Устройство для изготовления нановолокна, способ изготовления нановолокна и структура, сформованная из нановолокна

Устройство для изготовления нановолокна, способ изготовления нановолокна и структура, сформованная из нановолокна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область технического применения

Настоящее изобретение относится к устройству и к способу изготовления нановолокна и структуры из нановолокна.

Предпосылки к созданию изобретения

Процесс электропрядения привлекает к себе внимание, как технология, при применении которой обеспечивается возможность относительно легкого изготовления волокон, имеющих нанодиаметр (т.е. изготовления нановолокон) без использования механических или термических сил. Обычный процесс электропрядения включает загрузку раствора материала для формования нановолокна в шприц, содержащий иглу на его конце, и впрыскивание раствора из иглы к лицевой поверхности собирающего электрода, при одновременном создании высокого напряжения постоянного тока между иглой и собирающим электродом. Растворитель из впрыскиваемого раствора мгновенно испаряется, а материал вытягивается под действием силы электростатического взаимодействия, и при этом коагулирует, превращаясь в нановолокно, которое осаждается на собирающем электроде.

Описанный выше обычный процесс электропрядения пригоден для изготовления только одного или небольшого количества нановолокон из одной иглы. Технология изготовления большого количества нановолокон пока еще не создана, и практическое применение процесса электропрядения только медленно прогрессирует.

В патентном документе 1, указанном ниже, с целью увеличения производительности при производстве нановолокна, раскрыт способ изготовления нановолокна, включающий создание множества устройств для электропрядения, расположенных параллельно друг другу, и устройства для сбора нановолокон. Каждое устройство для электропрядения содержит: металлический шарик маленького диаметра; металлическое прядильное сопло, расположенное таким образом, чтобы расстояние между металлическим шариком и отверстием прядильного сопла было небольшим; и сопло для подачи воздуха с высокой скоростью, предназначенное для направления высокоскоростной воздушной струи перпендикулярно линии, соединяющей металлический шарик и отверстие прядильного сопла. Между металлическим шариком и прядильным соплом создают высокое напряжение для изготовления нановолокна, и нановолокна, выходящие из сопел, собирают вместе на устройстве для сбора нановолокон.

В патентном документе 2, указанном ниже, раскрыто устройство для изготовления нановолокна, содержащее: прядильное сопло, заземленное через выбранный один из двух выпрямителей; диэлектрик, состоящий из электрода, содержащего на нем диэлектрическое изоляционное покрытие и проводящее покрытие; и источник переменного тока для подачи переменного тока к диэлектрику. Полярность заряда прядильного сопла, которое заземлено, изменяется попеременно таким образом, что получаются попеременно нановолокна с противоположными полярностями, для предотвращения однополярной заряженности атмосферы. Это позволяет упростить систему изоляции и обеспечивать безопасность производственного устройства, и предотвращать заряжение расположенных рядом элементов, облегчая сбор нановолокон. В патентном документе 3, указанном ниже, раскрыто устройство для изготовления нановолокон, содержащее, вместо прядильного сопла, токопроводящий цилиндр, имеющий диаметр от 10 мм до 300 мм и содержащий большое количество сквозных отверстий в его стенке. Между цилиндром и электродом, содержащим изоляционное покрытие на его боковой поверхности, обращенной к цилиндру, создают напряжение для формования нановолокон, которые притягиваются двумя собирающими электродами (притягивающими электродами), обладающими противоположными полярностями, и осаждаются на устройстве для сбора нановолокон. Изоляционное покрытие, имеющее толщину около 0,2 мм, защищает электрод от прилипания нановолокон и изменяет заряженное состояние нановолокон, и сбор нановолокон происходит более эффективно благодаря использованию двух собирающих электродов (притягивающих электродов).

В патентном документе 4 предложено использование пластмассового прядильного сопла вместо металлического сопла. Благодаря использованию пластмассового сопла обеспечивается возможность управления отверждением прядильного раствора вблизи сопла, в результате чего облегчается операция чистки сопла и предотвращаются удары электрических разрядов от сопла. Согласно этой технологии, прядильный раствор заряжают посредством расположения электрода любой формы в контейнере, содержащем запас прядильного раствора, или в проходе между контейнером и соплом.

Перечень цитируемых документов

Патентная литература

Патентный документ 1: JP 2012-107364

Патентный документ 2: JP 2009-13535

Патентный документ 3: JP 2010-59557

Патентный документ 4: JP 2011-102455

Краткое описание изобретения

Техническая проблема

Производительность при изготовлении нановолокна в основном зависит от выпуска прядильного раствора из одного сопла в единицу времени. К соплу может быть подано большое количество прядильного раствора в единицу времени таким образом, чтобы процесс прядения (формования) происходил непрерывно, нормально и стабильно. Это может быть достигнуто в случае использования устройства для изготовления нановолокна с применением процесса электропрядения, посредством увеличения величины заряда прядильного раствора. Однако об описанных выше обычных технических средствах нельзя сказать, что они достаточны с точки зрения увеличения величины заряда прядильного раствора. Было сложно получать нановолокно с удовлетворительной производительностью.

Кроме того, некоторые из описанных выше различных технологий электропрядения все еще непригодны для обеспечения достаточной производительности по массе, или некоторые из них экономически не успешны, так как для их осуществления требуется сложное оборудование или большое производственное пространство для оборудования.

Изобретение относится к устройству для изготовления нановолокна, при использовании которого исключаются недостатки обычных технических средств.

Решение проблемы

Согласно настоящему изобретению создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:

средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащие токопроводящее сопло для впрыска запаса прядильного раствора, для изготовления нановолокна;

электрод, отстоящий от сопла;

средство для создания напряжения, создащее напряжение между соплом и электродом;

средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, чтобы воздушная струя была направлена между соплом и электродом; и

средство для сбора нановолокна; при этом

средство для создания напряжения создает напряжение таким образом, чтобы сопло служило положительным полюсом, а электрод - отрицательным полюсом;

электрод покрыт почти по всей площади его стороны, обращенной к соплу, покрытием с диэлектриком, открытым на наружной поверхности покрытия; и

диэлектрик, открытый на наружной поверхности покрытия, имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более.

Согласно изобретению также создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:

средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащее токопроводящее сопло для впрыска запаса прядильного раствора, для изготовления нановолокна;

электрод, отстоящий от сопла;

средство для создания напряжения, создающее напряжение между соплом и электродом;

средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, что воздушная струя направлена между соплом и электродом; и

средство для сбора нановолокна; при этом

средство для создания напряжения создает напряжение таким образом, что сопло служит положительным полюсом, а электрод - отрицательным полюсом;

сопло покрыто почти по всей площади его наружной стороны покрытием с диэлектриком, открытым на наружной поверхности покрытия, и покрытие проходит за конец сопла.

Согласно изобретению также создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:

средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащее токопроводящее сопло для впрыска запаса прядильного раствора, для изготовления нановолокна;

электрод, отстоящий от сопла;

средство для создания напряжения, создающее напряжение между соплом и электродом;

средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, что воздушная струя направлена между соплом и электродом; и

средство для сбора нановолокна; при этом

средство для создания напряжения создает напряжение таким образом, что сопло служит отрицательным полюсом, а электрод - положительным полюсом; и

сопло покрыто почти по всей площади его наружной стороны покрытием с диэлектриком, открытым на наружной поверхности покрытия.

Согласно изобретению также создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:

средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащее токопроводящее сопло для впрыска запаса прядильного раствора для изготовления нановолокна;

электрод, отстоящий от сопла;

средство для создания напряжения, создающее напряжение между соплом и электродом;

средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, что воздушная струя направлена между соплом и электродом; и

средство для сбора нановолокна; при этом

средство для создания напряжения создает напряжение таким образом, что сопло служит отрицательным полюсом, а электрод - положительным полюсом;

электрод покрыт почти по всей площади его стороны, обращенной к соплу, покрытием с диэлектриком, открытым на наружной поверхности покрытия; и

диэлектрик, открытый на наружной поверхности покрытия, имеет толщину, составляющую 0,8 мм или более.

Согласно изобретению также создано устройство для изготовления нановолокна, содержащее:

средство для впрыскивания прядильного раствора, содержащее токопроводящее сопло для впрыска под давлением запаса прядильного раствора для изготовления нановолокна;

электрод, отстоящий от сопла;

средство для создания напряжения, создающее напряжение между соплом и электродом;

средство для подачи воздушной струи, расположенное таким образом, что воздушная струя направлена между соплом и электродом; и

средство для сбора нановолокна; при этом

средство для сбора нановолокна содержат собирающий электрод, и собирающий электрод покрыт почти по всей его площади покрытием с диэлектриком, открытым со стороны наружной поверхности покрытия.

Согласно изобретению также создан способ изготовления нановолокна, согласно которому получают нановолокно с помощью устройства согласно изобретению.

Согласно изобретению также создана структура из нановолокна, содержащая нановолокно, изготовленное посредством использования устройства согласно изобретению.

Согласно изобретению величина заряда прядильного раствора, используемого для изготовления нановолокна, увеличена в сравнении с обычно достигаемыми уровнями. Как следствие этого, созданы устройство для электропрядения и устройство для изготовления нановолокна, содержащее устройство для электропрядения, при использовании которых достигают увеличения производительности при производстве нановолокна в сравнении с обычными технологиями и уменьшения занимаемого производственного пространства.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1(a) изображен вид сбоку варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;

на фиг. 1(b) - вид спереди устройства, представленного на фиг. 1(a);

на фиг. 2 - продольное сечение сопла, пригодного для использования в устройстве, представленном на фиг. 1;

на фиг. 3 - вид в перспективе в разобранном состоянии другого варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;

на фиг. 4 - схематическое поперечное сечение устройства для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 3;

на фиг. 5(a) - поперечное сечение еще одного варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;

на фиг. 5(b) - вид сверху устройства, представленного на фиг. 5(a);

на фиг. 6 - поперечное сечение модификации устройства для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 5(a);

на фиг. 7(a) - поперечное сечение еще одного варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;

на фиг. 7(b) - вид спереди устройства, представленного на фиг. 7(a);

на фиг. 8(a) - вид сбоку еще одного варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;

на фиг. 8(b) - вид спереди устройства, представленного на фиг. 8(a);

на фиг. 9 - вид в перспективе с вырывом средств для подачи воздушной струи, представленных на фиг. 8(a);

на фиг. 10 - схематическое поперечное сечение еще одного варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;

на фиг. 11 - вид в перспективе в разобранном состоянии существенной части устройства для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 10;

на фиг. 12(a) - вид спереди средств для подачи воздушной струи, используемых в устройстве для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 10;

на фиг. 12(b) - продольное сечение (вдоль продольного направления сопла) средств для подачи воздушной струи;

на фиг. 13 - вид спереди варианта осуществления устройства для электропрядения согласно изобретению;

на фиг. 14 - схематическое продольное сечение устройства для электропрядения, показанного на фиг. 13;

на фиг. 15 - вид в перспективе в разобранном состоянии устройства для электропрядения, показанного на фиг. 13;

на фиг. 16 - схематическое поперечное сечение другого варианта осуществления устройства для электропрядения согласно изобретению (эквивалентное показанному на фиг. 13);

на фиг. 17 - схематический вид устройства для изготовления нановолокна, содержащего устройство для электропрядения, представленное на фиг. 13;

на фиг. 18 - схематическое поперечное сечение сопла;

на фиг. 19 - диаграмма, на которой показано взаимоотношение между толщиной покрытия и током утечки между соплом и электродом в устройстве для изготовления нановолокна, показанного на фиг. 1;

на фиг. 20(a) - схематически система для измерения величины заряда прядильного раствора в устройстве, представленном на фиг. 1;

на фиг. 20(b) - схематически система для измерения величины заряда прядильного раствора в устройствах, представленных на фиг. 3, 4 и 13;

на фиг. 21(a) - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, полученных с использованием варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;

на фиг. 21(b) - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, с использованием варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна, не подпадающего под объем действия изобретения;

на фиг. 22 - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, с использованием другого варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению;

на фиг. 23(a) - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, полученных в Примере 17;

на фиг. 23(b) - изображение в увеличенном масштабе, представленное на фиг. 23(a);

на фиг. 24(a) - микроснимок, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, нановолокон, полученных в Сравнительном примере 12;

на фиг. 24(b) - изображение в увеличенном масштабе, представленное на фиг. 24(a).

Описание вариантов осуществления

Изобретение далее описано на примерах его предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи. На фиг. 1(a) изображен вид сбоку варианта осуществления устройства для изготовления нановолокна согласно изобретению. На фиг. 1(b) изображен вид спереди устройства, представленного на фиг. 1(a). Как показано на фиг. 1(a) и 1(b), устройство 10 для изготовления нановолокна согласно варианту осуществления основано на использовании процесса, в котором сочетают распыление и осаждение в электрическом поле, и высокоскоростную воздушную струю. Устройство 10 содержит средство 11 для впрыскивания прядильного раствора, для впрыскивания запаса раствора, для изготовления нановолокна. Средство 11 для впрыскивания прядильного раствора содержат часть 12 для подачи раствора и сопло 13. Сопло 13 присоединено вертикально к переднему концу части 12 для подачи раствора. Верхний конец сопла 13 открыт, и через него впрыскивают прядильный раствор. Сопло 13 изготовлено из токопроводящего материала, например, металла, и оно, таким образом, является токопроводящим. Часть 12 для подачи раствора выполнено с возможностью впрыскивания из него прядильного раствора через сопло 13 с предварительно определенным расходом в единицу времени.

Сопло 13 является иглообразной прямой трубкой, через которую может проходить прядильный раствор. Внутренний диаметр сопла 13 предпочтительно составляет 200 мкм или более, более предпочтительно - 300 мкм или более, и предпочтительно - 3000 мкм или менее, более предпочтительно - 2000 мкм или менее. Например, внутренний диаметр сопла 13 предпочтительно составляет от 200 мкм до 3000 мкм, более предпочтительно - от 300 мкм до 2000 мкм. Наружный диаметр сопла 13 предпочтительно составляет 300 мкм или более, более предпочтительно - 400 мкм или более, и предпочтительно - 4000 мкм или менее, более предпочтительно - 3000 мкм или менее. Наружный диаметр сопла 13 предпочтительно составляет, например, от 300 мкм до 4000 мкм, более предпочтительно - от 400 мкм до 3000 мкм. Если внутренний и наружный диаметры сопла находятся в выше указанных соответствующих диапазонах, то прядильный раствор, содержащий полимер и обладающий высокой вязкостью, подается равномерно с постоянным расходом, и электрическое поле сконцентрировано в небольшом пространстве вокруг сопла для эффективного заряжения прядильного раствора.

Электрод 14 расположен на отдалении от сопла 13. Более подробно: электрод 14 расположен прямо над отверстием сопла 13 и обращен к отверстию. Электрод 14 является пластинообразным, имеющим две плоские поверхности и четыре торцевых поверхности. Одна из двух плоских поверхностей (нижняя сторона на фиг. 1) обращена к соплу 13. Направление, в котором выставлено сопло 13, и плоские поверхности электрода 14 по существу перпендикулярны друг другу. Электрод 14 изготовлен, например, из металла и обладает электропроводимостью. Расстояние (кратчайшее расстояние) между концом сопла 13 и электродом 14 предпочтительно составляет 20 мм или более, более предпочтительно - 30 мм или более. Если это расстояние меньше указанной величины, то прядильный раствор, впрыскиваемый из конца сопла 13 в виде волокна, обладает тенденцией к прилипанию к электроду 14. Верхний предел расстояния между концом сопла 13 и электродом 14 предпочтительно составляет 100 мм, более предпочтительно - 50 мм. Если расстояние превышает верхний предел, то электрическое поле, создаваемое между соплом 13 и электродом 14, становится слишком слабым для придания прядильному раствору заряда достаточной величины. Расстояние между ними предпочтительно составляет, например, от 20 мм до 100 мм, более предпочтительно - от 30 мм до 50 мм.

Для пропуска постоянного тока между соплом 13 и электродом 14 обеспечены средства 101 для создания напряжения, каждое из которых изготовлено из токопроводящего материала с использованием заземления 102 и металлического электропровода 103. Сопло 13 заземлено так, как показано на фиг. 1. Отрицательное напряжение приложено к электроду 14. Соответственно, электрод 14 служит в качестве отрицательного полюса, а сопло 13 служит в качестве положительного полюса, посредством чего между электродом 14 и соплом 13 создается напряжение для образования электрического поля. Вместо приложения напряжения, как это показано на фиг. 1, положительное напряжение может быть приложено к соплу 13, а электрод 14 может быть заземлен. Тем не менее, заземление сопла 13 является более предпочтительным, чем приложение положительного напряжения к соплу 13, с точки зрения обеспечения более простой и более легкой изоляции. Напряжение, создаваемое с помощью средств 101 для создания напряжения, может быть изменяемым напряжением, состоящим из переменного напряжения, наложенного на постоянное напряжение, когда электрод 14 служит в качестве отрицательного электрода, а сопло 13 служит в качестве положительного электрода, т.е., когда на сопле 13 поддерживают более высокий потенциал, чем на электроде 14. Напряжение, которое должно быть приложено, предпочтительно является напряжением постоянного тока, для поддержания величины заряда прядильного раствора на постоянном уровне и для изготовления нановолокон одинаковой толщины.

Средства 101 для создания напряжения могут быть известным устройством, например, источником тока высокого напряжения. Для заряжения в достаточной мере прядильного раствора, разница потенциалов между электродом 14 и соплом 13 предпочтительно должна составлять 1 кВ или более, более предпочтительно - 10 кВ или более. Для предотвращения разряда между соплом 13 и электродом 14, разница потенциалов должна составлять предпочтительно 100 кВ или менее, более предпочтительно - 50 кВ или менее. Например, разница потенциалов предпочтительно должна составлять от 1 кВ до 100 кВ, более предпочтительно от 10 кВ до 50 кВ. Если напряжение, прикладываемое с помощью средств 101 для создания напряжения, является изменяемым напряжением, то предпочтительно, чтобы усредненная по времени разница потенциалов между электродом 14 и соплом 13 находилась в выше указанном диапазоне.

Производственное устройство 10 содержит средство 15 для подачи воздушной струи. Средство 15 для подачи воздушной струи выполнено с возможностью подачи основной высокоскоростной воздушной струи. Средство 15 для подачи воздушной струи расположено таким образом, чтобы воздушная струя проходила между соплом 13 и электродом 14. Нановолокно, сформованное из прядильного раствора, несет положительные заряды и понуждается к перемещению от сопла 13, служащего в качестве положительного полюса, к электроду 14, служащему в качестве отрицательного полюса. С помощью воздушной струи, выпускаемой из средств 15 для подачи воздушной струи, изменяют направление перемещения нановолокна и несут волокно к собирающим средствам [направо на фиг. 1(a)], в то же время внося вклад в вытягивание (растяжение) нановолокна.

Воздушная струя, вытекающая из средств 15 для подачи воздушной струи, может быть осушена до относительной влажности (ОВ), составляющей 30% или менее, посредством использования, например, сушилки. Температуру воздушной струи предпочтительно поддерживают на постоянном уровне, чтобы поддерживать одинаковые условия изготовления нановолокна. Скорость воздушной струи предпочтительно составляет, например, 200 м/с или более, более предпочтительно - 250 м/с или более. При более низких скоростях сложно отклонять направление движения нановолокна к собирающим средствам против действия электрического поля между соплом 13 и электродом 14. Верхний предел скорости воздушной струи предпочтительно составляет, например, 600 м/с, более предпочтительно - 530 м/с. Обеспечение более высокой скорости воздуха, чем указана выше, ведет к увеличению нагрузки на оборудование. Кроме того, при такой высокой скорости может происходить обрыв нановолокна. Скорость воздушной струи предпочтительно составляет от 200 м/с до 600 м/с, более предпочтительно - от 250 м/с до 530 м/с.

Производственное устройство 10 дополнительно содержит второе средство 16 для подачи воздушной струи в дополнение к средству 15 для подачи воздушной струи. С помощью второго средства 16 для подачи воздушной струи создают вспомогательную высокоскоростную воздушную струю, имеющую более низкую скорость, чем основная высокоскоростная воздушная струя, выпускаемая из средства 15 для подачи воздушной струи, чтобы вспомогательная высокоскоростная воздушная струя могла расширяться и увлекать основную высокоскоростную воздушную струю. Так как вспомогательную высокоскоростную воздушную струю подают в большем количестве для увлечения основной высокоскоростной воздушной струи, то благодаря этому предотвращают турбулентность основной высокоскоростной воздушной струи, таким образом обеспечивая возможность стабильного изготовления нановолокна.

Устройство 10 согласно варианту осуществления содержит средства для сбора нановолокна, обращенные к средствам 15 для подачи воздушной струи и вспомогательным средствам 16 для подачи воздушной струи. В частности, может быть обеспечен собирающий электрод (не показан), как часть собирающих средств. Собирающий электрод может быть пластинообразным электродом, изготовленным из токопроводящего материала, например, металла. Собирающий электрод расположен таким образом, чтобы его главная поверхность была по существу перпендикулярна к направлению выпуска воздуха. Как описано ниже, собирающий электрод может быть покрыт, почти по всей его площади, предпочтительно - по всей его площади, покрытием, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Под словосочетанием «почти по всей площади» (при использовании его в данном документе) следует понимать, что покрытие занимает, по меньшей мере, 90% всей площади, а под словосочетанием «по всей площади» следует понимать, что оно занимает 100% всей площади. Для притяжения положительно заряженных нановолокон к собирающему электроду, собирающему электроду сообщают более низкий (более отрицательный) потенциал, чем соплу 13, служащему в качестве положительного полюса. Для повышения эффективности притяжения собирающему электроду предпочтительно сообщают более низкий (более отрицательный) потенциал, чем электроду 14, служащему в качестве отрицательного полюса. Расстояние (кратчайшее расстояние) между собирающим электродом (поверхностью собирающего электрода) и концом сопла 13, предпочтительно составляет 100 мм или более, более предпочтительно - 500 мм или более. Нановолокну предоставляют возможность достаточного отверждения во время перемещения вдоль этого расстояния до достижения им собирающего электрода. Верхний предел расстояния предпочтительно составляет 3000 мм, более предпочтительно - 1000 мм. В этих пределах, указанных выше, электрическая сила притяжения, действующая со стороны собирающего электрода, является достаточно большой для обеспечения высокой эффективности сбора нановолокна. Например, расстояние предпочтительно должно составлять от 100 мм до 3000 мм, более предпочтительно - от 500 мм до 1000 мм.

Устройство 10 согласно варианту осуществления может содержать устройство для сбора нановолокна (не показано) для сбора нановолокна, расположенное между собирающим электродом и соплом 13, и рядом с собирающим электродом. Устройство для сбора нановолокна может быть изготовлено из изоляционного вещества, например, пленки, сетки, нетканого материала или бумаги.

Устройство 10 согласно варианту осуществления может дополнительно содержать средства для вентиляции воздуха (не показаны), для вентиляции выпускаемого под давлением воздуха, обращенные к средствам 15 для подачи воздушной струи и вспомогательным средствам 16 для подачи воздушной струи. Средства для вентиляции воздуха предпочтительно расположены позади собирающего электрода, т.е. дальше от сопла 13, чем собирающий электрод. В качестве средств для вентиляции воздуха может быть использовано известное устройство, например, камера отсоса.

Устройство 10 согласно варианту осуществления имеет описанную выше базовую структуру. Из двух плоских поверхностей пластинообразного электрода 14, поверхность, обращенная к соплу 13 (нижняя сторона электрода 14 на фиг. 1), покрыта покрытием 17, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, покрытие 17 изготовлено из одного вида диэлектрика.

Согласно изобретению почти вся площадь стороны электрода, обращенной к соплу, покрыта покрытием, где диэлектрик раскрыт снаружи. Более предпочтительно вся площадь стороны электрода, обращенной к соплу, покрыта покрытием, где диэлектрик раскрыт снаружи. Термин «сторона, обращенная к соплу», означает поверхность электрода, которую можно видеть со стороны конца сопла (со стороны отверстия, через которое впрыскивают прядильный раствор). Более конкретно: «сторона, обращенная к соплу», представляет собой множество точек, в которых прямые линии, проведенные из каждой точки конца сопла к электроду, сначала контактируют с электродом. Под словосочетанием «почти по всей площади» (при использовании его в данном документе) следует понимать, что покрытие занимает, по меньшей мере, 90% всей площади, а под словосочетанием «по всей площади» следует понимать, что оно занимает 100% всей площади. Словосочетание «покрытие, содержащее диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности,» или «покрытие, на поверхность которого выходит диэлектрик,» означает покрытие, почти вся площадь которого (по меньшей мере, 90% всей его поверхности) изготовлена только из диэлектрика. Как описано ниже, предпочтительно, чтобы вся площадь (100% площади) поверхности покрытия была изготовлена только из диэлектрика. Другими словами, предпочтительно, чтобы покрытие содержало диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, и не содержало токопроводящего вещества, например, металла, со стороны наружной поверхности. Такое покрытие обычно описывают в качестве примера в виде покрытия, изготовленного из одного вида диэлектрика. Покрытие может быть композитом, состоящим из множества диэлектрических листов, уложенных один поверх другого. Покрытие может быть композитом, содержащим металлические частицы или слой воздуха внутри его (т.е. часть, которая не выходит на поверхность), тогда как поверхность изготовлена только из диэлектрика. Например, слой воздуха может присутствовать в части соединения между электродом и покрытием. Тем не менее, предпочтительно, чтобы электрод и покрытие были в тесном контакте друг с другом для обеспечения их надежного соединения. Согласно изобретению, принято, что нет вещества, которым дополнительно была бы покрыта поверхность покрытия. Если какое-либо токопроводящее покрытие, например, из металла, выходит на поверхность покрытия, то положительные эффекты изобретения уменьшаются.

Хотя электрод 14, показанный на фиг. 1, содержит покрытие 17 только на стороне, обращенной к соплу 13, предпочтительно, чтобы часть других сторон, которые не обращены к соплу 13, были бы также покрыты покрытием 17, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Более предпочтительно, чтобы все стороны, которые не обращены к соплу 13, были покрыты покрытием 17, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности. Под «сторонами, которые не обращены к соплу,» понимают стороны, которые невозможно увидеть со стороны конца сопла (со стороны отверстия, через которое впрыскивают прядильный раствор); более конкретно: все стороны, отличные от стороны, обращенной к соплу.

Авторами изобретения установлено, что величина заряда прядильного раствора, впрыскиваемого из сопла 13, заметно увеличивается, когда поверхность электрода 14, обращенная к соплу 13, покрыта покрытием, описанным выше. Механизм этого явления рассматривали следующим образом. В устройстве 10 для электропрядения согласно варианту осуществления, катионы в прядильном растворе притягиваются к электроду 14 (отрицательному полюсу), а анионы к внутренней стенке сопла 13 (положительному полюсу) под действием электрического поля, образованного между электродом 14 и соплом 13. Следовательно, прядильный раствор, впрыскиваемый к электроду 14, содержит много катионов, и прядильный раствор заряжен положительно. В то же время, при действии напряжения, создаваемого между электродом 14 и соплом 13, электроны вылетают из электрода 14 (отрицательного полюса) в атмосферу и летят к соплу 13 (положительному полюсу). Летящие (отрицательно заряженные) электроны ударяют по впрыскиваемому (положительно заряженному) прядильному раствору, нейтрализуя заряд прядильного раствора, в результате чего уменьшается величина заряда прядильного раствора. Если поверхность электрода 14, служащего в качестве отрицательного полюса, покрыт покрытием 17, содержащим диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, то эмиссия электронов из электрода 14 уменьшается. В результате этого нейтрализация прядильного раствора, т.е. уменьшение величины заряда, летящими электронами может быть уменьшена, в результате чего величина заряда увеличивается. Кроме того, так как количество электронов, вылетающих из электрода 14 к соплу 13 уменьшается, удары разрядов между электродом 14 и соплом 13 предотвращаются. Благодаря этому обеспечивается возможность повышения напряжения, подлежащего приложению между электродом 14 и соплом 13, или уменьшения расстояния между ними. Следовательно, интенсивность электрического поля между электродом 14 и соплом 13 может быть увеличена, и, таким образом, увеличена величина заряда прядильного раствора. Кроме того, электрод 14 (отрицательный полюс) и сопло 13 (положительный полюс), между которыми находится воздух, можно рассматривать как конденсатор. Так как электрическая емкость конденсатора увеличивается при введении диэлектрика между двумя полюсами, то можно ожидать увеличения величины заряда прядильного раствора. С уменьшением количества электронов, вылетающих из электрода 14 к соплу 13, ток (ток утечки), протекающий между электродом 14 и соплом 13, уменьшается, из-за чего ожидается уменьшение мощности, требующейся для изготовления нановолокна.

Для обеспечения этих эффектов предпочтительно покрывать покрытием 17 почти всю площадь (по меньшей мере, 90% площади) стороны электрода 14, обращенной к соплу 13, особенно - всю площадь (100% площади) этой стороны. Если большая доля поверхности не будет покрыта покрытием 17, то электроны будут вылетать в атмосферу из непокрытой площади, и летящие электроны будут уменьшать величину заряда прядильного раствора. Эффективность факторов, указанных выше, дополнительно повышается, если не только сторона, обращенная к соплу 13, но и другие, не обращенные к соплу 13, стороны будут покрыты покрытием 17, так как достаточно большое количество электронов вылетает в атмосферу из этих поверхностей, которые не обращены к соплу 13. Для увеличения величины заряда прядильного раствора предпочтительно, чтобы все стороны электрода 14 были покрыты покрытием 17.

Согласно Патентному документу 2, процитированному выше, раскрыто устройство для изготовления нановолокна, в котором прядильный электрод содержит изолирующий слой, изготовленный из диэлектрика, расположенный на его наружной поверхности, обращенной к средствам для впрыскивания прядильного раствора, для уменьшения возможности электрического удара при контакте с электродом. Однако электрод, раскрытый в Патентном документе 2, дополнительно содержит токопроводящий слой на поверхности изоляционного слоя. Другими словами, покрытие, используемое в Патентном документе 2, содержит токопроводящий слой, раскрытый со стороны наружной поверхности. Так как электроны пригодны для испускания из такого токопроводящего слоя в атмосферу, то авторы считают, что эффект покрытия, содержащего диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности, согласно изобретению, т.е. эффект подавления эмиссии электронов, нельзя ожидать. С этой точки зрения предпочтительно, чтобы покрытие согласно изобретению изготавливали только из диэлектрика, расположенного по всей поверхности электрода (на 100% площади), т.е. он должен содержать диэлектрик, раскрытый со стороны наружной поверхности и не содержащий какого-либо токопроводящего вещества например, металла, со стороны наружной поверхности.

Примеры диэлектрика, который можно использовать для покрытия, включают керамические материалы, например, слюду, окись алюминия, двуокись циркония и титанат бария, и смолистые материалы, например, бакелит (фенольные смолы), нейлоны (полиамиды), винилхлоридные смолы, полистирол, сложный полиэфир, полипропилен, политетрафторэтилен и полифениленсульфид. Предпочтительно использовать, по меньшей мере, один изоляционный материал, выбранный из: окиси алюминия, бакелита, не