"OBMâ[B TUSVOPWÏIP [WMÈLǪPWÈOÓ

(1)

"OBMâ[B TUSVOPWÏIP [WMÈLǪPWÈOÓ

%JQMPNPWÈ QSÈDF

4UVEJKOÓ QSPHSBN / o 4USPKOÓ JOäFOâSTUWÓ

4UVEJKOÓ PCPS 5 o ,POTUSVLDF TUSPKǾ B [BǲÓ[FOÓ

"VUPS QSÈDF #D ,IPB -F 7BO

7FEPVDÓ QSÈDF EPD *OH .BSUJO #ÓMFL 1I%

(2)

"OBMZTJT PG TUSJOH TQJOOJOH

.BTUFS UIFTJT

4UVEZ QSPHSBNNF / o .FDIBOJDBM &OHJOFFSJOH

4UVEZ CSBODI 5 o .BDIJOFT BOE &RVJQNFOU %FTJHO

"VUIPS #D ,IPB -F 7BO

4VQFSWJTPS EPD *OH .BSUJO #ÓMFL 1I%

(3)

TECHNICKÁ UNIVERZITA v LIBERCI Fakulta strojní

Akademick;f rok: 2015 /2OL6

, , , ,

ZADANI DIPTOMOVE PRACE

(PROJEKTU, UMELECKÉHO oÍlA, UMĚLECKÉHo VÝKONU)

Jméno a príjmení: Bc. Khoa Le Van osobní číslo: 514000329

Studijní program: N2301 Strojní inženyrství Studijní obor: Konstrukce strojri a zaÍizeni Název tématu: Analj,za strunového zvlákřování.

Zadávající katedra: Katedra textilních a jednoťrčelovych strojri

Z á s a d y p r o v y p r a c o v á n Í :

1. Rešerše zprisobri vyroby nanovláken elektrostatick;fm zvlákĎováním s drirazem na strunové zvlákřování.

2. Proveďte analyztt rozložení intenzity elektrického pole u elektrostatického zvlákřování ze struny.

3. Porovnejte v sledky v1fpočtri pomocí experimentri proveden;Ích na funkčním modelu zaÍi- zení.

4. Proveďte studii změny intenzity elektického pole pŤi změně parametrri procesu.

5. Navrhněte vhodné uspoŤádání zaÍízení pro strunové zvlákřování.

(4)

[1] tUKÁŠ, D. a kol.: Physical principles of electrospinning (Electrospinning as a nanoscale technology of twenty-first century), Textile Progress, 4L (2009), 69-L4O, ISSN 0040-5167.

[2] HÚBNER; K:.Anatj,za a optimalizace zaŤízení na v;frobu nanovláken.

BakaláŤská práce TUL' 2oI2.

[3] MIHÁIIK, M.: Anal;.iza a optima|izace zvlákĎovací hlavy. BakaláŤská práce, 2013.

[a] http sz f f nanoed.tul .cz f pluginfi le.php / 689 / course/ sect io n / IIIS / P r e z e n t aceíTo?Ona%o20we b . p d f

Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Martin Bílek' Ph.D.

Katedra textilních a jednoírčelovych strojri

Datum zaďání diplomové práce: 10. listopadu 2oL5 Termín odevzdání diplomové práce: 10. nora 2oL7 Rozsah grafickych prací:

Rozsah pracovní zprávy : Forma Zpracování diplomové Seznam odborné literatury:

roz|ožení intenzity elektrického pole, qisledky experimentu

35 stran formát A4 práce: tištěná/elektronická

J-"---"^---

prof. Ing. Jaroslav Beran, CSc.

vedoucí katedry

(5)

Prohlášení

Byl (a) jsem seznámen (a) s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. I2|l2000 Sb., o právu autorském, zejména $ 60 _ školní dílo.

Beru na vědom í, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mych autorsk;fch práv vžitím mé bakaláŤské práce pro vnitŤní potŤebu TUL.

UŽiji-li bakaláŤskou práci nebo poskytnu.li licenci k jejímu vyuŽití,jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pŤípadě má TUL právo ode mne požadovat rihradu nákladri, které vynaložila na vytvoŤení díla, až dojejich skutečné qfše.

BakaláŤskou práci jsem vypracoval (a) samostatně s použitím uvedené literatury anazákladé konzultací s vedoucím diplomovou práce a konzultantem.

Datum: Á,b 05" Í0/7 Podpis: /ťlil) -.l-..,

//

(6)

Declaration

I have been notified of the fact that Copyright Act. No. 12112000 Coll. applies to my thesis in full, in particular Section 60, School Work.

I am fully aware that the Technical University of Liberec is not interfering in my copyright by using my thesis for the internal purposes of TUL.

If I use my thesis or grant a licence for its use, I am aware of the fact that I must inform TUL of this fact; in this case TUL has the right to seek that I pay the expenses invested in the creation of my thesis to the full amount.

I compiled the thesis on my own with the use of the acknowledged sources and on the basis of consultation with the head of the thesis and a consultant.

Date p0.05 , lfll?

,^^A signature /U)6/ -/-

r

(7)

Poděkování

Rád bych poděkoval vedoucímu diplomové prácedoc. Ing. Martinu Bílkovi Ph.D, za jeho podporu a poskytnutí odborných rad při vedení diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat katedře textilních a jednoúčelových strojů za poskytnuté prostředky na zhotovení této diplomové práce. Taktéţ děkuji SGS projektu č. 21131 za poskytnutí podpory.

(8)

Abstrakt

Diplomová práce se zabývá analýzou numerickou a experimentem provedený na zvlákňovacím zařízení určeném pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním ze struny.

V teoretické časti je popis principu elektrostatického zvlákňování. Dále jsou popsány druhy výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním s důrazem na strunové zvlákňování.

V praktické části se nachází experiment, naměřené hodnoty a zhodnocení výsledků z měření oproti teoretické studii. Dále je sledován vliv změny vybraných parametrů na intenzitu elektrického pole.

Klíčová slova:

Elektrostatické zvlákňovaní, strunového zvlákňovaní, intenzita Abstract

The diploma thesis deals with numerical analysis and experiment performed on spinning equipment designed for the production of nanofibers by electrostatic spinning from strings.

The theoretical part describes the principle of electrostatic spinning. There are also described types of production of nanofibres by electrostatic spinning with emphasis on string spinning technique.

Practical part consists an experiment of production, measured values and evaluation of the results from measurements with the theoretical study. The influence of the change of selected parameters on the intensity of the electric field is also to be monitored.

Key words:

Elektrospinnig, string spinning, intensity

(9)

Obsah

Seznam pouţitých zkratek a symbolů ... 11

Úvod ... 12

1 Nanovlákna a jejich výroba ... 13

1.1 Elektrostatické zvlákňování (Electrospinner) ... 13

1.1.1 Válcová rotační elektroda ... 15

1.1.2 Spirálová rotační elektroda ... 15

1.1.3 Rotační drátová elektroda ... 16

1.1.4 Strunová elektroda ... 17

1.1.5 Vertikální elektroda ... 18

1.1.6 Vertikální strunová pohyblivá elektroda ... 19

2 Experiment... 20

2.1 Zařízení a přístroje pouţité pro experimenty ... 20

2.2 Měření průměru polymerní vrstvy ... 22

2.3 Měření vzdálenosti Taylorových kuţelů ... 24

2.4 Měření kritických napětí ... 25

2.5 Další poznatky ... 26

3 Analýza strunového spinneru ... 27

3.1 Metoda výpočtu intenzity elektrického pole ... 27

3.1.1 Přehled dostupného software ... 27

3.1.2 Pouţitý SW ... 28

3.1.3 Příprava modelů ... 28

3.1.4 Postup tvorby výpočtového modelu... 29

3.1.5 Processing a postprocessing ... 31

3.2 Simulace elektrostatického pole v okolí strun... 32

3.2.1 Simulace kritické intenzity ... 33

3.2.2 Analýza vlivu vrstvy polymeru ... 35

(10)

3.2.3 Analýza vlivu napětí ... 36

3.2.4 Analýza vlivu geometrie struny ... 38

3.2.5 Analýza vliv vzdálenosti mezi elektrodou a kolektorem ... 39

4 Závěr ... 41

5 Literatura ... 42

(11)

Seznam použitých zkratek a symbolů

Symbol Popis Jednotky

H Vzdálenost mezi kolektorem a strunou mm

Ec Maximální intenzita elektrického pole [V/mm]

dst Průměr struna mm

Dpol Průměr polymer mm

Y_struna Tloušťka struny bez polymeru [[obratový bod]

Y_polymer Tloušťka polymeru [[obratový bod]

λk kritický vlnová délky [mm]

X vzdálenost Taylorovými kuţeli [obratový bod] [obratový bod]

Yst tloušťka struny na snímky [obratový bod]

ASM Autodesk Simulation Mechanical

(12)

Úvod

Cílem této diplomové práce je popsat druhy výroby nanovláken pomocí elektrostatického zvlákňování s důrazem na strunové zvlákňovaní, dále realizovat numerický model metodou FEM a jeho ověření na základně měření a na závěr navrhnout vhodné parametry zařízení pro strunové zvlákňování. V první časti je popsán princip elektrostatického zvlákňování a rozdělení typů zvlákňování z volného povrchu. V druhé části se nachází popis měření, naměřené hodnoty, zhodnocení výsledků a porovnání výsledků měření s teoretickou studií. Závěrečná část diplomové práce seznamuje s dostupným softwarem pro simulaci polí metodou FEM a jejich základních součástí. Dále je nastíněn postup při vytváření modelů v programu Autodesk Simulation Mechanical.Dále je sledován vliv změny vybraných parametrů na intenzitu elektrického pole.

(13)

1 Nanovlákna a jejich výroba

Nanovlákna jsou textilní vlákna jejichţ průměr je menší neţ 1 mikrometr (1^-6 m, 1000 nm). Tyto vlákna jsou v důsledku svých dobrých vlastností vyuţívána zejména v medicínských aplikacích, pro filtrování bakterií, dále v automobilovém průmyslu jako plniva kompozitů. Dalším velkým odvětvím pouţívání nanovláken je v letectví a kosmonautice kde jsou s velkou mírou pouţívána uhlíková nanovlákna jako plnivo kompozitů. Nanovlákna a současně i nanomateriály bývají často označovány, jako materiály třetího tisíciletí nebo také materiály budoucnosti.Nanovlákna mohou být získávána řadou technik. Nejčastěji se vyrábí zvlákňováním tekutých polymerů.

První výrobní technologie umoţňující výrobu nanovláken se na globálním trhu objevily v 80. letech minulého století. Rozhodující část z nich ale stále funguje především v laboratorních podmínkách. Nejrozšířenější a nejvíce prostudovánou technologií výroby nanovláken je elektrostatické zvlákňování neboli electrospinning. Tato technologie přináší nadějné výsledky v důsledku své univerzálnosti a jednoduchosti. Vedle kterého existuje několik jiných výrobních technologií, jako: taţení (drawing), podloţková syntéza (template synthesis), fázová separace ( phase separation), samo-organizování (self-assembly), odstředivé zvlákňovaní (force spinning). Přelomovou modifikací elektrostatického zvlákňování byla v roce 2005 technologie Nanospider, kterou uvedla na trh Česká firma Elmarco. Byla to první technologie na světě, která umoţňovala průmyslovou výrobu nanovláken.

1.1 Elektrostatické zvlákňování (Electrospinner)

Základní sestava nutná pro proces elektrostatického zvlákňovaní je zdroj napětí, zvlákňovací elektroda, pumpa, roztok polymer a kolektor, kde se vytvořená vlákna zachytávají. (Obr. 1) Princip elektrostatického zvlákňování je zaloţen na působení silného elektrostatického pole na roztok polymeru. Napětí vytvořené mezi dvěma elektrodami působí na polymer, který se nachází na zvlákňovací elektrodě. Působením vysokého napětí dochází k tvorbě elektrostatických sil, které vytahují polymer směrem ke kolektoru. V opačném směru působí povrchové napětí. V důsledku působení těchto sil dochází ke změně povrchové struktury roztoku polymeru a tvorbě Taylorových kuţelů. Tento jev nastává při vyrovnání povrchového napětí roztoku polymeru a napětí na elektrodě. Pokud je povrchové napětí překonáno, z Taylorova kuţele jsou emitovány vlákenné trysky. Ty jsou v blízkosti

(14)

Obrázek 1 - Základní sestava pro elektrostatické zvlákňování

1: Zásobník na roztok polymeru, 2: Nabitá zvlákňovací elektroda, 3: Vlákenná tryska, 4: Oblast ohybové vlákna, 5: Kolektor, 6: Uzemnění kolektor, 7: Zdroj napětí.

Taylorova kuţele stabilní, s rostoucí vzdáleností ale podléhají ohybové nestabilitě. Na konci vlákenných trysek dochází k emisi polymerních kapek, ze kterých se prodlouţením tvoří vlákna. Během letu vlákna z elektrody směrem ke kolektoru dochází k jeho prodluţovánía vypařování rozpouštědla. Na kolektor jsou pak ukládána vlákna suchá. Prodlouţení vlákna způsobuje sníţení průměru vláken.[1]

Zvlákňování metodou electrospinning můţe probíhat několika způsoby, mezi které patří[2]:

 Zvlákňování z jehly – Needle electrospinning

 Zvlákňování z volného povrchu – Needleless electrospinning o Z tyčky (trnu)

o Ze struny o Z válečku

(15)

1.1.1 Válcová rotační elektroda

Tato metoda electrospinningu byla vyvinuta a patentována týmem prof. Oldřicha Jirsáka na Technické univerzitě v Liberci (TUL) v roce 2005. (viz obr. 2)

Váleček je usazen do vany a koná rotační pohyb kolem své osy definovanou rychlostí. Do prostoru vany, kde se nachází i váleček, je nalit roztok polymeru. Na váleček je přiveden zdroj vysokého napětí a slouţí tedy jako elektroda. Tímto způsobem je zajištěn neustálý kontakt elektrody s polymerem. Jelikoţ se elektroda otáčí, je polymer vynášen po ploše elektrody nad vanu do okolního prostředí. V určité vzdálenosti je opět uzemněný kolektor.

Vlákna vytvořená na válečku jsou zachycována na podkladovou textilii, která je převíjena přes kolektor. Tato metoda umoţňuje dlouhodobý proces zvlákňování a tedy moţnost uplatnění v průmyslu. Ve spolupráci s libereckou firmou Elmarco pak by v 2004 představen prototyp stroje Nanospider. Stroj je mechanicky jednoduchý a neobsahuje časti, na kterých by se snadno usazoval polymer.

Obrázek 2 Schéma válcová rotační elektroda 1.1.2 Spirálová rotační elektroda

Obdobou rotačního válečku je spirálová rotační elektroda vyvinutá týmem Xin Wang v roce 2012. Měděný drátek stočený do spirály je upevněn na rotujícím hřídeli a je částečně ponořen do roztoku polymeru v nádrţce, viz obr. 3. V důsledku rotace hřídele respektive spirály

(16)

dochází ke stálému nanášení roztoku polymeru na jeho povrch. Na spirálu je připojeno vysoké elektrické napětí, které způsobuje tvorbu nanovláken. V důsledku malého průměru drátu je na jeho povrchu vysoká intenzita elektrického pole a metoda je produktivnější neţ u válečku.

Obrázek 3 Spirálová rotační elektroda[3]

Vlevo – Schéma spirála drátek elektrospinning;1: Kolektor, 2: Spirála, 3: Zdroj vysokého napětí, 4:

Rotující hřídel, 5: Nádobka s roztokem polymeru Vpravo – detailprocesu zvlákňování ze spirály

1.1.3 Rotační drátová elektroda

Dalším typem rotační elektrody je elektroda zobrazená na obrázku 4.

Obrázek 4 Schéma procesu zvlákňování rotační drátovou elektrodou [4]

(17)

Mezi čely na koncích hřídele jsou nataţena bavlněná vlákna, která se při rotaci hřídele namáčí do roztoku polymeru. Na hřídel je přivedeno vysoké napětí a v důsledku vodivosti roztoku je přiváděno na jeho povrch. Nad elektrodou je umístěn kolektor, na který se nanovlákna ukládají. Na bavlněných vláknech je v důsledku jejich malého průměru také vysoká intenzita elektrického pole. Nevýhodou této metody je moţné zasychání roztoku polymeru na bavlněných vláknech. Proto se tato metoda v průmyslu neuchytila.

1.1.4 Strunová elektroda

Strunová elektroda, která je vyuţívaná na strojích nanospider, byla vyvinuta společností Elmarco. Jedná se o elektrodu vytvořenou z tenké struny, po které přejíţdí vozík se zásobníkem roztoku polymeru a ten je takto rovnoměrně nanášen na strunu. Princip jezobrazen na obrázku 5. Výhodou této metody je malý průměr struny čímţ dochází ke vzniku velmi vysoké intenzity elektrického pole na povrchu roztoku polymeru. V důsledku vysoké intenzity dochází k velké produktivitě výroby nanovláken. Vozík, který nanáší roztok polymeru strunu zároveň čistí od moţných usazenin polymeru, coţ přispívá ke stabilitě celého procesu. Během procesu dochází k odírání struny vlivem přejíţdění vozíkem. Aby nedošlo k přetrţení struny, je struna převíjena.Tato metoda má velký význam v průmyslové výrobě nanovláken.

Obrázek 5 Schéma strunové elektroda[5]

1: vozík s roztokem, 2: Stůl, 3: Náhon struny, 4: Struna, 5: Podkladový materiál, 6: Nanovlákna 7: Kolektor,

(18)

1.1.5 Vertikální elektroda

V roce 2015 byla výzkumníky na univerzitě v Helsinkách vyvinuta elektroda zobrazená na obr. 6. Elektroda je zde v podobě vertikálně uloţeného zkrouceného drátu. Dodávání roztoku polymeru je zajištěno prostřednictvím dávkovače 1. Roztok stéká po drátku a v důsledku jeho zkroucení je roztok rovnoměrně rozprostírán po celé jeho délce a obvodu. Na drátek je připojeno vysoké napětí. Kolektor má podobu válcové plechové sítě a je umístěn souose s elektrodou. Nanovlákna vznikají po celém obvodu drátku a přelétají na válcový kolektor ve směru vlnovek 5. Přebytečný roztok odkapává to nádobky 3. Výhodou tohoto řešení je absence pohyblivých částí, čímţ se konstrukce zjednoduší. Nevýhodou je moţné zasychání polymeru na drátu, které způsobuje nestabilitu procesu.

Obrázek 6 Schéma zkroucený drát elektrospinning [6]

1: Dávkování polymeru, 2: Zkroucený drát, 3: Nádobas přebytkem, 4: Kolektor, 5: Nanovlákna, 6: Tok polymeru, 7: Zdroj napětí.

(19)

1.1.6 Vertikální strunová pohyblivá elektroda

Experimentální zařízení bylo navrţeno pro realizaci testovacích zkoušek v současnosti vyvíjené technologie strunového zvlákňování. Na obrázku 7 je zobrazen 3D model drátové elektrody. Princip je zaloţen na drátové vertikální elektrodě, která je převíjena z cívky 3 na cívku 8. Pohon cívky 8 je zajištěn krokovým motorem 9. Roztok polymeru je na drátek dodáván prostřednictvím dávkovače 4. Vlivem převíjení drátku směrem nahoru dochází k rovnoměrnému nanášení roztoku polymeru na povrch drátku.Na drátek 6 je připojeno stejnosměrné vysoké napětí. Nanovlákna vzniklá na elektrodě se ukládají na kolektor 5.

Výhodou tohoto řešení, ţe pro nanášení roztoku na drátek není potřeba přejíţdějící vozík.

Proto není potřeba dalšího pohonu a konstrukce se zjednoduší. Důleţitou výhodou také je, ţe nedochází k opotřebování drátku, jako je tomu u systému v kapitole 1.1.4.

Obrázek 7 Model zařízení strunová pohybová elektroda 1: Skříň, 2 Zdroj napětí, 3: Cívka se zásobou drátku, 4: Dávkování roztoku,

5: Kolektor, 6: Struna, 7: Kazeta, 8: Navíjecí cívka, 9: Motor

(20)

2 Experiment

Cílem experimentu bylo zjištění kritických napětí pro různé struny. Kritické napětí je takové, při kterém zvlákňovací proces startuje. Tato hodnota je velice důleţitá, neboť vytváří poţadavek na minimální napětí zdroje. Cílem práce je vybrat správnou geometrii průřezu struny tak, aby kritické napětí bylo niţší neţ u stávajícího stavu.

Experimenty byly prováděny při teplotě 21 ̊C, relativní vlhkosti 32 %, rychlost dávkování polymer byla 20ml/h a rychlost odvíjení struny byla 5 mm/s. Na elektrodu bylo přivedeno kladné napětí a na kolektor, který byl vzdálen od elektrody o 150 mm, napětí záporné. Pro zvlákňování byl pouţit vodorozpustný polymerní roztok polyvinylalkoholu PVA v koncentraci 14 hm.%. Testovaní probíhalo na dvou průřezech struny (hvězdicovém a kruhovém) o dvou různých průměrech. Na hvězdicovém průřezu o průměru 1,3mm. a kruhovém průřezu o průměrech 1,3mm a 2mm.Materiál struny byl pouţit kopolyamid PA 6/12, který je chráněn elastickou vrstvou.[7]

2.1 Zařízení a přístroje použité pro experimenty

Pro detailní pozorování zvlákňovacího procesu a rovněţ prourčení vzdálenosti Taylorových kuţelůa průměr polymerní vrstvy byla pouţita vysokorychlostní kamera Olympus i-SPEED 3 (1) (viz obr. 8). Proces zvlákňování byl zaznamenáván rychlostí 2000 a 5000 snímků za sekundu s rozlišením 1280x1024, resp. 804x600 pixelů. Za tímto účelem byl pouţit vysoce výkonný světelný zdroj Olympus ILP-1 s výbojkou o 120 W při barevné teplotě 5600 K[8].

Světlo z tohoto zdroje bylo fokusováno pomocí optického kabelu. Analýza získaného obrazu byla prováděna s pouţitím i-SPEED Suite software. Průběh experimentu je zobrazen na obrázku 8, kde je moţné vidět zvlákňovací zařízení (detail a). Vznikající vlákna byla zachycována na kolektor 4. Jejich vznik byl snímán vysokorychlostní kamerou 1 a fotoaparátem 2. Napětí na kolektor i elektrodu je přivedeno pomocí vysokonapěťových kabelů o zdroje 5. Dávkování roztoku polymeru bylo zajištěno prostřednictvím lineární pumpy NEMESYS

(21)

Obrázek 8 Uspořádá zařízení na experiment a) Detail zařízení b) Detail přívodu napětí na strunu

1) Vysokorychlostní kamera 2) Fotoaparát 3) Dávkování roztoku polymeru 4) Kolektor 5) Zdroj napětí 6) Pozadí

Princip dávkování roztoku polymeru na strunu je znázorněn na obrázku 9. Z důvodu přítomnosti vysokého elektrického napětí, není moţné dávkovat roztok polymeru přímo prostřednictvím samotného čerpadla, neboť by mohlo dojít k jeho zničení. Proto je nutné vloţit mezi čerpadlo a nabité zvlákňovací zařízení izolující člen. Člen sestává z dvojice injekčních stříkaček, které jsou zapojeny do série. Jelikoţ tyto stříkačky jsou vyrobeny z nevodivého materiálu (polypropylen), fungují jako izolant.

Obrázek 9 Schéma systém dávkovaní roztoku polymer a

b

(22)

2.2 Měření průměru polymerní vrstvy

Pro kaţdý analyzovaný průřez respektive průměr struny bylo nutné zjistit průměr polymerní vrstvy, která se na něm vytváří. K tomuto zjištění byla opět pouţita metoda snímání vysokorychlostní kamerou.

Tloušťka polymerní vrstvy byla získána měřením vzdálenosti ve snímcích získaných vysokorychlostní kamerou. Měření vzdálenosti bylo provedeno v prostředí software kamera i-SPEED Viewer s vyuţitím funkce Reticle (Obr. 10).

Obrázek 10 Detail měření polohy bodů na i-SPEED Viewer 1: Struna; 2: Pozice měření; 3: Kazety; Šipka: Směr pohybu struna

Měření bylo provedeno pro strunu s polymerem a bez polymeru. Byly získány vzdáleností bodů AB (rozměr Y). Příklad získávání souřadnic je znázorněn v obrázku 11. Tato měření byla provedena pro různé průřezy respektive průměry strun. Výsledky vzdáleností jsou uvedeny v tabulce 1

(23)

Obrázek 11 Detail dvě polohy body na povrch struně kruhový průměr 1,3mm bez polymeru Tabulka 1 Hodnoty měření vzdálenost AB

Tloušťky Hvězda průměr

1,3mm

Kruhový průměr 1,3mm

Kruhový průměr 2mm

Y struna [obratový bod] 15 15 22

Ypolymer[obratový bod] 17 18 28

Z hodnot v tabulce 1 byly podle vztahu 1 vypočteny příslušné průměry polymerní vrstvy.

𝐷_𝑝𝑜𝑙 =𝑑_𝑠𝑡∗ 𝑌_{𝑝𝑜𝑙𝑦𝑚𝑒𝑟} 𝑌_{𝑠𝑡𝑟𝑢𝑛𝑎}

(1)

Kde: - 𝑑_𝑠𝑡: 𝑝𝑟ů𝑚ě𝑟 𝑠𝑡𝑟𝑢𝑛𝑎 - 𝐷_𝑝𝑜𝑙: 𝑝𝑟ů𝑚ě𝑟 𝑝𝑜𝑙𝑦𝑚𝑒𝑟

- 𝑌_{𝑠𝑡𝑟𝑢𝑛𝑎} ∶ 𝑡𝑙𝑜𝑢šť𝑘𝑎 𝑠𝑡𝑟𝑢𝑛𝑦 𝑏𝑒𝑧 𝑝𝑜𝑙𝑦𝑚𝑒𝑟𝑢 - 𝑌_{𝑝𝑜𝑙𝑦𝑚𝑒𝑟} : 𝑡𝑙𝑜𝑢šť𝑘𝑎 𝑝𝑜𝑙𝑦𝑚𝑒𝑟𝑢

Podle vztahu (1), popisující výsledky průměr polymerní vrstvy na struně v tabulce 2 Tabulka 2 Průměry polymerní vrstvy

Typy Hvězdy 1,3mm Kruhový 1,3mm Kruhový 2 mm

Průměr polymerní vrstvy[mm] 1,47 1,56 2,64

Tyto hodnoty budou pouţity jako vstupní data pro simulace elektrostatického pole

(24)

2.3 Měření vzdálenosti Taylorových kuželů

Dalším úkolem měření bylo zjištění kritické vlnové délky, která odpovídá vzdálenosti Taylorových kuţelů, ze kterých vznikají nanovlákna, rozmístěných podél zvlákňovací struny[8]. Vzdálenost Taylorových kuţelů udává produktivitu výroby nanovláken[9]. Čím kratší je vzdálenost kuţelů, tím je jích na struně více rozmístěno a vzniká tak více nanovláken. Měření bylo provedeno pro více typů strun a byl posuzován vliv tvaru struny na tuto vzdálenost. Pro měření byla vyuţita vysokorychlostní kamera, která byla pouţita pro měření.

Na obrázku 12 je snímek z vysokorychlostní kamery, zachycující rozmístění Taylorových kuţelů podél snímaného úseku struny. Ze snímku je moţné odečíst příslušné vlnové délky.

Tento záznam byl proveden pro tři typy strun a změřené vlnové délky jsou v tabulce 3.

Snímky jednotlivých strun s odměřenými vzdálenostmi jsou v přílohách10÷12

Obrázek 12 Vzdálenost Taylorových kuželů Tabulka 3 Vzdálenost Taylorových kuželů

Typy Hvězdy 1,3mm Kruhový 1,3mm Kruhový 2 mm

Vzdálenost Taylorových kuţelů[obratový bod]

43 79 113

Vzdálenosti byly ze snímků odměřovány a vypočteny dle stejného postupu jako v kapitole 2.2, s vyuţitím vztahu (2). Vypočtené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 4

λ_𝑘𝑟 =𝑑_𝑠𝑡 ∗ 𝑋 𝑌_{𝑠𝑡𝑟𝑢𝑛𝑎}

(2)

Kde: - λkr : kritický vlnová délky [mm]

- X: vzdálenost Taylorovými kuželi [obratový bod]

- Yst: tloušťka struny na snímky [mm]

Tabulka 4 výsledky měření kritická vlnová délka

Typy Hvězda 1,3mm Kruhový 1,3mm Kruhový 2 mm

Vlnová délka λkr [mm] 3,73 6,85 10,27

(25)

Z výsledků v tabulce je patrné, ţe nejmenší vlnová délka byla naměřena u struny s hvězdicovým průřezem o průměru 1,3 mm, zatímco největší byla naměřena u kruhové struny o průměru 2 mm. Toto zjištění ukazuje, ţe tvar a průřez struny má značný vliv na kritickou vlnovou délku a lze konstatovat, ţe pouţití struny s hvězdicovým průřezem bude mít pozitivní vliv na produktivitu výroby nanovláken.

Teoretický výpočet kritické vlnové délky[8]:

𝜆 = 2𝜋𝑎 kde 𝑎 = 𝛾/𝜌𝑔 je kapilární délka.

Pro výpočet byly pouţity hodnoty povrchového napětí γ, hustoty ρ a gravitačního zrychlení a naměřené pro roztok PVA 14 hm. %, který byl zvlákňování. Hodnoty byly následující:

𝛾 = 0,037 N. m⁻¹[10],𝜌 = 1190 kg. m⁻³[11], 𝑔 = 9,81 m. s⁻². Po dosazení vyšla kapilární délka 𝑎= 1,78. 10⁻³m a 𝜆_𝑐 = 11,18. 10⁻³m = 11,18mm.Je vidět, ţe se teorie nejvíce přibliţuje s experimentálně zjištěnou vlnovou délkou λkr u kruhového průřezu o poloměru 2 mm (odchylku 0,91mm).

2.4 Měření kritických napětí

Jak bylo výše zmíněno, kritické napětí je napětí, při kterém se začínají na elektrodě vytvářet první Taylorovy kuţely. V tabulce 5 jsou uvedeny výsledky změřených kritických napětí pro tři různé struny. Pro kaţdou strunu bylo měření provedeno opakovaně a z těchto hodnot byla vypočtena průměrná hodnota.

Tabulka 5 naměření napětí v elektrodě

Napětí elektrodě vertikální [+ kV]

Počet Hvězda 1,3mm Kruhový 1,3mm Kruhový 2 mm

1 18 26 20

2 22 18 26

3 25 22 30

4 24 24 28

Průměr napětí 22,25 22,5 26

Tyto hodnoty budou pouţity jako vstupní data pro simulace elektrostatického pole

(26)

2.5 Další poznatky

V průběhu experimentu bylo dále zjištěno, ţe při nízkém napětí vznikají Taylorovy kuţely pouze ve střední části délky zvlákňovací struny. Počet Taylorových kuţelů byl malý.

S rostoucím napětím docházelo k rozšiřování zvlákňovací zóny a k nárůstu počtu Taylorových kuţelů. Při zastavení odvíjení struny došlo po krátkém čase k vyzvláknění veškerého roztoku polymeru a zvlákňovací proces se zastavil. Při velké rychlosti převíjení struny docházelo k hromadění roztoku polymeru na horní kazetě, čímţ docházelo k vytváření kapek, které nerovnoměrně stékaly po struně a způsobovaly nestabilitu zvlákňovacího procesu. Tento jev lze pozorovat na obrázku 13

Obrázek 13 Vytváření polymerních kapek směr

pohybu struny

(27)

3 Analýza strunového spinneru

Tato část práce se zabývá analýzou rozloţení elektrického pole v okolí strunové zvlákňovací elektrody pro různé geometrie průřezu strun. Byly analyzovány běţně dostupné typy strun.

3.1 Metoda výpočtu intenzity elektrického pole

Elementární metody výpočtu elektrického pole pro základní modely, jako je koule nebo válec, jsou matematicky jednoduché. Výpočty elektrického pole u sloţitějších tvarů, jako jsou např. tvary elektrod, jsou analyticky řešitelné jen poměrně sloţitě pomocí diferenciálních a integrálních rovnic a v řadě případů prakticky nemoţné. S rozvojem výpočetní techniky je numerické řešení elektrického pole pomocí vhodného software snadné. Mezi numerické metody, které se pouţívají k řešení elektrických polí, patří i metoda konečných prvků (Finite Element Method, FEM). Tato metoda je zaloţená na řešení okrajových podmínek popsaných diferenciálními rovnicemi. Stejně jako ostatní metody numerického řešení polí i tato metoda rozděluje celý výpočet na dílčí kroky. V prvním kroku je zadaná geometrie popisující tvar a rozměry, které se rozdělí na elementární rovinné prvky, jako jsou trojúhelník, čtyřúhelník.

Tímto rozdělením vzniknou uzly a neznáme uzlové potenciály ve vrcholech elementárních prvků. Tyto prvky mohou být rozmístěné nerovnoměrně a tím sledovat tvar. V druhém kroku se aproximuje hledaná veličina a sestaví soustava rovnic pro neznámé uzlové potenciály a ty se vyřeší. V posledním kroku se z vypočítaných uzlových potenciálů vypočítá potenciál na jednotlivých elementech a intenzita elektrického pole. [12]

3.1.1 Přehled dostupného software

Programy vyuţívané pro modelování elektrických polí musí splňovat několik základních předpokladů. V první řadě bychom měli být schopni v programu nakreslit model, ať uţ se jedná o plně prostorový model 3D nebo plošný ve 2D, popřípadě by měl mít funkci importu běţně pouţívaných formátů výkresů, další krok je zadání za pomocí definice počátečních podmínek, jako je například volba materiálů a jejich elektrických vlastností, velikost přivedeného napětí. Takto označená funkce programu se nazývá preprocesor. Druhá fáze simulace, je rozdělení řešeného problému na síť konečných prvků (diskretizace modelu).

Následuje řešení soustavy rovnic. Tato funkce programu se nazývá procesor. Poslední funkcí simulace jevyhodnocení vypočtených dat a následné zobrazení elektrického pole a jeho rozloţení v zadané soustavě. Takto označená funkce programu se nazývá postprocesor.

(28)

K tomuto se pouţívají programy jako jsou Ansys, Comsol Mltiphysics, FEMM, Quickfield, Agros2D a Autodesk Simulation Mechanical. Všechny tyto programy mají tyto funkce, navíc některé tyto programy umoţňují řešení polí magnetických, tepelných, akustických, mechanického namáhání, ale také i řešení problémů kombinující jednotlivá pole. Umoţňující také analýzu ustáleného stavu, harmonickou analýzu a analýzu přechodných dějů.

3.1.2 Použitý SW

Pro simulace byl pouţit program Autodesk Simulation Mechanical, dále ASM, který je bezplatně dostupný pro studenty. Tento program splňuje všechny předpoklady pro řešení elektrického pole. Umoţňuje nakreslit model i lze importovat CAD modely různých formátů.

3.1.3 Příprava modelů

V úvodní časti je potřebná příprava modelu, který můţeme namodelovat v CAD programu a následně importujeme do ASM, nebo přímo nakreslíme v programu ASM. Nejprve je potřeba správně vytvořit výpočtový model, který je blízký reálnému stavu zařízení. V případě, ţe po délce struny bude rovnoměrně rozloţen roztok polymeru, lze předpokládat, ţe intenzita elektrického pole na povrchu struny bude po celé její délce shodná. Lze usuzovat, ţe rovnoměrného pokrytí je moţno dosáhnout správným dávkováním, jak bylo popsáno v úvodní části práce. Tím se problematika výpočtu zjednoduší na 2D model, ve kterém bude vţdy analyzován pouze průřez strunou. Na obrázku 14 je zobrazeno schéma výpočtového modelu. Model se skládá z elektrody 1, která má na svém povrchu polymer 2. Ve vzdálenosti H od elektrody je umístěn kolektor 3. Model je ohraničen obdélníkovým prostorem 4 a celý prostor má vlastnosti vzduchu.

(29)

Obrázek 14 Výpočtový model

1: strunová elektroda, 2: polymer, 3: kolektor, 4: ohraničení modelu,

3.1.4 Postup tvorby výpočtového modelu

V prvním kroku je vytvořen geometrickýmodel. Model se skládá ze čtyř těles odpovídajících popisu v kapitole 3.1.3. Pro simulace byly pouţity tři různé tvary průřezu strun a to: kruhový, čtvercový a hvězdicový. Pro všechny tvary byly postupně voleny průměry 1,3 mm; 1,6 mm a 2 mm. Geometrie povrchu polymeru je kruţnice. Průměr odpovídá geometrii, vznikající při nanášení roztoku polymeru na strunu.

Následuje import do ASM a určení typu fyzikálního pole, které má program řešit. Pro tento případ zvolíme řešič elektrostatického pole a elektrického napětí (Electrostatic Field Stregth and Voltage). Další fází tvorby výpočtového modelu je rozdělení na jednotlivá tělesa a definování jejich fyzikálních vlastností. Na obrázku 15 je zobrazen výpočtový model v prostředí ASM. Vlastnosti těles byly zadány dle tabulky 6

(30)

Obrázek 15 výpočtový model v ASM Tabulka 6 Materiálové vlastnosti těles

Materiál Relativní permitivita [-]

Okolí Vzduch 1

Polymer Polyvinyl alkohol – PVA[13] 20

Elektroda (struna) Kopolyamid – PA[14] 2,5

Kolektor Ocel 10000000000

V třetím kroku je generování sítě konečných prvků. Síť lze generovat dvěma základními metodami, přímou a automatickou. V tomto případě byla vyuţita automatická generace sítě vzniklá podle geometrie modelu. Typ elementu byl zvolen trojúhelník s délkou hrany 0,3 mm V místě průřezu kolektorem byla sít lokálně zahuštěna na maximální velikost elementu 0,1 mm, viz obrázek 16. Lokální zahuštění slouţí pro zpřesnění výsledků.

(31)

Obrázek 16 Lokální zjemnění sítě

Poslední fází přípravy modelu je zadání okrajových podmínek. U kaţdé ze simulací byly zadány tři okrajové podmínky napětí. Na elektrodu bylo zadáno kladné napětí, na kolektor záporné napětí a na hranici okolí nula. Hodnota tuhosti je pro všechny okrajové podmínky zadána 10⁹ A/V. Tuhost specifikuje přenos napětí mezi přilehlými uzly. Vysoká tuhost způsobí, ţe hodnota napětí v uzlu bude přibliţně odpovídat zadané hodnotě, zatímco nízká tuhost zapříčiní, ţe napětí v uzlu můţe být výrazně menší neţ zadané napětí [15].

3.1.5 Processing a postprocessing

Po vytvoření výpočtového modelu a vygenerování sítě konečných prvků následuje numerické řešení modelu, které zajišťuje řešič ASM. Tato fáze se nazývá processing. Po úspěšném výpočtu je moţné graficky zobrazit vypočtené hodnoty napětí a intenzity elektrického pole.

Tato fáze se nazývá posprocessing. V posprocessingu je kromě zobrazení rozloţení intenzity elektrického pole je rovněţ důleţité zjistit přesnost vypočtených hodnot. Přesnost intenzity elektrostatického pole se vyjadřuje podle vztahu (3) [16].

𝑃_𝑖=|𝐸_𝑖|_𝑚𝑎𝑥 − |𝐸_𝑖|_𝑚𝑖𝑛 2. |𝐸|_𝑀𝐴𝑋

(3)

(32)

Toto postprocessor zjišťuje v kaţdém bodě sítě a je tak moţné určit, s jakou přesností byla hodnota intenzity v tomtéţ bodě vypočtena. V případě provedených simulací byly sledovány hodnoty intenzity s přesností v rozsahu 0,01 – 0,02. V případě, ţe přesnost ve sledovaných bodech nesplňovala toto kritérium, byla síť v těchto místech více zahuštěna. Příklad odečtení přesnosti je na obrázku 17.

Obrázek 17 Zobrazení přesnosti v místě odečítání hodnoty intenzity

3.2 Simulace elektrostatického pole v okolí strun

Tato kapitola se zabývá konkrétními simulacemi elektrostatického pole v okolí drátových elektrod při různé volbě několika parametrů. Byl sledován vliv geometrie a průřezu struny na velikost intenzity na jeho povrchu. Dalším bodem bylo zjištění kritické intenzity.

Dále byl simulován vliv napětí mezi elektrodou a kolektorem, vliv vzdálenosti kolektoru od elektrody a další vlivy konstrukčních parametrů. Vše je uvedeno v následujících kapitolách.

Pro simulace elektrostatického pole byl vyuţit výpočtový model popsaný v kapitole 3.1.3.

Jednotlivé parametry pouţité v modelu jsou uvedeny v tabulce 7. Pro určité analýzy bylo také měněno napětí na elektrodě, tyto hodnoty budou uvedeny v následujících tabulkách.

(33)

Tabulka 7 Forma analyzované úlohy podle výsledku experimentu

Díl Permitivita [-] Rozměry [mm] Napětí [kV]

Kolektor (ocel) 10⁶ Obdélník 150x10 -10

Vzdálenost elektroda - H=150 -

Okolí (vzduch) 0 - 0

Elektroda (PA)

2,5 Hvězda 1,3 22,25

2,5 Kruhový Ø 1,3 22,5

2,5 Kruhový Ø 2 26

Polymer 20 Tab. 2, kap. 2.2 -

3.2.1 Simulace kritické intenzity

Na obrázku 18 je znázorněn příklad výsledku simulace rozloţení napětí a intenzity elektrického pole v okolí kruhové strunové elektrody o průměru 1,3 milimetru. Simulace byla provedena pro napětí na +22500 kV na elektrodě a -10 kV na kolektoru. Z obrázku je patrné, ţe největší intenzita je na povrchu polymerní hladiny a dosahuje hodnoty 5654 V/mm.

Obrázek 18Analýzaelektrody kruhového průměru 1,3mm a) Elektrické napětí (polovina modelu)

b) Intenzita elektrického pole (detail elektrody)

(34)

Dle výsledků měření kritických napětí tab. 5, kapitola 2.4 byly pro tato napětí provedeny simulace, ze kterých byly odečteny hodnoty příslušných kritických intenzit. Výsledky jednotlivých simulací se nachází v přílohách 6-7, shrnutí výsledků je uvedeno v tabulce 8 Tabulka 8výsledky max. intenzity na povrchu polymeru

Hvězda 1,3mm

Kruhový ØD 1,3mm

Kruhový ØD 2mm

Průměr polymerní vrstvy[mm] 1,47 1,56 2,64

Napětí struna U1 [kV] 22,25 22,5 26

Napětí kolektor U2[kV] -10 -10 -10

Maximální intenzity na povrchu

polymeru [V/mm] 5971 5654 4690

Z výsledků vyplývá, ţe nejvyšší kritická intenzita je u struny o hvězdicovém průřezu a průměru 1,3 milimetru. Důleţité také je, ţe tato hodnota intenzity vzniká při kritickém napětí o hodnotě, 22,25 kV, coţ je nejniţší naměřená hodnota kritického napětí ze všech testovaných elektrod. Z toho lze usoudit, ţe nejlepší variantou zvlákňovací struny je právě struna o průřezu hvězdy. Lze také usoudit, ţe při pouţití tohoto typu struny bude nejvyšší produktivita výroby nanovláken.

Teoretický výpočet kritické intenzity[8]

𝐸_𝑐 = 4𝛾𝜌𝑔 𝜀²

4

𝛾 ∶ 𝑝𝑜𝑟𝑐ℎ𝑜𝑣é 𝑛𝑎𝑝ě𝑡í 𝑚𝑁. 𝑚⁻¹ 𝜌: ℎ𝑢𝑠𝑡𝑜𝑡𝑎 𝑘𝑎𝑝𝑎𝑙𝑖𝑛𝑦 𝑘𝑔. 𝑚⁻³ 𝑔: 𝑧𝑟𝑦𝑐ℎ𝑙𝑒𝑛í 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎č𝑛í 𝑘𝑔. 𝑠⁻²

𝜀: 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑛í 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎 𝑣𝑧𝑑𝑢𝑐ℎ[𝑚⁻³. 𝑘𝑔⁻¹. 𝑠⁴. 𝐴²]

Pro polymeru polyvinylalkohol (PVA) 𝛾 = 37 𝑚𝑁. 𝑚⁻¹ [10], 𝜌 = 1190 𝑘𝑔. 𝑚⁻³ [11], 𝑔 = 9,81[𝑚. s⁻²], 𝜀 = 𝜀₀ = 8,854. 10⁻¹²[𝑚⁻³. 𝑘𝑔⁻¹. 𝑠⁴. 𝐴²], je kritická hodnota intenzity elektrostatického pole

(35)

𝐸_𝑐 = 4.37. 10⁻³. 1190.9,81 (8,854.10⁻¹²)²

4 = 2,1667. 10⁶ 𝑉. 𝑚⁻¹ = 2166,7[𝑉. 𝑚𝑚⁻¹]

Tento vztah byl odvozen pro zjednodušený model tyčové elektrody. Z toho jej důvodu nelze pouţít univerzálně a proto teoretická kritická intenzita plně neodpovídá hodnotám získaných ze simulací.

3.2.2 Analýza vlivu vrstvy polymeru

Důleţitým faktorem, který ovlivňuje intenzitu, je také vrstva polymerního roztoku na povrchu struny. Při konstantním dávkování polymeru a při rychlejším odvíjení struny je struna zaplňována méně a naopak. Toto se projeví na velikosti vrstvy respektive průměru polymerního obalu. Byly provedeny simulace pro kruhovou strunu o průměru 1,3mm o různých průměrech polymerního obalu. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 9 a také zpracovány do grafu 1. (Viz přílohy 8 a 9)

Tabulka 9 Srovná maximální intenzity na tloušťce polymeru vrstvy

Průměr struna [mm] 1,3

Průměr polymer[mm] 1,46 1,56 1,66

Tloušťkavrstvy polymeru [mm] 0,08 0,78 0,83

Napětí struna [kV] 23 23 23

Napětí kolektor [kV] -10 -10 -10

Ec [V/mm] 6072 5764 5647

Graf 1Závislost max. intenzity na průměru D polymeru při průměrustruny d=1,3mm a při napětí +23kV/-10kV

5600 5700 5800 5900 6000 6100

1,46 1,51 1,56 1,61 1,66

Ec na porchové polymeru [V/mm]

Průměr polymeru [mm]

(36)

Z těchto výsledků vyplývá, ţe se zvyšujícím se průměrem polymerní vrstvy intenzita klesá.

Coţ také znamená, ţe při rychlejším odvíjení, kdy je na struně menší vrstva, je na povrchu polymerní vrstvy vyšší intenzita elektrického pole. Je důleţité si uvědomit, ţe při vyšších rychlostech odvíjení dochází k neţádoucímu jevu (vzniku kapek), který byl popsán v kapitole 2.5. Proto lze tuto závislost uplatnit v omezeném intervalu.

3.2.3 Analýza vlivu napětí

Byla provedena analýza vlivu velikosti přiváděného napětí na elektrodu a kolektor na velikost intenzity elektrického pole. Nastavení parametrů výpočtu jsou uvedeny v tabulce 10 a 11.

(Viz přílohy 13÷21)

Tabulka 10 Vstupní parametry výpočtu

Díl Permitivita [-] Rozměry [mm]

Kolektor (ocel) 10⁶ Obdélník 150x10

Vzdálenost elektroda - H=150

Okolí (vzduch) 1 -

Elektroda 2,5 Hvězdy 1,3

Polymer 20 Ø 1,47

Tabulka 11 Závislosti maximální intenzity na velikosti napětí přiváděného na kolektor a elektroda

Napětí elektrodě U1[kV]

Napětí kolektor

U2[kV]

Rozdíl napětí mezi elektrodu a kolektorem

ΔU=U1+|U2| [kV]

Maximální intenzity na povrchový polymer Ec[V/mm]

15 -15 30 4643

25 -15 40 6990

35 -15 50 9337

15 -25 40 5391

25 -25 50 7738

35 -25 60 10086

15 -35 50 6139

25 -35 60 8486

35 -35 70 10834

(37)

Graf 2 Závislost maximální intenzity na velikosti přiváděného napětí kolektoru

Z grafu. 2 vyplývá, ţe při zvyšování přivedeného napětí na elektrodu a kolektorse lineárně zvyšuje maximální intenzita na povrchu polymeru. Z hodnot uvedených v tabulce 12 je vidět, ţe přivedené napětí na kolektor a elektrodu ovlivňují maximální intenzitu elektrického pole.

Pokud je rozdíl napětí ΔU=50kV,takpři přivedeném napětí v případě 35kV/-15kV dosáhnemaximální intenzita elektrického polevětší hodnoty neţ v případě 25kV/-25kV, kdy byla hodnota 1595[V/mm] a vpřípadě 15kV/-35kV byla hodnota 3198 V/mm. Následné srovnání intenzity připřivedeném napětí na elektrodu a kolektor o nárůstu rozsahu napětí 10kV. Konkrétněji při zvýšení 10kV na kolektoru, maximální intenzita v případě 15kV/- 25kV vzrostla o 748 V/mm oproti moţnosti 15kV/-15kV. Ale případypři zvýšení napětí na elektrodě25kV/-15kV ve srovnání s příkladem15kV/-15kV, je rozdíl maximální intenzity elektrického pole 2347 V/mm. Tato hodnota je tři krát větší neţ u zvýšení napětí na kolektoru. Z porovnání zvýšení napětí na kolektoru nebo elektroděběhem procesu výroby nanovlákna je patrné, ţezvýšení napětí na elektrodě mávětší význam neţ zvýšení napětí na kolektoru. Proto je nejvhodnější pro získání maximální intenzity pouţít zvýšení napětí na elektrodě.

4500 5500 6500 7500 8500 9500 10500 11500

15 20 25 30 35

Max. mální intenzita elektrického pole [V/mm]

Napětí struna [kV]

-15kV -25kV -35kV

(38)

3.2.4 Analýza vlivugeometrie struny

Byly provedeny simulacepro tvary strun hvězda, kruh a čtverec. Měněným parametrem byl průměr struny (1,3mm, 1,6mm a 2mm). Při změně geometrie struny byla vţdy zachovánatloušťka vrstvy polymeru 0,5mm a další neměnné parametry jsou uvedenyv tabulce12.(Viz přílohy 22÷30)

Tabulka 12 Parametry zachovaní

Vzdálenost elektroda - H=150 -

Elektroda 2,5 Hvězdy 1,3 21

Tloušťka polymer 20 t= 0,5 -

Hodnoty byly zaznamenány do následující tabulky 13 a graf 3 Tabulka 13 výsledky max. intenzita při změně geometrie struny

Průměr polymer

[mm]

Maximální intenzita [V/mm]

Průměr struny

[mm]

hvězda kruhový čtverec

2,5 2 3706 3638 3689

2,1 1,6 4204 4151 4185

1,8 1,3 4760 4707 4745

(39)

Graf 3 Max. intenzita na povrchu polymeru v závislosti na průměru struny při konstantní tloušťce polymeru

Z tabulky 13 je patrné, ţe při zvyšování průměru elektrody (strun), ale při zachování tloušťky polymeru, se sniţovala maximální hodnota intenzity elektrického pole na povrchu polymeru.

Při stejnémprůměru, ale různých tvarech struny, je největší maximální intenzitau struny ve tvaru hvězdy.

3.2.5 Analýza vliv vzdálenosti mezi elektrodou a kolektorem

Poslední simulace byla provedena pro analyzování vlivu vzdálenosti struny od kolektoru na velikost intenzity elektrického pole na povrchu polymerního obalu. Vzdálenost kolektoru se postupně měnilana 100mm, 150mm, 200mm, 250mm. Parametry analýzy udává tabulka 14.(Viz přílohy 21÷34)

Tabulka 14Parametry analýzy vzdálenosti

Vzdálenost elektroda - H=100÷250 -

Elektroda 2,5 Hvězdy 1,3 20

Polymer 20 Ø 1,47 -

3600 3700 3800 3900 4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 4700 4800

1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2

Max. intenzita na povrch polymer [V/mm]

Průměr struny [mm]

hvězda čtverec kruhový

(40)

Výsledky analýzy změny vzdálenosti kolektoru od elektrody nalezneme v tabulce 16.a graf 4 Tabulka 15 Výsledky analýzy při změně vzdálenost kolektoru od elektrody

Vzdálenost od struny H [mm]

Max. intenzity na povrch polymer Ec [V/mm]

100 6277

150 5677

200 5347

250 5135

Graf 4 Max. intenzita na povrchu polymeru v závislosti na vzdálenost kolektoru od elektrody

Z grafu je patrné, ţe při nárůstu vzdálenosti kolektoru od elektrody maximální intenzita na povrchu polymeru klesá.

5000 5500 6000 6500

100 125 150 175 200 225 250

Max. intenzita na povrch polymeru [V/mm]

Vzdálenost od struny H[mm]

+21kV/-10kV

(41)

4 Závěr

V první části bylo popsáno šest způsobů výroby nanovláken z volného povrchu s důrazem na válečkové a strunové zvlákňování pouţívané v současně době. Jiţ byly zmíněny způsoby, které pouţívají válcovou rotační elektrodu, spirálovou rotační elektrodu, rotační drátovou elektrodu, strunovou elektrodu, vertikální elektrodu a vertikální strunovou pohyblivou elektrodu. Dále byla objasněna funkčnost a zároveň byly nastíněny výhody a nevýhody jednotlivých metod. V současnosti jsou na průmyslovém trhu pouze metody pouţívající válcovou a drátovou rotační elektrodu, které byly vyrobeny společností Elmarco s.r.o. Ostatní metody jsou ve fázi testování.

V druhé kapitole bylo podrobněji popsáno experimentální měření, které proběhlo při pouţítí vertikální strunové pohyblivé elektrody v Laboratoři Katedry textilních a jednoúčelových strojů. Toto měření se zabývalo určením kritického napětí, kritických vlnových délek a maximální intenzitou na povrchu polymeru při různých tvarech struny. Poté byly srovnány výsledky měření s teoretickou studií. Struna ve tvaru hvězdy o průměru 1,3mm má nejmenší kritické napětí a vlnovou délku, hodnoty které byly naměřeny, jsou 22,25kV a 3,37mm.U struny s kruhovým průměrem 1,3mm bylo dosaţeno napětí o velikosti22,5kV a vlnová délka 6,85mm, poté u struny skruhovým průměrem 2mm bylo dosaţeno největší napětí 26kV a vlnová délka 10,25mm. Naopak největší velikost maximální intenzity na povrchu polymeru naměřeno u struny ve tvaru hvězdy bylo 5971 V/mm, u struny s kruhovým průměrem 1,3mm byla hodnota 5654 V/mm, u typu struny s kruhovým průměrem 2mm byla hodnota nejmenší4690V/mm.

V poslední části byl přiblíţen dostupný software pro modelování a simulaci intenzity elektrického pole. Tento zmiňovaný software je moţné pouţívat pro postup přípravy a tvorby výpočtového modelu. Dále byla popsána analýza konkrétních parametrů, především vlivu maximální intenzity. Na základě těchto zhodnocení byly navrţeny parametry pro zařízení vhodné pro strunové zvlákňování. (tvar struny, elektrické napětí, vzdálenost kolektoru od struny)

V závěru této práce byly porovnány naměřené hodnoty napětí, vlnové délky a intenzity elektrického pole u jednotlivých strun s výslednými simulacemi ovlivňující parametry. Na základě těchto výsledků bylo dosaţeno těchto parametrů pro nejvhodnější konstrukci zařízení pro strunové zvlákňování. Nejvhodnější tvar struny je hvězda o průměru 1,3mm, vzdálenost elektrody a kolektoru by měla být menší neţ 150 mm, a je vhodné pouţít rychlejší odvíjení, kdy je na struně menší vrstva polymeru, je na povrchu polymerní vrstvy vyšší intenzita elektrického pole.

(42)

5 Literatura

[1] J. RŮŢIČKOVÁ, Elektrostatické zvlákňování nanovláken, Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2006.

[2] Elektrostatické zvlákňování, [Online]. Dostupné z: http://www.csm- kompozity.wz.cz/Elektrostaticke_zvlaknovani.pdf.

[3] [Online]. Dostupné z: https://www.hindawi.com/journals/jnm/2012/785920/.

[4] [Online]. Dostupné z:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250910006299.

[5] [Online]. Dostupné z: http://www.elmarco.com/upload/soubory/dokumenty/156-1-ns- lab-vs-ns-1ws500u.pdf.

[6] [Online]. Dostupné z: http://nanotechweb.org/cws/article/lab/59196.

[7] Materiál struna ţací, [Online]. Dostupné z: http://www.sekacky-online.cz/zaci-struna- profi-kulata-prumer-1-3-mm-a-delka-15-m/.

[8] P. MIKEŠ a D. LUKÁŠ , Fyzikální principy tvorby nanovláken I, Liberec: Technická univerzita v Libereci, 2015.

[9] Produktivita,[Online]. Dostupné z: http://www.elmarco.cz/technologie/technologie/.

[10] Povrchové napětí PVA,[Online]. Dostupné z: http://www.salum.cz/index.php/salum- praskove-lakovani-praskova-lakovna-komaxitovani-komaxit-5/25-salum-povrchove- napeti-materialu-plastu.

[11] Hustota PVA, [Online]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_alcohol.

[12] Modelování elektromagnetických polí, [Online]. Dostupné

z:http://www.utee.feec.vutbr.cz/iet/wp-content/uploads/sites/2/2016/10/MMEM_skripta.pdf.

[13] Permitivita PVA, [Online]. Dostupné z:

(43)

http://www.clippercontrols.com/pages/Dielectric-Constant-Values.html.

[14] Permitivita PA, [Online]. Dostupné z:

http://www.rfcafe.com/references/electrical/dielectric-constants-strengths.htm.

[15] Tuhost, [Online]. Dostupné z: https://knowledge.autodesk.com/support/simulation- mechanical/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2017/ENU/SimMech-

UsersGuide/files/GUID-E7496FBD-15E9-4B83-A5D8-4C9657981D7A-htm.html.

[16] Přesnost, [Online]. Dostupné z: https://knowledge.autodesk.com/support/simulation- mechanical/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2016/ENU/SimMech-

UsersGuide/files/GUID-AA287202-3D9F-4429-8587-6470277BE62F-htm.html.

Přílohy

(44)

Příloha 1 Souřadnice dvou bodů na povrchu polymeru(kruh, průměr 1,3mm)

Příloha 2Souřadnice dvou bodů na povrchu struny bez polymeru(hvězda, průměr 1,3mm)

(45)

Příloha 3Souřadnice dvou bodů na povrchu polymeru(hvězda, průměr 1,3mm)

Příloha 4Souřadnice dvou bodů na povrchu struny bez polymeru(kruh, průměr 2,0 mm)

(46)

Příloha 5 Souřadnice dvou bodů na povrchu polymeru(kruh, průměr 2mm)

Příloha 6- Výsledky analýzy elektrody– hvězda, průměr 1,3mm, průměr polymeru 1,47mm

(47)

Příloha 7 - Výsledky analýzy elektrody– kruh, průměr 2mm, průměr polymeru 2,64mm

Příloha 8 - Výsledky analýzy elektrody– kruh, průměr 1,3mm, průměr polymeru 1,46mm

(48)

Příloha 9 - Výsledky analýzy elektrody– kruh, průměr 1,3mm, průměr polymeru 1,66mm

(49)

Příloha 10 Měření vlnové délky λc, elektroda kruh, průměr 2mm

(50)

Příloha 11Měření vlnové délky λc, elektroda kruh, průměr 1,3mm

(51)

Příloha 12Měření vlnové délky λc, elektroda hvězda, průměr 1,3mm

(52)

Příloha 13Výsledky analýzy elektrody– hvězda, průměr 1,3mm, průměr polymeru 1,47 mm, napětí 15kV elektroda /-15kV kolektor

(53)

(54)

Příloha 17 Výsledné analyzovaní pro elektrodu s hvězdou průměrem 1,3mm, při průměr polymer 1,47mm a napětí 25kV/-25kV

(55)

(56)

(57)

Příloha 23Výsledky analýzy elektrody– hvězda, průměr 1,6 mm, průměr polymeru 2,1 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor

Příloha 24Výsledky analýzy elektrody– hvězda, průměr 2 mm, průměr polymeru 2,5 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor

(58)

Příloha 25Výsledky analýzy elektrody– kruh, průměr 1,3 mm, průměr polymeru 1,8 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor

Příloha 26Výsledky analýzy elektrody– kruh, průměr 1,6 mm, průměr polymeru 2,1 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor

(59)

Příloha 27Výsledky analýzy elektrody– kruh, průměr 2 mm, průměr polymeru 2,5 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor

Příloha 28Výsledky analýzy elektrody– čtverec, průměr 1,3 mm, průměr polymeru 1,6 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor

(60)

Příloha 29Výsledky analýzy elektrody– čtverec, průměr 1,6 mm, průměr polymeru 2,1 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor

Příloha 30Výsledky analýzy elektrody– čtverec, průměr 2 mm, průměr polymeru 2,5 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor

(61)

Příloha 31Výsledky analýzy elektrody– hvězda, průměr 1,3 mm, průměr polymeru 1,47 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor, vzdálenost kolektoru od elektrody 100mm

Příloha 32Výsledky analýzy elektrody– hvězda, průměr 1,3 mm, průměr polymeru 1,47 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor, vzdálenost kolektoru od elektrody 150mm

(62)

Příloha 33Výsledky analýzy elektrody– hvězda, průměr 1,3 mm, průměr polymeru 1,47 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor, vzdálenost kolektoru od elektrody200mm

Příloha 34Výsledky analýzy elektrody– hvězda, průměr 1,3 mm, průměr polymeru 1,47 mm, napětí 21kV elektroda /-10kV kolektor, vzdálenost kolektoru od elektrody250mm

"OBMâ[B TUSVOPWÏIP [WMÈLǪPWÈOÓ