Parametry ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování

Transkript

1 Parametry ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY NEEDLELESS ELECTROSPINNING Stacionární 3.Přednáška LS 2013/14 Eva Košťáková KNT, FT, TUL

2 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ MODIFIKACE PROCESU ZMĚNA ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Niu, H., Lin, T.: Review Article: Fiber Generators in Needleless Electrospinning, Journal of Nanomaterials, Volume 2012, ID Lin, T., Wang, X.: Needleless Electrospinning of Nanofibers; Technology and Applications, CRC Press 2013

3 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Rotační ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY

4 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY

5 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování přes feromagnetickou kapalinu Vrstva feromagnetické kapaliny je překryta vrstvou polymerního roztoku. Jestliže je sepnuto magnetické pole a elektrické pole zároveň, feromagnetická kapalina začíná formovat stabilní vertikální hroty (píky), které rozruší rozhraní. Píky jsou vytahovány elektrickým polem a nastává elektrospinning.

6 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování přes feromagnetickou kapalinu První popsané bezjehlové novodobé elektrostatické zvlákňování Magnetická kapalina (a) přelita polymerním roztokem (b), kolektor (c), elektroda vnořená do magnetické kapaliny (d), zdroj vysokého napětí (e), silný permanentní magnet nebo elektromagnet (f).

7 W1tS38U&feature=player_embedded

8 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování zpěněného roztoku Účinkem plynu vháněného do polymerního roztoku se vytváří na povrchu bubliny z jejichž stěn dochází ke zvlákňování.

9 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování zpěněného roztoku

10 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování zpěněného roztoku

11

12 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Kuželovitá navíjená elektroda Kuželovitá drátěná navíjená elektroda rezeroár polymerního roztoku i generátor vláken. Je připojena na vysoké napětí. Zvlákňování směrem dolů. Kužely se tvoří nejen na drátech ale i v mezerách.

13 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Kuželovitá navíjená elektroda

14 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování z nakloněné desky Jako generátor vláken je použita destička s určitým sklonem, na kterou je kapán polymerní roztok. Destička je připojena na zdroj vysokého napětí a na jejím konci se tvoří vlákna.

15 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování z nakloněné desky

16 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování z nakloněné desky

17 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování z válečku - diskontinuální Podobné jako Nanospider jen diskontinuální. Sledoval se vliv poklesu tloušťky filmu na válečku s časem a vliv na průměr trysek (jets) jejich průměr klesal až na čtvrtinu z 1,2mm na 0,3mm.

18 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování z misky Hliníková (elektricky vodivá) miska je naplněna až po okraj polymerním roztokem. Je připojena na zdroj vysokého napětí a nanovlákna se generují převážně z okrajů misky.

19 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování z misky

20 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování z misky

21 Zvlákňování z misky

22 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování z misky Produkce vláken ustává, když hladina polymerního roztoku klesne pod okraje misky.

23 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování ze štěrbiny 32 kv Lukas D., Sarkar A. & Pokorny P. (2008). Self-organization of jets in electrospinning from free liquid surface: A generalized approach. Journal of Applied Physics, Vol. 103, No.8, pp , ISSN kv Se zvyšujícím se elektrickým napětím se snižuje vzdálenost mezi tryskami.

24 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování ze štěrbiny 32kV

25 NEEDLE-LESS ELECTROSPINNING BEZJEHLOVÉ ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ Stacionární ZVLÁKŇOVACÍ ELEKTRODY Zvlákňování ze štěrbiny 42kV

26 Pokročilé techniky elektrostatického zvlákňování orientace vláken, výroba nití a bikomponentních vláken atd.

27 Pokročilé techniky elektrostatického zvlákňování

28 Bikomponentní vlákna - Koaxiální vlákna (dutá vlákna) - Vlákna typu strana/strana Jehlové elektrostatické zvlákňování

29 Bikomponentní vlákna - Koaxiální vlákna Jehlové elektrostatické zvlákňování obvykle je nabíjen jen plášť, jádro je vytahováno kontaktním třením mezi kapalinami.

30 Výroba bikomponentních vláken jádro-plášť pomocí elektrostatického zvlákňování Schematic illustration of the setup for electro-spun fibers having core/sheath structure. (a) The spinneret was manufactured from two coaxial capillaries, through which healing agent (core) and polymer solution(sheath) were simultaneously ejected to form a continuous coaxial jet. Two different SEM images of healing agent encapsulated fibrous structures; (b) beads on string and (c) smooth tube, respectively. Inset figure of Fig. (b) and (c) is schematic of corresponding core/sheath structures, respectively.

31 Zvlákňování koaxiálních vláken je výrazně usnadněno, když vnitřní jehla vyčnívá před vnější jehlu o zhruba polovinu jejího průměru. Elektrické napětí Nízké = přerušovaná polymerní tryska a vyskytuje se hodně kapek Optimální = stabilní Taylorův kužel a kontinuální výsledky zvlákňování Vysoké = formování více trysek z jednoho zvlákňovacího místa (jehly).

32 Alternativa výroba dutých vláken Výroba bikomponentních vláken jádro-plášť

33 Výroba bikomponentních vláken jádro-plášť s/spinneret/ultra_co-axial.html

34

35

36 Koaxiální spiner Slouží pro přípravu koaxiálních dvousložkových nanovláken vytvořených z vláken typu jádro/plášť Při použití drahých polymerů je výhodou velmi malý objem plnící komory a minimální odpad nezvlákněného materiálu. Vysoká produktivita technologie zaručuje, že téměř veškerý přiváděný zvlákňovaný materiál je zvlákněn. Možnosti inkorporace látek jako jsou nanočástice a léčivo.

37 Ing. Lucie Vysloužilová

38 Koaxiální spiner bezjehlový Slouží pro přípravu koaxiálních dvousložkových nanovláken vytvořených z vláken typu jádro/plášť Při použití drahých polymerů je výhodou velmi malý objem plnící komory a minimální odpad nezvlákněného materiálu. Vysoká produktivita technologie zaručuje, že téměř veškerý přiváděný zvlákňovaný materiál je zvlákněn. Možnosti inkorporace látek jako jsou nanočástice a léčivo.

39 Koaxiální spiner bezjehlový Pokorný, P. Fontánový spinner. Czech Republic Patent PV

40

41 Výroba bikomponentních vláken stranastrana (side-by-side)

42

43 Výroba bikomponentních vláken stranastrana (side-by-side) The scanning electron microscopy (SEM) image of the electrospun HSPET/PTT nanofibers shown in the graphic indicates that the as-spun fibers have curly and helically crimped fiber morphologies. The average fiber diameter of the HSPET/PTT nanofiber is 800 nm, and the diameter of helix is about μm, simultaneously the thread pitch of the helical structure is only about 1.5 μm that the whole fiber present a morphology of tight spring.

44 Řízení orientace vláken - pattering

45 Řízení orientace vláken vhodné kolektory Rotující válec Vibrující deska Ostrý disk Rámeček

46 Řízení orientace vláken Vidlice Bodový kolektor Síťový buben

47 Řízení orientace vláken - pattering Rotující válec 1 Kolektor jako ROTUJÍCÍ VÁLEC Nejjednodušší uspořádání. Vysoká rychlost otáčení tisíce otáček za minutu Stupeň uspořádání vláken není vysoký Orientace vláken v jednom směru znamená rovnost rychlosti ukládání vláken a rychlosti otáčení válce. Menší rychlost válce = náhodná orientace vláken; větší rychlost válce = vlákna mohou být přetrhávána.

48 ure/products_hks_ asp?entry_id=1643 Řízení orientace vláken - pattering

49 Řízení orientace vláken - pattering Drátěný buben 2 Kolektor jako Drátěný buben Rychlost otáčení výrazně nižší cca 1ot/min

50 Řízení orientace vláken - pattering Ostrý disk 3 Rychlost otáčení v tisících otáček za minutu.

51 Řízení orientace vláken - pattering Rámeček 4

52 Řízení orientace vláken - pattering Vidlice 5

53 Řízení orientace vláken - pattering Rastrovaný kolektor Např. tištěné spoje

54 Řízení orientace vláken - pattering Bodový kolektor 6 Vibrující deska 7