a variable mass storage device for producing bulky 3D fiber structures by centrifugal spinning, utilizes a spinning head extension to prevent fiber entrapment and can also be used to melt spinning with additive induction heating.
Variabilita velkokapacitního zařízení pro výrobu objemných 3D submikronových vláken odstředivým zvlákňováním podle vynálezu umožňuje zpracovávat širokou škálu polymerů, a to jak z taveniny, tak z roztoku a dovoluje tak průmyslovou výrobu objemných materiálů pro různé typy výrobků.The variability of the high capacity centrifugal spinning 3D bulk micron fiber production apparatus of the present invention allows the processing of a wide variety of polymers, both from melt and solution, thus allowing the industrial production of bulky materials for various product types.
Je třeba brát v potaz skutečnost, že se nejedná o žádné laboratorní zařízení, ale o zařízení, které je schopno produktovat velká množství nanovláken a/nebo submikronových vláken (v řádech kg) za provozní směnu. Navíc další výhodou tohoto zařízení je možnost zařazení většího počtu zvlákňovacích hlav umístěných do tzv. zvlákňovacích věží. Jedna osoba může obsloužit zařízení produkující několikanásobně větší množství materiálu, což přináší úsporu personálních nákladů, ale také nákladů spojených s úpravou procesního vzduchu a možností recyklace tohoto vzduchu a také systému sběru či zachytávání vláken.It should be taken into account that this is not a laboratory device, but a device that is capable of producing large quantities of nanofibers and / or submicron fibers (in the order of kg) per operating shift. Moreover, another advantage of this device is the possibility of incorporating a larger number of spinning heads placed in so-called spinning towers. One person can operate equipment producing several times more material, which saves personnel costs, but also costs associated with the treatment of process air and the possibility of recycling this air, as well as a fiber collection or collection system.
Průmyslově využitelné zařízení podle vynálezu na principu odstředivého zvlákňování, které produkuje 3D submikronová vlákna a/nebo nanovlákna ve formě vatovitých struktur, a to jak z roztoků, tak i tavenin. Ta jsou ze zvlákňovacího prostoru odváděna proudem vzduchu, který je zároveň využit k odstraňování strukturních defektů. Zaplétání vláken ve zvlákňovacím prostoru a vzniku svazků a zapletenin je zabráněno speciálním tvarem nástavce zvlákňovací hlavy, který zabraňuje záchytu vznikajících vláken na povrchu / hranách zvlákňovací hlavy. Zařízení umožňuje i vysoce výkonné beztryskové zvlákňování. V případě zvlákňování z taveniny je součástí zařízení aditivní indukční ohřev, který předchází chladnutí taveniny ve zvlákňovací hlavě způsobené intenzivním chlazením vlivem vysokých otáček zvlákňovací hlavy. Zařízení lze využít k výrobě polymemích vláken, ale i prekurzorových vláken pro následnou tvorbu anorganických vláken.An industrial spinning spinning device according to the invention which produces 3D submicron fibers and / or nanofibers in the form of cotton wool structures, both from solutions and from melts. These are discharged from the spinning space by a stream of air, which is also used to remove structural defects. The entanglement of the fibers in the spinning space and the formation of bundles and entanglements is prevented by the special shape of the spinner head extension, which prevents the formation of the formed fibers on the surface / edges of the spinner head. The device also enables high-performance jet-free spinning. In the case of melt spinning, the apparatus includes an additive induction heating that prevents the melt cooling in the spinning head caused by intense cooling due to the high speed of the spinning head. The device can be used for the production of polymer fibers, but also precursor fibers for the subsequent formation of inorganic fibers.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Příkladné provedení podle vynálezu je schematicky znázorněné na výkresech, kde na obr. 1 znázorněno zvlákňovací zařízení jako celek včetně komory pro úpravu a přívod vzduchu, zvlákňovací komory a sběrného koše na dosoušení vláken. Na obr. 2 je řez zvlákňovací hlavou opatřenou nástavcem. Na obr. 3 je znázorněna beztrysková zvlákňovací hlava (nástavec není znázorněn). Na obr. 4 je snímek strukturních pro vážkových defektů.An exemplary embodiment of the invention is shown schematically in the drawings, wherein Fig. 1 shows the spinning device as a whole including an air conditioning and supply chamber, a spinning chamber and a fiber drying basket. Fig. 2 is a cross-sectional view of the spinning head provided with an extension. Fig. 3 shows a jet-free spinning head (nozzle not shown). Fig. 4 is an image of structural defect in dragonfly.
Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Příkladné provedení zařízení podle tohoto vynálezu obsahuje zvlákňovací komoru 10, k jejíž spodní straně 12 přiléhá komora 9 pro úpravu a přívod vzduchu, a k horní straně 13 zvlákňovací komory 10 přiléhá sběrný koš 11 na dosoušení vláken. Přiléhá komora 9, zvlákňovací komora 10 a sběrný koš 11 jsou svými vnitřními prostory vzájemně propojeny.An exemplary embodiment of the device according to the invention comprises a spinning chamber 10, to whose underside 12 an air conditioning and supply chamber 9 adjoins, and to the upper side 13 of the spinning chamber 10 a filament collecting basket 11 adjoins. The adjacent chamber 9, the spinning chamber 10 and the collecting basket 11 are interconnected by their internal spaces.
V komoře 9 pro úpravu a přívod vzduchu je uložen alespoň jeden ventilátor, pomocí něhož je veden proud vzduchu do zvlákňovací komory 10, a to ve vertikálním směru nahoru za účelem unášení vytvářených vláken z prostoru obklopujícího zvlákňovací hlavu 1 směrem ke sběrnémuThe air conditioning and supply chamber 9 houses at least one fan through which the air stream is directed into the spinning chamber 10 in a vertical upward direction to entrain the formed fibers from the space surrounding the spinning head 1 towards the collecting head.
-5 CZ 2018 - 136 A3 koši H. Jak bylo uvedeno, v případě potřeby lze použít i jiný plyn než vzduch.As indicated, a gas other than air may be used if desired.
Zvlákňovací komora 10 obsahuje rotačně uloženou zvlákňovací hlavu 1 uloženou na hřídeli 6, která je poháněna motorem 7. Hřídel 6 je zakončený nebo opatřený unášečem 4, což je kotouč uspořádaný souose s hřídelí 6 a v podstatě shora uzavírá vnitřní prostor 8 zvlákňovací hlavy 1.The spinning chamber 10 comprises a rotatably mounted spinning head 1 mounted on a shaft 6, which is driven by a motor 7. The shaft 6 is terminated or provided with a gripper 4, which is a disc aligned coaxially with the shaft 6 and substantially encloses the interior space 8 of the spinning head 1.
Zvlákňovací hlava 1 rovněž obsahuje distribuční prstenec 2, který je navléknutý na hřídeli 6 a upevněný (souose s hřídelí 6) k unášeči 4 pomocí stavitelných šroubů 19, a to buď přímo, jak je to znázorněno na obr. 3, nebo přes zvlákňovací prstenec 3, jak je to znázorněno na obr. 2.The spinning head 1 also comprises a distribution ring 2 which is threaded on the shaft 6 and fixed (coaxial with the shaft 6) to the carrier 4 by means of adjustable screws 19, either directly as shown in Fig. 3 or through the spinning ring 3. as shown in FIG. 2.
Distribuční prstenec 2 prochází svou vnitřní stranou 17 podél hřídele 6, ale s odstupem od hřídele 6, čímž je vytvořen prstencovitý kanál tvořící přívod 16 zvlákňovacího roztoku nebo taveniny do vnitřního prostoru 8 zvlákňovací hlavy 1. Distribuční prstenec 2 současně vymezuje prstencovitý vnitřní prostor 8, který je propojený s přívodem 16 a ve kterém se shromažďuje zvlákňovací roztok nebo tavenina a je veden/a k výstupnímu otvoru / výstupním otvorům na vnějším obvodu zvlákňovací hlavy 1.The distribution ring 2 extends through its inner side 17 along the shaft 6, but at a distance from the shaft 6, thereby forming an annular channel forming the inlet 16 of the spinning solution or melt into the interior space 8 of the spinning head 1. The distribution ring 2 simultaneously defines an annular interior space 8 it is connected to the inlet 16 and in which the spinning solution or melt is collected and is led to the outlet opening (s) on the outer periphery of the spinning head 1.
V provedení z obr. 3 je výstupní otvor představován štěrbinou 20, která je průběžná po celém obvodu, vyjma přerušení stavitelnými šrouby 19.In the embodiment of FIG. 3, the outlet opening is represented by a slot 20 that extends throughout the circumference, except for interruption by adjustable screws 19.
V provedení z obr. 2 je místo štěrbiny 20 uspořádán zvlákňovací prstenec 3, ve kterém jsou vytvořeny průchozí zvlákňovací otvory (zobrazen jeden zvlákňovací otvor 22) představující výstupní otvory pro průchod taveniny nebo roztoku.In the embodiment of Fig. 2, a spinning ring 3 is provided in place of the slit 20, in which through-flow spinning holes (one spinning hole 22 shown) representing exit holes for the passage of the melt or solution are formed.
V dalším (neznázoměném) provedení, jsou na horní a / nebo dolní ploše zvlákňovacího prstence 3 vytvořeny radiální drážky, takže připevněním / přiložením zvlákňovacího prstence 3 k ploše unášeče 4 a distribučního prstence 2 vzniknou výstupní otvory. Je také možné vytvořit tyto drážky v okrajové ploše distribučního prstence 2 a/ nebo unášeče 4 v plochách, kterými přiléhají ke zvlákňovacímu prstenci 3.In another (not shown) embodiment, radial grooves are formed on the top and / or bottom surfaces of the spinner ring 3 so that outlet openings are formed by attaching / applying the spinner ring 3 to the surface of the carrier 4 and the distribution ring 2. It is also possible to provide these grooves in the peripheral surface of the distribution ring 2 and / or of the gripper 4 in the surfaces adjacent to the spinning ring 3.
V případě, kdy není použit zvlákňovací prstenec 3 lze takovéto drážky vytvořit v ploše / plochách, kterými k sobě přiléhají unášeč 4 a distribuční prstenec 2.In the case where the spinning ring 3 is not used, such grooves can be formed in the surface (s) adjoining the carrier 4 and the distribution ring 2.
A v ještě jiném provedení, které není znázorněno, je mezi zvlákňovacím prstencem 3, který obsahuje průchozí otvory pro průchod taveniny nebo roztoku, a unášečem 4 vytvořena nebo vytvoritelná štěrbina 20 rovněž pro průchod taveniny nebo roztoku.And in yet another embodiment, which is not shown, there is between the spinning ring 3, which contains through-holes for the passage of the melt or the solution and the carrier 4, formed or formable slot 20 also for the passage of the melt or the solution.
Zvlákňovací prstenec 3, který je neotočně spojen s unášečem 4 a distribučním prstencem 2, obsahuje alespoň jeden zvlákňovací otvor 22, jak je ukázáno na obr.2. S výhodou procházejí zvlákňovací otvory 22 v radiálním směru a jsou uspořádány po obvodu zvlákňovacího prstence 3 v alespoň dvou řadách. Jsou ale možná i jiná uspořádání.The spinning ring 3, which is non-rotatably connected to the carrier 4 and the distribution ring 2, comprises at least one spinning hole 22, as shown in Fig. 2. Preferably, the spinning holes 22 extend in the radial direction and are arranged around the periphery of the spinning ring 3 in at least two rows. However, other arrangements are possible.
V neznázoměném provedení může být zvlákňovací prstenec 3 vytvořen jako integrální součást unášeče 4 nebo distribučního prstence 2. V takovém případě unášeč 4 na straně přivrácené k distribučnímu prstenci 2 nebo distribuční prstenec 2 na straně přivrácené k unášeči 4 obsahuje obvodový prstencový lem, který prochází souose s osou otáčení zvlákňovací hlavy i a ve kterém jsou vytvořeny zvlákňovací otvory 22.In a not shown embodiment, the spinning ring 3 may be formed as an integral part of the carrier 4 or the distribution ring 2. In such a case, the carrier 4 on the side facing the distribution ring 2 or the distribution ring 2 on the side facing the carrier 4 comprises a circumferential ring rim coaxially the axis of rotation of the spinning head 1 and in which the spinning holes 22 are formed.
Podle ještě jiného výhodného provedení, jak je ukázáno na obr. 2, může být distribučního prstenec 2 opatřen křidélkem 23 pro zintenzivnění odvodu vláken od štěrbiny 20 či zvlákňovacího otvoru 22. Křidélko 23 obsahuje tělo 25 a usměrňovači část 26. Tělo 25 křidélka 23 je s výhodou válcové, může mít i jiný vhodný tvar. Je zapuštěno do distribučního prstence 2 z boční strany a v něm upevněno pomocí aretačního šroubu 24. Usměrňovači část 26 je s výhodou plochá a je vně distribučního prstence 2. Natáčení usměrňovači části 26 křidélka 23 je umožněno válcovým tělem 25 křidélka 23, a to v rozmezí 0 až 180° vzhledem k rovině kolmé na osu otáčeníAccording to yet another preferred embodiment, as shown in FIG. 2, the distribution ring 2 may be provided with a fin 23 to intensify fiber removal from the slit 20 or the spinneret 22. The fin 23 comprises a body 25 and a baffle portion 26. preferably cylindrical, it may also have another suitable shape. It is recessed into the distribution ring 2 from the side and fixed therein by the locking screw 24. The deflection portion 26 is preferably flat and is outside the distribution ring 2. The rotation of the deflection portion 26 of the aileron 23 is allowed by the cylindrical body 25 of the aileron 23. 0 to 180 ° with respect to a plane perpendicular to the axis of rotation
-6CZ 2018 - 136 A3 distribučního prstence 2 a tím lze lépe nastavit intenzitu proudění vzduchu 14.-6GB 2018 - 136 A3 of the distribution ring 2, and thus the air flow rate 14 can be better adjusted.
Ve výhodném provedení znázorněném na obr. 1 je zvlákňovací hlava 1 zahřívána pomocí vysokofrekvenčního indukčního topného zařízení 18, kterým je s výhodou cívka. Toto topné zařízení 18 je umístěno okolo zvlákňovací hlavy 1, nejlépe podél stěn jejího vnitřního prostoru 8, ale aniž by s ní bylo v kontaktu. Topné zařízení 18 může proto zůstávat stacionární, zatímco zvlákňovací hlava 1 rotuje.In the preferred embodiment shown in Fig. 1, the spinning head 1 is heated by means of a high-frequency induction heating device 18, which is preferably a coil. This heating device 18 is positioned around the spinning head 1, preferably along the walls of its interior space 8, but without being in contact with it. The heating device 18 can therefore remain stationary while the spinning head 1 rotates.
Plné šipky naznačují směr a místa záchytu defektů, které jsou většinou ve tvaru kapkovitých útvarů na vnitřní straně stěny zvlákňovací komory 10.The solid arrows indicate the direction and location of the defect capture, which are mostly in the form of teardrop formations on the inside of the spinning chamber wall 10.
Zvlákňovací hlava 1 je opatřena souose uspořádaným nástavcem 5, přičemž zatočená šipka ukázaná na obr. 1 v horní části nástavce ukazuje směr rotace zvlákňovací hlavy 1 s nástavcem 5.The spinning head 1 is provided with a coaxially extending extension 5, the twisted arrow shown in FIG. 1 at the top of the extension showing the direction of rotation of the spinning head 1 with the extension 5.
Vzniklá vlákna jsou prouděním vzduchu 14 dopravena do sběrného koše 11, kde jsou zachycena mezi dráty sběrného koše 11.The resulting fibers are conveyed by air flow 14 to the collecting basket 11 where they are trapped between the wires of the collecting basket 11.
Zvlákňovací hlava 1 z obr. 2 obsahuje distribuční prstenec 2 a unášeč 4, mezi nimiž je uspořádaný zvlákňovací prstenec 3, přičemž tyto tri součásti jsou neotočně spojeny stavitelnými šrouby 19. Pomocí stavitelných šroubů lze přitom nastavit a zaaretovat velikost štěrbiny 20 pro odvod roztoku nebo taveniny mezi distribučním prstencem 2 a zvlákňovacím prstencem 3 a/nebo mezi zvlákňovacím prstencem 3 a unášečem 4.The spinning head 1 of FIG. 2 comprises a distribution ring 2 and a gripper 4 between which a spinning ring 3 is arranged, the three components being non-rotatably connected by adjustable screws 19. By means of the adjustable screws, the size of the solution or melt discharge slot 20 can be adjusted and locked. between the distribution ring 2 and the spinning ring 3 and / or between the spinning ring 3 and the carrier 4.
Nástavec 5 je neotočně spojen s unášečem 4, přičemž se obloukovitě zužuje ve směru od výstupních otvorů. Případně se může zužovat kuželovité, se zaoblenou přechodnou hranou mezi válcovitým povrchem (zvlákňovací hlavy) a kuželovitým povrchem (nástavce).The extension 5 is non-rotatably connected to the carrier 4, and is tapered in the direction away from the outlet openings. Optionally, it can be tapered, with a rounded transition edge between the cylindrical surface (spinning heads) and the tapered surface (extensions).
Nástavec 5 může být tvořen samostatným dílcem, který je neotočně upevněn k unášeči 4. Je ale také možné vytvořit nástavec 5 jako integrální součást unášeče 4, tedy z jednoho kusu.The extension 5 can be a separate piece which is non-rotatably fastened to the carrier 4. However, it is also possible to form the extension 5 as an integral part of the carrier 4, i.e. in one piece.
Pro zajištění co nejmenšího povrchového tření plochy nástavce 5 je nástavec 5 s výhodou potažen polytetrafluoretylenem, a to alespoň na plochách, které jsou nejblíže k výstupním otvorům.In order to minimize surface friction of the surface of the nozzle 5, the nozzle 5 is preferably coated with polytetrafluoroethylene, at least on the surfaces closest to the outlet openings.
Ačkoli bylo popsáno zvlášť výhodné příkladné provedení i řada jeho možných úprav a změn, je zřejmé, že odborník z dané oblasti snadno nalezne další možné alternativy k těmto provedením. Proto rozsah ochrany není omezen na tato příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených patentových nároků.Although a particularly advantageous exemplary embodiment and a number of possible modifications and changes thereof have been described, it is obvious that one skilled in the art will easily find other possible alternatives to these embodiments. Therefore, the scope of protection is not limited to these exemplary embodiments, but rather is given by the definition of the appended claims.
PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS
Claims (25)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-136A CZ307976B6 (en) | 2018-03-19 | 2018-03-19 | Spinning head for producing bulky 3D fibre structures and the equipment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-136A CZ307976B6 (en) | 2018-03-19 | 2018-03-19 | Spinning head for producing bulky 3D fibre structures and the equipment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2018136A3 true CZ2018136A3 (en) | 2019-09-25 |
| CZ307976B6 CZ307976B6 (en) | 2019-09-25 |
Family
ID=67985999
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2018-136A CZ307976B6 (en) | 2018-03-19 | 2018-03-19 | Spinning head for producing bulky 3D fibre structures and the equipment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ307976B6 (en) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08144120A (en) * | 1994-11-19 | 1996-06-04 | Nippon Muki Co Ltd | Production of thermoplastic resin fiber and apparatus therefor |
| CN201224821Y (en) * | 2007-12-29 | 2009-04-22 | 中国科学院长春应用化学研究所 | Apparatus for preparing non-woven fabric by fused mass and solution centrifugal spinning |
| WO2012109210A2 (en) * | 2011-02-07 | 2012-08-16 | Fibrerio Technology Corporation | Apparatuses and methods for the simultaneous production of microfibers and nanofibers |
| KR101617220B1 (en) * | 2014-11-20 | 2016-05-03 | 주식회사 우리나노 | Nanofibers spinning device by centrifugal force and method of manufacturing nanofibers thereby |
-
2018
- 2018-03-19 CZ CZ2018-136A patent/CZ307976B6/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ307976B6 (en) | 2019-09-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2900853B1 (en) | Devices and methods for the production of microfibers and nanofibers | |
| US8277711B2 (en) | Production of nanofibers by melt spinning | |
| US10208404B2 (en) | Micro and nanofibers of polysaccharide based materials | |
| CN114808164B (en) | Collecting device for centrifugal spinning and using method thereof | |
| CN104674360A (en) | Device and method for differential centrifugal spinning by using air flow to assist melt | |
| Gholipour-Kanani et al. | A review on centrifugal and electro-centrifugal spinning as new methods of nanofibers fabrication | |
| US10590565B2 (en) | Polymeric nanofibers and nanofibrous web | |
| US3317954A (en) | Apparatus for producing fibers | |
| CZ2018136A3 (en) | Spinning head for producing bulky 3D fibre structures and the equipment | |
| EP2885446B1 (en) | Multizone electroblowing process | |
| WO2012109240A2 (en) | Split fiber producing devices and methods for the production of microfibers and nanofibers | |
| RU2388854C2 (en) | Installation for production of fibre material out of thermo-plastic | |
| US20170268132A1 (en) | A centrifugal spinning device used for nanofiber/microfiber production | |
| CN204530052U (en) | A kind of air-flow complementary melt differential centrifugation device for spinning | |
| KR20210154392A (en) | An apparatus for manufacturing nanofiber filaments and a method for making nanofiber filaments using the same | |
| CZ35864U1 (en) | Spinning head | |
| KR102633454B1 (en) | An apparatus for manufacturing nanofiber filaments and a method for making nanofiber filaments using the same | |
| KR101426737B1 (en) | Method of manufacturing nanofibers via centrifugal force | |
| CZ2022296A3 (en) | A method and a spinning head for the continuous production of nanofibrous and submicron fibre structures and a devices with this head | |
| WO2023181740A1 (en) | Fiber manufacturing method and fiber manufacturing device | |
| CZ30004U1 (en) | Apparatus for producing nanofibers and/or microfibers by polymer solution or melt centrifugal spinning | |
| CZ22704U1 (en) | Device for nozzleless centrifugal production of nanofibers and micro-fibers on surface of roatating cylinders | |
| JPH06116806A (en) | Melt spinning equipment | |
| CZ22711U1 (en) | Apparatus for nozzleless centrifugal manufacture of nanofibers using rollers with profiled surface |