PŘÍKLADY Zařízení pro elektrostatické zvlákňování na trhu

Transkript

1 Textilní nanomateriály 4.Přednáška PŘÍKLADY Zařízení pro elektrostatické zvlákňování na trhu Eva Kuželová Košťáková, KNT, FT, TUL

2 Elmarco (Česká republika) NS, Nanospider TM

3 Elmarco (Česká republika) NS, Nanospider TM

4 Elmarco (Česká republika) NS, Nanospider TM

5 Tři typy zvlákňovacích elektrod: Strunová statická elektroda Strunová rotační elektroda Válcová rotační elektroda

6 Elmarco (Česká republika) Laboratorní zařízení zvlákňování ze struny

7 Contipro (Česká republika) 4SPIN

8 Contipro (Česká republika) 4SPIN

9 CONTIPRO GROUP

10 CONTIPRO GROUP

11 Zvlákňovací elektrody CONTIPRO GROUP Kolektory

12 CONTIPRO GROUP Electroblowing Technika kombinující elektrostatické zvlákňování s prouděním vzduchu kolem zvlákňovací elektrody Umožňuje: - úpravu klimatických podmínek kolem zvlákňovací elektrody -Snížení viskozity (při zvýšené teplotě proudícího vzduchu) -Zvýšení rychlosti odpařování rozpouštědla -Ovlivnění morfologie nanovláken -Atd.

13 CONTIPRO GROUP 4SPIN prezentační video WABZJaY

14 SPUR (Česká republika) SPIN Line

15

16 MECC (Japonsko) Nanon

17 Zvlákňovací elektrody MECC Jehlová elektroda - klipová Jehlová elektroda - Pro malá množství roztoku Jehlová elektroda - koaxiální

18 KOLEKTORY MECC Deskový Diskový Bubnový - válcovitý Jádrovitý pro výrobu tubulárních nanovlákenných útvarů

19 Prezentační video MECC embedded

20 FNM (Irán) Nanorassam (průmyslová výroba) Electroris (laboratorní výroba) Melt electrospinning

21 Electrospunra (Čína) Laboratorní roztok Laboratorní tavenina Ruční zařízení

22

23 TOPTEC (Jižní Korea) Zvlákňování z trysek

24 NanoStatics (Ohio, USA) Zvlákňování z trysek NanoStatics Corporation has developed advancements in electrohydrodynamic spinning (EHS) technology for the production of high through-put nanofibers. - See more at:

25 INOVENSO - Turecko

26 Elektrické zvlákňování netradiční postupy Wet-electrospinning elektrostatické zvlákňování do kapaliny Electroblowing elektrostatické zvlákňování pomocí přídavných proudění vzduchu

27 Wet electrospinning Zvlákňovaný roztok Zvlákňovaný roztok Koagulační lázeň = kapalinový kolektor Zvlákňování v kapalině Zvlákňování do kapaliny M. Egashira, T. Konnno and M. Kobayashi, J. Soc. Powder Technol., 44(2007)94-100

28 Wet electrospinning

29 Wet electrospinning Klasický kolektor Kolektor kapalinový Yokoyama,Y., et al.:materials letters, Vol. 63, pp.754-6, 2009

30 WET ELECTROSPINNING ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY Zvlákňování do kapaliny nabízí možnost vytvořit 3D strukturu a nebo zvláknit polymerní roztoky, které není jinak možné zvláknit (např. celulóza) Uspořádání klasického zvlákňování z jehly na rovinný uzemněný kolektor (vlevo) a zvlákňování do kapaliny (vpravlo).

31 CÍL ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY Cílem bylo vyrobit 3D strukturu zejména jako scaffoldu pro kolenní chrupavkové implantáty a najít co nejvhodněší kapalinu kolektoru.

32 ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY USPOŘÁDÁNÍ Poly- -caprolactone (PCL) 42,500 [Mn], Sigma Aldrich Inc. solved in chloroform/ethanol mixture (9:1 by weight), concentration 15 wt%. Jako kapalinový kolektor byla použita destilovaná voda, etanol a směsi voda/ etanol v objemových kombinacích (10:0; 9:1; 8:2; 7:3; 6:4; 5:5; 4:6; 3:7; 2:8; 1:9; 0:10).

33 ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY USPOŘÁDÁNÍ A scheme and a photo of the common dry needle electrospinning set-up (a), wet electrospinning (b) and the photo of the device used in experiments (c). The scheme represents the syringe connected with the feeding pump (1); metal hypodermic needle (2); metallic or liquid collector (3) and grounded high voltage source (4).

34 VÝSLEDKY Snímky z SEM PCL z roztoku chloroform/ethanol 9:1 do water/ethanol (1:9) kapalinového kolektoru(a); řez vrstvou a (b); PCL z rozpouštědel chloroform/ethanol 9:1 na kovový plech(c); PCL jen z chloroformu do water/ethanol (1:9) kolektor(d). Scale is 120 m on the left, 20 m in the middle and 10 m on the right side. PCL - polykaprolakton

35 Bimodal vlákenná struktura Histogram of fiber diameters in the PCL fibrous material electrospun into the liquid collector (water/ethanol weight ratio 1:9).

36 ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY - VÝSLEDKY Pro spontánní vnořování vláken do kapalinového kolektoru je nutné = = kontaktní úhel 0 Jinak jsou vlákna zachytávána na povrchu kapalinového kolektoru.

37 Wet electrospinning tkáňové inženýrství Yang, X., Wang, H.: Electospun functional Nanofibrous Scaffolds for Tissue Engineering, Tissue Engineering, chapter 8, Tissue Engineering, ISBN:

38 Další možnost uspořádání zvlákňování do kapaliny

39 3D nanovlákenné struktury

40 3D nanovlákenné struktury

41 Electroblowing elektrostatické zvlákňování v kombinaci s přídavným foukáním vzduchu Electroblowing NEBO gas jacket assisted electrospinning - Teplý nebo studený vzduch strhává vlákna a pomáhá je unášet směrem ke kolektoru - Zejména pro polymery s velkou molekulovou hmotností vysoké viskozity za normálních podmínek např. polymer kyseliny hyaluronové

42 Electroblowing elektrostatické zvlákňování v kombinaci s přídavným foukáním vzduchu Electroblowing NEBO gas jacket assisted electrospinning Jehlové (tryskové) uspořádání Příklad bezjehlového uspořádání Příklad electroblowingu z taveniny

43 Electroblowing elektrostatické zvlákňování v kombinaci s přídavným foukáním vzduchu Electroblowing NEBO gas jacket assisted electrospinning - Teplý nebo studený vzduch strhává vlákna a pomáhá je unášet směrem ke kolektoru - Zejména pro polymery s velkou molekulovou hmotností vysoké viskozity za normálních podmínek např. polymer kyseliny hyaluronové

44 Electroblowing elektrostatické zvlákňování v kombinaci s přídavným foukáním vzduchu Kyselina hyaluronová Polymer Volume 46, Issue 13, 17 June 2005, Pages Effect of air-blowing rate on the morphology of HA (M w, of about 3.5 million g/mol) nanofibers from 2.5% (w/v) HA solution; (a) 35 ft 3 /h (61 C), (b) 70 ft 3 /h (57 C), (c) 100 ft 3 /h (55 C), (d) 150 ft 3 /h (56 C).

45 Elektrické zvlákňování střídavý proudem AC electrospinning

46 Elektrické zvlákňování střídavý proudem AC electrospinning

47 Zvlákňování střídavým proudem

48 DC direct current Stejnosměrný proud AC alternating current Střídavý proud transformer AC elektrické zvlákňování: Vysokonapěťový transformátor, Proudový chránič Dávkovací pumpa, tyčová elektroda 48

49 DC a AC electrospinning schémata: stejnosměrné zvlákňovací zařízení sestává ze zásobníku polymerového roztoku (1) spojeného se zvlákňovací elektrodou (2) a sběrnou elektrodou - kolektorem (5), propojenou s vysokým napětím zdrojem vysokého napětí (3); AC - střídavé zvlákňovací zařízení sestává ze zásobníku (1) polymerního roztoku spojeného se zvlákňovací elektrodou (2) a vysokonapěťovým střídavým zdrojem s transformátorem (3). Vytváření nanovláken nebo mikrovláken představuje (4).

50

51 AC needleless collector-less electrospinning method Experimental set-up Production of nanofibres without any collector Výroba nanovláken bez kolektoru 0-30 kv AC 50 Hz d = (10-30)mm 230 V Rod spinning electrode Tyčová elektroda Transformer transformátor 51

52 AC needleless collector-less electrospinning method Experimental set-up 10 mm

53 AC elektrické zvlákňování Zrod a zánik trysek Záznam z rychlokamery

54 - Onset - middle phase - Termination +Onset - počátek + middle phase +Termination - ukončení Voltage, Current El. napětí, proud termination Time čas Doba mezi zánikem a vznikem nových trysek na kapce je jen 0,0006s _ 10hm% PVB v etanolu 30kV AC Onset

55

56 Physical principles Nanofibrous train serves as a counter electrode Nanovlákenná vlečka slouží jako protielektroda Uroboros eating its own tail Uroboros je starodávný symbol, který zobrazuje hada nebo draka požírajícího svůj vlastní ocas Virtual counter electrode Virtuální protielektroda Electric vind t 0 t

57 Physical principles Nanofibrous train serves as a counter electrode 10 mm Virtual counter electrode; collector Virtuální protielektroda; kolektor 12 mm 57

58 The apparatus for AC electrospinning. (a and b) A schematic diagram and hotograph of the AC electrospinning set-up, consisting of a metal rod (3) used as the spinning-electrode. The electrode is supplied with a polymeric solution. This is done using a syringe, which is powered by a hydraulic transmission device (5) controlled by an infusion pump (2). The high voltage supply is provided by means of a transformer (1) and a variable transformer (4). The apparatus works without an electrically active collector.

59

60

61 Porovnání povrchové morfologie vláken AC (a) a DC (b) electrospinningu Měřítko 5 m PVB PAN (d) Změna průměru vláken po délce vlákna AC červená DC - modrá

62 Příze z PVB nanovláken z AC elespin Měřítka a) 50 m b) 500 m c) 10 m Histogram průměrů vláken z AC elspin PVB

63

64 Hybridní nitě z AC a DC elektrického zvlákňování

65 AC DC AC AC