BG112979A - Многофункционален въртящ се цилиндричен колектор към апаратура за електроовлакняване - Google Patents

Abstract

Многофункционален въртящ се цилиндричен колектор към апаратура за електроовлакняване, при който може бързо и лесно да се променя конфигурацията на колектора чрез смяна на конструираните приставки (спици, ножове, метални мрежи с различен профил и размер на светлия отвор, плътен метален лист), при което ще се получават матове с различна морфология в зависимост от търсения краен резултат.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до многофункционален въртящ се цилиндричен колектор към апаратура за електроовлакняване и намира приложение за получаване на микро- и нановлакнест нетъкан текстил (т. нар. „мат) с приложение в биомедицината, за производство на филтри, хигиенни и предпазни материали и материали за еднократна употреба, в текстилната промишленост и др.

Предшестващо състояние на техниката

Електроовлакняването (англ. „electrospinning от „electrostatic spinning) е върхова технология, която единствена до момента позволява бързо и ефективно получаване на непрекъснати полимерни влакна с диаметри в микро- и наноскалата и с дължина, достигаща до няколко метра. Електроовлакняването е процес, при който под действие на електрически сили, приложени върху полимерен разтвор или стопилка, се образува електрически заредена струя, която по време на полета си до колектора изсъхва и води до образуването на полимерни влакна. Полимерните влакна се отлагат върху колектора под формата на нетъкан текстил (мат). Формирането на влакната става благодарение на потенциалната разлика, която се създава между капилярата, от която се изстрелва полимерната струя, и колектора, върху който се отлагат сухите влакна. В резултат на камшичното движение на предилната струя върху колектора се отлагат случайно разпределени влакна под формата на нетъкан текстил. За да се постигне желана ориентация на влакната, върху колектора се използват различни приставки и колектори. Чрез геометрията на колекторите успешно може да се влияе върху организацията на влакната и структурата на получения мат. При използването например на колектор със спици или на „ножовиден колектор се получават силно ориентирани влакна в пространството между спиците или съответно ножовете. Матовете, изградени от ориентирани влакна показват по-добри механични свойства, от тези, изградени от хаотично разпределени влакна.

Апаратурата за електроовлакняване не е стандартизирана и унифицирана. Обикновено тя се състои от източник на високо напрежение (генератор), колектор и помпа, с която контролирано се подава предилния полимерен разтвор. Колекторът е тази част от апаратурата за електроовлакняване, върху който се отлагат полимерните влакна, които съставят матовете.

Колекторите могат да бъдат два вида - стационарни и въртящи се. За да се получат матове, изградени от влакна с определена ориентация се използват въртящи се колектори. В зависимост от скоростта на въртене на колекторите, може да се постигне търсена ориентация на влакната и следователно подредена морфология на получения нетъкан текстил. При ниски скорости на въртене на колектора влакната се отлагат хаотично, а при високи скорости на въртене - се ориентират по посока на въртене на колектора. Обикновено въртящите се колектори се закрепват върху стоика (основно тяло), направена от непроводим (неметален) материал. Опроводяването на въртящите се колекторите става по различни начини, като при някои от тях може да се създаде искра, което е нежелан ефект.

Известните въртящи се цилиндрични колектори имат следните недостатъци: получените материали са с много малка площ, която рядко надвишава 30 см², тъй като диаметърът на цилиндъра, върху който се отлагат влакната е не повече от 6-7 см. Същевременно познатите конфигурации в подреждането на влакната са ограничени от използваните в практиката 2-3 вида цилиндрични колектори с различна геометрия - гладък колектор, ножовиден с точно фиксирано разстояние между неподвижно закрепени ножове и спицовиден с точно определено разстояние между неподвижно закрепени спици. За посочените конфигурации, обаче, е необходимо апаратурата за електроовлакняване да е снабдена с комплект от няколко колектора със съответната геометрия. Не е известен въртящ се колектор тип мрежа.

В научната литература са описани и въртящи се цилиндрични колектори, при които е постигната добра ефективност на отлагане на влакната и са получавани големи площи от нетъкан текстил.

Полезен модел CN 202 744 670 U, публикуван на 20.02.2013 г., разкрива електростатичен въртящ се колектор, който е изграден от колекторно тяло и въртяща се дюза, поставени върху изолационна подпорна плоча. Въртящата се дюза е поместена във вътрешната част на колекторното тяло (цилиндъра), където се образува силно електростатично поле. Колекторът представлява въртящ се цилиндър или успоредно разположени спици, монтирани върху цилиндър. Той може да бъде цилиндричен и симетричен в двата си края, или отворен елипсоид. Вътрешната повърхност на стената на колектора може да се покрие с метално фолио (алуминиево или медно фолио). Поставянето на металното фолио, върху което се отлагат влакната по вътрешната повърхност на стената на колектора, затруднява изключително много свалянето на получения мат. В предложения многофункционален въртящ се цилиндричен колектор влакната се натрупват върху външната повърхност на въртящия се колектор и свалянето на получения мат става изключително лесно.

Патент за изобретение KR 101816 031 В1, публикуван на 08.01.2018 г., разкрива апаратура за производство на нановлакна посредством електроовлакняване, която включва дюза, проводим колектор и захранващо устройство. Отнася се до използване на колектор тип решетка. Основата на колектора е направена от алуминий или подобно и е с цилиндрична форма, но може да се разгъне и до плоска форма. Когато колекторът е в цилиндрична форма, може да се електроовлакнява само при ниски скорости на въртене - около 50 об./мин. Когато колекторът е в плоска форма може да се електроовлакнява при хоризонтално преместване на колектора или на дюзата. Следователно, при цилиндрична форма има ограничение относно скоростта на въртене, а при плоската форма е необходимо осигуряване на хоризонтално движение на дюзата или колектора, което значително усложнява апаратурата. Споменатите недостатъци са избегнати в предложения многофункционален въртящ се цилиндричен колектор.

Заявка за полезен модел CN 200 985 371 Y, публикуван на 05.12.2007 г., разкрива кръгъл тръбен колектор с цилиндрично тяло, използван като част от апаратура за електроовлакняване. Колекторът се монтира в оста на задвижване на ротационен вал на двигателя посредством втулка и гайка, и е изработен от неръждаема стомана. В този полезен модел колекторът е куха цилиндрична тръба, направена от пръчка неръждаема стомана. Недостатък е получаването на материали с много малка площ, тъй като диаметърът на използваната стоманена пръчка е не повече от 2-3 см.

Заявка за патент за изобретение TW 2013 26 484 А, публикувана на 01.07.2013 г., се отнася до апаратура за електроовлакняване, която включва цилиндричен колектор с дъгообразна повърхност на периферията, задвижващ модул и резервоар за изходна суровина. Колекторът е изработен от непроводим материал (напр. стъкло); колекторът може да бъде кух, като в пространството на кухината по вътрешната обиколка се прикрепва проводима повърхност. Проводимият филм, който се поставя е предпочитано меден, за да има добра електрическа проводимост. Този проводим филм може да се свърже с четки, а четките да се свързват с отрицателния полюс на генератора. Изборът на стъкло като непроводим материал би създало опасност при въртене от счупване и нараняване на работещите с апаратурата. Недостатък е начинът на опроводяване на колектора чрез четки - има предпоставка за създаване на искра и опасност от запалване. При предложения многофункционален въртящ се цилиндричен колектор също е използван цилиндър, изработен от неметален материал, който е дърво - лек и безопасен материал. По дължината на цилиндъра е монтирана неподвижно метална ос, чрез която се осигурява опроводяването на колектора и то без да се създават условия за искра.

В литературата не е разкрит многофункционален въртящ се цилиндричен колектор, който може едновременно да изпълнява функциите на гладък цилиндричен въртящ се колектор, на ножовиден, спицовиден или тяхна комбинация въртящ се колектор, както и на въртящ се колектор-мрежа. По този начин, с използването на един и същи колектор, може да бъде получен нетъкан текстил (т. нар. „мат) с желана морфология, копиращ геометрията на колектора и изграден от влакна с определена ориентация. Същевременно колекторът има възможност за работа при бързи обороти и е обезопасен срещу възникване на искра поради подбора на използваните материали.

Техническа същност на изобретението

Задачата на изобретението е да се създаде многофункционален въртящ се цилиндричен колектор, при който може бързо и лесно да се променя конфигурацията на колектора чрез смяна на приставките (спици, ножове, метални мрежи с различен профил, плътен метален лист), при което ще се получават матове с различна морфология в зависимост от търсения краен резултат. При използването на плътен метален лист се получават матове, изградени от безпорядъчно отложени влакна. При използването на спици или ножове, или тяхна комбинация се получават матове, изградени от силно ориентирани влакна (успоредни едни на други) в пространството между спиците или ножовете. При ножовете, предимство е заостреният им ръб край, който улеснява подреждането на влакната при прилагане на електрическото поле. При прилагане на метални мрежи, в зависимост от конфигурацията на светлия отвор (квадрат, ромб, успоредник, правоъгълник) се получават матове, изградени също от ориентирани в определена посока влакна в пространството на светлия отвор. Така чрез смяна на приставките или тяхна комбинация (само в случая на ножове и спици) лесно може да се влияе ориентацията на влакната и съответно на морфологията на отложения върху приставките мат. При това конструкцията на колектора и приставките позволяват да се комбинират ножове и спици, което също разширява набора от матове с различни морфологии. При всички конфигурации влакната се натрупват, формирайки мат, върху външната повърхност на въртящия се цилиндричен колектор. Практически, така се получава мат без начало и край. При това свалянето на мата става изключително лесно, като механично се прерязва на избрано място и се отделя чрез повдигане от цилиндричния колектор. Сваленият мат копира напълно геометрията на приставката - при плътен лист е плътен мат, изграден от хаотично разположени влакна, при спици/ножове е на „ивици, при метални мрежи е като мрежа.

Конструкцията на колектора позволява и въртене с различни скорости (обороти в минута), в зависимост от характеристиките на използвания мотор.

Задачата е решена посредством конструирането на стоика от неметален материал, върху която се поставя цилиндър, изработен също от неметален материал (дърво, тефлон, керамика, композитни материали и др.). Диаметърът и дължината на цилиндъра може да варират в зависимост от това с каква площ ще бъдат получаваните матове (площта на мата = обема на цилиндъра, който е равен на височината на цилиндъра χ радиуса на основата на квадрат χ π). През средата, по дължината на цилиндъра е монтирана неподвижно метална ос, изработена от неръждаема стомана, чрез която се осигурява опроводяването на колектора и то без да се създава искра. В двата края на тази метална ос са монтирани неподвижно лагери, които се поставят в специално изработени легла на стойката. Тези лагери осигуряват равномерното (с постоянна скорост) въртене на колектора. Лагеруваната ос позволява лесно захващане към мотора, осигуряващ въртенето на колектора. При това, скоростта на въртене на колектора зависи от възможностите на използвания мотор. Диаметърът на оста зависи от това какви лагери ще се използват за осигуряване на въртенето на колектора. В двата края на неметалния цилиндър са монтирани неподвижно носещи метални елементи с цилиндрична форма със специален профил/геометрия. Материалът, от който се изработват носещите елементи трябва да е с добра електропроводимост. Двата носещи метални елемента са закрепени неподвижно върху двата края на цилиндъра като прилепват плътно към него. Върху двата носещи метални елемента се поставят две метални капачки. В средата на двата носещи елемента има отвор, съответстващ точно на размера на неподвижната метална ос. Профилът/геометрията на двата носещи елемента позволява монтирането на всяка една от приставките. По повърхността на носещите елементи са направени прорези на равно отстояние един от друг и под еднакъв ъгъл от центъра на основата на цилиндъра, с дълбочина и ширина, съобразени с размерите на ножовете, които се поставят в тези прорези. Ножовете се изработват от електропроводим материал. По средата между всеки два прореза са направени канали, разположени съответно на едно и също разстояние един от друг. В каналите се поставят спиците, като дълбочината им е съобразена с диаметъра им. Спиците също са изработени от електропроводим материал. На определено разстояние от неметалния цилиндър, перпендикулярно на прорезите за ножовете и на каналите за спиците, е направен жлеб за стопорните винтчета на металните капачки. Освен ножовете и спиците, върху металните носещи елементи може да се поставят метална мрежа с различен профил (квадрат, ромб, успоредник, правоъгълник) и различен размер на светлия отвор, както и плътен лист ламарина (гладък цилиндричен колектор). Размерите (дължина и ширина) на мрежата и на ламарината трябва да са съобразени с размерите (дължина и диаметър ) на неметалния цилиндър.

Спиците, ножовете, мрежата или ламарината се прикрепят плътно (фиксират се неподвижно) към носещите елементи чрез металните капачки. Диаметърът на спиците, височината на ножовете, както и дебелината на мрежата или ламарината трябва да са съобразени с разстоянието между носещите елементи и металните капачки. Материалът, от който се изработват капачките трябва също да е с добра електропроводимост и лесно да се обработва, като например алуминий, дурал и др. Профилът на капачките и размерите им трябва да позволяват плътно прилагане върху носещите елементи. Фиксирането става с винтове, които се застопоряват в жлеба, който е перпендикулярен на прорезите/каналите на ножовете/спиците. Капачките осигуряват плътното прилепване на листовете, мрежите, спиците или ножовете.ол

В зависимост от диаметъра и дължината на цилиндъра, броят на ножовете и спиците може да варира, т.е. може да се осигури работа при различни разстояния между ножовете и спиците, или да се редуват спици и ножове. Ножовете и спиците се поставят на равни разстояния едни от други по цилиндричната повърхнина под еднакъв ъгъл от центъра на тази повърхнина, като броят им се определя по формулата:

Брой ножове или спици = 360/ъгъл от центъра на цилиндричната повърхнина

Описание на приложените фигури

Фигура 1. Обща схема на колектора

Позиция 1 - стойка от неметален материал

Позиция 2 - цилиндър от неметален материал

Позиция 3 - неподвижна метална ос

Позиция 4 - лагери

Позиция 5 - носещи метални елементи

Позиция 6 - метални капачки

Примерно изпълнение на изобретението

Настоящото изобретение се илюстрира чрез следния пример, който не изчерпва обхвата му:

Конструиран е многофункционален въртящ се цилиндричен колектор към апаратура за електроовлакняване, при който бързо и лесно може да се променя конфигурацията на колектора чрез смяна на приставките (спици, ножове, метални мрежи с различен профил и светъл отвор, плътен метален лист), което позволява получаването на матове с различна морфология в зависимост от търсения краен резултат. Полученият мат копира напълно геометрията на приставката - при плътен лист е плътен мат, изграден от хаотично разположени влакна, при спици/ножове е на „ивици, при метални мрежи е като мрежа.

Конструирани са дървена стойка 1 и въртящ се дървен цилиндър 2. Цилиндърът 2 е с диаметър 0= 60 mm и дължина 200 mm. Площта на получения в този случай мат, изчислен като обем на цилиндъра е 565,2 cm². В центъра на дървения цилиндър 2 е монтирана неподвижно метална ос 3 от неръждаема стомана с диаметър 8 mm, която осигурява опроводяването на целия колектор без да се създава искра. В двата края на металната ос 3 са монтирани неподвижно лагери 4, поставени в специално изработени легла на дървената стойка 1. Лагерите 4 осигуряват равномерно (с постоянна скорост) въртене на дървения цилиндър 2. В двата края на дървения цилиндър 2 са монтирани неподвижно носещи елементи 5, изработени °^т ДУР^ал/ които са със специален профил/геометрия, по-конкретно кух цилиндър с нарези, който плътно прилепва към дървения цилиндър 2. Двата носещи елемента 5 са закрепени неподвижно върху дървения цилиндър 2 с по 3 броя зегерки с резба М4, разположени през 120°. Носещите елементи 5 прилепват плътно към дървения цилиндър 2 на дълбочина 20 mm. В средата на носещите елементи 5 има отвор с 0 = 8 mm, през който плътно минава неподвижната метална ос 3, на която са закрепени лагерите 4, осигуряващи въртене на цилиндъра. По повърхността на всеки от носещите елементи 5 са направени 8 прореза с дълбочина 6,2 mm и ширина 2 mm, разположени през 45° един от друг, в които се поставят ножовете. Като оптимален ъгъл е избран 45° и затова броят на ножовете е определен по формулата 360/45 = 8. Ножовете са изработени от неръждаема стомана с дебелина 2 mm, височина 8 mm и дължина 207 mm. На 22,5° от всеки от прорезите са направени и 8 канала (90°) с дълбочина 1,5 mm, разположени през 45° един от друг, в които се поставят спиците. Като оптимален ъгъл е избран 45° и затова броят на спиците е определен по формулата 360/45 = 8. Спиците са изработени от неръждаема стомана с диаметър 3 mm и дължина 207 mm. На 10 mm θτ дървения цилиндър 2, перпендикулярно на прорезите за ножовете и на каналите за спиците, е направен жлеб (90°) за стопорните винтчета на капачките 6. Върху двата носещи елемента 5 се поставят две капачки 6, изработени от дурал. Профилът на капачките 6 и размерите им позволяват плътно прилягаме върху носещите елементи 5. Фиксирането става с 4 броя заострени стопорки М4 с дължина 7 mm, които се застопоряват в жлеба, който е перпендикулярен на прорезите/каналите на ножовете/спиците. Капачките 6 осигуряват плътното прилепване на спиците и ножовете към дървения цилиндър 2.

Представеното примерно изпълнение позволява използването само на ножове, само на спици или комбинация от спици и ножове в различна последователност.

Примерното изпълнение включва и възможността за промяна на конфигурацията на колектора чрез премахване на ножовете и/или спиците и поставянето на метална мрежа с дебелина до 2,2 mm и дължина до 205 mm, с профил ромб със страна 10 mm, върху носещите цилиндри 5. Върху двата носещи елемента 5 се поставят две капачки 6, изработени от дурал. Профилът на капачките 6 и размерите им позволяват плътно прилагане върху носещите елементи 5. Фиксирането става с 4 броя заострени стопорки М4 с дължина 7 mm, които се застопоряват в жлеба. Капачките 6 осигуряват плътното прилепване на мрежата към дървения цилиндър 2.

Примерното изпълнение включва и възможността за промяна на конфигурацията на колектора чрез премахване на ножовете и/или спиците, или мрежата, и поставяне на плътна ламарина (гладък цилиндричен колектор) с дебелина до 2,2 mm и дължина до 205 mm. Върху двата носещи елемента 5 се поставят две капачки 6, изработени от дурал. Профилът на капачките 6 и размерите им позволяват плътно прилягане върху носещите елементи 5. Фиксирането става с 4 броя заострени стопорки М4 с дължина 7 mm, които се застопоряват в жлеба. Капачките 6 осигуряват плътното прилепване на листа от плътна ламарина към дървения цилиндър 2.

Конструкцията на колектора е такава, че приставките са взаимно заменяеми, не са закрепени неподвижно към неметалния цилиндър и могат лесно и бързо да се сменят. Това позволява бързо и лесно да се променя конфигурацията на въртящия се колектор чрез смяна на приставките - ножовиден колектор с различна комбинация на брой ножове (максимално 8), спицовиден колектор с различна комбинация на брой спици (максимално 8), смесен ножовиден/спицовиден с различна комбинация на ножове и спици (максимално 16), колектормрежа - метална мрежа с различен профил (квадрат, ромб, успоредник, правоъгълник) и размер на светлия отвор и гладък цилиндричен колектор - при поставяне на плътен лист ламарина. Комбинацията от носещи елементи и капачки осигурява използването на различните приставки, което води до получаване на матове с желана морфология. По този начин могат да се получават матове с разнообразна морфология, изградени от влакна с определена ориентация, в зависимост от търсения ефект. При всички приставки натрупването на влакната, които формират мата, става върху външната повърхност на въртящия се цилиндричен колектор, което улеснява свалянето на готовия мат.

Действие на изобретението

Електроовлакняването върху многофункционалния въртящ се цилиндричен колектор дава възможност за бързо и лесно получаване на полимерни матове с различна морфология, изградени от влакна с определена ориентация. При поставяне на ножовете или на спиците имаме конфигурация на ножовиден или на спицовиден колектор, като при промяна на броя на ножовете/спиците ориентацията на влакната се променя лесно. Нещо повече, може лесно да се направи и комбиниран колектор (не е известен в литературата), монтирайки едновременно спиците и ножовете, при което се получава мат, изграден от ориентирани между ножовете и спиците влакна. При монтиране на мрежата, в зависимост от размерите на светлия отвор се получават матове с морфология, копираща профила на мрежата.

Когато се сложат приставките нож/спица, се получават матове под формата на ивици; ако се сложи плътен лист ламарина се получава мат без ориентация, изграден от хаотично разположени влакна; а ако се сложи мрежа, се получава съответната морфология във вид на мрежа.

Claims (6)

1. Многофункционален въртящ се цилиндричен колектор към апаратура за електроовлакняване със стоика (1) и въртящ се цилиндър (2), характеризиращ се с това, че притежава приставки, при което приставките могат да бъдат спици, ножове, метални мрежи с различен профил на светлия отвор, избран от групата, съдържаща квадрат, ромб, успоредник, правоъгълник, или плътни метални листове, като стойката (1) и цилиндърът (2) са изработени от електронепроводим материал, избран от групата, съдържаща дърво, тефлон, керамика, композитни материали, при което цилиндърът (2) е прикрепен към стойката (1) посредством централно разположена неподвижна метална ос (3), изработена от неръждаема стомана, в двата края на която са закрепени лагери (4), разположени в легла върху стойката (1), а в двата края на цилиндъра (2) неподвижно са закрепени носещи елементи (5), върху които, в канали, се прикрепят спиците максимално до 8 броя, изработени от неръждаема стомана, а в прорези се прикрепят съответно приставките ножове, изработени от неръждаема стомана, максимално до 8 броя, или мрежа или листове, изработени от неръждаема стомана, и върху които се поставят капачки (6) от електропроводим материал, избран от групата, съдържаща алуминий, дурал, приставките са обездвижени с фиксиране в жлебове върху носещите елементи (5), при това колекторът, по избор, е снабден поотделно с максимално 8 ножа или с максимално 8 спици, или с комбинация от максимално 8 спици и максимално 8 ножа.

2. Многофункционален въртящ се цилиндричен колектор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че площта на получаваните матове е в зависимост от диаметъра и дължината на неметалния цилиндър.

3. Многофункционален въртящ се цилиндричен колектор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че приставките спици и ножове са закрепени неподвижно към неметалния цилиндър (2) чрез застопоряващи ги капачки (6).

4. Многофункционален въртящ се цилиндричен колектор съгласно претенция 1 и 3 характеризиращ се с това, че приставките спици и ножове могат да се комбинират помежду си и броят им може да варира, при което колекторът, по избор, е снабден с комбинация от максимално 8 спици и максимално 8 ножа.

5. Многофункционален въртящ се цилиндричен колектор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че приставките метални мрежи с различен профил на светлия отвор (квадрати, ромбове, успоредници, правоъгълници) или плътни метални листове се фиксират към неметалния цилиндър (2) чрез носещите елементи (5) и застопоряващи ги капачки (6).

6. Многофункционален въртящ се цилиндричен колектор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че приставките са изработени от електропроводим материал, неръждаема стомана.