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