Polimer nanoszálak előállítására alkalmas elektro szálképző berendezés fejlesztése

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM POLIMERTECHNIKA TANSZÉK Polimer nanoszálak előállítására alkalmas elektro szálképző berendezés fejlesztése Készítette: Témavezető: Konzulens: Pataki Mátyás G95SMO Molnár Kolos tanársegéd Dr. Mészáros László adjunktus Budapest,

2 Tartalomjegyzék A dolgozatban szereplő rövidítések jegyzéke Bevezetés Irodalmi áttekintés Szálak és tulajdonságaik ismertetése Hagyományos szálgyártó eljárások Oldatos szálképző eljárások Nedves szálképzés Száraz szálképzés Áramlásos szálképzés Ömledékes szálképző eljárások Hőre lágyuló polimerek ömledékes szálképzése Szervetlen anyagok olvadékos szálképzése Nanoszálas szerkezetek Szálképzés centrifugális erővel (forcespinning) Elektro-szálképzési technológiák Irodalmi összefoglalás Az elektro szálképző berendezés áttervezése Az áttervezendő berendezés A berendezés felépítése A hibák feltárása Előkísérletek Elektrosztatikus szálképzéssel gyártott szerkezetek vizsgálata Követelményjegyzék Az új berendezés Szálképző egység Kollektor mozgató egység Szövedék elhúzó egység Elszívó egység Adagoló egység Berendezés háza Elektrosztatikus szálképző berendezés Továbbfejlesztési javaslatok Összefoglalás Summary Irodalomjegyzék

3 A dolgozatban szereplő rövidítések jegyzéke CA cellulózacetát MDF farostlemez (medium density fiberboard) PA poliamid PAN poli(akril nitril) PC polikarbonát PE polietilén LDPE kissűrűségű polietilén POM poli(oximetilén)/poliformaldehid/poliacetál PP polipropilén PVC poli(vinil klorid) PVP poli(vinil pirrolidon) PUR poliuretán SEM Pásztázó elektronmikroszkóp (Scanning Electron Microscope) PEO poli(etilén oxid) SA Nátrium citrát (Sodium alginate) 2

4 1 Bevezetés A nanosz görög eredetű szó, jelentése törpe. Egy nanométer 10 métert jelent, azaz a méter egymilliárdod része. Ebben a mérettartományban lehetőségünk nyílik az anyagot tulajdonképpen atomonként, molekulánként megismerni. A nanoszerkezetek vizsgálatával foglalkozó kutatók célja, hogy megértsék a nanomérettartományokban az anyagok alapvető tulajdonságait, melyet nanotudománynak neveznek. Ezen tulajdonságok összpontosított, hatékony felhasználását pedig nanoengineering -nek nevezzük, melyet magyarul a nanotechnológiával foglalkozó mérnöki tevékenységeknek hívunk. A nanotechnológia magába foglalja a nanomérettartományban végzett tudományos, technológiai képalkotást, mérést, modellezést, valamint az ilyen dimenziójú anyagoknak a kezelését, előállítását [1]. A nanotechnológiának számos definíciója használatos. A National Nanotechnology Initiative (az Egyesül Államok nanotechnológiával foglalkozó tudományos tudástára) szerint: a nanotechnológia a megértése és befolyásolhatósága az anyagoknak az 1 és 100 nanométeres (nm) mérettartományban, ahol egyedi újszerű jelenségek válnak értelmezhetővé, melyek nem megvalósíthatóak hagyományos feldolgozott anyagokkal vagy akár atomokkal, molekulákkal [1]. Egy másfajta értelmezés szerint az olyan technológiát hívjuk nanotechnológiának, amely olyan méretű anyagokat állít elő, vagy használ fel, melyeknek legalább egy dimenziója nanométeres tartományba esik. Ez a műszaki gyakorlatban az 500 nm alatti mérettartományt jelöli. Ilyen technológiával különleges tulajdonságú anyagokat tudunk előállítani: megkarcolhatatlan autófestéket, szabályozható fényáteresztésű napszemüveget, antibakteriális hatású csempefugát, pillanatszerűen oldódó gyógyszerkészítményeket, szuperkönnyű ruházatot stb. [2]. Diplomamunkámban a nanotechnológiákon belül a nanoszálak előállításának területét vizsgáltam az elektrosztatikus szálképzésen keresztül, amely alkalmas ilyen dimenziójú szálak előállítására. Egy meglévő gépet fejlesztettem tovább, amely egy újfajta technológiai szabadalmat alkalmaz az elektrosztatikus szálképzés területén. A gép üzemeltetése és működtetése számos problémával küzdött, mely alkalmatlanná tette a stabil, megbízható, biztonságos működtetésre. Ezért a technológia felhasználásával a korábbi gép hibáinak feltárása után egy új berendezést terveztem. 3

5 2 Irodalmi áttekintés Dolgozatom témája az elektrosztatikus szálképző berendezés, amellyel nanoméretű szálakat lehet előállítani. Ez a fejezet mutatja be a különböző hagyományos szálakat, szálgyártó eljárásokat, majd a későbbiekben a nanoméretű szálak tulajdonságait, alkalmazásának előnyeit. 2.1 Szálak és tulajdonságaik ismertetése Szálaknak nevezzük azokat a szerkezeteket, amelyek hosszirányú kiterjedése több nagyságrenddel nagyobb, mint az átmérője (ezeket gyakorlatilag egydimenziósnak tekintjük). Ezeket az anyagokat leginkább a textilipar használja fel, valamint a műanyagipar, erősítőanyagként. Például a fröccsöntő ipar, amely jellemzően rövidszálas erősítésként 0,2 0,4 mm-es szálhosszakat dolgoz fel. Létezik hosszúszálas fröccsöntés is, mellyel 10 mm feletti szálhosszakat is képesek elérni fröccsöntés után, a technológiai paraméterek szálakat kímélőbb megválasztásával [3]. A különböző térhálós gyantamátrixú kompozitokat előállító iparágakban, a gumiiparban (abroncserősítésre fémszálak), vagy az építő iparban (vasbetongyártásra) is használnak szálakat. A szálak általános alapjellemzői között említhetjük a szálforma geometriai jellemzőit, melyek a teljesség igénye nélkül a szál keresztmetszete (lehet konvex, konkáv, üreges), a szálhossz jellemzőit (ív, vetületi, húrhossz, statisztikai jellemzők stb.), a szál alakja (lehet egyenes, hullámos, hurkos, göngyölődött stb.) és a szál felületi jellemzői (lehet sima, érdes, barázdált, tagolt stb.). A szálak további alapjellemzői a szál anyaga, a lineáris sűrűsége, melynek mértékegysége a tex, valamint a karcsúsági index, melynek nincs mértékegysége. Egy tex egy kilométer hosszú szál tömegét jelenti grammban. A karcsúsági index jele λ, a hossz és az átmérő várható értékének hányadosa. A textiltechnológiákkal feldolgozható természetes szálak tipikus értéke λ= , de léteznek ennél magasabb karcsúsági indexű szálak is (filament). A szálak lineáris sűrűsége és a szálak átmérője minél kisebb, a szálakat annál finomabbnak nevezzük. A szálak finomsági osztályait és ezen osztályok hagyományos lineáris sűrűség és átmérő értékeit az 1. táblázat foglalja össze [4]. 4

6 1. táblázat Szálfinomság tipikus értékei [4] Szálfinomság Lineáris sűrűség Átmérő Ultradurva > 10 dtex > 100 µm Durva 5 10 dtex µm Normál, középfinom 2 5 dtex µm Finom 1 2 dtex µm Ultrafinom 0,1 1 dtex 3 10 µm Mikroszálak < 0,1 dtex 0,5 3 µm Nanoszálak <0,01 dtex < 500 nm A szálak mechanikai teherbírásának jellemzésére a fajlagos szilárdság [N/tex] és a szakítóhossz [km] mennyiségek használatosak. A szakítóhossz alatt azt a mennyiséget értjük, amely alatt a felfüggesztett szál saját súlya alatt elszakadna, ezzel utalva a szakítóerőre. A fajlagos szilárdságot a szakítószilárdság és a lineáris sűrűség hányadosaként számíthatjuk. A szilárdtest paradoxonja szerint az anyagok σ szakítószilárdsága szálformában nagyobb, mint a szokásos, terjedelmesebb, tömbalakban, de kisebb az elméletileg elérhetőnél [4]. A szálforma paradoxonja szerint miközben a szakítóerő nő, a szálak szakítószilárdsága csökken a szálátmérő növekedésével [4]. Ezek szerint szálas alakban az anyag szakítószilárdsága jobban kihasználható, valamint minél kisebb átmérőjű szálakat tudunk előállítani, a szakítószilárdság annál nagyobb lesz (azonos technológia esetén). Ez annak köszönhető, hogy a szerkezeti hibák annál kisebb valószínűséggel jelennek meg, minél kisebb a keresztmetszet, azt feltételezve, hogy az egységnyi térfogatban azonos valószínűségű a hibák száma. Felhasználásuk alapján megkülönböztetünk olyan, mindennapjainkban alkalmazott szálakat (humán környezeti szálak), melyeket magas komfortérzetük miatt használunk fel ruházati textíliák készítésére és köznapi célokra (háztartási és lakástextíliák), valamint műszaki szálakat, melyeket mechanikai teherbírásuk miatt alkalmazzuk. Utóbbinak két csoportját különböztetjük meg, a különleges funkciójú és a nagy teljesítőképességű szálakat [4]. A szálakat csoportosíthatjuk eredetük szerint is. Megkülönböztetünk természetes és mesterséges szálakat. A természetből nyert szálakat soroljuk az első kategóriába. Ezeket a szálakat feldolgozáskor azonban felhasználhatóságuk és minőségük javítására azonban fizikai módosításoknak vetik alá. Ilyen módosító eljárások lehetnek a 5

7 különböző textilipari technológiáktól függően a tilolás, fésülés, válogatás, tisztítás, feltárás, szálképzés, kártolás, nyújtás, sodrás stb. Ezek a szálak rendszerint a néhány µm-es átmérő tartományba esnek (pl.: len µm, selyem 9 12 µm [1]). A természetes szálak további csoportosítását mutatja a 2.1. ábra ábra Természetes szálak csoportosítása eredet szerint [5] Mesterséges szálakat további csoportosításait mutatja a 2.2. ábra. Az ábrán látható, hogy a szerves szálaknak a természetes és a mesterséges alapú (szintetikus) típusait különböztetjük meg. A természetben előforduló, de azokat valamilyen kémiai eljárásnak alávetett szálakat csoportosítjuk az előbbi kategóriába. A szervetlen szálakat nem szokás további csoportokba osztani ábra Mesterséges szálak csoportosítása eredet szerint [5] 6

8 2.2 Hagyományos szálgyártó eljárások Szálgyártó eljárások esetén a szálforma paradoxona miatt arra kell törekednünk, hogy minél kisebb átmérőjűek legyenek a szálak. Ennek számos módszere létezik, amelyek az egyes módszereknél külön-külön bemutatásra kerülnek. Általánosan elmondható azonban, hogy szálátmérő csökkentésének és egyben a szilárdságuk növelésének egyik módja a nyújtás. Nyújtás során a gyártás során képződő szálakat nagyobb sebességgel húzzuk el, mint azok képződési sebessége, vagy ha a gyártásuk után végezzük az eljárást, akkor az elhúzási sebesség nagyobb, mint az adagolási. Ennek során a szálak megnyúlnak, keresztmetszetük csökken, valamint orientálódnak a húzás irányába, melynek hatására szilárdságnövekedés tapasztalható [4]. A nyújtásnak is van technológiai korlátja, mert az anyag szilárdságát elérve elszakítjuk azt. Ezért a szálakat az alkalmazott eljárások függvényében rendszerint olvadt, vagy gél fázisában nyújtjuk, amely állapotban az anyag sokkal rugalmasabb, nagyobb alakváltozásokat képes elviselni. Ezeket az eljárásokat két csoportba sorolhatjuk, az oldatos és az ömledékes eljárásokba Oldatos szálképző eljárások Az oldatos eljárásoknak négy csoportját különböztetjük meg, úgymint nedves, áramlásos, valamint a száraz szálképzés Nedves szálképzés Az eljárás tipikus berendezésének elvi vázlatát mutatja a 2.3. ábra. Nedves szálképzéssel leggyakrabban PAN (poli(akril nitril)), PUR (poliuretán) és PVC (poli(vinil-klorid)) szálakat gyártanak [4]. Az eljárás során a polimer oldatot általános esetben 5 20%-os a koncentrációja [4] egy fogaskerék szivattyú megfelelő és egyenletes nyomást létrehozva préseli keresztül a szálképző fejen, amely teljes egészében egy kicsapó fürdőben (anyagfüggő, pl. kénsav, vagy víz) található. A szál ebben a fürdőben gél állapotban található, mely átmenetet képez a szilárd és a folyadék halmazállapot között. A lágy állapota miatt a szálak kis erővel, könnyen nyújthatóak, valamint nagy alakváltozásokat képesek elviselni, ezáltal nagyfokú orientáció érhető el bennük, mely szilárdságnövelő hatású. Ezért a fürdő utáni nyújtó henger sebessége ennél a technológiánál igen nagy (elérheti a 10 m/s t is [4]). 7

9 A legfontosabb előnye a nedves nyújtásos szálképzésnek, hogy nem igényli hőenergia bevitelét a rendszerbe. A legtöbb polimer esetében az oldat viszkozitása a kritikus tényező szálképzés során. Általánosságban a legnagyobb viszkozitási érték (ez összefüggésben van a koncentrációval is), mellyel még képesek vagyunk szálat gyártani (kisebb valószínűséggel marad oldószer az anyagban), fogja adni a legjobb szálminőséget [6]. Nagyobb viszkozitású polimer oldatok feldolgozása estén azonban előfordulhat, hogy szobahőmérsékletnél magasabb hőmérsékletre melegítik az oldatot, de ez nagyságrendekkel alacsonyabb energiát igényel, mintha megömlesztenénk azt ábra Nedves szálképzés: 1 oldat, 2 fogaskerék szivattyú, 3 szálképző fej, 4 kicsapó szer, 5 nyújtóhenger, 6 csévélő hengerpár Komoly hátránya azonban a technológiának az oldószer visszanyerése. A ritka példáktól eltekintve (vízoldható polimerek), a legtöbb polimer anyag oldószere rendkívül tűzveszélyes és egészségre ártalmas. Ezért az oldószer visszanyerése nagyon fontos feladat, lehetőség szerint egy zárt rendszerben kell visszanyerni azt a folyamat végén. Ha ez nem megoldható, akkor a megsemmisítéséről, ártalmatlanításáról gondoskodni kell, minimalizálva a környezetbe való kerülésének veszélyét Száraz szálképzés A száraz szálképzés során a viszonylag nagyobb koncentrációjú polimer oldatot fogaskerék szivattyú préseli át a szálképző fejen, mely a szabad levegőbe engedi ki a szálakat, ahol forró levegővel fúvatják meg azokat (2.4. ábra). Ez a forró levegő azért szükséges, hogy a szálképzőből érkező szálak tovább maradjanak lágy állapotban (így 8

10 könnyen alakítható). Egy megfelelő sebességgel forgó henger nyújtja a szálakat, miközben fokozatosan lehűlve megszilárdulnak. Ezzel a technológiával általában CA (cellulózacetát), PAN és PUR szálak állíthatóak elő. A koncentrációja az oldatnak jellemzően 20 25%-os, a szálképzés sebessége pedig elérheti a 4 m/s-os sebességet [4] ábra Száraz szálképzés berendezésének elvi ábrája[4] Áramlásos szálképzés Az áramlásos szálképzés nagyon hasonlít a száraz eljáráshoz, csak itt a polimer oldat kisebb koncentrációjú és ez által nehezebben párolog el belőle az oldószer. Ezért a szálakat nem lehet csupán a szálak elhúzásával nyújtani. Itt megfelelő sebességű levegővel való fúvatással érik el ezt a hatást, valamint az oldószer gyorsabb elpárologtatását (2.5. ábra). Ehhez egy megfelelően kiképzett tartályra van szükség, amely megfelelő áramlást biztosít, hogy a nagysebességű légáram a szálképző fejből érkező szálakat megnyújtsa, ne összekavarja. A tartály végén itt is található egy elhúzó egység, amely a képződő szálfolyamot elszállítja, valamint még nyújtja is azokat. Az eljárással úgynevezett rézoxid (régebbi elnevezése szerint kupro) szálakat állítanak elő (rézoxid ammónia eljárással készült módosított cellulózszál [7]). Az oldat koncentrációja 5 20% között lehet, a szálképzés sebessége pedig a 4 m/s-ot érheti el, hasonlóan a száraz eljáráshoz [4]. 9

11 2.5. ábra Áramlásos szálképzés berendezésének elvi ábrája[4] Ömledékes szálképző eljárások Az ömledékes eljárást nem szoktuk további típusokra bontani, de különbséget mutatnak a hőre lágyuló polimer szálakat előállító, valamint a szervetlen szálakat előállító technológiák (ezeket helyesebben olvadékosnak hívjuk) Hőre lágyuló polimerek ömledékes szálképzése A hőre lágyuló polimer szálakat leggyakrabban ömledékes szálképzéssel állítják elő. Ehhez az eljáráshoz alkalmas berendezés rendszerint egy ömledéket előállító szálextruderből, adagoló fogaskerék szivattyúból (megfelelő és egyenletes ömledéknyomás miatt), szálképző fejből, szűrőből, hűtőaknából (a hűtőközeg általában áramoltatott levegő), valamint a nyújtásért és kiszerelés képzésért felelő csévélőből áll. Ezt a tipikus berendezést mutatja a 2.6. ábra ábra Hőre lágyuló polimerek szálképző berendezése [6] 10

12 Ezekkel a technológiákkal előállított szálak átmérőinek komoly technológiai korlátot szab a szálképző fej elkészíthető furatainak mérete. Ebből kifolyólag a furatokat készítő fúrószerszámok, valamint a fejet gyártó gép pontossága. A szerszámgyártó cégek közül számos ajánl úgynevezett mikrofúrókat. Ezekkel a szerszámokkal elkészíthető furatoknak tehát ez adja a technológiai korlátot, ezért nem lehet ilyen technológiával jelenleg nanoszálakat előállítani. (Ilyen szerszámokat gyártó cég például a SECO, mely az átmérő 0,1 mm től a 2 mm ig ajánl fúrókat [8]. Hasonló megoldásokat kínál a picodrill SA, a néhány század millimétertől a 0,5 mm-es fúróátmérőkig [9]. Nem szabad elfelejtkeznünk azonban arról, hogy ezek a fúrók is tűréssel készülnek (D 0/+0,005 mm [8]), valamint a szerszámgép pontosságától függően (mekkora a szerszámgép ütése) az elkészíthető furat a fúró átmérőjétől nagyobb lesz. Ezek után a furatok valamilyen utómegmunkálást igényelnek rendszerint furatköszörülés, mely az elkészíthető furat átmérőjét tovább növeli. Koextrúzióval képesek vagyunk különböző szálszerkezetű szálak gyártására (2.7. ábra), amelyeknek három fő típusa van, a kétoldalú (bilaterális), a mag/köpeny, valamint a szál/mátrix szerkezetű szálak. A különböző ömledékáramok beállításával, valamint speciális szerszámozással érhetőek el ilyen típusú szálak. Ezeknél a szálaknál fontos a jó adhéziós kapcsolat, tehát az anyagválasztásnál ügyelni kell, hogy egymással kompatibilis anyagokat válasszunk ábra Kétoldalú (bilaterális), mag/köpeny és szál/mátrix szálszerkezetek További, különleges eljárásnak tekinthető az úgynevezett konjugált szálak gyártása, melyet a 2.8. ábra mutat. Ezek a szálak is koextrúzióval készülnek, de ennél a technológiánál nem kell jó adhéziós kapcsolatnak lennie az anyaghatárokon. A technológiával képesek vagyunk speciális keresztmetszetű szálakat gyártani, mert az egyik komponenst megfelelő oldószerrel kioldjuk, vagy kiolvasztjuk. Így az anyagválasztásnál ügyelnünk kell arra, hogy az oldószer csak az egyik komponenst 11

13 oldja, valamint kiolvasztásnál a maradó komponens olvadáspontja legyen magasabb, mint a másiké ábra Konjugált szálak előállítása [4] Néhány század mm-es furatú szerszámmal akár mikroszálak is előállíthatóak kioldással. Ehhez az úgynevezett szeleteléses technikákat, illetve a sziget a tengerben technikákat alkalmazhatjuk (2.9. ábra) [4] ábra Szeleteléses technikák a szintetikus szálképzésben [4] Egy igen speciális eljárásnak tekinthető az ömledékfúvással szálakat képző technológia. Az eljárást az Egyesült Államokban fejlesztették ki az 1950-es években olyan szűrők előállítására, amelyekkel radioaktív részecskéket lehet befogni a magas légkörben [10]. Az ömledékfúvásos szálgyártás lényege, hogy a hőre lágyuló polimer ömledékét egy extruderből a megfelelően kialakított szerszámba vezetik, amelyből az anyag nagy 12

14 sebességű, forró légáramlatba távozik. Ennek hatására a polimer ömledékből kialakult szálak erősen megnyúlnak és elvékonyodnak. A légáramlat a szálakat egy speciális hengerre, az úgynevezett kollektorra vezeti, amelyen a szálak összetapadnak és szövedéket alkotnak [10]. A szálképző furatokat magában foglaló egység a szerszám legdrágább része, mivel igen szűk tűrésekkel, nagy pontossággal kell elkészíteni. Több száz, általában 0,4 mm átmérőjű furat van elhelyezve egy sorban, 1 2 furat/mm 2 sűrűségben. A levegő bevezető csatornák a szálképző furatok alatti és feletti hosszanti réseken bocsátják ki a nagy sebességű forró levegőt. A kompresszor által szállított levegőt elektromosan vagy gázzal fűtött hőcserélőkben melegítik fel a kívánt hőmérsékletre. A levegő hőmérséklete többnyire C, míg sebessége kb km/h között változik [10]. A forró légáram megnyújtja a szerszámból kilépő szálakat. A befúvástól távolodva azonban a légáram hőmérséklete lecsökken, a magával ragadott hidegebb levegővel találkozva impulzuscsere (örvények, turbulens áramlás) jön létre, melynek hatására a szálak is lehűlnek, megszilárdulnak. (A furatból kiáramló levegőszabadsugárhoz hasonlatosan, ahol a sugárba bekeveredő, azáltal magával ragadott környezeti levegő áramlik a sugár irányába. Ezek a képződő örvények döntő szerepet játszanak a szabadsugár és a környezete közötti impulzus átadásában, keveredésében. [11]) A szálak a turbulens áramlás miatt összekuszálódva és összetapadva rakódnak le egy lyukacsos felületű forgó dobra, a szálgyűjtő dobra, amelynek a belsejéből folyamatosan elszívják a levegőt. A dob és a szerszám távolságának, valamint a dob fordulatszámának változtatásával széles határok között lehet szabályozni a kész kelme tulajdonságait. A szálgyűjtőről továbbhaladó kelmét egy másik dobra tekercselik, majd a kívánt felhasználásnak megfelelő további feldolgozás következik [10]. Ez a technológia az ultrafinom és mikroszálak, valamint a belőlük készült nemszőtt kelmék előállításának egyik legelterjedtebb módszere. A szálak átmérője általában 2 és 4 µm között változik, de 0,1 µm is lehet, tehát már nanoszálaknak tekinthetőek. A technológia azonban nem alkalmas szabályos nanoszálas szerkezetek előállítására, mert a szálak átmérője igen nagy szórást mutat, nem biztosítható az egyenletessége [10] Szervetlen anyagok szálképzése Az ömledékes szálképzésen belül a hőre lágyuló polimer szálak előállításától elkülönül egy kissé a szervetlen anyagokból képzett szálak technológiája, mint például 13

15 az üveg és a bazaltszál gyártás, amelyek esetében inkább olvadékról beszélhetünk, mint ömledékről. Az üveg amorf anyag, kb C-on olvad meg, azonban nem alkalmas szálképzésre, míg az olvadék el nem éri a 2000 C-ot. (A polimerek meg sem közelíthetik ezt a hőmérsékletet, hiszen a bomlási hőmérsékletük jóval alacsonyabb, ezért ezekre az anyagokra természetszerűleg is más technológiát kell alkalmazni.) Adalékokkal csökkenthető ez a hőmérséklet (tipikusan Al 2 O 3 és B 2 O 3 ), alkalmassá téve az üveget C között is a szálgyártásra [12]. Az üvegszál-gyártásra használt technológiáknak 2 típusa van. Az egyik típus esetén üveggolyókat állítunk elő, majd a szálképzési fázisban újraolvasztjuk azokat. Ezt a technológiát közvetett olvasztásos eljárásnak hívjuk (2.10. ábra) [13] ábra Közvetett olvasztásos technológia folyamatos üvegszál gyártásra [13] A másik lehetőség a közvetlen ömlesztési folyamat, melyben az ömlesztő tartályba folyamatosan adagolják a nyersanyagot, ezután bekerül egy beömlőbe, majd a szálképző fejbe. Ezt a technológiát mutatja a ábra. A szálképző fejben egyszerre szál képződik, de a technológia folyamatos fejlesztés alatt áll [12]. 14

16 2.11. ábra Közvetlen olvasztásos technológia folyamatos üvegszál gyártásra [13] Az üvegolvadékot egy megfelelő furatokkal ellátott szerszámon vezetik keresztül. Az ezzel a módszerrel előállítható szálátmérő csupán az olvadéknak a folyási tulajdonságaitól függ (elsősorban a viszkozitásától, ügyelve közben arra, hogy az anyagáram ne szakadjon meg), a súrlódástól nem. Éppen ezért nagyon fontos, hogy az olvadék viszkozitása viszonylag állandó érték körül legyen [13]. A képzett szálak átmérője jellemzően 5 25 µm között változik [12]. A bazalt egy természetes eredetű vulkáni kőzet, az üveghez rendkívül hasonló anyag. Felhasználása elsősorban zúzalékként az építőipar számára, valamint vasúti töltésekhez, de jelentős mennyiségben állítanak elő belőle szálakat. A bazaltszálakat számos kiváló tulajdonság jellemzi: nagy rugalmassági modulusuk és kiváló hőállóságuk mellett a belőlük készült szál hő és hangszigetelő képessége, továbbá rezgéscsillapító tulajdonsága is kiemelkedő. A bazaltszálat a folyamatos üvegszálhúzáshoz hasonló technológiával, vagy a bazaltkő megolvasztásával és szálazásával állítják elő. Ez utóbbit nevezzük Junkers-eljárásnak, amely egy speciális üvegszál gyártási technológia bazaltszálak előállítására. 15

17 2.12. ábra Junkers féle bazaltszál gyártási technológia vázlata [14] 1 bazalt olvadék, 2 légfúvókák, 3 gyorsító henger, 4 szálképző henger, 5 olvadt bazaltcseppek, 6 8 szálképződés folyamata, 9 szál, 10 szálfej Ezzel az eljárással rövidebb szálak állíthatóak elő. Ehhez az 1500 C-on megolvadó kőzetből képzett olvadékot centrifugális fúvással 6 10 µm átmérőjű, mm hosszú szálakat képeznek. Ezt nevezzük kőzetgyapotnak, melyet viszonylag gyenge mechanikai tulajdonságok jellemzik, azonban komoly előnye az olcsó előállíthatóság és a jó szigetelőképesség. Az eljárás lényege, melyet a ábra mutat, hogy az olvadt kőzetet a 4-es jelű nagy sebességgel forgó acélhengerekre öntik. A centrifugális erő hatására cseppek válnak le, melyekből a 2-es jelű fúvókákból rábocsátott nagysebességű légáramlat szálakat húz, melyek fokozatosan hűlnek le [14]. Az így képzett szálak végén gombostűhöz hasonló fej marad, melyek növelhetik a szál szilárdságát, letörve azonban csökkentik, feszültséggyűjtő helyekké válva, mert repedés indulhat ki helyükről [15]. 2.3 Nanoszálas szerkezetek Az előbbiekben felsorolt eljárások többsége tehát nem alkalmas stabil körülmények között nanoszálak előállítására. Az ömledék fúvással ugyan érhetőek el ilyen átmérőjű szálak, de ezt a már ismertetett módon jelenleg még nem szabályozhatjuk megfelelően. Éppen ezért az ilyen szerkezetek előállítása speciális technológiák kifejlesztését tette szükségessé. Az elmúlt évtizedben hatalmas növekedés volt tapasztalható a 16

18 polimer nanoszálak iránti igényben, melyek igen ígéretes megoldásokat kínálnak különböző alkalmazások, mint például a sebészet, védő ruházatok, szűrők és érzékelők számára. Ezen igények kielégítésére kezdték el fejleszteni az elektrosztatikus szálképzést, a centrifugális erő segítségével képző eljárást (forcespinning) illetve fejlesztették tovább az olyan, már meglévő technológiákat, mint az ömledékfúvást (ennek korszerűsítése, hogy a szálképzés stabilabbá váljon), valamint a különböző (már említett) koextrúziós szálképző megoldásokat, amelyek alkalmasak lehetnek irányítható tulajdonságú nanoszálak előállítására korlátozott stabilitással [16]. A nanorészecskéknek igen komoly egészségkárosító hatásai ismertek (elsősorban a májra, a légúti szervekre és a központi idegrendszerre gyakorolt hatásuk [17], [18]), a lehetséges szövődményeket komolyan kell kezelni. A nanoszálak toxikus hatásairól azonban még nincsen tudomásunk [17]. A szálak ugyan nanométeres tartományú átmérővel készülnek, de azok hossza ennél több nagyságrenddel nagyobb, ezért bejutásuk az élő szervezetbe igencsak korlátolt. Ezért alkalmazhatóak ilyen formában az élelmiszeriparban (pl. ivóvíz szűrőkben), valamint gyógyászati célokra is (a bevezetésben közölt példán kívül olyan különleges sebtapaszok készítésére, amelyek nem engedik át a baktériumokat, mert az erre a célra alkalmazott, nanoszálakból alkotott szövedék pórusméretei kisebbek, mint a baktériumok.) Szálképzés centrifugális erővel (forcespinning) A nanoszálképző eljárásokon belül igen jelentős figyelmet érdemel a centrifugális erő segítségével nanoszálakat képző technológia, angolul forcespinning. Ez a technológia alkalmas polimer oldatok és ömledékek feldolgozására is. Lényege, hogy egy nagysebességgel megforgatott ömledéktartályból egy kis furaton, vagy résen keresztül a centrifugális erő és forró levegővel való megfúvatás hatására az ömledékből, vagy az oldatból szálak válnak ki egy gyűjtőhengerre. A berendezés elvi ábráját mutatja a ábra. 17

19 2.13. ábra Centrifugális erővel képzett szálakhoz alkalmas berendezés elvi ábrája [19]:1 gyűjtő (áll), 2: szerszám (forog), 3: fűtőegység+tartály (forog) A berendezés fűti a szálképző anyagot (viszkozitás csökkentés), melyet ezzel a fűtőegységgel együtt igen nagy sebességen forgatva a centrifugális erő nanoszálakat húz ki az anyagból a szálképző fejen keresztül, amely legalább egy furattal rendelkezik. A technológia legfontosabb paraméterei a fűtött rendszer forgási sebessége, a fúvóka elrendezés, a gyűjtőrendszer és a hőmérséklet, melyek felelősek a nanoszálak geometriájáért és morfológiájáért. Nanoszálak előállításához a forgási sebesség legkisebb értéke 500 1/min, de egyes esetekben (anyag, viszkozitás, ezáltal hőmérséklet függvénye) szükséges lehet a /min is. Lozano és Sarkar kísérletei [19] alapján a feldolgozható anyagmennyiség az 5 ml-től az 1000 ml-ig terjedhet. A nagyobb anyagmennyiséget hosszabb ideig kell, nagyobb sebességgel forgatni a szálképzés elkezdéséhez, ez /min-es fordulat esetén a s-ig terjedő időtartamot jelent. A technológia előnyei között említhető, hogy rendkívüli termelékeny, környezetbarát (nincs melléktermék-képződés), feldolgozhatóak vezető és nem vezető oldatok is, nem igényel nagyfeszültséget, így üzemeltetése nem jelent nagy veszélyt felhasználója számára [21]. Komoly hátránya azonban a fűtőegység szükségessége, amely növeli az eljárás üzemeltetési költségeit, valamint hogy a képződő szálak átmérője nehezen tartható nanométeres tartományban [21]. 18

20 A szerszámok kialakítására több szabadalom is készült [19],[20], amelyek rendkívül hasonlóak a következő fejezetben bemutatott, elektrosztatikus szálképzésnél alkalmazhatóakkal. Néhány példát mutat a ábra ábra Szerszámkialakítás példák centrifugális erővel képzett szálak technológiájához, sorrendben: fecskendő, szűrő, valamint duplafalú cső [19] Elektro-szálképzési technológiák A nanoszálas szerkezeteket előállítani képes technikák közül is kiemelkedő az elektrosztatikus szálképzés, amely a legszélesebb körben használt technológia a folyamatos nanoszálak képzéséhez napjainkban. A technológiával elsősorban polimer szálak állíthatóak elő oldatból, vagy ömledékből, elektrosztatikus erők segítségével. Népszerűségét elsősorban a viszonylag egyszerű berendezéseket igénylő felépítésének és alacsony üzemeltetési költségeinek köszönheti. Az a képessége, hogy különböző anyagok párosításával is képes (elsősorban polimerekből, de akár fémekből és kerámiákból is) nanoszálas szerkezeteket létrehozni, egyedülállóvá teszi a többi technológiával szemben [16]. A folyamat elméleti alapjait először Lord Rayleigh írta le (angol fizikus, aki valószínűleg jobban ismert az argon felfedezése miatt, amelyért Nobel díjat kapott 1904 ben [22]), az 1800-as évek végén. A technológiát elsőként dokumentáltan azonban J. F. Cooley írta le 1899-es szabadalmi bejelentésében (electrospinning, ES) [23]. Komolyabb figyelmet azonban csak Norton eredményeinek köszönhetően kapott 1933 ban az ömledékes szálképzés területén [24] és Formhals 1937 ben, a szőtt kelmék fonalainak területén végzett munkájuk eredményeképp [25]. A technológia iránti piaci igény ezután ismét stagnált, újabb fejlődése a nanotechnológia iránt felélénkült figyelem nyomán bontakozott ki az 1990-es években. A korszak legjelentősebb eredményét Doshi és Reneker mutatta fel 1995 ben. Az általuk előállított szálak átmérője 0,05 és 5 µm közötti tartományon belül változott [26]. 19

21 Az elektrosztatikus szálképzés alkalmas polimer oldatok és ömledékek feldolgozására is. Egy hagyományos szálképző berendezés elvi ábráját mutatja az ábra. Egy ilyen berendezéshez, ahogy azt a rajz is mutatja, szükség van egy nagyfeszültségű tápegységre ( kv), egy elektromosan vezető polimer oldatra, vagy ömledékre, valamint egy gyűjtőre, vagy más néven kollektorra ábra Elektrosztatikus szálképzés hagyományos berendezésének elvi ábrája A polimer oldatot (vagy ömledéket) a nagyfeszültségre kapcsolva, átnyomjuk egy kis nyíláson (fecskendő, pipetta stb.). A földelt gyűjtő nagy erővel vonzza a feltöltött anyagot, a kettejük közötti potenciálkülönbségből adódóan. Ahogy a potenciálkülönbség nő, az anyag fokozatosan felveszi az előbb már említett cseppszerű alakot, melyet Taylor kúpnak nevezünk. A potenciálkülönbséget tovább növelve, az elektromos térerő hatására létrejövő Coulomb erő leküzdi a folyadék felszínére ható felületi feszültséget, melynek hatására egy folyadéksugár lép ki nagy sebességgel a Taylor kúp csúcsából. A nagy fajlagos felület hatására az oldószer elkezd párologni (oldat esetén) vagy az ömledék elkezd megszilárdulni (ömledék esetén), egy igen vékony szálat képezve. A szál keresztmetszete a gyűjtő felé haladva fokozatosan csökken, a potenciálkülönbségből származó nyújtóerők miatt. Az átmérő (ezzel együtt a tömeg) 20

22 csökkenés hatására a szálfolyam instabillá válik, majd egyfajta oszcilláló mozgást végezve a szálak keresztmetszetei tovább csökkennek igen jelentős mértékben (ekkor már szabad szemmel nem láthatóak). A végső szálfolyam ezek után egy orientálatlan szövedéket képez a gyűjtő felületén. Általános szabályként megemlíthető, hogy az oldatos szálképzéssel vékonyabb szálak állíthatóak elő, mint ömledékes szálképzéssel, köszönhetően a jóval kisebb viszkozitásnak és az oldószer elpárolgásának. Azonban az ömledékes szálképzésnek is vannak igen komoly előnyei, ilyen például az egészségre ártalmas oldószerek hiánya, valamint, hogy jóval nagyobb anyagáramok érhetőek el. Mindezek ellenére az ipari felhasználása ennek a típusú szálképzésnek még nem olyan jelentősek, de előnyei miatt ennek a jelentősége is valószínűleg nőni fog a jövőben [27]. Az ipari termelésben, a folyamat paraméterei igen tág határok között változtathatóak az elérhető szál geometriájának módosíthatóságára. Például: [27] Az ömledék, vagy oldatáram növelésével a szálátmérő növekedése tapasztalható, azonban a túlzott növelése úgynevezett szakállképződéshez (összecsomózódott, szakállhoz hasonló szálfolyam) és egyenetlen szálátmérőhöz vezethet. Az adagoló és a gyűjtő közti távolság növelésével a szálátmérő csökkenése tapasztalható, azonban a túlzott növelés hatására az oszcilláló szálak elszakadhatnak a gyűjtő elérése előtt. A potenciálkülönbség [kv] növelésének hatására a szálátmérő csökken, azonban a túlzott növelése szálszakadáshoz vezethet. Az oldat koncentrációjának növelése (oldatos szálképzés esetén) növeli a szálátmérőt, de szakállképződéshez is vezethet. A folyadék felületi feszültségének csökkentésével (oldatos szálképzés esetén) a szálátmérő növekedése tapasztalható. Az ömledék hőmérsékletének növelésével (ömledékes szálképzés esetén) a szálátmérő csökkenthető. A polimer molekuláris szerkezetének megváltoztatása, mint a molekulatömeg, topológiai alak (lineáris, elágazó), konformáció szintén hatással vannak a szálátmérőre oldatos és ömledékes szálképzés esetén is. Az elektrosztatikus szálképzéssel kezdetben csak szövedékeket lehetett gyártani, de a technológia fejlődésével ma már megszűntek ezek a korlátok és képesek vagyunk más szerkezetek előállítására is. 21

23 Előállíthatóak mag/héj szerkezetű polimer szálak is [28], amelyek a koextrudáláshoz hasonló struktúrákat hoznak létre. Maa és társai vizsgálatuk során [28] megfelelő anyagpárosítással érték el a megfelelő, elektrosztatikus szálképzéssel előállított szerkezetet, amely polietilén-oxid (PEO) és nátrium-citrát (SA) anyagok voltak. Egy hagyományos, álló (vagy lassan mozgó) szálgyűjtővel orientálatlan kelme hozható létre, de a szálgyűjtő mozgatásával képesek vagyunk orientáltabb szerkezetek létrehozására. A szálak orientáltsága még így sem közelíti meg az unidirekcionális (fektetett), valamint a hagyományosan szőtt kelmékét, de ad egyfajta irányultságot a szálaknak. Véleményem szerint a technológiában rendkívül nagy lehetőségek rejtőznek, a szálak mechanikai kihasználtságát azonban még tovább kell fejleszteni az orientáció növelésének segítségével (ez egyben ipari felhasználás terén a termelékenység növelését is igényli). A technológia fejlődésével igen komoly figyelmet kapott a 3D-s szerkezetek előállításának lehetősége is. Ennél a technológiánál a szakirodalom szerint egy tengelye körül forgó csőszerű földelést alkalmaznak, létrehozva egy cső alakú kelmét, melyből nem csak hengeres, de kúpos változat is létrehozható. Mindkét típusból nyitott és zárt is készíthető. Bonyolultabb struktúrák is gyárthatóak, ezekhez legalább két, egymástól függetlenül mozgatható tengelyű földelt elektródára van szükség, a feszültség szimultán vezérelhetőségével [27]. Az elektrosztatikus szálképzés komoly problémája a csekély termelékenysége, az egyszerű szálképző fejek (legegyszerűbb változata a fecskendő, vagy az ehhez hasonló kialakítások) kihozatala csak laboratóriumi mennyiség előállítását teszi lehetővé. Ennek növelésére számos eljárással kísérleteztek. A szálképző furatok számának kézenfekvő növelése nem okoz jelentős termelékenységjavulást, mert a furatok eltömődése (az oszcilláló szálfolyam feltekeredik, eltömítve a többi adagolót, valamint az oldószer hamarabb elpárolog a tervezettnél) miatt ezek nem használhatóak hatásosan. Léteznek ennek ellenére különböző, kereskedelmi forgalomban kapható termékek is ilyen típusú fejekre, amelyet a ábra mutat. 22

24 2.16. ábra Lineáris, valamint 3D-s elrendezésű fúvókafejek [29] A több fúvókás fejek hátrányainak kiküszöbölésére fejlesztették ki a fúvókamentes (nozzle-free) elektro-szálképzési eljárásokat. Ezen eljárások lényege, hogy nem használnak hagyományos fúvókát, hanem különböző módszerrel, de létrehoznak egy vékony folyadékfilm réteget, amelyről egyszerre számos Taylor kúp képződhet. Ezt leggyakrabban elektrosztatikusan feltöltött, különböző geometriájú elemekkel érik el, ezekre visznek fel egy vékony folyadék filmréteget, amely filmréteg folyamatos és egyenletes ellátásáról ezen elemek egyenletes forgómozgása biztosítja. Ilyen például a forgóhengeres elektrosztatikus szálképzés, amelyet a Libereci Műszaki Egyetemen Jirsak és kollégái [32] fejlesztettek ki. Szabadalmukban leírták a ábra szerinti berendezés működését és elvi alapjait. A berendezés elektrosztatikusan feltöltött hengere a polimer oldatba merülve forog, a felületére feltapadt oldatból képezve a szálakat. Az így képződő vékony folyadékfelszínről számos Taylor kúp képződik, melyekből szálak válnak ki, az egyszerű adagolóhoz hasonlóan. A berendezés gondoskodik a képződő szálfolyam elszállításáról is, melyet a ábra szerinti 81-es és 82-es hengerekre feltekert 72-es szövet biztosítja. Ezt a szövetet az 5-ös vákuumszekrény szívja magához, amellyel a szálakat is szívva, egyfajta orientációt is tud adni azoknak [32]. 23

25 2.17. ábra Forgóhengeres elektrosztatikus szálképzés [32] Fontosabb jelölések: 81+82: a képződő szálfolyamot elszállító hengerek, 20: képződő szálfolyam, 40: földelt gyűjtő, 3: forgódob, 1: oldattartály, 2: polimeroldat, 11: adagoló, 5: vákuumszekrény, 72: szövet [32] Ez a technológia jóval alkalmasabb ipari méretű gyártásra, léteznek kereskedelmi forgalomban kapható berendezések, például a Nanospider. A képződő szálfolyam mennyiségét, valamint a technológiával gyártott nanoszál paplant (összehasonlítva egy emberi hajszállal, valamint virágporral) mutatja be a ábra [30] ábra Forgódobos eljárás kihozatala (A), valamint a technológiával gyártott nanoszálak összehasonlítása emberi hajszállal és virágporral (B) [30] 24

26 Ezen eljáráshoz rendkívül hasonló, a forgástest geometriai kialakításában különböző technológia még a forgó dobbal, a forgó spirállal, a forgó golyóval, forgó kúppal és számos más egyéb megoldással működtetett technológiák is léteznek [31]. Az előzőekben ismertetett technológiák szálpaplan szerkezetek előállítására alkalmasak, de az elektrosztatikus szálképzéssel képesek vagyunk jóval orientáltabb szerkezetek, mint például fonalak előállítására is. Ezt bizonyítja Yan, Liu és Zhang kísérlete, amely során az egyszerű adagolóból érkező szálfolyamot egymással szinkronban forgó földelt gyűjtővel, valamint a köztük forgó száltekercselővel, a forgómozgások összehangolásával, valamint megfelelő elektromos erőtér előállításával (2.19. ábra) készítettek nanoszálas fonalakat [33] ábra Fonal előállítása elektrosztatikus szálképzéssel, egyszerű adagolóval [33] Diplomamunkámban egy módosított elektrosztatikus szálképző eljárás szabadalmát használom fel, amely alkalmas termelékeny nanoszál-előállításra [34]. Az eljárás elvi ábráját mutatja a ábra. Az eljárás lényege, hogy a nagyfeszültségre kapcsolt elektróda egy forgó mozgást végző speciális kialakítású szálképző fej (2.20. ábra, 2). A két elektróda között képződő nanoszálakat egy szálfelfogó szalag (2.20. ábra, 5) szállítja el a szálképzési térrészből (2.20. ábra, 8) két (2.20. ábra, 4) tekercselő dob segítségével. Az egyik dobra az üres szalagot tekercseljük fel, majd a földelt szálgyűjtő elektróda (2.20. ábra, 3) előtt elvezetve azt, a képződő szálak a szalagra tapadnak. A másik dob van hajtva, az elhúzással tehát erre a dobra tekercseljük fel a képződő nanoszálakat. 25

27 2.20. ábra Termelékeny nanoszál-gyártó gép elvi ábrája: 1 nagyfeszültségű tápegység, 2 szálképző fej, 3 szálgyűjtő elektróda, 4 tekercselő dob, 5 szálfelfogó szalag, 6 segédelektróda, 7 szálképzésre szánt anyag adagolójának csatlakozása, 8 szálképzési térrész [34] A szálképző fej is a szabadalom része, elvi ábráját mutatja a ábra. Az adagolóból érkező szálképzésre szánt anyag (2.21. ábra, 1) a szálképző fejben kialakított csatornarendszerben (2.21. ábra, 2) jut fel a szálképzési térrészbe (2.21. ábra, 8). A fej alapjának (2.21. ábra, 3) forgatása segíti a szálképződést, melyre a nagyfeszültségre feltöltött elektródát (2.21. ábra, 4) erősítjük. A képződő Taylor-kúpok (2.21. ábra, 9) a szálképző rés ((2.21. ábra, 7) felületén alakulnak ki, amely rés az elektróda (2.21. ábra, 4) és a szálképző fejet fedő elem (2.21. ábra, 5) között alakul ki ábra Szálképző fej elvi ábrája: 1 szálképzésre szánt anyag adagolójának csatlakozása, 2 csatornarendszer és a benne áramoltatott szálképzésre szánt folyadék, 3 szálképző fej alapja, 4 nagyfeszültségű elektróda, 5 fedő elem, 6 nagyfeszültség csatlakozása, 7 rés, 8 szálképzési térrész, 9 szálképzéskor kialakuló Taylor-kúpok[34] 26

28 Az eljárás a forgó fej és a képződő nanoszálak elhúzásának módszerével alkalmas hosszabb üzemben folyamatos szálgyártásra, valamint termelékenysége vetekszik a centrifugális erő segítségével képző technológiával. 2.4 Irodalmi összefoglalás Az iparban találhatunk tehát számos szálképzésre alkalmas technológiát, melyek közül csak néhány alkalmas igazán nanoszálak előállítására. Ezek a technológiák az ömledékfúvás, a szálképzés centrifugális erővel, valamint az elektrosztatikus szálképzés. Az elektrosztatikus szálképzés olyan komoly előnyökkel bír, mint a nagyon széles skálájú anyagfelhasználhatóság, a hosszú és folyamatos üzemben történő gyártás lehetősége, valamint az előállított szálak szűk mérettartományban állíthatóak elő. Az így képzett szerkezetekkel rendkívül nagy fajlagos felületű termékek válnak elérhetővé, amely például az előállított anyagok oldhatóságát pillanatszerűvé változtathatja. Egyes technológiákkal jelentős termelékenység javulásokat értek el, ezt ötvözve a gyártás energiaigényével, amely a kis áramerősségek miatt szinte minimális, ennek köszönhetően számos iparágban alkalmazzák előszeretettel napjainkban. Hátrányai a működés közben a nagyfeszültség a szálképző térben, amely igen komoly biztonsági előírásokat tesz kötelezővé, valamint az egészségre rendszerint káros oldószerek jelenléte. A nagyfeszültség ellen azonban megfelelő védőföldeléssel, szigeteléssel lehet védekezni, az oldószerek elszívására pedig léteznek légtechnikai megoldások. A szálfolyam instabilitása is rendszerint problémát jelent szinte az összes elérhető technológiánál, ez a probléma még nem teljesen megoldott. A felhasználható anyagokat némileg korlátozza, hogy csak elektromosan vezető folyadékból képes szálakat képezni, de oldatok esetén ez nem okoz jelentős korlátozást, ellentétben az ömledékekkel. Dolgozatomban a célom az volt, hogy az elektrosztatikus szálképzés technológiáját megismerjem, valamint magam is állítsak elő nanoszálas szerkezeteket folyamatos üzemben. A technológiában rejlő lehetőségeket a már említett módosított elektrosztatikus szálképzési eljáráson keresztül vizsgáltam és terveztem egy olyan szálképzésre alkalmas berendezést, amely laboratóriumi méretekben képes előállítani ezeket a szerkezeteket folyamatos üzemben. 27

29 3 Az elektro szálképző berendezés áttervezése Egy, már meglévő berendezés állt rendelkezésemre, amely segítségemre volt a technológia megismerésében. Ezt a berendezést terveztem át a későbbiekben, áttervezéséhez megismertem annak működését, feltártam az összeszerelés és a korábbi kivitelezés hátrányait, majd felhasználva e tapasztalatokat igyekeztem az egyes problémákat maradéktalanul megszűntetni. 3.1 Az áttervezendő berendezés A berendezés felépítése A berendezés legfontosabb alkotó elemeit a 3.1. ábra mutatja be. A képen jól látható, hogy az eredeti berendezés teljesen nyitott volt, a ház anyaga festett MDF forgácslap. A ház mozgatható volt, kerekekkel az alján. Tömege kg volt ábra A berendezés felépítése: 1 tápegység, 2 adagoló, 3 szálképző fej, 4 szálképző fej háza, 5 kollektor, 6 keretet mozgató csavarok, 7 szálgyűjtő hengerek, 8 ventilátor, 9 szálképző tér alaplapja Amint azt a 3.1. ábra is mutatja, a felhasználó védelmében utólagosan kellett telepíteni egy külső ventilátort, a párolgó oldószer feldúsulása ellen. 28

30 A szálképző fej házának felépítését a 3.2. ábra mutatja, alulról fotózva. A motor vezetékét alul vezették ki, a földelést pedig ragasztó szalag rögzítette a motor házához. Ezen egység összeszerelése és állítása csak felfordított helyzetben valósítható meg ábra Szálképző fej háza alulról: 1 szálképző fejet rögzítő menetes furat, 2 szíj, 3 fejet mozgató motor, 4 motor földelés, 5 fej szíjtárcsa Ezen egység összeszerelésének folyamatát mutatja a 3.3. ábra. A szerelés folyamata az alábbi volt: 1. A szálképző egység oldalra fordítása. 2. Szíj pozícióba állítása, fej becsavarásához. 3. Fej becsavarása, ügyelve, hogy a szíj a fejen található szíjtárcsát körülölelje. 4. Fej meghúzása kulccsal. 5. Szíj felhelyezése a motor és a fej szíjtárcsáira. 6. Motor szíjfeszítésének állítása a hátulján található csavar segítségével. 7. A szálképző tér alaplapján található furaton keresztül felvezetni az oldatot szállító szilikon csövet, majd a szálképző tengely végén található csatlakozóra illeszteni. 8. A szilikon csőre ráhelyezni a szigetelő csövet. 9. A ház függőleges helyzetbe forgatása, közben ügyelve, hogy a vezetékére ne rakjuk rá a házat, mert a ház hátsó forgácslemeze magasabb, mint a többi, ezáltal keletkezik egy rés az oldalsó lemezek és a szálképző tér alaplapja között, itt kell kivezetni a kábelt. 10. A nagyfeszültség csatlakozójának bedugása. A szálképző egység ezután állt készen a működésre. 29

31 3.3. ábra Szálképző fej összeszerelési folyamata Az adagoló berendezést a 3.4. ábra mutatja, amely egy AITECS SEP 10S PLUS típusú infúziós adagoló pumpa ábra Az oldatadagolás felépítése: 1 adagolópumpa, 2 fecskendő, 3 szilikon cső, 4 POM szigetelő sín, 5 szigetelő cső Az adagoló egység beüzemelését és összeszerelésének folyamatát a 3.5. ábra mutatja. A folyamat sorrendje a következő: 1. Fecskendővel a polimeroldat felszívása. 30

32 2. Adagolópumpa letakarása fóliával, a szilikon cső leesése esetén és a szerelés közben kifolyó oldattól való megelőzés érdekében. 3. A fecskendő behelyezése a pumpába, a használati utasításának megfelelően. 4. A fecskendő csatlakozójára illeszteni a szilikon csövet, majd a 3.5. ábra c képén látható pozícióba helyezni. 5. Az adagoló segítségével az oldatot felpumpálni a szálképző fej tetejéig, miután megjelenik annak oldatgyűjtő terében az oldat, majd ezután felhelyezni a szálképző fej fedelét ábra Oldatadagolás üzembe helyezése A kollektort mozgató egységet a 3.6. ábra mutatja be ábra Kollektor mozgató egység: 1 kollektor, 2 keret, 3 szálgyűjtő hengerek (szövettel), 4 keret mozgató csavarok (trapézmenet), 5 keretrögzítő anyák A földelt elektróda más néven kollektor egy alumínium lemez, a keretre van felcsavarozva rögzített pozícióba. Helyzetét a keretmozgató csavarok (3 db normál menetemelkedésű trapézmenetes csavar) és az ezeket rögzítő keretrögzítő anyák megfelelő pozícióba való csavarásával lehet állítani A hibák feltárása A gép számos fejlesztésen esett át, az egységek folyamatos bővítésével és fejlesztésével évekig működött. Azonban a gyártási kapacitás és a minőségi követelmények növekedésével a berendezést át kellett tervezni, annak módosítása már 31

33 nem bizonyult elegendőnek. A működési hibák feltárása érdekében kísérleteket végeztem rajta. Felmértem a gép állapotát, megismertem a működését, majd kísérleteztem különböző anyagokkal, gyűjtőkkel, hogy feltárjam a szerelési, telepítési, üzemeltetési és egyéb problémákat. Az első problémák az összeszereléssel és a gép leállítása után szükséges takarítással voltak. A gépet többen is használtuk, ezáltal az összeszerelés során az első feladat a gép alkatrészeinek állapotának felmérése volt, hiszen nem tudhatjuk, az előző felhasználó milyen állapotban hagyta ott a gépet. Emiatt a tervezésnél figyelembe kell venni, hogy a gép könnyű átláthatósággal, a hibák mihamarabbi felismerhetőségével rendelkezzen. Az összeszerelés kezdete és a gép indíthatósága még optimális esetben is legalább fél órát igényelt. A gyakorlatban sajnos azonban ez jóval több időt vett igénybe leginkább a fej és az adagoló összeszerelése miatt, mert rendszerint emberi mulasztásból (helytelen szerelési sorrend, nem megfelelő pozícionálás, nem tökéletes takarítás) mindig probléma adódott. Ezért megpróbáltam ezeket a hibalehetőségeket már a tervezés fázisában megakadályozni, felgyorsítva a gép szerelhetőségét, hogy ne legyen olyan érzékeny a szerelési a sorrendre és az emberi tévesztésekre. Ilyen nehézség például, hogy a szálképző fej szerkezetét mindig az oldalára kell dönteni, ha szerelni kívánjuk. Így a szálképző fejben lévő oldatot minden esetben el kell távolítani (kiszivattyúzni, majd felitatni, a maradékot), mert ennek elmulasztása esetén az oldat mindenhol kifolyik. A szekrényben rendezetlen módon voltak tárolva az eszközök (ezt bizonyítja a 3.1. ábra), nem volt megfelelő hely biztosítva számukra, valamint nagyon sok tér maradt kihasználatlanul. Az ajtaja nem volt zárható, ami a benne tárolt eszközök védelmét nem szolgálta. Ez munkavédelmi szempontból sem megfelelő, mert a berendezés felhasználását így nem korlátozza megfelelően. Azért, hogy a keletkező oldószer ne dúsuljon fel a felhasználó környezetében, valamint a szálképző térben egy külső ventilátort kellett telepíteni. Ez sajnos igen csekély hatásfokkal bírt, a rendes szellőztetést nem lehetett kivitelezni ezzel. Tettem néhány kísérletet is a képződő szálfolyam orientálása érdekében is ennek segítségével, az eredmény nem volt számottevő, de látszódtak pozitív eredmények az eszköz használatának nehézségei ellenére is. Nehéz volt ennek a ventilátornak a légáramát a szálképződés irányába terelni, rögzíthető és megfelelő geometriájú terelő elemek hiányában (készítettem néhány egyszerűbb eszközt kísérletképpen), ezért ennek az 32