View
11
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM
GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR
POLIMERTECHNIKA TANSZÉK
MAJOROS ÁDÁM
DIPLOMATERV
ULTRAFINOM SZÁLAK ELŐÁLLÍTÁSÁRA ALKALMAS
ÖMLEDÉKES ELJÁRÁS FEJLESZTÉSE
Témavezető:
Dr. Molnár Kolos
adjunktus
BUDAPEST, 2016
ii
iii
iv
NYILATKOZATOK
Elfogadási nyilatkozat
Ez a diplomaterv a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Gépészmérnöki Kara által a Diplomatervezési és Szakdolgozat feladatokra előírt
tartalmi és formai követelménynek megfelelően készült. E diplomatervet a nyilvános
bírálatra és nyilvános előadásra alkalmasnak tartom.
A beadás időpontja: 2016.
témavezető
Nyilatkozat az önálló munkáról
Alulírott, Majoros Ádám (NOALEC), a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi
Egyetem Gépészmérnöki Karának hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem
tudatában kijelentem és sajátkezű aláírásommal igazolom, hogy ezt a diplomatervet
meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és dolgozatomban csak a
megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy
azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a hatályos
előírásoknak megfelelően, a forrás megadásával megjelöltem.
Budapest, 2016.
szigorló hallgató
v
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
Ezúton szeretnék köszönetet mondani Dr. Molnár Kolosnak a dolgozat során
nyújtott támogatásáért és szakmai vezetéséért. Köszönöm, hogy lehetőséget biztosított
munkám sikeres elvégzéséhez és dolgozatom megírásához.
Köszönöm Gere Dánielnek és a Jász-Plasztik Kft-nek a reológiai vizsgálatok
elvégzése során nyújtott segítséget. Köszönöm Majoros Katalinnak a diplomaterv
nyelvi ellenőrzését.
Köszönet kollégámnak és barátomnak, Varga Bálint Zoltánnak a munkám során
végzett szerves segítségéért. Köszönet illeti a családomat és barátaimat, hogy bíztattak,
ha valamilyen nehézségbe ütköztem a dolgozatom írása során.
Külön köszönöm párom, Nagy Szabina Bianka türelmét és támogatását. Köszönet
illeti a BME Szerves Kémia és Technológia Tanszéket a csereeszközök biztosításáért.
A munkámat a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH, OTKA
PD 116122 ) támogatta.
vi
TARTALOMJEGYZÉK
Köszönetnyilvánítás ........................................................................................................... v
Jelölések jegyzéke ............................................................................................................ viii
1. Bevezetés ......................................................................................................................... 2
2. Szakirodalmi áttekintés/előzmények .......................................................................... 3
2.1. Az ömledékes szálképzés alapjai ....................................................................... 3
2.2. A polimer ömledék viselkedése a szálképzés során ....................................... 5
2.3. Szálképző technológiák ismertetése ................................................................ 11
2.3.1. Ömledékes általános szálképzés ................................................................... 11
2.3.2. Kétkomponensű szálképzés .......................................................................... 13
2.3.3. Üreges szálak gyártása ................................................................................. 15
2.3.4. Gélfázisú szálképzés ..................................................................................... 17
2.3.5. Ömledék fúvás .............................................................................................. 18
2.3.6. Elektro-szálképzés ........................................................................................ 23
2.3.7. Levegővel segített elektro-szálképzés ............................................................ 27
2.3.8. Centrifugál szálképzés.................................................................................. 28
2.3.9. Összegzés ..................................................................................................... 29
2.4. Alkalmazási lehetőségek ................................................................................... 30
3. Tervezés és fejlesztés ................................................................................................... 32
3.1.1. Feladatmegfogalmazás, pontosítás ............................................................... 32
3.1.2. Koncepcióképzés ........................................................................................... 33
3.1.3. Megtervezés ................................................................................................. 35
3.1.4. Kidolgozás .................................................................................................... 39
4. Felhasznált anyagok, alkalmazott berendezések .................................................... 48
4.1. Felhasznált alapanyagok ................................................................................... 48
4.2. Alkalmazott berendezések ................................................................................ 48
5. Összeszerelés, Tesztüzem ........................................................................................... 51
5.1. Összeszerelés ...................................................................................................... 51
5.2. A működést befolyásoló paraméterek meghatározása ................................ 52
5.2.1. Hőmérsékleti viszonyok................................................................................ 52
5.2.2. Az alapanyag reológiája ............................................................................... 55
5.3. Tesztüzem, hibahelyek feltárása és javítása ................................................... 58
6. Eredmények .................................................................................................................. 64
vii
6.1. Szálképzés ............................................................................................................ 64
6.2. Az ultrafinom szövedék morfológiai vizsgálata ............................................ 65
6.3. Javaslatok ............................................................................................................. 69
7. ÖSSZEFOGLALÁS ....................................................................................................... 71
8. Felhasznált források ..................................................................................................... 72
9. Summary ....................................................................................................................... 76
10. Mellékletek ........................................................................................................... 77
viii
JELÖLÉSEK JEGYZÉKE
Latin betűk
Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység
c
l
r
t
v
A
D
F
K
Nu
P
R
fajhő (specific heat)
kapilláris hossz (capillary length)
kapilláris sugara (capillary radius)
hőmérséklet
sebesség (velocity)
felület (surface)
átmérő (diameter)
erő (force)
abszolút hőmérséklet (absolut temperature)
Nusselt szám (Nusselt number)
nyomás (pressure)
sugár (radius)
J/(kg·°C)
mm
mm
°C
m/s
mm2
mm
N
K
-
MPa
mm
T hőmérséklet (temperature) °C
Tg
Q
üvegesedési átmenet hőmérséklet (glass transition
temperature)
térfogatáram (volumetrical flow)
°C
m3/S
V térfogat (volume) m3
Görög betűk
Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység
α
γ
η
λ
μ
ρ
τ
φ
υ
ω
Λ
Γ
hőmérséklet-vezetési tényező (thermal diffusivity)
deformáció sebesség (shear rate)
dinamikai viszkozitás (dynamic viscosity)
hővezetési tényező (thermal conductivity)
súrlódási együttható (coefficient of friction)
sűrűség (density)
feszültség (tension)
légáramlás (convection)
kinematikai viszkozitás (kinematic viscosity)
szögsebesség (angular speed)
lineáris hőtágulási együttható (linear thermal expansion)
fluxus arány (flux ratio)
m2/s
1/s
Pa·s
W/(m·k)
-
kg/m3
pa
m3/s
m2/s
1/s
1/K
-
ix
Rövidítések
Rövidítés Megnevezés
ANN
API
BA
CNT
DSC
EB
EOC
ES
EVAI
FDM
HA
HL
MFI
MWNT
PA
PAN
PANI
PBT
PCL
PE
PEG
PET
PP
PS
PTFE
PMMA
PVA
PVDF
PVP
RK
TC
UHMWPE
XRPD
mesterséges neurális hálózati modell (artificial neural network model)
polimer arány (polymer ratio)
benzoesav (benzoic acid)
szén-nanocső (carbon nanotubes)
differenciális pásztázó kalorimetria (differential scanning calorimetry)
elektro-szálfúvás (electro-blowing)
etilén-oktén kopolimer (ethylene-octene copolymer)
elektro-szálképzés (electrospinning)
etilén-vinil-alkohol kopolimer (ethylene-vinyl alcohol copolymer)
ömledékrétegzés (fused deposition modeling)
hialuronsav (hyaluronic acid)
hőre lágyuló (thermoplastic)
hőre lágyuló műanyagok folyóképességének vizsgálata (melt flow index)
montmorillonit (montmorillonite)
poliamid (polyamide)
poli-akril-nitrid (polyacrylic nitride)
polianilin (polyaniline)
a poli-butilén-tereftalát (poly-butylene terephthalate)
poli-ε-kaprolakton (poly-ε-caprolactone)
polietilén (polyethylene)
polietilén-glikol (polyethylene glycol)
polietilén-tereftalát (polyethylene terephthalate)
polipropilén (polypropylene)
polisztirol (polystyrene)
poli-tetra-fluoretilén (poly-tetra-fluoroethyl)
polimetil-metakrilát (polymethyl methacrylate)
polivinil-alkohol (polyvinyl-alcohol)
polivinilidén-fluorid (polyvinylidene fluoride)
polivinil-pirrolidon (polyvinylpyrrolidone)
részben kristályos (partially crystalline)
termoelem (thermocouple)
ultra nagy molekulatömegű polietilén (ultra high molecular weight polyethylene)
röntgen-pordiffrakció (Powder Diffraction X-ray)
2
1. BEVEZETÉS
A diplomamunkám témájául a szálak előállítására alkalmas technológiák
szolgálnak. A legtöbb felhasznált szál, akár természetes akár szintetikus, általában
polimer jellegű.
A szálas szerkezetű anyagok használata és előállítása egyike a legfontosabb
találmányoknak az emberi történelemben. A legrégebbi szálas anyagokkal foglalkozó
iparágazat a textilipar, amelyben a műselyem, mint forradalmi találmány 1902-ben
elindította a fejlődést, amely az első műszálas anyagok létrejöttéhez vezetett. Ettől
kezdve a szintetikus szálak gyártása rohamosan fejlődött [1].
A szálgyártás hátterében rejlő fizikai és kémiai összefüggések felismerése és
megértése lehetővé tette a mérnökök számára a polimerek módosítását a vevői
igények kielégítésének érdekében. Mára a szintetikus szálak előállítása a legszélesebb
körben kutatott technológiák közé tartozik.
Sok szálgyártási módszer terjedt el, amelyek különböző hatásmechanizmusok
alapján működnek. A polimert a szálképzéshez oldatba kell vinni, vagy meg kell
ömleszteni, hogy az alapanyag alkalmas legyen a szálhúzásra, illetve a szálképzésre.
Három alapvető módszerrel állítják elő a polimer szálakat: ömledékes szálképzéssel,
nedves szálképzéssel, és száraz szálképzéssel és szálhúzással. A száraz szálgyártáshoz
illékony oldószert és magas nyomást használnak, míg a nedves fonást általában
speciális polimerekhez alkalmazzák, amelyekből csak oldatba vitel után képezhető
szál. Az ömledékes szálképzés a legelterjedtebb módszer, mivel az egyik
leggazdaságosabb és legegyszerűbb folyamat, amely nem igényel
oldószereket. Mindemellett az ömledékből történő szálképzési technológiák
könnyebben illeszthetőek mind egy ipari rendszerbe, mind a fenntartható fejlődés
eszméjébe azáltal, hogy nem tartalmaznak sem a környezetre, sem a dolgozókra káros
oldószereket. Azonban meg kell jegyezni, hogy nem minden anyagot lehet
ömledékből feldolgozni, mivel egyes polimerek (pl. PAN) olvadáspontja a bomlási
hőmérséklet felett van.
Az ultra finom szálak előállítása az elmúlt 50 évben kapott nagyobb hangsúlyt a
kutatások tekintetében. A szakdolgozatom készítése során már megismerkedhettem
egy ilyen módszerrel az elektro-szálképzéssel, amely viszonylag egyszerű és olcsó
módszer és az optimális paraméterek alkalmazásával készült szálak átmérője
nanométeres tartományba esik. A mikro- és nanoszálak alkalmazása révén újabb és
újabb mérnöki alkalmazások jönnek létre a különböző érzékelőktől és orvosi
eszközöktől, a legfejlettebb szűrő berendezéseken át [2], a harcászati járművek multi-
funkciós kompozit alkatrészekig bezárólag. A problémát az ilyen és ehhez hasonló
szálképző rendszereknél a termelékenység jelenti.
A célom egy olyan különleges szálképző berendezés megtervezése volt, amely a
szálképzés alapanyagául megömlesztett polimert alkalmaz és a képzett szálak
átmérője a „nano” vagy ahhoz közeli tartományba esik.
3
2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS/ELŐZMÉNYEK
Ebben a fejezetben a szálképzéshez nélkülözhetetlen alapismeretek, illetve
különböző szálképzési technológiák kerülnek bemutatásra. A fejezet célja, hogy átfogó
ismereteket adjon a főbb szálképzési elvekről.
2.1. Az ömledékes szálképzés alapjai
A legalapvetőbb ömledékes szálképző eljárás során egy extruder, vagy valamilyen
dugattyús berendezés állandó tömegárammal szállítja az olvadt polimert
meghatározott formájú és méretű kapillárisok illetve rések felé. Ezt követően elhúzzák
(feltekerik) a szálakat, közben az anyagot hűtik így megtörténik az alakrögzítés. Egy a
fenti metódust alkalmazó, extruderre kapcsolt szálképző rendszer látható az 1. ábrán.
1. ábra Ömledékes szálképző rendszer [3]
Az ilyen és ehhez hasonló rendszerekben a száltulajdonságok tekintetében a
kapillárisok, rések mérete és száma (formaadó típusa) a legmeghatározóbb. Továbbá
nagyon fontos az elhúzás sebességének, a szálak kilépési sebességével (extrúziós
sebességgel) vett hányadosa (DDR). Utóbbi egy nyújtási mérőszám, amely alapvetően,
ha nagyobb értéket vesz fel a termelési sebességet növeli, míg ha kis értéket vesz fel a
pontosabb irányítást és termékméret elérését könnyíti meg.
4
A DDR-t (draw down ratio) az alábbi (1) képlet alapján számíthatjuk ki, ahol 𝑣𝑓 az
elhúzás sebessége 𝑣0 pedig az extrúziós sebesség.
0
fvDDR
v
, (1)
Annak érdekében, hogy javítsák az előállított szálak mechanikai tulajdonságait és
szerkezetét ezt a DDR-t egynél nagyobbnak szokták megválasztani, illetve akár több
lépcsős utónyújtást is alkalmazhatnak. Azonban a DDR (szálhúzhatósági paraméter)
maximális értékét a polimer típusa és az ömledék hőmérséklete határozza meg, mivel
a kilépő szál átmérőjének (keresztmetszeti méretének), alakjának a lehető
legegyenletesebbnek kell lennie és a gyártás során a szál nem szakadhat el [3].
Tehát stabil szálfolyam elérése a cél, amely három alapvető fizikai összefüggéssel
áll kapcsolatban, a tömeg megmaradással, az energia megmaradással és a lendület
megmaradással.
Az anyagmérleg-egyenlet kimondja, hogy nincs tömegváltozás a kilépő szálak és a
környezet között. Tehát a tömegáram (Q) egyenlő a kilépő szál keresztmetszetének
(A), a tengelyirányú kilépési sebességgel (v) és a polimer sűrűségével ( ) vett
szorzatával, amint a (2) egyenlet is mutatja [3]:
Q A v , (2)
Az energiamérleget a kilépő szálra felírva a kapilláris végén a kilépés pillanatától a
feltekerés pillanatáig érdemes vizsgálni. Minimális elhanyagolással (megfelelő
rendszert feltételezve) a hőátadás bármely térfogati elemek közt felírható a
hőmérsékleti gradiens segítségével, amely léghűtést feltételezve az alábbi (3)
egyenlettel számítható:
( ) levlevp
dTT T Nu
dx Q c
, (3)
Az egyenletben T a polimer hőmérséklete az adott x pontban, 𝑇𝑙𝑒𝑣 a környezeti
(levegő) hőmérséklete, Nu a Nusselt szám, 𝜆𝑙𝑒𝑣 a levegő hővezetési tényezője, Q a
térfogatáram és 𝑐𝑝 a polimer fajhője [3].
A lendület-megmaradást az egyes momentumok egyensúlya adja. Az egyenlet
egyes tagjait a szálhúzás folyamata alatt a képződő szálra ható erők alkotják. A
szálképződés során fellépő erők nagysága meghatározó fontosságú a strukturális
fejlődés során, különösen a polimer láncok szerkezeti elrendeződésére nézve. Az
egyensúlyi egyenlet x távolságra a szerszám végétől (a szál kilépés pillanatától) az
alábbi (4) egyenlet alapján írható fel:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )h f i s r gF x F x F x F x F x F x , (4)
Az egyenletben az 𝐹ℎ(𝑥), 𝐹𝑓(𝑥), 𝐹𝑖(𝑥), 𝐹𝑠(𝑥), 𝐹𝑟(𝑥), 𝐹𝑔(𝑥) rendre a húzóerő, felületi
feszültségből származó erő, inerciális (tehetetlenségi) erő, súrlódási erő, reológiai erő
és a gravitációs erő, amelynek iránya a szálképző rendszer irányultságától függ [3].
5
2.2. A polimer ömledék viselkedése a szálképzés során
Polimer ömledék hőközlés hatására hozható létre a szilárd polimerből. Ömledék
állapotban a polimer molekulák egymáshoz képest elmozdulnak és fizikai állapotuk
szerint mikro-Brown (a részecske a rögzített tömegközéppontja körül mozog) illetve
makro-Brown (a részecskének elmozdul a tömegközéppontja) típusú mozgást is
végeznek. A szálképzés során az ilyen ömledék útját három fő szakaszra lehet bontani,
az extruderben történő áramlásra, a szálképző szerszámban történő áramlásra és a
szerszámból kilépő, a továbbiakban megszilárduló szál útjára.
Már 1979-ben Tadmor és Gogos [4] is tanulmányozta a polimerek áramlását és
különböző elméleti modelleket alkottak. Az extruder szakasz elején általában polimer
granulátumot vagy polimer port öntenek a garatba, majd kezdetben, a csiga forgása
által keltett tangenciális áramlás, majd pedig axiális áramlás is kialakul, így létrejön a
hélix típusú részecske mozgás. A pontos áramlási viszonyok nagyban függenek az
extruder típusától és paramétereitől (pl. a csiga kialakításától és a zártság fokától). Két
alapvető áramlás jön létre a csigacsatornában: sodró és torló áramlás; ezen áramlási
viszonyok által keltett keveredési folyamat a 2. ábrán jól látható, ahol h a hengerfal és
a csiga közti távolság, 𝑣0 pedig az ömledék axiális sebessége [5].
2. ábra A sodróáramlásból és a torló áramlásból eredő sebességeloszlás [5]
A zártsági fok (a) mint a két áramlás viszonyára jellemző érték a torló 𝑣𝑡 és a sodró
𝑣𝑠 áramlások hányadosaként határozható meg, az (5) képlet alapján [5].
t
s
va
v
, (5)
Ha a zártsági fok értékét zérusnak tekintenénk, az azt jelentené, hogy az extruder
nyitott állapotban van, tehát nincs rá szerszám felszerelve. Azonban szerszámozott
esetben jelentős nyomáskülönbség keletkezik.
Az ömledékviszkozitás hatása is így értelmezhető, miszerint kis viszkozitású
ömledékkel az extruderrel mérsékeltebb termelékenység érhető el, mint nagyobb
viszkozitású anyaggal (azonos hőmérsékleti viszonyok mellett). Teljesen
megömlesztett polimerről az extrudercsiga homogenizáló zónájától kezdve szokás
6
beszélni, ettől kezdve a polimer ömledékre olyan nagy nyíróerők hatnak, hogy a
részecskék mozgását Bingham áramlásnak lehet tekinteni (2. ábra harmadik szakasza)
[5].
Alapvetően a polimer ömledék struktúrviszkózusan viselkedik, extrémen kis és
extrémen nagy igénybevételek esetén az ömledék newtoni jelleget mutat azonban a
feldolgozási tartományban a hatványtörvényt követi. Így az ömledék viszkozitása (η)
a 3. ábrán látható függvény 𝛾1és 𝛾2 deformáció sebesség közti szakasz alapján alakul
az igénybevétel (τ) függvényében [5].
3. ábra A struktúrviszkózus ömledék viszkozitásgörbéje [5]
A folyásgörbe és a viszkozitásgörbe felvétele az ömledékreológia egyik
alapfeladata. A görbe az adott anyag nyírása és viszkozitása közti kapcsolatot hivatott
szemléltetni. Bár alapszintű áramlástani ismeretek szerint is tudható, hogy egy
kapillárisban történő áramlás esetében az erőegyensúlyból meghatározott (6), (7)
összefüggés az anyagi minőségtől független, addig a térfogatáramból egy ideális
viszkozitással rendelkező vagy newtoni közegre meghatározható nyírási sebesség (8)
már nem az [6].
2
pr
l
(6)
2f
pR
l
(7)
3
4f
V
R
(8)
Egy folyásgörbe felvétele tehát egy anyagi minőségtől független összefüggés
leírását szorgalmazza. Ezen a független összefüggés levezetésének egyik menetét
Rabinowitsch korrekciónak nevezzük és az alábbiak szerint végezhető el [6]. �̇�
térfogatáram kapilláris áramlásra nézve a következő (9, 10 és 11) [6].
( )dV v r dA (9)
( ) 2dV v r r dr (10)
0
2 ( )
R
V rv r dr (11)
7
A (11) egyenletet parciálisan kell integrálni (12) vagyis a 𝑣(𝑟) sebességeloszlást
ismeretlennek tekintve, a newtoni közegektől eltérő módon. Erre azért van szükség,
mert a polimer ömledék, mint említettem csak extrémen kis és extrémen nagy
igénybevételek esetén az mutat newtoni jelleget [6].
2 2
00
2 ( ) 2 ( )2 2
r Rr r
V v r dv r
(12)
Mivel a fenti (24) egyenlet első tagja 𝑟 = 0 és 𝑟 = 𝑅 esetében is zérus ezért elég az
egyenlet második felével tovább számolni. Ehhez a kapilláris egyensúlyi egyenletéből
kiadódó (18, 19) képleteket össze kell kapcsolni (13, 14 és 15) [6].
f
Rr
(13)
f
Rr
(14)
f
Rdr d
(15)
Ezután figyelembe véve, hogy �̇�𝑓 deformációsebeség a kör keresztmetszetű
kapilláris áramlásra nézve megegyezik 𝑑𝑣 és 𝑑𝑟 hányadosának (-1) szeresével a (16)
egyenlet adódik, amelyet az egyszerűbb áttekinthetőség érdekében a (17) alakra
érdemes rendezni [6].
2 2 32
2 3
0 0
f f
f f f
R R RV d d
(16)
32
3
0
f
f
R Vd
(17)
Ezen (29) rendezett alakot a Leibnitz szabály alapján tau f szerinti differenciálással
megjelenik �̇�𝑓 független változó, amely némi átalakítással az egyenlet megoldásává
rendezhető (18). A (6 és 7) egyenletek összekapcsolásával pedig a (18) egyenletből
megkapjuk a (19) egyenletet ahol meghatározható nyomáskülönbségek és
térfogatáramok összefüggése.
3
13f f
f
dVV
R d
(18)
3
13
( )f
dVV p
R d p
(19)
A (19) egyenletet tovább alakítva és felhasználva a logaritmikus átírás szabályait
létrehozható a (20) egyenlet, amely kellőképpen tükrözi az ideális és a valós ömledék
viselkedés közti különbséget, hiszen az egyenlet első, a zárójelen kívüli szorzótagja (8)
alapján a newtoni anyag egyenlő fal melletti deformáció sebességével.
3
4 3 1 (log )
4 4 (log )f
V d V
R d p
(20)
8
Ahhoz, hogy a fent bemutatott Rabinowitsch korrekcióval helyesen felvehessük a
folyásgörbét tovább kell elemezni a valós áramlási viszonyokat és a kapilláris áramlást
a 3. ábrán látott elmélet alapján az 4. ábrán látható szakaszokra kell bontanunk.
4. ábra A kapilláris áramlás három fő szakasza [6]
Az átmeneti és a kilépési szakaszon végbemenő az ömledék rugalmas
tulajdonságain alapuló jelenségeket később tárgyalom. Az általam számítandó
ömledék viszkozitásának szempontjából a stacioner áramlási szakasz a legfontosabb.
Ugyanis e szakasz belépési elemének ideálistól eltérő viszonyai szükségesek a
folyásgörbe pontos felvételéhez. Ezen szakaszban, esetemben a tubusból (tartály) a
kapillárisba érkező ömledék részecskék az átmérők (tubus-kapilláris) négyzeteinek
arányában gyorsulnak fel a stacioner áramlási sebességre. Ez a jelenség nyomáseséssel
jár, amit az energiafelvétel indukál. Mivel az ismert összefüggések konstans
nyomáseséssel számolnak a kapilláris mentén így a kapilláris hosszát a számolások
során érdemes egy x értékkel meghosszabbítani, hogy konstansnak tekinthessük a
nyomásesést. Ez az úgynevezett Bagley korrekció (5. ábra), amely a (7) egyenletet az
alábbi (21) módon változtatja meg.
5. ábra A Bagley korrekció jelölésrendszere [6]
2( )f
pR
l x
(21)
2( )f
p
l x
R R
(22)
9
2 2f fl
pR (23)
Így különböző kapillárisokkal felvehetjük a folyásgörbéket és meghatározhatjuk az
azonos �̇�𝑓-hez tartozó 𝛥𝑝 értékeket. Ebből meghatározható a kapilláris hossz és átmérő
hányadosának hatása a folyásgörbére. Az 𝑙/𝑅 viszony hatását a 6. ábra szemlélteti.
6
6. ábra Az l/R viszony hatása a folyásgörbére [6]
Ezek után ábrázolhatjuk a 𝛥𝑝 és 𝑙/𝑅 összetartozó értékeit és a (23) egyenlet alapján
egy olyan egyenest kapunk, amely meredeksége a nyírás kétszeresével a
tengelymetszete pedig a (23) egyenlet második tagjának összegével egyezik meg. Így
ξ és 𝜏𝑓 értéke meghatározható, ahogy azt az 7. ábra is mutatja.
7. ábra Az l/R viszony és az azonos fal melletti deformáció sebességhez tartozó
nyomáskülönbség kapcsolata [6]
Az első és harmadik szakaszban (átmeneti és kilépési) a polimer ömledék rugalmas
viselkedése dominál. Az átmeneti szakaszon a túlzott mértékű szűkület és a túl nagy
ömledékáramlási sebesség együttese által okozott ömledék törést, lágytörést kell
kerülni. A kilépési szakaszon, ahol már a végső geometria és az alak rögzítése a cél, a
kilépési duzzadást kell kiküszöbölni. Ekkor kiemelten nagy hangsúlyt kap a részben
kristályos polimerek esetében a hűtési sebesség.
A nagy sebességű szálgyártás során a megfigyelések alapján [6] a gyors hűtés
hatására a polimer molekulaszerkezete orientálttá válik a szálfolyam haladási
irányába. Az elhúzási sebesség növelésével szintén javítható a szerkezet orientációja
így jobb mechanikai tulajdonságok érhetőek el, ez részben (RK polimereknél) annak
köszönhető, hogy a kristályosodási sebesség nagyságrendekkel megnövekedhet
10
megfelelő elhúzási sebességnél (> 4000 m/perc a nylon és a PET esetében)[7]. Vélhetően
az indukált gócképző hatásnak köszönhetően. A nagy sebességű ömledékes szálképző
eljárásokra továbbá jellemző a nyak kialakulása a kristályosodó polimerek esetében
[7,8]. A kialakuló keresztmetszet három lépcsőben jön létre, először a szerszámon
kilépő anyagáram kilépési duzzadást szenved, majd létrejön a nyúlás kezdeti
szakasza, ezután pedig a nyakképződés. A fenti három szakaszra mutat példát a 8.
ábra, amelyben D a képződő szál keresztmetszetét, W a tömegáramot, T a szál
hőmérsékletét, A a szál keresztmetszetét, v a szál illetve a hűtőlevegő sebességét és L
a szálgyűjtő távolságát jelöli a szerszámtól mérve.
8. ábra A kilépő anyagáram sematikus képe [7]
A már említett kilépési duzzadás jelenségét a polimer ömledékek rugalmas
tulajdonságai (ömledékben maradó feszültség) okozzák. A kilépő ömledék esetében a
viszkoelasztikus erő dominál, a viszkózus erő, a tehetetlenségi erő, a gravitációs erő,
és a felületi feszültség által fellépő erő ehhez képest elhanyagolható [9]. Megfigyelték
[3], hogy a duzzadás mértéke növekszik az extruder kihozatali teljesítményének
növelésével illetve a nagyobb molekulatömeggel rendelkező polimerek feldolgozása
során. Utóbbi annak köszönhető, hogy a hosszabb (kevésbé kompakt polimer láncok)
jobban összefonódnak illetve nyúlnak, nagyobb rugalmas deformációt képesek
elszenvedni. A duzzadás egyenletesen oszlik el sugár irányban kör keresztmetszetű
furat esetében, négyzet alakú keresztmetszet esetén pedig mind a magasság, mind a
szélesség irányában megegyező mértékben dagad. A duzzadás mértékének
minimalizálása érdekében a szerszám alakadó zónájának hossza legyen legalább 20-
szorosa, mint a keresztmetszet legnagyobb átmérője (L/D=20). Az alakadó zóna
méretének növelése nagyobb mértékű relaxációt segíti, így csökkentve a kilépési
11
duzzadás mértékét. Az anyagáram fokozatosan vékonyodik el a nyúlás kezdeti
szakaszán a nyakképződésig. Ekkor a polimer alapanyag még ömledék állapotban
van.
A nyak képződésének helye és mértéke az elhúzás sebességétől függ. A 8. ábrán is
látszik, hogy kristályosodás csak a nyak keletkezése után lép fel, ettől kezdve a polimer
láncok nyújtása igen korlátozott, továbbá a kristályosodás csak a dermedési pont utáni
szakaszon megy végbe (előtte a polimer folyékony állapotban van) [7]. Amorf
alapanyagok esetén az anyag nyújthatósága valamivel tágabb keretek között mozog,
de a nyújtás esetükben is korlátolt.
A legtöbb polimer szálból álló árucikk kristályos részaránya 20% és 60% között
mozog, ezeknél a kristályosság és molekuláris orientáció együtt határozzák meg a
termék fizikai tulajdonságait. A nagy szilárdságú és nagy modulusú szálak általában
nagyobb kristályos részaránnyal rendelkeznek, amely akár meghaladhatja 90%-ot is
[3].
2.3. Szálképző technológiák ismertetése
Az alábbi fejezetben olyan szálképző rendszerek, technológiák kerülnek
bemutatásra, amelyek segíthetik egy ömledékes szálképző berendezés megalkotását.
A speciálisan finom szálak képzésére alkalmas rendszerek nagyobb hangsúlyt kapnak
az áttekintés során.
2.3.1. Ömledékes általános szálképzés
A potenciálisan végtelen hosszú (filament) szálak képzése a legegyszerűbb
eljárások közé tartozik és a 2.1. fejezetben bemutatottak alapján működik, miszerint a
polimer megömlesztését egy extruderrel végzik el, majd az ömledéket egy
meghatározott méretű, formájú és számú lyukkal ellátott szerszámon préselik
keresztül. A textíliák előállításához legtöbb esetben nagy a szilárdságú poliamidot
(PA) használnak, amelyet kb. 260 °C-on extrudálnak. Az általános poliamid (PA-6)
olvadási hőmérséklete 230°C, az üvegesedési hőmérséklettartománya pedig 50°C
körül található.
Az extudáláshoz a felhasznált alapanyag alapján különböző típusúak lehetnek,
akár barrier szalagos csigát is használhatnak, de a legtöbb esetben moduláris, vagy
ikercsigás rendszereket alkalmaznak a variálhatóság érdekében. Az extruder mentén
elhelyezett elektromos hőmérséklet-szabályozott zónák mellet a nyírási fűtés az,
amely az ömledék hőmérsékletét és ezáltal viszkozitását szabályozza. Az extruder a
kihozatalát a teljes megömlesztés érdekében egy nyomásmérő berendezés ellenőrzi,
amely a legtöbb esetben extruder szerszámban található. A tipikus nyomás egy ipari
berendezés esetében 7000 kPa és 21 000 kPa között mozog a kijáratás során. Több
12
esetben adagoló vagy extruder után beépített fogaskerék szivattyút használnak, hogy
növeljék a nyomást az extruderben, ezáltal megnövelve vagy éppen biztosítva az
állandó polimerömledék kihozatalt a szerszámon keresztül [3].
A kihozatal jellemzően 50-500 m/perc-es tartományban található, azonban a
nagyobb kihozatal nagyobb hűtőkapacitást is igényel így a vastagabb (> 1 mm)
szálakat általában már vízfürdőn vezetik keresztül. Amikor kis átmérőjű szálak
létrehozása a cél, sok esetben meleg levegős fúvást és utónyújtást alkalmaznak. Ezzel
a technológiával az általánosan elérhető legalacsonyabb szálátmérő (megfelelő
alapanyag esetében) kb. 10-20 μm [3].
S.J. Parka és társai […] nagy felület/térfogat arányú orvostechnikai szövet
létrehozásán dolgozott, amely tekintettel a sejt kötődésre és proliferációra
(szaporulatra) nagyon fontos az orvostechnikának. Mivel biológiailag lebomló szövet
előállítása volt a céljuk PCL-t (Poli-ε-kaprolakton) használtak alapanyagul. A felület
megnövelése adott térfogatú szálak esetében a keresztmetszet extrém növelésével
vagy csökkentésével érhető el, illetve a keresztmetszet alakjának megváltoztatásával.
Parkáék három különböző szerszámnyílást próbáltak ki (9. ábra): kör, háromszög és
kereszt alakút.
9. ábra Parka és társai által használt szerszámnyílások [10]
A polimernek a szerszámon történő átpréseléshez, mivel laboratóriumi kísérletről
volt szó egy alumínium ötvözetből készült nyomókamrás berendezést (10. ábra)
használtak extruder helyett.
10. ábra Parka és társai által használt berendezés [10]
13
A szálképző berendezés felső kamrája légmentesen lett lezárva hogy
megakadályozza a pneumatikus nyomás szivárgását. A hőmérsékletet a kamrában
zárt, hurkot áramkör segítségével szabályozták három fűtőbetét segítségével, amelyek
kapacitása 10 W/c𝑚2 volt. Az ömledék hőmérsékletének ellenőrzését a kilépőnyíláshoz
lehető legközelebb, termoelem segítségével végezték. A felső kamrában folyamatosan
állandó nyomást tartottak fenn az olvadt PCL stabil kilépésének érdekében. A
szerszámon kilépő szálak ionmentesített vízfürdőbe érkeztek, amelynek
hőmérsékletét mágneses keverő és a kettős falú főzőpohár falában keringgetett
hűtőfolyadék segítségével tartották a megfelelő hőmérsékleten.
Mind a három szerszám furata közel 40 μm-es átmérővel rendelkezett így az
elkészült szálak is hasonló 43-50 μm-essek lettek (11. ábra).
11. ábra Parka és társai által képzett szálak [10]
A szakító vizsgálatok alapján úgy látták, hogy a szálak mechanikai tulajdonságai
függetlenek a keresztmetszeti alakjától, mert a hasonló keresztmetszeti területű szálak
közel azonos tulajdonságokkal bírtak. Továbbá a javított felület/térfogat arány
valamint a degradációs tesztek és a sejtburjánzási vizsgálatok alapján javasolták a
módosított szálformák használatát.
2.3.2. Kétkomponensű szálképzés
A kétkomponensű szálképzés a 70-es évek óta terjedt el a köztudatban és körülbelül
70 éves múlttal rendelkezik [11]. Eredetileg a természetes gyapjúszálak réteges
szerkezetét akarták lemásolni és préseléses úton előállított különböző formájú és
polimer kombinációjú szálakat már 1960-as években is forgalmaztak. Később kialakult
a nagy ipari technológia, amely alapját a 2.3.1 fejezetben tárgyalt ömledékes szálképzés
alkotta.
A két eljárás közti különbség általában a szálképző szerszámból adódott, mivel a
többkomponensű rendszerek szerszámába kettő vagy több extruder is
csatlakoztatható. A szerszám adott formában egyesíti a két vagy több anyagáramot
kialakítva a termék rétegrendjét. Az elmúlt években már több speciális keverék
alapanyag is elterjedt, melyek egyszerű feldolgozó rendszerrel is több komponensű
14
(mag-héj szerkezetű) szálképzésre alkalmasak. Minden, blendeket feldolgozó vagy
előállító technológiában az a közös, hogy ötvözik a két vagy több alapanyag
mechanikai, kémiai vagy egyéb hatását. Így alakultak ki a nagy hatékonyságú gázzáró
fóliák és palackok is, mint például az etilén-vinil-alkohol kopolimer és poli-etilén-
tereftalát egyesítése (EVAI/PET) [12,13].
Több különböző formájú, rétegrendű és típusú két- vagy többkomponenses szálat
ismerünk. Ezek közül a legalapvetőbbek a kör keresztmetszetű szálak, amelyek mag-
héj, szigetes, két oldalú, réteges és szegmentált szerkezettel készülnek. Ilyen kör
keresztmetszetű kétkomponensű szálak láthatóak a 12. ábrán is. A különböző
rétegrendek (összetételek) különböző mértékben és irányban befolyásolják a termék
mechanikai tulajdonságait.
12. ábra Különböző kétkomponensű szálszerkezetek [12]
Egyéb bonyolultabb geometriák is előállíthatók [3]. Kétkomponensű szálak is
módosíthatók (több komponensűvé tehetők) egyéb anyagok bevezetésével, mint
például különböző bevonatok és a keverés specifikus töltőanyagok vagy kémiai
vegyületek. Ezekkel az anyagokkal, mint például a színezőanyagok, illatanyagok, fém
részecskék, és agyagok, lehet bevezetni az extra funkciókat vagy fokozhatók bizonyos
tulajdonságok. A különböző töltőanyagokkal például a szén nanocsövekkel (CNT-k)
növelhetők a nyúlási tulajdonságok valamint az elektromos és termikus
vezetőképesség [12].
An-Ting Chien és társai [12] mag-héj szerkezetű PAN-MWNT szálak létrehozásán
dolgozott. A kutatás eredménye azt mutatta, hogy akár a PAN mag volt MWNT
hüvelyben akár MWNT volt Pan hüvelyben a mechanikai tulajdonságok
szignifikánsan javultak a PAN tulajdonságaihoz képest.
Egy másik, két komponensű polimer szálakkal foglalkozó kutatásban Chureerat
Prahsarn és társai [14] ömledékes szálképzés segítségével kétoldalas etilén-oktén
kopolimer (EOC) és polipropilén (PP) szálak létrehozásával és azok vizsgálatával
foglalkoztak. Az etilén-oktén kopolimert a 2000-es években vezették be az ipari
termelésbe. A hőre lágyuló poliolefinek családjába tartozó anyagpárt, mára széles
körben alkalmazzák, mint ütésállóság-módosító polipropilén mátrixot [14, 15].
Az EOC-t és PP-t két azonos típusú berendezéssel extrudálták 185 °C-on és egy-egy
12 lyukú szerszámmal (minden egyes fúvóka-lyuk 0,9 mm-es átmérőjű volt) állítottak
elő a szálakat, majd a 13. ábrán látható módon összevezették azokat.
15
13. ábra EOC/PP kopolimer szálak gyártása [14]
Az előállított szálak különböző arányban tartalmazták az egyes komponenseket, a
kutatás konklúziójakén50/50 arányban adagolt PP és EOC szálak kompatibilitása, és
feldolgozhatósága bizonyult a legjobbnak. Maga a kutatás mindenképpen sikerrel
zárult mivel a cél csak a koextrudált polimer létrehozása volt.
2.3.3. Üreges szálak gyártása
Üreges szálakat (csöveket) több úton is elő lehet állítani, sok esetben az előző
fejezetben tárgyalt kétkomponensű extrúziós technológiát alakítják át úgy, hogy
folyamatos cső gyártásra legyen alkalmas (14. ábra)[3].
14. ábra Kopolimer üreges szálak gyártása [3]
Van egy speciális típusú üreges szál, amit az angol irodalmak „hollow membran
fiber”-nek neveznek. Ez egy olyan porózus szerkezettel rendelkező üreges szálat jelent,
amelynek külső átmérője 200 mikron és 2 mm között mozog. Ezen szálak gyártása
általában oldószeres szálképzéssel azon belül ko-extrúzióval történik. Az legtöbbet
használt polimer alapanyagok pedig a poliszulfon, polivinilidén diflfluorid (PVDF) és
a poliéter-szulfon. A felhasználási területek legnagyobb hányadát pedig a víz és
levegőtisztításra alkalmas berendezések szűrő elemei adják, de a hemodialízis során is
alkalmazzák az ilyen szálakat. Bár a termék gyártási mennyisége nem haladja meg
16
évente a néhány tonnát a végső felhasználás bevétele mégis milliárd dollárokban
mérhető [3, 16, 17,18].
A szálak szűrési teljesítménye azon tulajdonságuknak köszönhető, hogy a porozitás
a szál külső felületétől a belső üreg felé haladva növekszik, a pórusok mérete pedig
folyamatosan csökken (15. ábra). A szál belső üregét egy vékony 25-100 nm vastag
membrán választja, amely félig áteresztő hártyaként a diffúzió elvén működik.
15. ábra Hollow membrán szál porozitása: a.) az üreges szál keresztmetszete, b.) a szál fal
keresztmetszeti kinagyított képe, c.) a külső réteg porozitása (nagyobb pórusok), d.) a belső
réteg porozitása (kisebb pórusok) [16]
Ömledékből való porózus szerkezetű üreges szálak gyártása a polimer alapanyagok
(fent említett típusok) megömlesztésével kezdődik, majd az ömledéket egy koaxiális,
gyűrű alakú fúvókán áramoltatják át. Az exrudálási feltételek és a külső illetve belső
felületet alkotó polimerek reológiájától függenek. A különböző porozitással
rendelkező polimer típusokból létrehozható a 15. ábrán látott szerkezet. Általában a
külső réteg védelmi vagy előszűrési funkciót lát el az üzemeltetés során [17].
Y. Liu és társai [18] újszerű foszforeszkáló-elektromos-mágneses háromfunkciós
rugalmas BA/3phen/PANI/𝐹𝑒3𝑂4/PVP (benzoesav, fenantroiin, polianilint, vasoxid
polivinilpirolid) üreges nanoszálakt hoztak létre electrospinning folyamathoz
(amelyet a 2.3.5. részletez) kapcsolt koaxiális szálképzőfej segítségével. A szálképző
fejen kívülről áramoltatták az oldatot és belülről levegőt áramoltattak, ahogy az a 16.
ábrán is látszik [18].
16. ábra Koaxiális szálképző fej elekrto-szálképzéshet [18]
17
Az elsődleges eltérés a többi elektro-szálképzési úton létrehozott üreges szálakhoz
képest, hogy közvetlen úton állították elő a szálakat. A hagyományos technológiával
ellentétben ahol a több összetevőből álló szálak belső mag anyagát általában
oldószerrel kioldják [18].
Az elő állított szálak külső átmérője 238 nm a belső üreg átmérője pedig 80 nm es
átlagos mérettel rendelkezett [18].
2.3.4. Gélfázisú szálképzés
A gélfázisú szálképzés, egy olyan „félig” ömledékes szálképzési módszer, amely
előkészíti nagy szilárdságú és nagy rugalmassági modulusú szálak létrehozását. A
polimer oldatot vagy lágyított gél fázisú anyagot felfűtik általában extrudálják, majd
szálat húznak belőle, amit gyorsan hűtenek. A hűtési folyamat során, a polimer oldat
kezdi elveszíteni a molekuláris mobilitását (folyóképességét), ez a gélesedéi
folyamatként ismert jelenség a polimerek esetében. A gélesedés során, az oldat
viszkozitása emelkedik, amíg a kialakult gél a viszkozitása közel végtelen nem lesz.
Mivel az így képező szálak nagy mennyiségű oldószert tartalmaznak, és a gél
állapotban vannak ezért ultra nagy teljesítményű szárításnak vetik alá azokat, hogy
nagy szilárdságú és nagy modulusú szálakat készítsenek. A gél fázisú szálképzés által
közel ideális szerkezetű polimer láncok hozhatók létre pl PE-ből, PAN-ből és PVA-ból
(általában por formájú alapanyaggal kezdődik a feldolgozás).
Az általános folyamat a következő négy lépésből áll [3]:
– a polimer feloldásából,
– a szálképzésből,
– az oldószer eltávolításából
– végül nyújtásból.
A polimer molekula láncok a szilárd polimerekben általában kusza formában
vannak jelen, és az áthurkolódások nagy hatással vannak a molekula láncok
nyújthatóságára. A polimerek oldószerben történő feloldása kibogozza ezeket a
hurkokat és segíti a szálak nyújtását.
Az extrudálás során az oldott polimert fogaskerék szivattyú segítségével
áramoltatják, majd viszonylag gyorsan levegőn vagy vízben hűtik. A gyors hűtési
folyamat a kialakuló kristályokat minimális szinten tartja így segíti a nagy szilárdságú
szálak kialakulását.
A leggyakrabban használt módszerek az oldószer eltávolítása céljából a természetes
szárítási módszer és extrahálószerek használata, amely elsődleges a célja, hogy
eltávolítsuk az oldószer reziduumokat a gél fázisú szálakból. Az extraktáns molekulák
kiszoríthatják az oldószert a rostok közül a diffúziós és penetrációs elvek alapján. A
kiválasztott oldószer és extraháló nagymértékben befolyásolja a nyújtás stabilitását, és
kulcsszerepet tölt be a szálképzés során.
18
A nagymértékű nyújtás segítségével a hajtogatott polimer molekula láncok egyenes
láncokká alakíthatók, és javítják a polimer szerkezet kristályosságát és irányítottságát.
Ez az egyedülálló tulajdonsága a gél fázisú szálképzésnek, hogy extrém mértékben
fokozza a szálak teljesítményét.
A polimer láncok átalakulását a szilárd polimer alapanyagtól a nyújtott szálakig a
17. ábra mutatja.
17. ábra Polimer láncok átalakulása: a.) polimer feloldása, b.) polimer szálak nyújtása [19]
Az ultra nagy molekulatömegű polietilén szálakat is gélfázisú szálképzéssel
gyártják, a szálakat a hosszú orientált molekulalánc szerkezet és a shish-kebab
kristályok jellemzik. Mivel az UHMWPE kiváló kémiai és mechanikai
tulajdonságokkal rendelkezik, mint például kis sűrűségű, kiváló kémiai-, ultraibolya-
és kopásállóságú, és kiváló ütési szilárdságú így alkalmazásra kerül sokféle
kereskedelmi termékek esetében, beleértve a puha testpáncélokat, tengeri köteleket,
halászhálókat, vitorlákat, sportszereket és orvosi eszközöket. Ezen kívül az UHMWPE
szálak fontos szerepet töltenek be a katonai védelem területén, UHMWPE
szálerősítésű kompozitokat széles körben használják, mint a sisakokat és golyóálló
mellényeket a nagy szilárdságú, nagy modulusú és energia elnyelő képes
tulajdonságai miatt [19].
2.3.5. Ömledék fúvás
Az ömledék fúvás az ultrafinom szálak előállításának az egyik legelterjedtebb
módszere, amellyel akár 3 μm-nél is kisebb átmérőjű szálak is előállíthatók (0,1 μm).
A technológia sok esetben nemszőtt kelmék előállítására szolgál, amelyeket higiéniai,
egészségügyi és ruházati termékek, illetve szűrők alapanyagául használnak fel. Az
ömledék fúvásos szálgyártást az 1950-es években fejlesztették ki az Egyesült
Államokban és magas légköri radioaktív részecskék kiválasztására szolgáló szűrőket
gyártottak [20].
Egy ömledékfúvó berendezés alapvető részei az extruder, az adagolószivattyú
(fogaskerék-szivattyú), a szerszám, a kollektor és a tekercselő henger. Az extruder által
megömlesztett polimert az adagolószivattyú meghatározott nyomáson és adott
tömegáram mellett továbbítja a szerszám felé. A szerszámnak három fő feladata van:
19
az ömledék szétoszlatása (egyenlő ömledékáram biztosítása minden szálképző furat
számára), a szálforma és elő méret kialakítása, illetve a levegő bevezetése (fúvás). A
bevezetett (fűtött) levegőt meghatározott hőmérsékleten (általában 230 és 360 °C
között) és sebességgel (0,5 és 0,8 Mach tehát kb. 612 és 980 km/óra) szállítják
kompresszorok segítségével. Ez a gyorsan mozgó forró légáram a szerszámból kilépő
szálakat megnyújtja, majd a csökkenő hőmérsékletének köszönhetően rögzíti azok
alakját [20]. A levegő áramlási sebességének növelésével vékonyabb szálak és
magasabb termelési ráta érhető el, azonban úgy találták [21], hogy ez nagymértékben
növeli a kilépő szálak korbácsoló mozgását. Ez a mozgásforma pedig a szálátmérők
inhomogenitásához és szál töredezéshez vezethet, illetve csökkenti a szálak közti
adhéziót is.
A legegyszerűbb modellek az ömledék fúvást, mint fókuszált légáramot és kilépő
szálként, mint egy egyenes egydimenziós folyadék sugarat jellemeznek (18. ábra). Bár
az ilyen modellek racionalizálják a legtöbb kísérleti megfigyelést, mint például az
olvadék relaxációs idejét a képződő szál átmérőjének tekintetében, de nem tudják
leírni az említett korbácsoló mozgást. Továbbá gondot okoz az ömledék igénybevétele
által keltett reológiai változások előrejelzése is. Ezért folyamatos fejlesztések folynak a
kifinomultabb modellek tekintetében [21].
18. ábra Ömledék fúvás elvi vázlata (a kilépő szál hőmérsékleti színskálával látható)[21]
A nem szőtt kelmék előállítása során további haszna az eljárásnak, hogy a turbulens
áramlásnak és az ostorozó mozgásnak köszönhetően a szálak még képlékeny
állapotban összekuszálódnak és összetapadva rakódnak le a kollektoron. A képződő
kelme tulajdonságait széles határok között lehet szabályozni a kollektor és a szerszám
távolságának, valamint a kollektor fordulatszámának változtatásával [20, 21]. A
megfelelő módon előállított nem szőtt kelmékből például nagy hatásfokú szűrőket
állíthatnak elő akár olyan általános polimerből is, mint a PP [22]. Az elmúlt években
az ilyen szerkezetek tulajdonságainak megjóslásához mesterséges neurális hálózati
(ANN) modelleket használtak. A legtöbb ANN modellel kapcsolatos kutatási
eredmények a textilipari beszámolókban olvashatóak [23]. Az ANN modellek
20
pontosabb eredményeket adhatnak a hagyományos előrejelzési módszerekkel
szemben, mint például a regresszió vagy korrelációs elemzések, különösen a
nemlineáris és bonyolult változókat alkalmazó összefüggések esetében [23].
Zhao Bo és társai egy tanulmányban [23] azt próbálta megjósolni matematikai
modellek segítségével, hogy a szűrési teljesítményre az olvadék fújt, nem szőtt kelmék
esetében mekkora hatással vannak a feldolgozási paraméterek. Úgy találták, hogy
polimer átfolyási sebességének, a levegő kezdeti sebességének, a szerszám és a
kollektor távolságának, a levegő nyomásának és a rétegek számának stb.
változtatásának hatása közel azonos volt a neurális hálózati modellel végzett
elemzések és a kísérleti kelmék előállítása során. A kapott eredmények alapján, tehát
arra jutottak, hogy az ANN modellek segítségével könnyen és pontosan meg tudják
jósolni a szűrési tulajdonságait egy ömledék fúvott nem szőtt kelmének [23].
A nem szövött polimer textíliákkal foglalkozó iparágazatok már 2013-ban is 3,7
milliárd dollár nyereséget könyvelhettek el [24] és ez az összeg folyamatosan
növekszik a csökkenő szálátmérők által.
Számos vállalat, mint például a Vose, 3M, a Kimberly-Clark, Cummins, valamint a
Johns Manville használták az ömledék fúvásos technológiát, hogy kereskedelmi
termékeket állítsanak elő [25]. Általában e termékek átlagos szálátmérője meghaladja
az 1-2 μm-t. Az iparban alkalmazott ömledékfúvó berendezések általában a levegőt V-
nyíláson keresztül fújják a szálak irányába, gyűrű alakú megfúvást jobbára csak
laboratóriumi méretekben alkalmaznak [26]. A V-nyílású levegőcsatorna közrefoghat
több száz vagy több ezer szálképző nyílást is. Az ezeken kilépő szálak a már említett
turbulens áramlás és az ostorozó mozgásuk hatására összefonódnak További nyújtás
érhető el, ha több megfúvó nyílást alkalmaznak, amely lehetővé teszi a szomszédos
szálak nyújtását mielőtt azok kölcsönhatásba lépnének egymással. Egy ehhez
kapcsolódó kísérleti szerszám látható a 19. ábrán. Az ábrán látható szerszám alapja
egy tipikus kereskedelmi olvadék fúvó szerszám, de a mintaként szolgáló olvadék
fúvó többnyílású és több mint egy méter hosszú. A lyuk átmérői pedig körülbelül 0,2-
0,6 milliméteresek és 10-20 található belőlük centiméterenként [27].
19. ábra Tipikus kereskedelmi szerszám alapján tervezett ömledék fúvó szerszám
sematikus ábrája.[27]
21
Az ipari rendszerek esetében általában négy alapvető feldolgozási paramétert lehet
változtatni: a polimer és a levegő hőmérsékletét illetve tömegáramukat. Elvben
minden eljárási paraméter egyénileg érinti a képződő szálak átlagos szálátmérőjét.
Azonban a meglévő ipari adatok alapján bebizonyosodott, hogy a levegő és a polimer
tömegárama a leginkább érintett a kapott szál méretének tekintetében [27].
A sokféle polimer, beleértve polietilént (PE), a polipropilént (PP), a poli-metil-
metakrilátot (PMMA), a poli-etilén-tereftalátot (PET), a poli-butilén-tereftalátot (PBT),
poliamidokat (PA) és a polisztirolt (PS) is alkalmas fújt szálak előállítására. Tehát a
feldolgozott anyagok amorf és félig kristályos szerkezetűek is lehetnek. Természetesen
a végső tulajdonságai a fúvott szálas rendszernek (finomság, szívósság, oldószer
ellenállás stb.), függnek a polimer anyagszerkezetétől. A hőre lágyuló polimerek
feldolgozhatósága a viszkozitásuktól függ és bár a viszkozitásuk csökkenthető a
feldolgozási hőmérséklet növelésével, azonban ügyelni kell arra, hogy az, az adott
polimer bomlási hőmérsékletét nem lehet túllépni [27].
Tekintettel arra, hogy elsősorban a szálak mérete határozza meg az előállított
termék tulajdonságait jelenleg az electrospinning a legnépszerűbb folyamat, amellyel
a szálak átmérője a 100 nm-es tartományban tartható (azonban ez egy nagyon lassú
eljárás). Tehát, ha az ömledékes fúvás technológiáját ki lehetne terjeszteni a mikronnál
kisebb átmérőjű szálak gyártására, akkor az adna egy sokkal egyszerűbb, gyorsabb és
olcsóbb alternatívát az electrospinninggel szemben. Ezért kiemelt figyelmet kaptak
napjainkban az ömledékfúvással kapcsolatos kutatások. Christopher J. Ellison és társai
[27] is ennek fényében poli-butilén-tereftalát, polipropilén, és a polisztirol nanoszálak
előállításán dolgozott és kereskedelmileg életképes feldolgozási körülmények között
próbáltak ömledék fúvással 500 nm-es átlagos szálátmérőt elérni. A kísérletet 0,2 mm-
es szerszám nyílással és attól 1 mm távolságra lévő megfúvással végezték a 14. ábrán
látható szerszámhoz hasonló berendezéssel. Az egyes minták különböző ömledék
hőmérsékleteken (T), ezáltal különböző viszkozitás mellet, illetve változó
légáramlással (φ), ezáltal változó légtömeg és polimer tömeg fluxus aránnyal (Γ)
készültek. A kutatás paramétereit és az elért átlagos szálátmérőket az 1. táblázat
tartalmazza.
Minták T (° C) η * s-1 (Pa s) m p (g / perc) φ (𝑚3/𝑠) Γ d (μm)
PS-1 180 23 0,053 3,78×10−12 9 1,61
PS-2 260 1,6 0,07 3,54×10−12 6,4 0,62
PS-3 280 1,1 0,07 3,78×10−12 6,8 0,38
PP-1 180 35 0,35 2,83×10−12 0.5 1,23
PP-2 180 35 0,035 3,78×10−12 13,6 0,45
PP-3 220 15 0,035 3,78×10−12 13,6 0,30
PBT-1 265 137 0,35 2,12×10−12 0.4 1,22
PBT-2 265 137 0,035 4,72×10−12 17 0,44
1. tábázat. Christopher J. Ellison és társainak eredményei [27]
22
Tehát bebizonyították, hogy mind amorf, mind félig kristályos anyagok változó
viszkozitással, szilárdulási hőmérséklettel, kémiai és termikus stabilitással sikeresen
feldolgozhatók ömledék fúvással. Továbbá, hogy szabványos, kereskedelmi (PBT, PP
és PS) átmérői könnyen átalakíthatók az 500 nm-es tartomány alá. Eredményeik
továbbá azt mutatják, hogy nincs alapvető korlátozás a nanoszálak gyártásában ezzel
a módszerrel.
Borkar és munkatársai [28] egy a politetrafluoroetilén (PTFE) feldolgozására tett
kísérlet során használtak egy speciális ömledék fúváshoz hasonló eljárást. A PTFE-t
extrém kémiai és termikus stabilitása miatt igen nehéz feldolgozni. Mivel nagyon nagy
molekulatömegű anyag ezért az olvadék viszkozitási is rendkívül nagy (109 − 1,210
[Pa-s]) és oldódása is igen korlátolt. Borkarék azonban egy egyszerű, környezetbarát,
egy lépcsős, oldószer-mentes módszert dolgoztak ki a szálképzésre (20. ábra). A nagy
molekulatömegű PTFE port tartalmazó tölcsér belsejébe nagynyomású stabil forró gáz
sugarat (például nitrogén vagy argon) hoznak létre így megolvasztva a porszemcséket.
A tölcsér alján kilépő PTFE szál pedig mikro és nanoszál elágazásokat tartalmaz,
amelyek akár több milliméter hosszúak is lehetnek [28].
20. ábra PTFE szálfúvó berendezés [28]
A PTFE a forró, nagynyomású gázzal történő extenziós nyújtása úgy tűnik, hogy
megkönnyíti szálképzést olvadáspont alatti hőmérsékleteken is, mivel a kísérlet során
a PTFE olvadáspontja (340° C) felett és alatt is sikeresen állítottak elő
mikro/nanoszálakat. A Polarizált Raman spektrumok pedig azt mutatták, hogy a
PTFE-polimer láncok összekapcsolódtak kilépő szál tengelye mentén. A szálak
előállítása pedig gyors ütemben történt. A fúvott PTFE szálak, pedig nanoméretű
rostszálacskák és csomók alkotnak, így átjárható szerkezetet képeznek.
23
2.3.6. Elektro-szálképzés
Az elektro-szálképzési (elecrospinning) eljárás egy egyszerű fizikai elven működő
viszonylag olcsó eljárás, azonban a stabil működési paraméterek meghatározása annál
bonyolultabb [2, 29]. Az elmúlt években számos terméket gyártottak elektro-
szálképzésssel, beleértve a multifunkcionális mérnöki alkalmazások új trendjét
megalkotó nano-kompozitokat [30, 31]. A növekvő igény az efféle termékek iránt
szükségessé tette a termelékenyebb ipari környezetben alkalmazható berendezések
létrejöttét [32].
Az elektro-szálképző rendszerek, rendszerint az elektromosan vezető polimer
oldatot vagy viszkózus ömledéket nagyfeszültségű elektródára kapcsolják, és földelt
kollektort iktatnak a rendszerbe. Az elektróda és a kollektor közti potenciálkülönbség
arra kényszeríti az oldatot/ömledéket, hogy meginduljon a kollektor irányába. Akkor
indul meg a szálképzés, ha az elektródapár (kollektor és szálképző elektróda) között
létrejövő térerősség által létrehozott elektrosztatikus taszító erők nagyobbak lesznek,
mint a folyadék felszínét stabilizáló felületi erők [2, 29].
Jelenleg az ömledékből történő elektro-szálképzés még laboratóriumi szakaszban
van, azonban mivel az oldószerpárolgással járó környezetterhelő hatásokat nehéz
leküzdeni, így létjogosultsága van a fejlesztésének. Egy ilyen kísérleti ömledékes
electrospinning berendezést mutat be a 21. ábra is [33].
Az ábrázolt berendezéssel orientált PP szövedékeket hoztak létre, amelyek közül a
legígéretesebb 50 mm-es kollektor távolsággal 40 kV rákapcsolt feszültséggel 1300
fordulat/perc-es kollektor (10 cm-es átmérőjű) sebességgel készült és a szálak átlagos
átmérője 2 μm volt [33].
21. ábra Ömledékes elektro-szálképző rendszer [33]
A szálképzés során a szálképző fej kapillárisain kialakuló folyamatosan táplált
folyadékcseppek felszíne a feszültség hatására kúp alakot vesz fel, amelyet Taylor-
kúpnak neveznek. A Taylor-kúp ömledék alkalmazása során nehézkesen alakul ki, a
szálak elvékonyodásának pedig gátat szab a jellemzően nagy ömledékviszkozitás [29].
24
Az elvékonyodás úgy történik, hogy a kúp csúcsából folyadéksugarak lépnek ki,
amelyek azonos töltésű részecskéket hatalmaznak így taszítják egymást illetve az
egyes sugarak további sugarakká válnak szét. Továbbá a folyadékáram instabil, ún.
ostorozó mozgást végez a fúvott szálképző rendszerek bemutatása során ismertetett
jelenséghez hasonlóan. A képződő, útja során megdermedő szálak átmérője e hatások
révén tovább csökken, azonban több tényező befolyásolja az előalítandó szálakat [2].
Az electrospining rendszert alapvetően befolyásoló tényezők [3]:
– a polimer tulajdonságai, mint például a molekulatömege, szerkezete,
polidiszperzitási foka (molekulatömeg szóródása), és az olvadási illetve az
üvegesedési átmeneti pontjai,
– az ömledék/oldat tulajdonságai, mint például, illékonyság, viszkozitás,
vezetőképesség, felületi feszültség, és az egyéb adalékanyagok jelenléte,
– a környezeti paraméterek, mint a hőmérséklet, páratartalom, atmoszféra,
és a levegő sebessége az electrospinning kamrában,
– a berendezés paraméterei, beleértve a létrehozható feszültséget, az
elektróda távolságot és elrendezést, a szálképzés irányát, szállítási
mennyiséget, és a szálképző kapillárisok átmérőjét.
Larrondo és Manley [34] voltak az elsők, akik jelentést írtak az ömledékes
electrospinning kísérletekről. Munkájuk során tíz mikron átmérőjű polietilén (PE) és
polipropilén (PP) szálakat képeztek 1980-ban. Azonban továbbra is nehézkes kielégítő
ismereteket szerezni egy ömledékes elektro-szálképző berendezés megalkotásához,
hiszen a szakirodalmak 99,5%-át az oldatból történő szálképzéssel foglalkozó
tanulmányok képzik. Szerencsére az ömledékes kutatások száma növekszik az ipar
nyomásának hatására. Egy berendezés létrehozása nem csak a kevés közlemény miatt
nehézkes, további hátránya, hogy az átlagos szálátmérő az ömledékes rendszerek
esetében mikronos tartományban mozog. Az egyre népszerűbb, additív gyártási (AM)
technológiák viszont az extrudálásos eljárások révén újabb lendületet adhatnak az
ömledékes electrospinning folyamatoknak [35-36].
Egy kutatás során sejttenyésztésre alkalmas szövedék gyártása volt a cél AM típusú
ömledékes elektro-szálképzéssel. A legfontosabb alapkövetelmény az optimális
pórusméret volt. Mikor véletlenszerű szálelrendeződéssel próbálkoztak a pórusméret
túl kicsinek bizonyult a megfelelő sejt penetráció szempontjából. Így módosított
kollektorra volt szükségük, hogy a minimális szálátmérő (a sejttapadás szempontjából
fontos tényező) mellett kellően nagy pórusméretet hozhassanak létre. Bár a polimerek
nagy részét fel lehet dolgozni a 3D nyomtatási technológiák közül az egyik
legelterjedtebb FDM eljárással, de az így képezhető minimális szálátmérő több
nagyságrenddel nagyobb, mint az electrospinning esetében. Másrészt az FDM féle
szálfektetési eljárással létrehozható 3D-s struktúrák pórusmérete túl nagynak
bizonyult. Mivel az extrudált ömledék átmérőjét korlátozza a fúvóka mérete, amelyen
keresztül a polimer át lehet sajtolni, a nagy potenciálkülönbség az, amely a kellő
25
elvékonyodást előidézi az elektrosztatikusán húzott sugár révén. A kutatás során
létrejött berendezés működését a 22. ábra mutatja be [35].
22. ábra Ömledékes elektro-szálképző AM rendszer: A.) álló kollektor - a hajlító erő
instabilitás (ostorozó mozgás) nagy, B.) Gyorsan mozgó kollektor -, csökkent korbácsolás, C)
lassan mozgó kollektor - nincs ostorozó mozgása az ömledék sugárnak, D.) kritikus
sebességgel mozgatott kollektor - lineáris szálak [35]
A kutatás során az alkalmazott feszültségi értékeket tekintve 4, 6, 8, 10 és 12 kV-ot,
a kollektor és elektróda közti távolságot tekintve 20, 30 és 40 mm-t, az anyagáram
sebességének hatását vizsgálva pedig 5, 10 és 20 μl/óra értékeket alkalmaztak.
Alapanyagul PCL-t (polikaprolakton) alkalmaztak. Így az átlagos szálátmérők 5 és 35
μm között változtatták. A legkisebb átlagos szálátmérővel rendelkező mintákat (5 μm-
t) 5 μl/óra anyagáram, 20 mm-es kollektor távolság és 10 kV-os feszültség mellett
állították elő [35].
Tehát a kutatás eredményeként megoldást találtak az instabil ömledék sugár
jelenségének csökkentésére, illetve az irányított szálstruktúrák létrehozására is. Bár
még nem alkalmas a technológia pl. az FDM kiváltására a pontosság hiánya miatt, de
kompozitokhoz használható orientált erősítő rendszerek képzésére kiváló lehet, amint
azt a 23. ábrán látható minta is bizonyítja.
23. ábra Ömledékes elektro-szálképző AM rendszerel létrehozott struktúra: A.) a teljes
minta, B.) kinagyított részlet [35]
Egy másik kísérlet során [37] egy egyszerű elektro-szálképző berendezés
segítségével 90 °C-on alacsony olvadáspontú PEG-47 -blokk-PCL-95/PCL-ös anyagot,
26
illetve 320 °C-on polipropilént, ami 44 𝑐𝑚3/10 𝑝𝑒𝑟𝑐 MFI-vel rendelkezik (PP-44) és 270
°C-on polipropilént, ami 15 𝑐𝑚3/10 𝑝𝑒𝑟𝑐 MFI-vel rendelkezik (PP-15). Két teljesen
különböző fűtési konfigurációt alkalmaztak, a hőmérséklet stabilitását a rendszer
egyszerűségét és a kezelő biztonságát szem előtt tartva. Az alacsony hőmérsékletű
fűtési rendszer igen stabil hőmérsékletet tartott fen (± 0,2 °C), egy keringető rendszer
segítségével (24. ábra A). A polimer adagolását egy 1ml-es B-Braun típusú injekciós
tűvel végezték, amely polimer porral volt tele. A tűt a fűtött keringető rendszerbe
helyezték, ami 20 percen keresztül melegítette így megömlesztette a polimer port. A
magasabb hőmérsékletű szálképző rendszer (24. ábra B) fűtése egy elektronikus
vezérlésű hőlégfúvóból állt. A rendszer alkalmazott továbbá egy hőelemet, amellyel
az ömledék hőmérsékletét vizsgálták. A fecskendők üvegből készültek és 20 G típusú
rozsdamentes acélból készült tűhöz kapcsolódtak, illetve az adott polimer porral, és a
munkálatok kezdetéig elektromos kemencében tárolták azokat (legalább 25 percig a
feldolgozási hőmérsékleten). A fecskendőket a kemencéből való eltávolítást követően
azonnal hozzá kapcsolták a szálképző rendszerekhez annak érdekében, hogy
minimálisra csökkentsék az alapanyag hűtésének mértékét.
24. ábra Ömledékes elektro-szálképző rendszerek: A.) alacsony olvadáspontú polimerhez,
B.) magas olvadáspontú polimerhez [37]
A kutatás során különböző feldolgozási hőmérsékleteken 7-15 mm-es kollektor
távolság és 0,02-0,05 ml/óra adagolási sebesség mellett a 2. táblázatban látható.
Alapanyag
Electrospinning
hőmérséklet (° C)
Olvadáspont
(° C)
Nulla-nyírási
viszkozitás (Pa-s)
Szálátmérő
(μm)
PP-44 320 163-167 23 8,6 ± 1,0
PP-15 270 164-166 75 35,6 ± 1,7
PEG 47-blokk-30% PCL 90 55-58 49 2,0 ± 0,3
2. táblázat Előállított minták adatai [37]
Jól látható, hogy az alacsony olvadáspontú polimer keverékből sikerült a legkisebb
átlagos szálátmérőjű szövedéket gyártani, de a magasabb hőmérsékleten alacsonyabb
viszkozitású PP megközelítette annak eredményeit. Tehát a PP-15 öt és a PP-44-et
27
összehasonlítva arra az eredményre jutottak, hogy az alacsonyabb viszkozitás előnyös
a szálátmérő szempontjából [37].
Egy ismert módszer az ömledékes elektro-szálképző rendszerek fejlesztésére a
hozzá kapcsolt fúvórendszerek alkalmazása, ezáltal levegővel segített elektro-
szálképző rendszerek létrehozása. Az ilyen rendszereket a következő alfejezet mutatja
be.
2.3.7. Levegővel segített elektro-szálképzés
Az ötlet, hogy az ömledékes és oldatból történő elektro-szálképzést és az ömledék
illetve polimer oldat fúvást ötvözzék 1990-ben Moosmayer és társai által
fogalmazódott meg [39]. Egy olyan koncepciót dolgoztak ki, amely a két technológiát
kombinálta oly módon, hogy az elektromosan töltött polimer szál képződési irányába
gázt áramoltattak. A szál kilépési pontjától a kollektor felé irányított nagy sebességű
légáram és az elektrosztatikus erők együttes hatásának köszönhetően stabil finom
szálképződést értek el. Az eljárást „electroblowing”-nak nevezték el (levegővel segített
elektro-szálképzés). A technológia különösen a nagy viszkozitású és nagy felületi
feszültségű folyadékokból, mint például a hialuronsav oldatokból illetve polimer
ömledékekből [40] történő ultra finom szálak előalítása szempontjából volt jelentős.
Az ilyen rendszerek első nehézségét a polimer ömledéknek az nagy feszültségre
kapcsolt szálképző fejhez juttatása jelenti, ezt pontosan beállított hőmérsékleten és a
szálképzéshez igazított sebességen kell végrehajtani. Ehhez precíz kisméretű
extrudereket alkalmaznak, azonban ezek a szálképző elektródától csak elektromosan
elszigetelve használhatóak. Továbbá a szivattyúkat, légfúvó ventillátorokat és minden
a szálképző fejjel kapcsolatban álló berendezést megfelelő módon villamosan izolálni
kell, miközben a funkciójukat továbbra is ellátják. Mivel alapvetően elektro-
szálképzésről beszélünk a stabilitás, a termelékenység és az alapanyag
vezetőképessége jelentik e technológia esetében is a legnagyobb problémákat.
Wang és társai [40] hialuronsav (HA) nanoszálak előállítását végezték. Ehhez
fúvással segített elektro-szálképző berendezést alkalmaztak. Az általuk alkalmazott
légáram 1-4 𝑚3/ó𝑟𝑎 között mozgott, az oldat táplálási sebességét, pedig ehhez igazítva
20-60 μl/perc között állították. Az elektromos mező 25-40 kV között mozgott a
szálképző fej és a kollektor távolsága pedig 9,5cm volt. A fúvott levegő hőmérséklete
25 °C-ra volt állítva ± 2 °C pontossággal. A vizsgálat során azt elemezték, hogy a
különböző típusú kollektorok milyen hatással vannak a keletkező szövedékre
(szálakra). Három különböző kollektort használtak: alumínium fóliát, huzal rácsot és
alumínium fóliára erősített, huzal rácsot.
A különböző típusú kollektorokkal végzett kísérletek alapján úgy találták, hogy a
légáteresztő kollektor meggyorsíthatja, a nyúlás sebességét ezáltal csökkentheti az
átlagos szálátmérőt. A fúvás mértékéről pedig úgy találták, hogy egy bizonyos mérték
(2-3 𝑚3/ó𝑟𝑎) felett nincs hatással a szálátmérőre.
28
Egy magyar kutatás részeként Sóti Péter Lajos és társai [41] három oldószer alapú
szálképző eljárást hasonlítottak össze, köztük az elektro-szálképzést (ES) és levegővel
támogatott elektro-szálképzést (electroblowing; EB). Az eljárások összehasonlításához
azonos API-k (polimer arányok) mellett állították elő az oldatokat. Az elkészített
szövedékek szerkezetének és morfológiájának vizsgálatát pedig pásztázó
elektronmikroszkópiával és szilárd fázisú analitikai módszerekkel, mint például a
röntgen-pordiffrakciós (XRPD), differenciális pásztázó kalorimetriás (DSC) és Raman
kémiai leképezéssel végezték. A szálképzéshez ITR (gombaellenes szer) és Eudragit
E-t (dietil-aminoetil metilakrilát, butil metilakrilát és metil metilakrilát alapú
kopolimer) oldottak diklór-metán és metanol (4:1) elegyében. A vizsgálatok során úgy
találták az ES-EB tekintetében, hogy a termelési hatékonyság a 2 g/ óráról 56,7 g/órára
növelhető azonos minőségű végtermék előállítása során a fúvás segítségével. Így 28-
szoros termelékenységet lehet elérni az egyszerű ES-hez képest.
2.3.8. Centrifugál szálképzés
A Hooper által 1924-ben [42] szabadalmaztatott centrifugális szálképző fej a forgó
testekre ható centripetális/centrifugális erőt használja a szálképzéshez oly módon,
hogy a forgó ömledékkel vagy oldattal feltöltött szerszám oldalán porlasztó lyukak
találhatóak. A rotációs szálképzés klasszikusan hőre lágyuló anyagok feldolgozására
szolgál, például HL polimer szálak, ásványi szálak vagy üvegszálak előállítására.
Azonban a legújabb kutatások a nanoszálak fejlesztését célozzák meg. Az elektro-
szálképzéssel szemben ennek a technológiának a potenciálja abban rejlik, hogy nem
feltétlen szükséges elektrosztatikus mezőt generálni a szálképzéshez. Centrifugál
szálképzéssel közvetlen képesek az 1-0,1 μm-es tartományban szálképzésre [43],
továbbá a forgó rendszer hatására bekövetkező nyújtás lehetőséget biztosít, hogy hogy
fokozódjon a molekuláris szerkezet irányítottsága és az anyagszerkezet kristályossága,
amelyek megnövekedett szakítószilárdságot eredményeznek. A szálképzésben három
alapvető erő vesz részt: hidrosztatikus, kapilláris és centrifugális. Ezen erők eltérése a
25. ábrán vázolt módon kelti a szálkilépés, majd szálképződést.
25. ábra Centrifugál szálképződés elvi ábrája [39]
29
Létezik a centrifugális szálképzésnek egy kevésbé ismert változata a „spin-coating”,
amelyet kisebb viszkozitású hőre lágyuló polimer ömledékeket, mint például a
polietiléneket, poliésztereket, illetve termotróp folyadékkristályos polimereket,
polietilén-tereftalát (PET) kopoliésztereket lehet feldolgozni. Az eljárás során egy
mikrométeres vastagságú ömledék filmet hozunk létre (oszlatunk el) egy forgó tálcán.
A tálca forgatása során az ömledék először teljesen rásimul, a tálcára ezzel
elvékonyodik, egyenletes vastagságú réteget alkot (a kezdeti boltíves alak után), majd
a növekvő fordulatszám hatására megkezdődik a szálkilépés. A kilépő szálak átmérője
25 nm-től 0,5 mm-ig terjed, és a maximális hosszuk kb. 5 mm. A homogén
szálszerkezet elérése a levegő-folyadék kölcsönhatás okozta (már említett) Rayleigh-
Taylor instabilitás miatt igen nehézkes. Meg kell jegyezni továbbá a szálszerkezet
gyöngyösödését, amely az általános ismeretekkel ellentétben a folyadék
viszkozitásának növelésével csökken. Mint minden forgó szálképző módszer
esetében, a viszkozitás, a forgási sebesség, a szerszám geometriája, tehát a centrifugális
erők és a viszkózus erők, amelyek közti megfelelő kapcsolatok feltárása adja a
megfelelő terméket. Ez az eljárás nem alkalmas ipari (termelékeny gyártásra), de előre
jelezheti, a centrifugál szálképzés megfelelő paramétereit a későbbi gyártás során az
adott alapanyag szempontjából [39].
Egy új 2015-ös kutatás során [44] a centrifugál szálképzést ötvözték az elektro-
szálképzéssel, amelyhez egy speciális szálképző elektródát és drót kollektorokat
használtak. Az eljárással Ariane E. Erickson és munkatársai képesek voltak rendkívüli
irányítottságú molekulaszerkezetet előállítani nagy mennyiségű szövedék mellet.
2.3.9. Összegzés
A fentebb ismertetett technológiák ismerete elengedhetetlen egy jól működő
szálképző berendezés megalkotásához, azonban nem mind illeszthető be a számomra
meghatározott keretekbe. Így készítettem egy diagramot (26. ábra), amely a megismert
eljárások legalapvetőbb tulajdonságait tartalmazza.
26. ábra Áttekintő diagram
30
Az ábrán piros színnel jelöltem azon technológiákat, amelyek nem felelnek meg az
elvárásaimnak és zöld színnel jelöltem a legmegfelelőbbeket. Tehát a diagram alapján
a három legjobb eljárás az elektro-szálképzés önmagában, illetve levegővel segítve és
a centrifugál szálképzés. Ezek közül a két termelékenyebb eljárás a levegővel segített
elektro-szálképzés és a centrifugál szálképzés. A fellelhető irodalmak alapján a
centrifugál szálképzés és az elektro-szálképzés ötvözése a szerszám kialakításának
szempontjából meglehetősen összetettnek és költségesnek tűnik. Így elsősorban egy
olyan kísérleti berendezés megalkotása a célom, amelyen egy termelékenyebb,
nagyobb beruházással járó technológia alapanyagjának és paramétereinek
optimalizációja könnyebben és gyorsabban elvégezhető. Ehhez egy viszonylag
egyszerű ömledékes elektro-szálképző gépet kívánok megalkotni, amely
elektródáinak típusa, minősége és távolsága könnyen állítható. Továbbá a
felhasználható alapanyagok széles skálán mozognak, és a rendszerhez akár
csatlakoztathatunk különböző szálfúvó elemeket is.
2.4. Alkalmazási lehetőségek
A mikro és nanoszerkezetek lehetnek szűrőanyagok, kompozit anyagok,
orvosbiológiai eszközök (orvosi textíliák, sejttámaszok, kötszerek és a gyógyszer-
felszabadulást elősegítő rendszerek), védőruházatok, mikro illetve optoelektronikai
készülékek, fotonikus kristályok és rugalmas fotocellák [44].
A hőre lágyuló ultrafinom szálak már a kétezres évek elején térhódításnak indultak
a műszaki alkalmazások terén. Ezt az illetékes amerikai szabadalmak is bizonyítják. A
2003-as ultrafinom szálakkal kapcsolatos amerikai szabadalmak egymáshoz
arányosítva a főbb alkalmazási területek szerint a 27. ábrán láthatók. Megemlítendő
azonban, hogy a legtöbb ilyen típusú szabadalom nem éri el az ipari szektort csak
laboratóriumi kutatási és fejlesztési szakaszban érvényesülnek [2, 45].
27. ábra Amerikai szabadalmi bejelentések alkalmazási területei 2003-ban [2]
31
A gyógyászati alkalmazások sikere egyrészt a gyógyszeripar gazdasági erejének,
másrészt az emberi szövetek és a nanoszálas szerkezetek hasonlóságán alapul. Mint
például a csontok, dentinek, kollagének, porcok, és a bőr. Továbbá nanoszálakkal
elérhető extrém nagy fajlagos felületnek köszönhetően a gyógyszertranszport
sebessége is nagyságrendekkel gyorsabbá válhat [2, 45].
A szépségipar, mint bőrtisztítók, védőszövetek, porózus membránok gyártása
során is használják a finom szálas szerkezeteket. Ezek egy nanoszálas rendszer esetén
felgyorsított hatóanyag felszívódást valamint a háromdimenziós topográfiája teljes
lefedettségét jelentik [2, 45].
A hadiipar a védőruházatokhoz és harci járművek kompozit elemeihez alkalmaz
(fejleszt) nanoszálas szerkezeteket. A megfelelő védőruházat maximalizálja a túlélés
lehetőségét, miközben a mozgásban nem korlátozza a használóját. A nanotechnológiát
alkalmazó öltözékek védelmet nyújthatnak a szélsőséges időjárási körülmények, NBC-
hadviseléssel (nukleáris-, biológiai- és vegyi fegyverek) szemben. Korunk
védőruházatai a legtöbb esetben szűrésre aktív szenet használnak, amelynek
megvannak a maga korlátai, például a vízáteresztő képessége és az extra súly, amit
képvisel. A nagy felületű nanoszálas szövetek amellett, hogy minimális súlyt
képviselnek, képesek a vegyi anyagok semlegesítésére anélkül, hogy romlana levegő-
és vízgőzáteresztő-képességük. Többek közt ezért alkalmazzák a szűréstechnikában
előszeretettel [2, 45].
A mikroelektronikában, mint vezetékek, feszültség-érzékelők, hő-érzékelők
(piezoelektromos érzékelők, biokémiai érzékelők, fluoreszcenciás optikai
vegyszerérzékelők) és működtető egységek alkalmaznak vezető alapanyagból készült
nanoszálakat. Ez annak köszönhető, hogy az elektrokémiai reakciók sebessége arányos
az elektróda felületével, ezért a vezetőképes nanoszálas membránok alkalmasak nagy
teljesítményű akkumulátorok előállítására. A korrózióvédelmi lehetőségek és
elektromágneses interferenciát árnyékoló rendszerek szintén nagy potenciált rejtenek
[2, 45].
A szűréstechnikában a szubmikron részecskék kiszűrésének lehetősége, a szálakra
ojtott kemikáliák szennyezőanyag megkötő képessége miatt preferálják az ultrafinom
szálszerkezeteket. Ezen tulajdonságai miatt az olajipar koaleszcencia-szűrőkként is
használ mikro szerkezetű betéteket [44].
32
3. TERVEZÉS ÉS FEJLESZTÉS
A konstrukciós tervezés menete alapvetően az alábbi négy szakaszra bontható,
amelyek időrendben egymásra épülnek és a következő alfejezetekben kerülnek
bemutatásra.
3.1.1. Feladatmegfogalmazás, pontosítás
Első lépésben a probléma típusát és mibenlétét kellett meghatározni. Ez esetben a
feladat az ömledékes szálképzés kivitelezése, hiszen a megtervezendő berendezésnek
az ultrafinom szálak előállítását, illetve az alapanyag és a technológia optimális
paramétereinek a meghatározását kell szolgálnia. Fűthetőnek (megömlesztésre
alkalmasnak) kell lennie, azonban el kell viselnie a nagy feszültséget így az
elektródával nem lehetnek vezető e
Recommended