Polimer nanoszálak előállítására alkalmas elektro szálképző berendezés fejlesztése

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM POLIMERTECHNIKA TANSZÉK

Polimer nanoszálak előállítására alkalmas elektro–szálképző berendezés fejlesztése

Készítette: Témavezető: Konzulens:

Pataki Mátyás G95SMO Molnár Kolos tanársegéd Dr. Mészáros László adjunktus

Budapest, 2013.12.13.

Tartalomjegyzék A dolgozatban szereplő rövidítések jegyzéke............................................................................. 2 1

Bevezetés.......................................................................................................................... 3

2

Irodalmi áttekintés ............................................................................................................ 4 2.1

Szálak és tulajdonságaik ismertetése ......................................................................... 4

2.2

Hagyományos szálgyártó eljárások............................................................................. 7

2.2.1 2.2.1.1

Nedves szálképzés.......................................................................................... 7

2.2.1.2

Száraz szálképzés ........................................................................................... 8

2.2.1.3

Áramlásos szálképzés ..................................................................................... 9

2.2.2

2.3

Ömledékes szálképző eljárások ........................................................................ 10

2.2.2.1

Hőre lágyuló polimerek ömledékes szálképzése ........................................... 10

2.2.2.2

Szervetlen anyagok olvadékos szálképzése ................................................... 13

Nanoszálas szerkezetek ........................................................................................... 16

2.3.1

Szálképzés centrifugális erővel (forcespinning) ................................................. 17

2.3.2

Elektro-szálképzési technológiák ...................................................................... 19

2.4 3

Oldatos szálképző eljárások................................................................................ 7

Irodalmi összefoglalás.............................................................................................. 27

Az elektro–szálképző berendezés áttervezése ................................................................. 28 3.1

Az áttervezendő berendezés .................................................................................... 28

3.1.1

A berendezés felépítése ................................................................................... 28

3.1.2

A hibák feltárása .............................................................................................. 31

3.2

Előkísérletek ............................................................................................................ 37

3.3

Elektrosztatikus szálképzéssel gyártott szerkezetek vizsgálata.................................. 37

3.4

Követelményjegyzék ................................................................................................ 40

3.5

Az új berendezés ..................................................................................................... 42

3.5.1

Szálképző egység.............................................................................................. 42

3.5.2

Kollektor mozgató egység ................................................................................ 56

3.5.3

Szövedék elhúzó egység ................................................................................... 59

3.5.4

Elszívó egység .................................................................................................. 65

3.5.5

Adagoló egység ................................................................................................ 66

3.5.6

Berendezés háza .............................................................................................. 67

3.5.7

Elektrosztatikus szálképző berendezés ............................................................. 71

3.6

Továbbfejlesztési javaslatok..................................................................................... 73

4

Összefoglalás................................................................................................................... 74

5

Summary......................................................................................................................... 75

6

Irodalomjegyzék .............................................................................................................. 76

–1–

A dolgozatban szereplő rövidítések jegyzéke CA

cellulózacetát

MDF

farostlemez

PA

poliamid

PAN

poli(akril–nitril)

PC

polikarbonát

PE

polietilén

LDPE

kissűrűségű polietilén

POM

poli(oximetilén)/poliformaldehid/poliacetál

PP

polipropilén

PVC

poli(vinil–klorid)

PVP

poli(vinil–pirrolidon)

PUR

poliuretán

SEM

Pásztázó elektronmikroszkóp (Scanning Electron Microscope)

PEO

poli(etilén–oxid)

SA

Nátrium–citrát (Sodium alginate)

(medium density fiberboard)

–2–

1

Bevezetés A „nanosz” görög eredetű szó, jelentése törpe. Egy nanométer 10– métert jelent,

azaz a méter egymilliárdod része. Ebben a mérettartományban lehetőségünk nyílik az anyagot tulajdonképpen atomonként, molekulánként megismerni. A nanoszerkezetek vizsgálatával foglalkozó kutatók célja, hogy megértsék a nanomérettartományokban az anyagok alapvető tulajdonságait, melyet nanotudománynak neveznek.

Ezen tulajdonságok összpontosított,

hatékony

felhasználását

pedig

„nanoengineering”-nek nevezzük, melyet magyarul a nanotechnológiával foglalkozó mérnöki tevékenységeknek hívunk. A nanotechnológia magába foglalja a nanomérettartományban végzett tudományos, technológiai képalkotást, mérést, modellezést, valamint az ilyen dimenziójú anyagoknak a kezelését, előállítását [1]. A

nanotechnológiának

számos

definíciója

használatos.

A

National

Nanotechnology Initiative (az Egyesül Államok nanotechnológiával foglalkozó tudományos tudástára) szerint: a nanotechnológia a megértése és befolyásolhatósága az anyagoknak az 1 és 100 nanométeres (nm) mérettartományban, ahol egyedi újszerű jelenségek válnak értelmezhetővé, melyek nem megvalósíthatóak hagyományos feldolgozott anyagokkal vagy akár atomokkal, molekulákkal [1]. Egy másfajta értelmezés szerint az olyan technológiát hívjuk nanotechnológiának, amely olyan méretű anyagokat állít elő, vagy használ fel, melyeknek legalább egy dimenziója nanométeres tartományba esik. Ez a műszaki gyakorlatban az 500 nm alatti mérettartományt jelöli. Ilyen technológiával különleges tulajdonságú anyagokat tudunk előállítani:

megkarcolhatatlan

napszemüveget,

antibakteriális

autófestéket, hatású

szabályozható

csempefugát,

fényáteresztésű

pillanatszerűen

oldódó

gyógyszerkészítményeket, szuperkönnyű ruházatot stb. [2]. Diplomamunkámban a nanotechnológiákon belül a nanoszálak előállításának területét vizsgáltam az elektrosztatikus szálképzésen keresztül, amely alkalmas ilyen dimenziójú szálak előállítására. Egy meglévő gépet fejlesztettem tovább, amely egy újfajta technológiai szabadalmat alkalmaz az elektrosztatikus szálképzés területén. A gép üzemeltetése és működtetése számos problémával küzdött, mely alkalmatlanná tette a stabil, megbízható, biztonságos működtetésre. Ezért a technológia felhasználásával – a korábbi gép hibáinak feltárása után – egy új berendezést terveztem.

–3–

2

Irodalmi áttekintés Dolgozatom

témája

az

elektrosztatikus

szálképző

berendezés,

amellyel

nanoméretű szálakat lehet előállítani. Ez a fejezet mutatja be a különböző hagyományos szálakat, szálgyártó eljárásokat, majd a későbbiekben a nanoméretű szálak tulajdonságait, alkalmazásának előnyeit.

2.1 Szálak és tulajdonságaik ismertetése Szálaknak nevezzük azokat a szerkezeteket, amelyek hosszirányú kiterjedése több nagyságrenddel nagyobb, mint az átmérője (ezeket gyakorlatilag egydimenziósnak tekintjük). Ezeket az anyagokat leginkább a textilipar használja fel, valamint a műanyagipar, erősítőanyagként. Például a fröccsöntő ipar, amely jellemzően rövidszálas erősítésként 0,2–0,4 mm-es szálhosszakat dolgoz fel. Létezik hosszúszálas fröccsöntés is, mellyel 10 mm feletti szálhosszakat is képesek elérni fröccsöntés után, a technológiai paraméterek szálakat

kímélőbb

megválasztásával [3].

A különböző térhálós

gyantamátrixú kompozitokat előállító iparágakban, a gumiiparban (abroncserősítésre fémszálak), vagy az építő iparban (vasbetongyártásra) is használnak szálakat. A szálak általános alapjellemzői között említhetjük a szálforma geometriai jellemzőit, melyek a teljesség igénye nélkül a szál keresztmetszete (lehet konvex, konkáv, üreges), a szálhossz jellemzőit (ív–, vetületi–, húrhossz, statisztikai jellemzők stb.), a szál alakja (lehet egyenes, hullámos, hurkos, göngyölődött stb.) és a szál felületi jellemzői (lehet sima, érdes, barázdált, tagolt stb.). A szálak további alapjellemzői a szál anyaga, a lineáris sűrűsége, melynek mértékegysége a tex, valamint a karcsúsági index, melynek nincs mértékegysége. Egy tex egy kilométer hosszú szál tömegét jelenti grammban. A karcsúsági index jele λ, a hossz és az átmérő várható értékének hányadosa. A textiltechnológiákkal feldolgozható természetes szálak tipikus értéke λ=1000–5000, de léteznek ennél magasabb karcsúsági indexű szálak is (filament). A szálak lineáris sűrűsége és a szálak átmérője minél kisebb, a szálakat annál finomabbnak nevezzük. A szálak finomsági osztályait és ezen osztályok hagyományos lineáris sűrűség és átmérő értékeit az 1. táblázat foglalja össze [4].

–4–

1. táblázat Szálfinomság tipikus értékei [4] Szálfinomság

Lineáris sűrűség

Ultradurva

Átmérő

> 10 dtex

> 100 µm

Durva

5…10 dtex

22…100 µm

Normál, középfinom

2…5 dtex

15…22 µm

Finom

1…2 dtex

10…15 µm

Ultrafinom

0,1…1 dtex

3…10 µm

Mikroszálak

< 0,1 dtex

0,5…3 µm

Nanoszálak

<0,01 dtex

< 500 nm

A szálak mechanikai teherbírásának jellemzésére a fajlagos szilárdság [N/tex] és a szakítóhossz [km] mennyiségek használatosak. A szakítóhossz alatt azt a mennyiséget értjük, amely alatt a felfüggesztett szál saját súlya alatt elszakadna, ezzel utalva a szakítóerőre. A fajlagos szilárdságot a szakítószilárdság és a lineáris sűrűség hányadosaként számíthatjuk. A szilárdtest paradoxonja szerint „az anyagok

szakítószilárdsága szálformában

nagyobb, mint a szokásos, terjedelmesebb, tömbalakban, de kisebb az elméletileg elérhetőnél” [4]. A szálforma paradoxonja szerint „miközben a szakítóerő nő, a szálak szakítószilárdsága csökken a szálátmérő növekedésével” [4]. Ezek szerint szálas alakban az anyag szakítószilárdsága jobban kihasználható, valamint minél kisebb átmérőjű szálakat tudunk előállítani, a szakítószilárdság annál nagyobb lesz (azonos technológia esetén). Ez annak köszönhető, hogy a szerkezeti hibák annál kisebb valószínűséggel jelennek meg, minél kisebb a keresztmetszet, azt feltételezve, hogy az egységnyi térfogatban azonos valószínűségű a hibák száma. Felhasználásuk

alapján

megkülönböztetünk

olyan,

mindennapjainkban

alkalmazott szálakat (humán környezeti szálak), melyeket magas komfortérzetük miatt használunk fel ruházati textíliák készítésére és köznapi célokra (háztartási és lakástextíliák), valamint műszaki szálakat, melyeket mechanikai teherbírásuk miatt alkalmazzuk. Utóbbinak két csoportját különböztetjük meg, a különleges funkciójú és a nagy teljesítőképességű szálakat [4]. A szálakat csoportosíthatjuk eredetük szerint is. Megkülönböztetünk természetes és mesterséges szálakat. A természetből nyert szálakat soroljuk az első kategóriába. Ezeket a szálakat feldolgozáskor azonban felhasználhatóságuk és minőségük javítására azonban fizikai módosításoknak vetik alá. Ilyen módosító eljárások lehetnek a –5–

különböző textilipari technológiáktól függően a tilolás, fésülés, válogatás, tisztítás, feltárás, szálképzés, kártolás, nyújtás, sodrás stb. Ezek a szálak rendszerint a néhány µm-es átmérő tartományba esnek (pl.: len 15–30 µm, selyem 9–12 µm [1]). A természetes szálak további csoportosítását mutatja a 2.1. ábra.

2.1. ábra Természetes szálak csoportosítása eredet szerint [5]

Mesterséges szálakat további csoportosításait mutatja a 2.2. ábra. Az ábrán látható, hogy a szerves szálaknak a természetes és a mesterséges alapú (szintetikus) típusait különböztetjük meg. A természetben előforduló, de azokat valamilyen kémiai eljárásnak alávetett szálakat csoportosítjuk az előbbi kategóriába. A szervetlen szálakat nem szokás további csoportokba osztani.

2.2. ábra Mesterséges szálak csoportosítása eredet szerint [5]

–6–

2.2 Hagyományos szálgyártó eljárások Szálgyártó eljárások esetén a szálforma paradoxona miatt arra kell törekednünk, hogy minél kisebb átmérőjűek legyenek a szálak. Ennek számos módszere létezik, amelyek az egyes módszereknél külön-külön bemutatásra kerülnek. Általánosan elmondható azonban, hogy szálátmérő csökkentésének és egyben a szilárdságuk növelésének egyik módja a nyújtás. Nyújtás során a gyártás során képződő szálakat nagyobb sebességgel húzzuk el, mint azok képződési sebessége, vagy ha a gyártásuk után végezzük az eljárást, akkor az elhúzási sebesség nagyobb, mint az adagolási. Ennek során a szálak megnyúlnak, keresztmetszetük csökken, valamint orientálódnak a húzás irányába, melynek hatására szilárdságnövekedés tapasztalható [4]. A nyújtásnak is van technológiai korlátja, mert az anyag szilárdságát elérve elszakítjuk azt. Ezért a szálakat az alkalmazott eljárások függvényében rendszerint olvadt, vagy gél fázisában nyújtjuk, amely állapotban az anyag sokkal rugalmasabb, nagyobb alakváltozásokat képes elviselni. Ezeket az eljárásokat két csoportba sorolhatjuk, az oldatos és az ömledékes eljárásokba.

2.2.1 Oldatos szálképző eljárások Az oldatos eljárásoknak négy csoportját különböztetjük meg, úgymint nedves, áramlásos, valamint a száraz szálképzés.

2.2.1.1

Nedves szálképzés

Az eljárás tipikus berendezésének elvi vázlatát mutatja a 2.3. ábra. Nedves szálképzéssel leggyakrabban PAN (poli(akril–nitril)), PUR (poliuretán) és PVC (poli(vinil-klorid)) szálakat gyártanak [4]. Az eljárás során a polimer oldatot – általános esetben 5–20%-os a koncentrációja [4] – egy fogaskerék szivattyú megfelelő és egyenletes nyomást létrehozva préseli keresztül a szálképző fejen, amely teljes egészében egy kicsapó fürdőben (anyagfüggő, pl. kénsav, vagy víz) található. A szál ebben a fürdőben gél állapotban található, mely átmenetet képez a szilárd és a folyadék halmazállapot között. A lágy állapota miatt a szálak kis erővel, könnyen nyújthatóak, valamint nagy alakváltozásokat képesek elviselni, ezáltal nagyfokú orientáció érhető el bennük, mely szilárdságnövelő hatású. Ezért a fürdő utáni nyújtó henger sebessége ennél a technológiánál igen nagy (elérheti a 10 m/s–t is [4]). –7–

A legfontosabb előnye a nedves–nyújtásos szálképzésnek, hogy nem igényli hőenergia bevitelét a rendszerbe. A legtöbb polimer esetében az oldat viszkozitása a kritikus tényező szálképzés során. Általánosságban a legnagyobb viszkozitási érték (ez összefüggésben van a koncentrációval is), mellyel még képesek vagyunk szálat gyártani (kisebb valószínűséggel marad oldószer az anyagban), fogja adni a legjobb szálminőséget [6]. Nagyobb viszkozitású polimer oldatok feldolgozása estén azonban előfordulhat, hogy szobahőmérsékletnél magasabb hőmérsékletre melegítik az oldatot, de ez nagyságrendekkel alacsonyabb energiát igényel, mintha megömlesztenénk azt.

2.3. ábra Nedves szálképzés: 1–oldat, 2–fogaskerék–szivattyú, 3–szálképző fej, 4– kicsapó szer, 5–nyújtóhenger, 6–csévélő hengerpár

Komoly hátránya azonban a technológiának az oldószer visszanyerése. A ritka példáktól eltekintve (vízoldható polimerek), a legtöbb polimer anyag oldószere rendkívül tűzveszélyes és egészségre ártalmas. Ezért az oldószer visszanyerése nagyon fontos feladat, lehetőség szerint egy zárt rendszerben kell visszanyerni azt a folyamat végén. Ha ez nem megoldható, akkor a megsemmisítéséről, ártalmatlanításáról gondoskodni kell, minimalizálva a környezetbe való kerülésének veszélyét.

2.2.1.2

Száraz szálképzés

A száraz szálképzés során a viszonylag nagyobb koncentrációjú polimer oldatot fogaskerék szivattyú préseli át a szálképző fejen, mely a szabad levegőbe engedi ki a szálakat, ahol forró levegővel fúvatják meg azokat (2.4. ábra). Ez a forró levegő azért szükséges, hogy a szálképzőből érkező szálak tovább maradjanak lágy állapotban (így –8–

könnyen alakítható). Egy megfelelő sebességgel forgó henger nyújtja a szálakat, miközben fokozatosan lehűlve megszilárdulnak. Ezzel a technológiával általában CA (cellulózacetát), PAN és PUR szálak állíthatóak elő. A koncentrációja az oldatnak jellemzően 20–25%-os, a szálképzés sebessége pedig elérheti a 4 m/s-os sebességet [4].

2.4. ábra Száraz szálképzés berendezésének elvi ábrája[4]

2.2.1.3

Áramlásos szálképzés

Az áramlásos szálképzés nagyon hasonlít a száraz eljáráshoz, csak itt a polimer oldat kisebb koncentrációjú és ez által nehezebben párolog el belőle az oldószer. Ezért a szálakat nem lehet csupán a szálak elhúzásával nyújtani. Itt megfelelő sebességű levegővel való fúvatással érik el ezt a hatást, valamint az oldószer gyorsabb elpárologtatását (2.5. ábra). Ehhez egy megfelelően kiképzett tartályra van szükség, amely megfelelő áramlást biztosít, hogy a nagysebességű légáram a szálképző fejből érkező szálakat megnyújtsa, ne összekavarja. A tartály végén itt is található egy elhúzó egység, amely a képződő szálfolyamot elszállítja, valamint még nyújtja is azokat. Az eljárással úgynevezett rézoxid (régebbi elnevezése szerint kupro) szálakat állítanak elő (rézoxid–ammónia eljárással készült módosított cellulózszál [7]). Az oldat koncentrációja 5–20% között lehet, a szálképzés sebessége pedig a 4 m/s-ot érheti el, hasonlóan a száraz eljáráshoz [4].

–9–

2.5. ábra Áramlásos szálképzés berendezésének elvi ábrája[4]

2.2.2 Ömledékes szálképző eljárások Az ömledékes eljárást nem szoktuk további típusokra bontani, de különbséget mutatnak a hőre lágyuló polimer szálakat előállító, valamint a szervetlen szálakat előállító technológiák (ezeket helyesebben olvadékosnak hívjuk).

2.2.2.1

Hőre lágyuló polimerek ömledékes szálképzése

A hőre lágyuló polimer szálakat leggyakrabban ömledékes szálképzéssel állítják elő. Ehhez az eljáráshoz alkalmas berendezés rendszerint egy ömledéket előállító szálextruderből,

adagoló

fogaskerék

szivattyúból

(megfelelő

és

egyenletes

ömledéknyomás miatt), szálképző fejből, szűrőből, hűtőaknából (a hűtőközeg általában áramoltatott levegő), valamint a nyújtásért és kiszerelés képzésért felelő csévélőből áll. Ezt a tipikus berendezést mutatja a 2.6. ábra.

2.6. ábra Hőre lágyuló polimerek szálképző berendezése [6] – 10 –

Ezekkel a technológiákkal előállított szálak átmérőinek komoly technológiai korlátot szab a szálképző fej elkészíthető furatainak mérete. Ebből kifolyólag a furatokat készítő fúrószerszámok, valamint a fejet gyártó gép pontossága. A szerszámgyártó cégek közül számos ajánl úgynevezett mikrofúrókat. Ezekkel a szerszámokkal elkészíthető furatoknak tehát ez adja a technológiai korlátot, ezért nem lehet ilyen technológiával jelenleg nanoszálakat előállítani. (Ilyen szerszámokat gyártó cég például a SECO® , mely az átmérő 0,1 mm–től a 2 mm–ig ajánl fúrókat [8]. Hasonló megoldásokat kínál a picoDRILL SA, a néhány század millimétertől a 0,5 mm-es fúróátmérőkig [9]. Nem szabad elfelejtkeznünk azonban arról, hogy ezek a fúrók is tűréssel készülnek (D 0/+0,005 mm [8]), valamint a szerszámgép pontosságától függően (mekkora a szerszámgép ütése) az elkészíthető furat a fúró átmérőjétől nagyobb lesz. Ezek után a furatok valamilyen utómegmunkálást igényelnek – rendszerint furatköszörülés –, mely az elkészíthető furat átmérőjét tovább növeli. Koextrúzióval képesek vagyunk különböző szálszerkezetű szálak gyártására (2.7. ábra), amelyeknek három fő típusa van, a kétoldalú (bilaterális), a mag/köpeny, valamint a szál/mátrix szerkezetű szálak. A különböző ömledékáramok beállításával, valamint speciális szerszámozással érhetőek el ilyen típusú szálak. Ezeknél a szálaknál fontos a jó adhéziós kapcsolat, tehát az anyagválasztásnál ügyelni kell, hogy egymással kompatibilis anyagokat válasszunk.

2.7. ábra Kétoldalú (bilaterális), mag/köpeny és szál/mátrix szálszerkezetek

További, különleges eljárásnak tekinthető az úgynevezett konjugált szálak gyártása, melyet a 2.8. ábra mutat. Ezek a szálak is koextrúzióval készülnek, de ennél a technológiánál nem kell jó adhéziós kapcsolatnak lennie az anyaghatárokon. A technológiával képesek vagyunk speciális keresztmetszetű szálakat gyártani, mert az egyik komponenst megfelelő oldószerrel kioldjuk, vagy kiolvasztjuk. Így az anyagválasztásnál ügyelnünk kell arra, hogy az oldószer csak az egyik komponenst – 11 –

oldja, valamint kiolvasztásnál a maradó komponens olvadáspontja legyen magasabb, mint a másiké.

2.8. ábra Konjugált szálak előállítása [4]

Néhány század mm-es furatú szerszámmal akár mikroszálak is előállíthatóak kioldással. Ehhez az úgynevezett szeleteléses technikákat, illetve a sziget a tengerben technikákat alkalmazhatjuk (2.9. ábra) [4].

2.9. ábra Szeleteléses technikák a szintetikus szálképzésben [4]

Egy igen speciális eljárásnak tekinthető az ömledékfúvással szálakat képző technológia. Az eljárást az Egyesült Államokban fejlesztették ki az 1950-es években olyan szűrők előállítására, amelyekkel radioaktív részecskéket lehet befogni a magas légkörben [10]. Az ömledékfúvásos szálgyártás lényege, hogy a hőre lágyuló polimer ömledékét egy extruderből a megfelelően kialakított szerszámba vezetik, amelyből az anyag nagy – 12 –

sebességű, forró légáramlatba távozik. Ennek hatására a polimer ömledékből kialakult szálak erősen megnyúlnak és elvékonyodnak. A légáramlat a szálakat egy speciális hengerre, az úgynevezett kollektorra vezeti, amelyen a szálak összetapadnak és szövedéket alkotnak [10]. A szálképző furatokat magában foglaló egység a szerszám legdrágább része, mivel igen szűk tűrésekkel, nagy pontossággal kell elkészíteni. Több száz, általában 0,4 mm átmérőjű furat van elhelyezve egy sorban, 1–2 furat/mm2 sűrűségben. A levegő bevezető csatornák a szálképző furatok alatti és feletti hosszanti réseken bocsátják ki a nagy sebességű forró levegőt. A kompresszor által szállított levegőt elektromosan vagy gázzal fűtött hőcserélőkben melegítik fel a kívánt hőmérsékletre. A levegő hőmérséklete többnyire 230–360°C, míg sebessége kb. 600–960 km/h között változik [10]. A forró légáram megnyújtja a szerszámból kilépő szálakat. A befúvástól távolodva azonban a légáram hőmérséklete lecsökken, a magával ragadott hidegebb levegővel találkozva impulzuscsere (örvények, turbulens áramlás) jön létre, melynek hatására a szálak is lehűlnek, megszilárdulnak. (A furatból kiáramló levegőszabadsugárhoz hasonlatosan, ahol a sugárba bekeveredő, azáltal magával ragadott környezeti levegő áramlik a sugár irányába. Ezek a képződő örvények döntő szerepet játszanak a szabadsugár és a környezete közötti impulzus átadásában, keveredésében. [11]) A szálak a turbulens áramlás miatt összekuszálódva és összetapadva rakódnak le egy lyukacsos felületű forgó dobra, a szálgyűjtő dobra, amelynek a belsejéből folyamatosan elszívják a levegőt. A dob és a szerszám távolságának, valamint a dob fordulatszámának változtatásával széles határok között lehet szabályozni a kész kelme tulajdonságait. A szálgyűjtőről továbbhaladó kelmét egy másik dobra tekercselik, majd a kívánt felhasználásnak megfelelő további feldolgozás következik [10]. Ez a technológia az ultrafinom és mikroszálak, valamint a belőlük készült nemszőtt kelmék előállításának egyik legelterjedtebb módszere. A szálak átmérője általában 2 és 4 µm között változik, de 0,1 µm is lehet, tehát már nanoszálaknak tekinthetőek. A technológia azonban nem alkalmas szabályos nanoszálas szerkezetek előállítására, mert a szálak átmérője igen nagy szórást mutat, nem biztosítható az egyenletessége [10].

2.2.2.2

Szervetlen anyagok szálképzése

Az ömledékes szálképzésen belül a hőre lágyuló polimer szálak előállításától elkülönül egy kissé a szervetlen anyagokból képzett szálak technológiája, mint például – 13 –

az üveg– és a bazaltszál gyártás, amelyek esetében inkább olvadékról beszélhetünk, mint ömledékről. Az üveg amorf anyag, kb. 1200°C-on olvad meg, azonban nem alkalmas szálképzésre, míg az olvadék el nem éri a 2000°C-ot. (A polimerek meg sem közelíthetik ezt a hőmérsékletet, hiszen a bomlási hőmérsékletük jóval alacsonyabb, ezért ezekre az anyagokra természetszerűleg is más technológiát kell alkalmazni.) Adalékokkal csökkenthető ez a hőmérséklet (tipikusan Al2O3 és B2O3), alkalmassá téve az üveget 1300–1600°C között is a szálgyártásra [12]. Az üvegszál-gyártásra használt technológiáknak 2 típusa van. Az egyik típus esetén üveggolyókat állítunk elő, majd a szálképzési fázisban újraolvasztjuk azokat. Ezt a technológiát közvetett olvasztásos eljárásnak hívjuk (2.10. ábra) [13].

2.10. ábra Közvetett olvasztásos technológia folyamatos üvegszál–gyártásra [13]

A másik lehetőség a közvetlen ömlesztési folyamat, melyben az ömlesztő tartályba folyamatosan adagolják a nyersanyagot, ezután bekerül egy beömlőbe, majd a szálképző fejbe. Ezt a technológiát mutatja a 2.11. ábra. A szálképző fejben egyszerre 2000–4000 szál képződik, de a technológia folyamatos fejlesztés alatt áll [12].

– 14 –

2.11. ábra Közvetlen olvasztásos technológia folyamatos üvegszál–gyártásra [13]

Az üvegolvadékot egy megfelelő furatokkal ellátott szerszámon vezetik keresztül. Az ezzel a módszerrel előállítható szálátmérő csupán az olvadéknak a folyási tulajdonságaitól függ (elsősorban a viszkozitásától, ügyelve közben arra, hogy az anyagáram ne szakadjon meg), a súrlódástól nem. Éppen ezért nagyon fontos, hogy az olvadék viszkozitása viszonylag állandó érték körül legyen [13]. A képzett szálak átmérője jellemzően 5–25 µm között változik [12]. A bazalt egy természetes eredetű vulkáni kőzet, az üveghez rendkívül hasonló anyag. Felhasználása elsősorban zúzalékként az építőipar számára, valamint vasúti töltésekhez, de jelentős mennyiségben állítanak elő belőle szálakat. A bazaltszálakat számos kiváló tulajdonság jellemzi: nagy rugalmassági modulusuk és kiváló hőállóságuk mellett a belőlük készült szál hő– és hangszigetelő képessége, továbbá rezgéscsillapító

tulajdonsága

is

kiemelkedő.

A

bazaltszálat

a

folyamatos

üvegszálhúzáshoz hasonló technológiával, vagy a bazaltkő megolvasztásával és szálazásával állítják elő. Ez utóbbit nevezzük Junkers-eljárásnak, amely egy speciális üvegszál gyártási technológia bazaltszálak előállítására.

– 15 –

2.12. ábra Junkers féle bazaltszál–gyártási technológia vázlata [14] 1–bazalt olvadék, 2–légfúvókák, 3–gyorsító henger, 4–szálképző henger, 5–olvadt bazaltcseppek, 6–8 szálképződés folyamata, 9–szál, 10–szálfej

Ezzel az eljárással rövidebb szálak állíthatóak elő. Ehhez az 1500°C-on megolvadó kőzetből képzett olvadékot centrifugális fúvással 6–10 µm átmérőjű, 60–100 mm hosszú szálakat képeznek. Ezt nevezzük kőzetgyapotnak, melyet viszonylag gyenge mechanikai tulajdonságok jellemzik, azonban komoly előnye az olcsó előállíthatóság és a jó szigetelőképesség. Az eljárás lényege, melyet a 2.12. ábra mutat, hogy az olvadt kőzetet a 4-es jelű nagy sebességgel forgó acélhengerekre öntik. A centrifugális erő hatására cseppek válnak le, melyekből a 2-es jelű fúvókákból rábocsátott nagysebességű légáramlat szálakat húz, melyek fokozatosan hűlnek le [14]. Az így képzett szálak végén gombostűhöz hasonló fej marad, melyek növelhetik a szál szilárdságát, letörve azonban csökkentik, feszültséggyűjtő helyekké válva, mert repedés indulhat ki helyükről [15].

2.3 Nanoszálas szerkezetek Az előbbiekben felsorolt eljárások többsége tehát nem alkalmas stabil körülmények között nanoszálak előállítására. Az ömledék fúvással ugyan érhetőek el ilyen átmérőjű szálak, de ezt a már ismertetett módon jelenleg még nem szabályozhatjuk megfelelően. Éppen ezért az ilyen szerkezetek előállítása speciális technológiák kifejlesztését tette szükségessé. Az elmúlt évtizedben hatalmas növekedés volt tapasztalható a – 16 –

polimer nanoszálak iránti igényben, melyek igen ígéretes megoldásokat kínálnak különböző alkalmazások, mint például a sebészet, védő ruházatok, szűrők és érzékelők számára. Ezen igények kielégítésére kezdték el fejleszteni az elektrosztatikus szálképzést, a centrifugális erő segítségével képző eljárást (forcespinning) illetve fejlesztették tovább az olyan, már meglévő technológiákat, mint az ömledékfúvást (ennek korszerűsítése, hogy a szálképzés stabilabbá váljon), valamint a különböző (már említett) koextrúziós szálképző megoldásokat, amelyek alkalmasak lehetnek irányítható tulajdonságú nanoszálak előállítására korlátozott stabilitással [16]. A nanorészecskéknek igen komoly egészségkárosító hatásai ismertek (elsősorban a májra, a légúti szervekre és a központi idegrendszerre gyakorolt hatásuk [17], [18]), a lehetséges szövődményeket komolyan kell kezelni. A nanoszálak toxikus hatásairól azonban még nincsen tudomásunk [17]. A szálak ugyan nanométeres tartományú átmérővel készülnek, de azok hossza ennél több nagyságrenddel nagyobb, ezért bejutásuk az élő szervezetbe igencsak korlátolt. Ezért alkalmazhatóak ilyen formában az élelmiszeriparban (pl. ivóvíz szűrőkben), valamint gyógyászati célokra is (a bevezetésben közölt példán kívül olyan különleges sebtapaszok készítésére, amelyek nem engedik át a baktériumokat, mert az erre a célra alkalmazott, nanoszálakból alkotott szövedék pórusméretei kisebbek, mint a baktériumok.).

2.3.1 Szálképzés centrifugális erővel (forcespinning) A nanoszálképző eljárásokon belül igen jelentős figyelmet érdemel a centrifugális erő segítségével nanoszálakat képző technológia, angolul forcespinning. Ez a technológia alkalmas polimer oldatok és ömledékek feldolgozására is. Lényege, hogy egy nagysebességgel megforgatott ömledéktartályból egy kis furaton, vagy résen keresztül a centrifugális erő és forró levegővel való megfúvatás hatására az ömledékből, vagy az oldatból szálak válnak ki egy gyűjtőhengerre. A berendezés elvi ábráját mutatja a 2.13. ábra.

– 17 –

2.13. ábra Centrifugális erővel képzett szálakhoz alkalmas berendezés elvi ábrája [19]:1 – gyűjtő (áll), 2: szerszám (forog), 3: fűtőegység+tartály (forog)

A berendezés fűti a szálképző anyagot (viszkozitás csökkentés), melyet ezzel a fűtőegységgel együtt igen nagy sebességen forgatva a centrifugális erő nanoszálakat húz ki az anyagból a szálképző fejen keresztül, amely legalább egy furattal rendelkezik. A technológia legfontosabb paraméterei a fűtött rendszer forgási sebessége, a fúvóka elrendezés, a gyűjtőrendszer és a hőmérséklet, melyek felelősek a nanoszálak geometriájáért és morfológiájáért. Nanoszálak előállításához a forgási sebesség legkisebb értéke 500 1/min, de egyes esetekben (anyag, viszkozitás, ezáltal hőmérséklet függvénye) szükséges lehet a 40.000 1/min is. Lozano és Sarkar kísérletei [19] alapján a feldolgozható anyagmennyiség az 5 ml-től az 1000 ml-ig terjedhet. A nagyobb anyagmennyiséget hosszabb ideig kell, nagyobb sebességgel forgatni a szálképzés elkezdéséhez, ez 500–25.000 1/min-es fordulat esetén a 300–2000 s-ig terjedő időtartamot jelent. A technológia előnyei között

említhető, hogy rendkívüli termelékeny,

környezetbarát (nincs melléktermék-képződés), feldolgozhatóak vezető és nem vezető oldatok is, nem igényel nagyfeszültséget, így üzemeltetése nem jelent nagy veszélyt felhasználója számára [21]. Komoly hátránya azonban a fűtőegység szükségessége, amely növeli az eljárás üzemeltetési költségeit, valamint hogy a képződő szálak átmérője nehezen tartható nanométeres tartományban [21].

– 18 –

A szerszámok kialakítására több szabadalom is készült [19],[20], amelyek rendkívül hasonlóak a következő fejezetben bemutatott, elektrosztatikus szálképzésnél alkalmazhatóakkal. Néhány példát mutat a 2.14. ábra.

2.14. ábra Szerszámkialakítás példák centrifugális erővel képzett szálak technológiájához, sorrendben: fecskendő, szűrő, valamint duplafalú cső [19]

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

Az elektrosztatikus szálképzés alkalmas polimer oldatok és ömledékek feldolgozására is. Egy hagyományos szálképző berendezés elvi ábráját mutatja az 2.15. ábra. Egy ilyen berendezéshez, ahogy azt a rajz is mutatja, szükség van egy nagyfeszültségű tápegységre (≌55–60 kV), egy elektromosan vezető polimer oldatra, vagy ömledékre, valamint egy gyűjtőre, vagy más néven kollektorra.

2.15. ábra Elektrosztatikus szálképzés hagyományos berendezésének elvi ábrája

A polimer oldatot (vagy ömledéket) a nagyfeszültségre kapcsolva, átnyomjuk egy kis nyíláson (fecskendő, pipetta stb.). A földelt gyűjtő nagy erővel vonzza a feltöltött anyagot,

a

kettejük

közötti

potenciálkülönbségből

adódóan.

Ahogy

a

potenciálkülönbség nő, az anyag fokozatosan felveszi az előbb már említett cseppszerű alakot, melyet Taylor–kúpnak nevezünk. A potenciálkülönbséget tovább növelve, az elektromos térerő hatására létrejövő Coulomb–erő leküzdi a folyadék felszínére ható felületi feszültséget, melynek hatására egy folyadéksugár lép ki nagy sebességgel a Taylor–kúp csúcsából. A nagy fajlagos felület hatására az oldószer elkezd párologni (oldat esetén) vagy az ömledék elkezd megszilárdulni (ömledék esetén), egy igen vékony szálat képezve. A szál

keresztmetszete

a

gyűjtő

felé

haladva

fokozatosan

csökken,

a

potenciálkülönbségből származó nyújtóerők miatt. Az átmérő (ezzel együtt a tömeg) – 20 –

csökkenés hatására a szálfolyam instabillá válik, majd egyfajta oszcilláló mozgást végezve a szálak keresztmetszetei tovább csökkennek igen jelentős mértékben (ekkor már szabad szemmel nem láthatóak). A végső szálfolyam ezek után egy orientálatlan szövedéket képez a gyűjtő felületén. Általános szabályként megemlíthető, hogy az oldatos szálképzéssel vékonyabb szálak állíthatóak elő, mint ömledékes szálképzéssel, köszönhetően a jóval kisebb viszkozitásnak és az oldószer elpárolgásának. Azonban az ömledékes szálképzésnek is vannak igen komoly előnyei, ilyen például az egészségre ártalmas oldószerek hiánya, valamint, hogy jóval nagyobb anyagáramok érhetőek el. Mindezek ellenére az ipari felhasználása ennek a típusú szálképzésnek még nem olyan jelentősek, de előnyei miatt ennek a jelentősége is valószínűleg nőni fog a jövőben [27]. Az ipari termelésben, a folyamat paraméterei igen tág határok között változtathatóak az elérhető szál geometriájának módosíthatóságára. Például: [27] 

Az ömledék–, vagy oldatáram növelésével a szálátmérő növekedése tapasztalható, azonban a túlzott növelése úgynevezett szakállképződéshez (összecsomózódott,

szakállhoz

hasonló

szálfolyam)

és

egyenetlen

szálátmérőhöz vezethet. 

Az adagoló és a gyűjtő közti távolság növelésével a szálátmérő csökkenése tapasztalható, azonban a túlzott növelés hatására az oszcilláló szálak elszakadhatnak a gyűjtő elérése előtt.



A potenciálkülönbség [kV] növelésének hatására a szálátmérő csökken, azonban a túlzott növelése szálszakadáshoz vezethet.



Az oldat koncentrációjának növelése (oldatos szálképzés esetén) növeli a szálátmérőt, de szakállképződéshez is vezethet.



A folyadék felületi feszültségének csökkentésével (oldatos szálképzés esetén) a szálátmérő növekedése tapasztalható.



Az ömledék hőmérsékletének növelésével (ömledékes szálképzés esetén) a szálátmérő csökkenthető.



A polimer molekuláris szerkezetének megváltoztatása, mint a molekulatömeg, topológiai alak (lineáris, elágazó), konformáció szintén hatással vannak a szálátmérőre oldatos és ömledékes szálképzés esetén is.

Az elektrosztatikus szálképzéssel kezdetben csak szövedékeket lehetett gyártani, de a technológia fejlődésével ma már megszűntek ezek a korlátok és képesek vagyunk más szerkezetek előállítására is. – 21 –

Előállíthatóak mag/héj szerkezetű polimer

szálak

is [28],

amelyek

a

koextrudáláshoz hasonló struktúrákat hoznak létre. Maa és társai vizsgálatuk során [28] megfelelő anyagpárosítással érték el a megfelelő, elektrosztatikus szálképzéssel előállított szerkezetet, amely polietilén-oxid (PEO) és nátrium-citrát (SA) anyagok voltak. Egy hagyományos, álló (vagy lassan mozgó) szálgyűjtővel orientálatlan kelme hozható létre, de a szálgyűjtő mozgatásával képesek vagyunk orientáltabb szerkezetek létrehozására. A szálak orientáltsága még így sem közelíti meg az unidirekcionális (fektetett), valamint a hagyományosan szőtt kelmékét, de ad egyfajta irányultságot a szálaknak. Véleményem szerint a technológiában rendkívül nagy lehetőségek rejtőznek, a szálak mechanikai kihasználtságát azonban még tovább kell fejleszteni az orientáció növelésének segítségével (ez egyben ipari felhasználás terén a termelékenység növelését is igényli). A technológia fejlődésével igen komoly figyelmet kapott a 3D-s szerkezetek előállításának lehetősége is. Ennél a technológiánál a szakirodalom szerint egy tengelye körül forgó csőszerű földelést alkalmaznak, létrehozva egy cső alakú kelmét, melyből nem csak hengeres, de kúpos változat is létrehozható. Mindkét típusból nyitott és zárt is készíthető. Bonyolultabb struktúrák is gyárthatóak, ezekhez legalább két, egymástól függetlenül mozgatható tengelyű földelt elektródára van szükség, a feszültség szimultán vezérelhetőségével [27]. Az elektrosztatikus szálképzés komoly problémája a csekély termelékenysége, az egyszerű szálképző fejek (legegyszerűbb változata a fecskendő, vagy az ehhez hasonló kialakítások) kihozatala csak laboratóriumi mennyiség előállítását teszi lehetővé. Ennek növelésére számos eljárással kísérleteztek. A szálképző furatok számának kézenfekvő növelése nem okoz jelentős termelékenységjavulást, mert a furatok eltömődése (az oszcilláló szálfolyam feltekeredik, eltömítve a többi adagolót, valamint az oldószer hamarabb elpárolog a tervezettnél) miatt ezek nem használhatóak hatásosan. Léteznek ennek ellenére különböző, kereskedelmi forgalomban kapható termékek is ilyen típusú fejekre, amelyet a 2.16. ábra mutat.

– 22 –

2.16. ábra Lineáris, valamint 3D-s elrendezésű fúvókafejek [29]

A több fúvókás fejek hátrányainak kiküszöbölésére fejlesztették ki a fúvókamentes (nozzle-free) elektro-szálképzési eljárásokat. Ezen eljárások lényege, hogy nem használnak hagyományos fúvókát, hanem különböző módszerrel, de létrehoznak egy vékony folyadékfilm réteget, amelyről egyszerre számos Taylor–kúp képződhet. Ezt leggyakrabban elektrosztatikusan feltöltött, különböző geometriájú elemekkel érik el, ezekre visznek fel egy vékony folyadék filmréteget, amely filmréteg folyamatos és egyenletes ellátásáról ezen elemek egyenletes forgómozgása biztosítja. Ilyen például a forgóhengeres elektrosztatikus szálképzés, amelyet a Libereci Műszaki Egyetemen Jirsak és kollégái [32] fejlesztettek ki. Szabadalmukban leírták a 2.17.

ábra

szerinti

berendezés

működését

és

elvi

alapjait.

A

berendezés

elektrosztatikusan feltöltött hengere a polimer oldatba merülve forog, a felületére feltapadt oldatból képezve a szálakat. Az így képződő vékony folyadékfelszínről számos Taylor–kúp képződik, melyekből szálak válnak ki, az egyszerű adagolóhoz hasonlóan. A berendezés gondoskodik a képződő szálfolyam elszállításáról is, melyet a 2.17. ábra szerinti 81-es és 82-es hengerekre feltekert 72-es szövet biztosítja. Ezt a szövetet az 5-ös vákuumszekrény szívja magához, amellyel a szálakat is szívva, egyfajta orientációt is tud adni azoknak [32].

– 23 –

2.17. ábra Forgóhengeres elektrosztatikus szálképzés [32] Fontosabb jelölések: 81+82: a képződő szálfolyamot elszállító hengerek, 20: képződő szálfolyam, 40: földelt gyűjtő, 3: forgódob, 1: oldattartály, 2: polimeroldat, 11: adagoló, 5: vákuumszekrény, 72: szövet [32]

Ez a technológia jóval alkalmasabb ipari méretű gyártásra, léteznek kereskedelmi forgalomban kapható berendezések, például a Nanospider™. A képződő szálfolyam mennyiségét, valamint a technológiával gyártott nanoszál paplant (összehasonlítva egy emberi hajszállal, valamint virágporral) mutatja be a 2.18. ábra [30].

2.18. ábra Forgódobos eljárás kihozatala (A), valamint a technológiával gyártott nanoszálak összehasonlítása emberi hajszállal és virágporral (B) [30]

– 24 –

Ezen eljáráshoz rendkívül hasonló, a forgástest geometriai kialakításában különböző technológia még a forgó dobbal, a forgó spirállal, a forgó golyóval, forgó kúppal és számos más egyéb megoldással működtetett technológiák is léteznek [31]. Az előzőekben ismertetett technológiák szálpaplan szerkezetek előállítására alkalmasak, de az elektrosztatikus szálképzéssel képesek vagyunk jóval orientáltabb szerkezetek, mint például fonalak előállítására is. Ezt bizonyítja Yan, Liu és Zhang kísérlete, amely során az egyszerű adagolóból érkező szálfolyamot egymással szinkronban forgó földelt gyűjtővel, valamint a köztük forgó száltekercselővel, a forgómozgások összehangolásával, valamint megfelelő elektromos erőtér előállításával (2.19. ábra) készítettek nanoszálas fonalakat [33].

2.19. ábra Fonal előállítása elektrosztatikus szálképzéssel, egyszerű adagolóval [33]

Diplomamunkámban

egy

módosított

elektrosztatikus

szálképző

eljárás

szabadalmát használom fel, amely alkalmas termelékeny nanoszál-előállításra [34]. Az eljárás elvi ábráját mutatja a 2.20. ábra. Az eljárás lényege, hogy a nagyfeszültségre kapcsolt elektróda egy forgó mozgást végző speciális kialakítású szálképző fej (2.20. ábra, 2). A két elektróda között képződő nanoszálakat egy szálfelfogó szalag (2.20. ábra, 5) szállítja el a szálképzési térrészből (2.20. ábra, 8) két (2.20. ábra, 4) tekercselő dob segítségével. Az egyik dobra az üres szalagot tekercseljük fel, majd a földelt szálgyűjtő elektróda (2.20. ábra, 3) előtt elvezetve azt, a képződő szálak a szalagra tapadnak. A másik dob van hajtva, az elhúzással tehát erre a dobra tekercseljük fel a képződő nanoszálakat.

– 25 –

2.20. ábra Termelékeny nanoszál-gyártó gép elvi ábrája: 1 – nagyfeszültségű tápegység, 2 – szálképző fej, 3 – szálgyűjtő elektróda, 4 – tekercselő dob, 5 – szálfelfogó szalag, 6 – segédelektróda, 7 – szálképzésre szánt anyag adagolójának csatlakozása, 8 – szálképzési térrész [34]

A szálképző fej is a szabadalom része, elvi ábráját mutatja a 2.21. ábra. Az adagolóból érkező szálképzésre szánt anyag (2.21. ábra, 1) a szálképző fejben kialakított csatornarendszerben (2.21. ábra, 2) jut fel a szálképzési térrészbe (2.21. ábra, 8). A fej alapjának (2.21. ábra, 3) forgatása segíti a szálképződést, melyre a nagyfeszültségre feltöltött elektródát (2.21. ábra, 4) erősítjük. A képződő Taylor-kúpok (2.21. ábra, 9) a szálképző rés ((2.21. ábra, 7) felületén alakulnak ki, amely rés az elektróda (2.21. ábra, 4) és a szálképző fejet fedő elem (2.21. ábra, 5) között alakul ki.

2.21. ábra Szálképző fej elvi ábrája: 1 – szálképzésre szánt anyag adagolójának csatlakozása, 2 – csatornarendszer és a benne áramoltatott szálképzésre szánt folyadék, 3 – szálképző fej alapja, 4 – nagyfeszültségű elektróda, 5 – fedő elem, 6 – nagyfeszültség csatlakozása, 7 – rés, 8 – szálképzési térrész, 9 – szálképzéskor kialakuló Taylor-kúpok[34] – 26 –

Az eljárás a forgó fej és a képződő nanoszálak elhúzásának módszerével alkalmas hosszabb üzemben folyamatos szálgyártásra, valamint termelékenysége vetekszik a centrifugális erő segítségével képző technológiával.

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

3

Az elektro–szálképző berendezés áttervezése Egy, már meglévő berendezés állt rendelkezésemre, amely segítségemre volt a

technológia megismerésében. Ezt a berendezést terveztem át a későbbiekben, áttervezéséhez megismertem annak működését, feltártam az összeszerelés és a korábbi kivitelezés hátrányait, majd felhasználva e tapasztalatokat igyekeztem az egyes problémákat maradéktalanul megszűntetni.

3.1 Az áttervezendő berendezés 3.1.1 A berendezés felépítése A berendezés legfontosabb alkotó elemeit a 3.1. ábra mutatja be. A képen jól látható, hogy az eredeti berendezés teljesen nyitott volt, a ház anyaga festett MDF forgácslap. A ház mozgatható volt, kerekekkel az alján. Tömege 100-120 kg volt.

3.1. ábra A berendezés felépítése: 1 – tápegység, 2 – adagoló, 3 – szálképző fej, 4 – szálképző fej háza, 5 – kollektor, 6 – keretet mozgató csavarok, 7 – szálgyűjtő hengerek, 8 – ventilátor, 9 – szálképző tér alaplapja

Amint azt a 3.1. ábra is mutatja, a felhasználó védelmében utólagosan kellett telepíteni egy külső ventilátort, a párolgó oldószer feldúsulása ellen.

– 28 –

A szálképző fej házának felépítését a 3.2. ábra mutatja, alulról fotózva. A motor vezetékét alul vezették ki, a földelést pedig ragasztó szalag rögzítette a motor házához. Ezen egység összeszerelése és állítása csak felfordított helyzetben valósítható meg.

3.2. ábra Szálképző fej háza alulról: 1–szálképző fejet rögzítő menetes furat, 2–szíj, 3–fejet mozgató motor, 4–motor–földelés, 5–fej–szíjtárcsa

Ezen egység összeszerelésének folyamatát mutatja a 3.3. ábra. A szerelés folyamata az alábbi volt: 1. A szálképző egység oldalra fordítása. 2. Szíj pozícióba állítása, fej becsavarásához. 3. Fej becsavarása, ügyelve, hogy a szíj a fejen található szíjtárcsát körülölelje. 4. Fej meghúzása kulccsal. 5. Szíj felhelyezése a motor és a fej szíjtárcsáira. 6. Motor szíjfeszítésének állítása a hátulján található csavar segítségével. 7. A szálképző tér alaplapján található furaton keresztül felvezetni az oldatot szállító szilikon csövet, majd a szálképző tengely végén található csatlakozóra illeszteni. 8. A szilikon csőre ráhelyezni a szigetelő csövet. 9. A ház függőleges helyzetbe forgatása, közben ügyelve, hogy a vezetékére ne rakjuk rá a házat, mert a ház hátsó forgácslemeze magasabb, mint a többi, ezáltal keletkezik egy rés az oldalsó lemezek és a szálképző tér alaplapja között, itt kell kivezetni a kábelt. 10. A nagyfeszültség csatlakozójának bedugása. A szálképző egység ezután állt készen a működésre.

– 29 –

3.3. ábra Szálképző fej összeszerelési folyamata

Az adagoló berendezést a 3.4. ábra mutatja, amely egy AITECS SEP–10S PLUS típusú infúziós adagoló pumpa.

3.4. ábra Az oldatadagolás felépítése: 1–adagolópumpa, 2–fecskendő, 3–szilikon cső, 4–POM szigetelő sín, 5– szigetelő cső

Az adagoló egység beüzemelését és összeszerelésének folyamatát a 3.5. ábra mutatja. A folyamat sorrendje a következő: 1. Fecskendővel a polimeroldat felszívása. – 30 –

2. Adagolópumpa letakarása fóliával, a szilikon cső leesése esetén és a szerelés közben kifolyó oldattól való megelőzés érdekében. 3. A fecskendő behelyezése a pumpába, a használati utasításának megfelelően. 4. A fecskendő csatlakozójára illeszteni a szilikon csövet, majd a 3.5. ábra c képén látható pozícióba helyezni. 5. Az adagoló segítségével az oldatot felpumpálni a szálképző fej tetejéig, miután megjelenik annak oldatgyűjtő terében az oldat, majd ezután felhelyezni a szálképző fej fedelét.

3.5. ábra Oldatadagolás üzembe helyezése

A kollektort mozgató egységet a 3.6. ábra mutatja be.

3.6. ábra Kollektor mozgató egység: 1–kollektor, 2–keret, 3–szálgyűjtő hengerek (szövettel), 4–keret mozgató csavarok (trapézmenet), 5–keretrögzítő anyák

A földelt elektróda – más néven kollektor – egy alumínium lemez, a keretre van felcsavarozva rögzített pozícióba. Helyzetét a keretmozgató csavarok (3 db normál menetemelkedésű trapézmenetes csavar) és az ezeket rögzítő keretrögzítő anyák megfelelő pozícióba való csavarásával lehet állítani.

3.1.2 A hibák feltárása A gép számos fejlesztésen esett át, az egységek folyamatos bővítésével és fejlesztésével évekig működött. Azonban a gyártási kapacitás és a minőségi követelmények növekedésével a berendezést át kellett tervezni, annak módosítása már – 31 –

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

eszköznek a kiváltása is fontos feladattá vált, a későbbi jobb minőségű orientálhatóság elérése érdekében. A berendezésen a motor rögzítése az oldalsó forgácslemezen lett kialakítva csavarral, a szíjfeszítést pedig excentrikus forgatással lehetett beállítani. A forgácslap furata azonban az igénybevételtől hamar kikopott, így hiába állította be a felhasználó, az illesztési hézagok növekedésével ez jelentőségét veszítette. Továbbá a szíjtárcsák tengelyének párhuzamossága nem biztosítható, ha a tengelytávot nem a tengelyekre merőleges irányból tudjuk beállítani, ezért a szíjfeszítés módját is másképp kellett megoldani. A működési paraméterek, mint például a kollektor távolságának, a fej forgási sebességének és az adagolási sebességnek a beállítása azonban még ennél is több időt igényelt. Főleg a kollektor szerelése és beállítása volt körülményes. A keret viszonylag nehéz volt, tovább nehezítette, hogy a gép teteje vállmagasságban volt, azon átnyúlva kellett tehát emelni ezt a tömeget. Ergonómiai szempontból ez a karok terhelése szempontjából jelentős, hosszabb távon elviselhetetlen [35]. A rudakat tehát felül meghúzva kellett emelni, majd a csavarokat megfelelő pozícióba kézzel csavarni, hogy rögzítse az adott magasságot, addig ismételve, amíg az megfelelő nem lett. A kollektor pozíciója tehát a 3 csavar szinkronba állításával, a kollektor vízszintes helyzete pedig szemrevételezéssel volt beállítható. A legnagyobb problémák azonban a tisztíthatósággal voltak, a szálképző tér mellett az adagolóból induló csővezetékekkel is, amelyek könnyen eltömítődtek. A szálképző tér takarítása szinte lehetetlen volt, a kiömlő oldat a berendezésről leválaszthatatlan volt, sok esetben még a megfelelő oldószerrel sem jött le. Ezt leginkább anyagválasztással küszöböltem ki. A tapasztalat az volt, hogy a polipropilén (PP) és poliamid (PA) alkatrészekről (jó vegyszerállóságuknak köszönhetően) könnyen le lehetett választani az oldószert és a képződött nanoszálakat is, valamint az alumínium is könnyen volt takarítható, ráadásul nem rozsdásodott az acél alkatrészekkel ellentétben. A szálképző fej tengelyfuratának a hossz és az átmérő aránya 26 volt (104 mm hossz és 4 mm átmérő). A gyártás technológiai akadályai mellett a takaríthatósága is rendkívül nehézkes emiatt. Ezért a fej furata rendszerint el volt tömődve, hiába a körültekintő tisztítás, mindig felmosódott egy kevés beszáradt anyag a fejbe működés közben.

– 33 –

A szálképző rés a szálképző fej és a fedő elem (3.7. ábra) között található, itt keletkeznek a Taylor–kúpok. A 3.7. ábra második felén látható továbbá a szálképző fej eredeti állapotában tervezett kialakítása metszetben. Ez a kialakítás a négyes osztásnak köszönhetően illeszkedett a szálképző fej furatába (a megmaradt hengeres felületen), de nem jutott fel megfelelően az oldat a szálképző résbe. Ez a meglévő berendezésen úgy lett kiküszöbölve, hogy az illeszkedő felület jelentős részét eltávolították, így a résbe feljutott az oldat, de sajnos az illeszkedés megszűntével a szálképző rés mérete egyenetlenné vált, amely a stabil szálgyártást nagyban akadályozta.

3.7. ábra Szálképző rés és feltöltődése oldattal (eredeti kialakítás)

Amikor a szálképződés sebessége nem kielégítő és több oldat érkezik a résbe, mint amennyi szál képződni képes belőle az adott paraméterek mellett, akkor a folyadék túlcsordul, amelyet érdemes elkerülni, mert a szálképzést akadályozza, a takarítás pedig sok időt vesz igénybe. Rendszerint túlzott ömledékáramok esetén jelentkezik ez a probléma. Ha az elektrosztatikus erő nem elegendő, vagy a kollektor túl nagy távolságban van, az hasonló problémákat okoz. Ez a veszély csökkenthető a szálképző fej forgási sebességének növelésével, vagyis a centrifugális erő segíti a szálképzési folyamatot. Az eredetileg beépített infúziós adagoló érzékeny a nagyfeszültségre, ugyanakkor a nagyfeszültségű oldatot tartalmazó fecskendővel közvetlen kapcsolatban áll (a fecskendőben található jó vezetőképességű oldat néhány mm-re volt csak az adagoló pumpa testétől). Ennek következtében rendszeresen elektromos ív keletkezett az oldatot tartalmazó fecskendő, vagy az azt szállító szilikon cső és a pumpa háza között. Ez rendkívül megnövelte a berendezés kigyulladásának veszélyét. Történtek kísérletek az adagoló galvanikus leválasztására is. Egy, a pumpára rögzített fecskendő desztillált vízzel töltve egy szilikon csövön keresztül egy szintén desztillált vizes fecskendőt pumpált, amely mechanikusan nyomta ki egy harmadik fecskendőből a szálképzésre szánt polimeroldatot. Ez a megoldás garantálta az adagoló – 34 –

berendezés elektromos védelmét, de sajnos az adagolás funkcióját már nem tudta pontosan ellátni a 3 fecskendő együttes pumpálásával. Az adagoló rendszerint túlterhelés hibájával leállt, a beállított oldatáramokat pedig nem tudta tartani a szálképző fejben, a megnövekedett súrlódási tényező miatt. Ennek következtében az oldatadagoló egységet is át kellett tervezni, más típusú berendezést kellett találni a problémára, amely az igényeket lehetőség szerint maradéktalanul kielégíti. Az elektro-szálképzés során gyakran előfordul még, hogy a képződő szálfolyam instabillá válik, elkezd oszcillálni, majd összetapad. Ekkor az oldószert nagymértékben tartalmazó szálak kapcsolódnak össze, magas koncentrációjú oldatokként. Az oldószer elpárolgása után kohéziós erők ébrednek, ez után a szálak szétválaszthatatlanok, mert a szálak keresztmetszetük miatt nagyon kis erők hatására is elszakadnak (továbbá nincs erre alkalmas eszköz, hogy ilyen kisméretű szálakat egyáltalán meg lehessen fogni). Ezek az összekapcsolódó szálak szakállt képeznek. Mivel ez akadályozza a szálképzést, a szálképző résben található oldat beszárad, megakadályozva a további gyártást. A berendezést ezek után le kell állítani, a szálképző fejet el kell takarítani. Ez szintén a takarítási idő kritikusságát hangsúlyozó hiba, amely az egész egység kiszerelését, majd visszaszerelését is jelenti. Ezért a szerelési időt jelentősen csökkenteni szükséges. Ennek a szakállnak a működés közbeni eltávolítása korlátozott körülmények között megvalósítható, de nem egyszerű feladat a nagyfeszültség miatt, ezért a szálképző térhez csak megfelelően szigetelt eszközökkel férhetünk hozzá. A gép kialakítása miatt azonban ez működés közben nagyon veszélyes, mert nincs leföldelve a gép háza, valamint nem lehet hozzáférni megfelelően. Emiatt a gép vázszerkezetét fémből kell készítenünk, hogy annak földelése védhesse a felhasználót az esetleges áramütéstől, valamint a már említett tapasztalat a fém alkatrészek (kifejezetten az alumínium) könnyű takaríthatósága miatt is indokolták ezt. A 3.8. ábra jól mutatja, hogy a szálak képződés közben megfelelő világítással a háttérben láthatóvá válnak, főleg a fejhez közel, de a kollektorhoz közeledve egyre nehezebben észrevehetőek (a kép a fej forgása közben készült). A szálak láthatósága nagyban segíti a felhasználót abban, hogy a szálképzés megvalósul-e. Megkíséreltem a géppel fonal előállítását is. A szálképző fejből képződő szálfolyam kissé széttart a töltések miatt, valamivel nagyobb kört leírva, mint a szálképző fej, ezt mutatja a 3.8. ábra. Ennek orientálására különböző alakú gyűjtőket (földelt elektróda) próbáltam ki, megvizsgálva azt, hogy a gyűjtő által létrehozott erőtér hogyan orientálja a szálfolyamot. Elsősorban annak geometriájával kísérleteztem, az – 35 –

egyszerű rézdróttól kezdve a csonka kúpokig. A nehézségek ellenére sikerült számos esetben elérni jelentős orientálást, azonban a működés instabilitása miatt nehezen volt megismételhető a gyártás. A gép eredeti állapotában ezek adaptálása nagyon bonyolult feladat volt, a kollektor és a szálgyűjtő szövet egymástól nem volt függetlenül állítható, valamint a keret rendkívül korlátozta a működési és telepítési lehetőségeket. Ezért a két egység függetlenítése fontos feladattá vált, valamint a földelt elektródát könnyebben szerelhetővé kellett áttervezni.

3.8. ábra Széttartó szálfolyam a hagyományos beállítás mellett

A szálképző berendezés biztonságos működtetéséhez elszívó berendezést kellett terveznem, de nem a nanoszálak, hanem a felhasznált, egészségre ártalmas, valamint tűz– és robbanásveszélyes oldószerek miatt. Azonban a keletkező nanoszálakat is óvatosan kell kezelnünk, annak ellenére, hogy jelenleg még nem ismerjük egészségkárosító hatásukat [17]. A berendezést úgy terveztem, hogy felhasználhasson a későbbiekben kísérleti célból olyan anyagokat is, amelyek viszont

jelentős

egészségkárosító hatással is bírhatnak már anyagukban is, anélkül, hogy az emberre veszélyforrást jelentene feldolgozásuk. Ezen kívül a képződő szálak rátapadnak szinte mindenre, ha nem megfelelő anyagú tárgyra érkeznek, annak takarítása igen nehézkessé válhat. Tervezéskor tehát az oldószer és a nanoszálak környezetbe jutásának minimalizálását is kitűztem célul.

– 36 –

3.2 Előkísérletek A berendezés működésének megismerésekor előkísérleteket végeztem a technológia korlátainak megismerésére. Legtöbbet poli(vinil–pirrolidon)-nal (PVP) kísérleteztem, amely egy vízoldható polimer. Mivel vízzel le lehetett mosni, a gép takarítását ez nagyban megkönnyítette, valamint az elszívás hiánya sem volt probléma. A maximális kihozatalt 180 mm-es kollektor távolsággal, 60 kV feszültséggel, valamint 160 ml/h-ás oldatadagolási sebességgel értem el. Eleinte az oldatnak a szálképző fej peremén történő túlcsordulását véltük az anyag felhasználhatósági korlátjának, de a szálképző fej forgatási sebességének növelésével az oldat megfolyása viszonylag kézben tartható volt. A kísérletek során magasabb oldatadagolási sebességet is el tudtam érni (290 ml/h), de akkor már az oldószer nem tudott elpárologni az oldatból a gyártás során, így nem képződtek szálak. Ezen az elszívó berendezés segíthetett volna. Nehéz volt reprodukálható minőséget gyártani, ezért a szálképzési paraméterek mérhetősége szükségszerűvé vált. További kísérleteket végeztem poli(akril-nitril) (PAN) szálak gyártásával, dimetilformamid oldószerben. A berendezés takaríthatósági problémái ennél az anyagnál jelentkeztek leginkább, tekintettel, hogy a tisztítás során igen körülményesen kellett eljárni az oldószer ártalmas tulajdonságai miatt. Stabil gyártási minőséget lehetett elérni a kollektor távolságának 150 mm-re, a feszültség 60 kV-ra, valamint az oldat adagolási sebességének 45 ml/h-ra való állításával. Az ebből az anyagból készült szerkezetek vizsgálatát a 3.3-as fejezetben ismertetem.

3.3 Elektrosztatikus szálképzéssel gyártott szerkezetek vizsgálata Azért, hogy a szálképzés sajátosságait megismerjem, a régi berendezéssel gyártottam a vizsgálathoz szükséges szerkezeteket. A vizsgálatom során PAN szálakat vizsgáltam, a technológiai paramétereit a 3.2-es fejezetben leírtak alapján választottam meg. Az elemi nanoszálak szabad szemmel nem láthatóak (a fényt megtörik, ezért megvilágítva a képződő szálak kötegei észlelhetőek, de nem láthatjuk őket, csak a szálfolyam mozgását [3.8. ábra]). A nanoszálas szerkezetek vizsgálata korlátozottan lehetséges a hagyományos fénymikroszkópokkal, ezért azokat pásztázó elektron mikroszkópiával vizsgáltam. Megvizsgáltam a hagyományos szálképző fejekkel – 37 –

előállított, úgy nevezett egycseppes szálképzéssel előállított nanoszál paplan (3.9. ábra), valamint az általam választott technológiával gyártható szálak (3.10. ábra) pásztázó elektron mikroszkóppal készített képeit. A vizsgálat eredményeit mutatja a 3.11. ábra és a 3.12. ábra (a mérési pontok száma mindkét esetben 200-200 mintavételt jelent). A pásztázó elektron mikroszkópiai felvételek alapján végzett méréseket UTHSCSA ImageTool szoftverrel végeztem.

3.9. ábra Hagyományos, egycseppes szálképzéssel előállított nanoszál paplan 10000-szeres (A) és 20000-szeres (B) nagyításban

3.10. ábra Az újfajta eljárással készített nanoszál paplan 10000-szeres (A) és 20000-szeres (B) nagyításban A hagyományos szálképző eljárással (cseppből) gyártott szálak átlagos átmérőjére 214 nm-re adódott (szórása 68 nm), míg az új eljárással gyártott szerkezetben a szálak átlagos átmérőjére 187 nm lett (szórása 65 nm). A közel 15%-os méretcsökkenés a levegővel való megfúvatásnak tudható be. Ez az ömledékfúvás technológiai elvéhez hasonlóan szálnyújtó hatással van, valamint az oldószer szálképző térből való elfúvatásával elősegíti a szálképződést.

– 38 –

3.11. ábra Szálátmérő-eloszlás hagyományos (A) és új szálképző eljárással (B) gyártott nanoszál paplan esetében

A képződő szerkezetekben mérhető szálátmérők szórása azonban mindkét technológiánál viszonylag nagy, a szálképzési paraméterek szabályozott beállíthatósága jelentősen javíthatná a képződött szálak minőségét, amelyet az általam tervezett berendezésen igyekeztem maradéktalanul megoldani, ez által a gyártott nanoszálak minősége várhatóan javulni fog. A 3.12. ábra mutatja a szálorientációt az előállított szerkezetekben. Az előző feltételezésnek megfelelően a levegővel való megfúvatás a szálak nyújtásán és a szálképződés segítésén kívül némileg orientáló hatással is van a képződő szerkezetre. Az ábrán látható, hogy a hagyományos eljárással készített szövedék jóval kevésbé orientált (közel homogén), mint az új eljárással gyártott szerkezet esetében. Érdemes megjegyezni, hogy még ez a szerkezet sem tekinthető orientáltnak, azonban a légtechnika fejlesztésével és a légáram irányíthatóságával, nagy valószínséggel az általam tervezett berendezésen további javulás tapasztalható majd. További lehetőségként adódhat még a szálátmérő csökkentésére az oldat koncentrációjának csökkentése. A hagyományos eljárás esetében ez nagyon alacsony termelékenységet okoz, azonban az új eljárás esetében a légáram és az oldat adagolás sebességének növelésével alacsonyabb koncentráció esetén is el lehet érni hasonló termelékenységet (az elszívó egység közreműködésével együtt). Így a szálak tovább nyújthatóak ezzel a technológiával, azonban az összehasonlíthatóság kedvéért azonos koncentrációjú oldatokkal dolgoztam. Jövőbeni cél lehetne, hogy az új berendezéssel is elvégezni a vizsgálatokat és összehasonlítani az eredményeket. Az orientáció növelésének és a szálátmérő csökkentésének lehetőségével, valamint a szálak egyenletesebb eloszlásának várható javulásával, az általam tervezett berendezésnek köszönhetően a technológiában és az anyagban rejlő lehetőségek a jövőben jobban hasznosíthatóak lesznek majd. – 39 –

3.12. ábra Szálorientáció hagyományos (A) és új szálképző eljárással (B) gyártott nanoszál paplan esetén

3.4 Követelményjegyzék Az előkísérletek során feltárt hibák kiküszöbölésére és a szálak vizsgálata során tapasztaltak alapján felállítottam az alábbi követelményjegyzéket:

Alapkövetelmények: 

Zárt munkatér: a zárt munkatér azért fontos, hogy működés közben ne tudjon belenyúlni a nagyfeszültségű térbe véletlenül senki, valamint a felhasználót ne terhelje az oldószerek egészségkárósító hatása belélegzéssel.



Biztonságos működtetés: a berendezésnek megfelelően biztonságosnak kell lennie az ember számára, hogy a felhasználót ne veszélyeztesse használata közben. Ezért megfelelően kell földelni a házat, az áramütés elkerülése érdekében.



Könnyű szerelhetőség: a szerelési, ezáltal az üzemeltetési idők csökkentésének elérése céljából a konstrukció egyes elemeit úgy kell megtervezni, hogy a gyakran szerelni kívánt alkatrészek könnyen szerelhetőek legyenek.



Feldolgozható anyagok széles választéka: ez nagyon fontos laboratóriumi és ipari felhasználás esetén is, jó vegyszerállósággal rendelkező anyagok felhasználásával lehet elérni.



Könnyű takaríthatóság: a gyakran változó szálképzésre alkalmas alapanyagok és a különböző oldószereknek ellenálló anyagokat kell felhasználni a szálképző térben, valamint a berendezés működtetéséhez felhasznált eszközök esetében is, hogy a berendezést igényesen lehessen használni hosszútávon. – 40 –



Mérhető működési paraméterek: a szálképzés során a paraméterek megbízható értéken tartásához, hatásuk vizsgálatához, valamint a reprodukálható gyártáshoz elengedhetetlen a megfelelő műszerezettség.



Szigetelt berendezések: a berendezésben számos eszközt használunk fel, amelyek érzékenyek a nagyfeszültségre. Ezek védelme érdekében megfelelően kell szigetelni minden elektromos eszközt, vagy megfelelő védőföldeléssel kell ellátni azokat.



Egészség védelme: a felhasználó egészségének védelmében az oldószer belélegzésének, ezáltal egészségkárosító hatásának elkerülése érdekében elszívó berendezést kell alkalmazni, amely elszívja az elpárolgó oldószert. Ennek további előnye, hogy a szálképző térben így kevesebb az esélye annak, hogy feldúsul az oldószer koncentrációja, amely a szálképzésre negatív hatással van.



Környezetkímélő

működés: sajnos az oldószerek környezetbe jutása

elkerülhetetlen, azonban nagyon fontos annak minimalizálása, ezért erre megfelelő szűrőberendezést kell telepíteni. A szűrőberendezést (ventilátorok, csövek), annak könnyebb takarítása érdekében érdemes továbbá a képződő és esetleg nem a gyűjtőn összegyűlő nanoszálak ellen védeni egy mechanikus előszűrővel az elszívócső kezdeténél. 

Tömegcsökkentés: a berendezés egyes elemeinek tervezésekor figyelembe kell venni a berendezés végső tömegét, arra törekedve, hogy a berendezés könnyen mozgatható lehessen. Ezáltal a berendezés nem csak egy rögzített helyen válik felhasználhatóvá.



Költséghatékonyság: a berendezés elemeinek tervezésekor azok anyag és gyártástechnológiájának választásakor a lehetőség szerinti költségminimumra kell törekedni.

Mellékkövetelmények: 

Esztétikusság: a berendezéshez felhasznált anyagok, eszközök igényes megjelenéséről is gondoskodni kell.



Zárható ajtó: a berendezés eszközeinek védelme érdekében, valamint a jogosulatlan felhasználhatóság elkerülése érdekében.

– 41 –

3.5 Az új berendezés Az új berendezést Autodesk Inventor Professional 2013 (student version) programmal terveztem, az egyes méretezéseket annak beépített végeselemes analízisének segítségével végeztem. A berendezést szerelési alegységekre bontottam a könnyebb értelmezhetőség érdekében. Ezek az alábbiak: szálképző egység, kollektor mozgató egység, szövedék elhúzó egység, elszívó egység, adagoló egység, valamint a berendezés háza. Az egységeket úgy alakítottam ki, hogy azokat külön szerelési egységekben lehessen a berendezésbe építeni. A bonyolultabb egységeket további szerelési egységekre bontottam, ha azt a könnyebb értelmezhetőség megkívánta, ezen egységek bemutatása a szerelési folyamat logikáját követi.

3.5.1 Szálképző egység A szálképző egység 3 nézetes ábráját mutatja a 3.13. ábra. Ezen az ábrán található a (szálképző egység házán kívül) az egység 3D–s modellje.

3.13. ábra A szálképző egység 3D–s, 3 nézetes ábrája: 1 – szálképző fej, 2 – szálképző fejet hajtó motor, 3 – szíjfeszítő elem, 4 – szálképző fej szíjtárcsája, 5 – motor szíjtárcsája, 6 – jeladó

A szálképző egységen belül megkülönböztettem a tengelyt, a szálképző fejet, a szíjfeszítő egységet, a hajtóegységet, valamint a szálképző egység házát, mint szerelvényeket. A tengelyt mutatja a 3.14. ábra. Az alkatrészek darabjegyzékét, adott mennyiségüket a szerelvényben, tömegüket, valamint kiválasztott anyagukat a mellékletben található darabjegyzék (2. táblázat) mutatja.

– 42 –

3.14. ábra Tengely alkatrészei: 1 – főtengely, 2 – PA tengelyvég, 3 – csőcsatlakozó

A csőcsatlakozó (3.14. ábra, 3) a nagyfeszültségű oldatot szállító csővezeték csatlakozására szolgál, amely így közvetlenül az oldatadagoló egységgel van összeköttetésben. Ezt az elemet az eredeti kivitelhez képest geometriailag nem, csak anyagában módosítottam. Az eredeti elem acélból készült, de ezt nem indokolta mechanikai igénybevétel, valamint rozsdásodott is. Ezért ezt az elemet PA 6.6–ból terveztem, ezáltal olcsóbb és könnyebben takarítható elemmé vált. Az eredeti berendezésen lévő tengelyt két alkatrészre bontottam, a PA tengelyvégre (3.14. ábra, 2) és a főtengelyre (3.14. ábra, 1). Erre azért volt szükség, hogy a tengely könnyebben gyárthatóvá váljon. A főtengely L/D viszonya így 15–re változott (60/4) az eredeti 26–hoz képest, amely gyártástechnológiai szempontból sokkal megfelelőbb (továbbá nem a teljes hosszon kell a D4-es furatot létrehozni, előfúrva az M10-es menet magfuratát ez a valóságban lecsökkenhet 11–re). A PA tengelyvég (3.14. ábra, 2) anyagának is PA6.6-ra választottam. A főtengelyt fémből kell készíteni, mert ezen az álló elemen keresztül közvetítjük az oldat felé a nagyfeszültséget, amelyet a tápegység állít elő, valamint ez az elem veszi fel a csapágyakra és a szíjtárcsára (3.13. ábra, 4) ható erőt, amely a szíjfeszítő elem (3.13. ábra, 3) rugóerejéből keletkezik. Ez a szíjfeszítő adatlapja szerint (mellékletben) maximálisan 113 N a katalógus szerinti "J" beépítésnek megfelelően (a szíjfeszítő elemhez közelebbi furatban való rögzítés). Ez az erő nem közvetlenül terheli a tengelyt, hiszen a szíj rugalmassága ezt csökkenti, valamint ez a húzó erő nem merőlegesen hat a tengelyre. Ezeknek a feltételeknek az elhanyagolásával (a biztonság felé eltérve) ezen erőt merőlegesnek feltételezve a 3.15. ábra szerinti eredményre jutottam. A tengely és a hozzá csatlakozó alkatrész anyagának alumíniumot (Al 6061) választottam. A CES EduPack 2005–s program ajánlása esetében ezen anyag folyáshatára 110 MPa, így az elemek elviselik ezt az igénybevételt 2,7-es biztonsági tényezővel (110/40,42).

– 43 –

3.15. ábra Főtengelyt terhelő maximális elmozdulás (A) és feszültség (B): 1 – főtengely, 2 – szálképző állványlap

Az alkatrészeket továbbá terheli még a fogasszíjból származó erő, de az előző berendezésen tapasztaltak alapján az erre való méretezést a sebességek és az ebből származó mechanikai igénybevételek nem indokolják a fogasszíj, valamint a többi alkatrész esetében sem. A 3.16. ábra az egyes alkatrészek csatlakozó és szerelhetőséget szolgáló felületeit jelöli. A 2-es felület egy 10 mm-es laptávolságú villáskulccsal teszi lehetővé, hogy a tengelyt bele tudjuk csavarni és megszorítani szükség szerint a később részletezett szálképző állványlapba (3.15. ábra, 2). A 3-as illeszkedő felület a Seeger gyűrű behelyezésére szolgál. A 4-es felület a PA tengelyvég és a főtengely csatlakozását hivatott létrehozni. Az 5-ös felületen keresztül becsavarva, ez a felület fog felfeküdni a főtengely megfelelő felületére, így létrehozva egy kúpos illesztést, amely minimalizálja a felületek közé kerülő oldatot. A 6-os felület e tengelyvég szerelhetőségét szolgálja, a tengely és a szálképző fej szétszerelése nélkül.

3.16. ábra Tengely: 1 – menetes csatlakozás, 2 – villáskulcs illeszkedő felület, 3 – Seeger gyűrű–csatlakozó felület, 4 – kúpos illeszkedés, 5 – menetes csatlakozás, 6 – villás-, vagy dugókulcs illeszkedő felület

– 44 –

A szálképző fej szerelvénye magába foglalja a tengely szerelvényét is, mert a két szerelvényt együtt kell szerelni. Az összeszerelt állapotban mutatja be a két szerelvényt a 3.17. ábra. A darabjegyzék a mellékletben megtalálható (3. táblázat).

3.17. ábra Szálképző fej szerelvény nézeti és metszeti képe: 1 – tengely szerelvény, 2 – fémfej, 3 – PA távtartó, 4 – szíjtárcsa, 5 – csapágy, 6 – csapágy, 7 – Seeger gyűrű, 8 – Seeger gyűrű, 9 – szálképző fej fedele, 10 – Illesztő csap, 11 – tömítőgyűrű tömítő gyűrű, 12 – PP tálca

A fémfej (3.17. ábra, 2) alapanyagának azért választottam alumíniumot, mert ez tölti be a nagyfeszültséggel feltöltött elektróda szerepét. Az éles perem, és a kialakított szögek tapasztalati úton keletkeztek, az eredeti fejtől ezért nem tértem el geometriailag jelentősen. A fémfej (3.17. ábra, 2) 5 alkatrésszel kapcsolódik közvetlenül. A szálképző fej fedelével (9), az ajakos tömítőgyűrűvel (11) és a 3 db illesztő csappal (10).

3.18. ábra A fémfej csatlakozó felületei: 1 – fedél hengeres illesztése, 2 – fedél felfekvő felülete, 3 – tálca felfekvő felülete, 4 – tömítőgyűrű hengeres illesztése, 5 – illesztő csapok hengeres illesztése, 6 – illesztő csapok ütköztetése

A 3.18. ábra 1-es illesztése a fémfej (3.17. ábra, 2) és a szálképző fej fedele (3.17. ábra, 9) illesztését valósítja meg, hogy a szálképző rés állandó szélességét biztosítani lehessen. Az illesztésre H7/k7-es alaplyukrendszer esetén ajánlott (ISO 286–2, DIN – 45 –

7157) tűrést választottam, a szoros és kielégítően pontos illesztés kivitelezése érdekében. A 3.18. ábra 2-es és 3-as felfekvő felületei az ábrának és a mellékletben található műhelyrajzoknak megfelelően lettek kialakítva, ezeknél arra figyeltem, hogy az egyes alkatrészek geometriai felületei megfelelő mértékű felfekvő felületet biztosítsanak egymás számára. A 3.18. ábra 4-es felületének illesztésére H8-as tűrést választottam az ajakos tömítőgyűrű (3.17. ábra, 11) szabványának javaslata alapján, mert az ajakos tömítőgyűrű és a fémfej (3.17. ábra, 2) kapcsolatára elegendő a közepes központosítást adó, a szabvány javaslata alapján úgynevezett dugaszoló kötés. Ez az illesztés jó kenés esetén még éppen összetolható kézi szereléssel. A 3.18. ábra 5-ös illesztő felületének illesztésére H7/m6-os tűrést választottam. Az illesztő csap (3.17. ábra, 10) tűrése szabvány szerinti (DIN EN ISO 2338), a fémfej furatának tűrését választottam hozzá, melyet a szorosan illeszkedő alkatrészekhez javasol a szakirodalom [37], amelyeket ritkán kell szerelni. Ezáltal a fémfej (3.17. ábra, 2) szerelése során csak a fémfejet kell egyszerűen felhúzni, csavarozás és egyéb műveletek nélkül. Az illesztéseknek köszönhetően pedig a fémfejjel együtt a csapokat is felemeljük, mert ebből az alkatrészből az esetleges eltávolításuk sokkal könnyebben kivitelezhető, mintha például a szálképző fej szíjtárcsájába (3.17. ábra, 4) illesztettem volna bele őket. Ennek köszönhetően a fémfej takarítási művelete lényegesen csökkent, hiszen gyakorlatilag nem igényel szerelést, csak 3 illesztő csap visszahelyezését a szálképző fejbe. A PA távtartó (3.17. ábra, 3) szolgál a szíjtárcsa (3.17. ábra, 4) és a PP tálca (3.17. ábra, 12) közötti felfekvés biztosítására. Méretei abból adódnak, hogy a szálképző fej szerelvényét az elektrosztatikus szálképző berendezés alaplapjába lehessen süllyeszteni és a szálképző térbe csak a fémfej és a PP tálca kerüljön be. Az illesztő csappal (3.17. ábra, 10) való illesztésére az E9/m6-ot választottam, mert így a csappal való csatlakozása

biztosan

nem

lesz szoros,

valamint

így

nem igényel túlzott

gyártástechnológiai pontosságot (amely költségnövelő tényező lenne). A szíjhajtás szereléséhez szükséges megfelelő operációs terület biztosítása miatt is volt szükség erre az alkatrészre, amely az eredeti berendezésen nem külön alkatrész formájában volt jelen. Az alapanyagának azért választottam PA-ot, mert semmilyen mechanikai igénybevétel nem indokolja, hogy fémből készítsük el, valamint jól forgácsolható és a tapasztalatok szerint könnyen takarítható alkatrész a felhasznált – 46 –

oldószerektől és a nanoszálaktól (az oldattal és/vagy a nanoszálakkal való érintkezése csak rendellenes működés esetén, vagy nem rendeltetésszerű használat közben következhet be, azonban ennek a lehetőségét is figyelembe véve a biztonság felé való eltérés miatt szükséges). A szíjtárcsa (3.17. ábra, 4) szabványos fogazású, kereskedelmi forgalomban kapható tárcsa, helytakarékosság miatt a csapágyak szerelését ebben a tárcsában oldottam meg. Ezt az alkatrészt ezért a kiválasztott csapágyak illesztése és felfekvő felületeinek biztosítása érdekében át kell forgácsolni. Ezeket a felületeket mutatja a 3.19. ábra. A felső csapágy (3.17. ábra, 5) a szíjtárcsán (3.17. ábra, 4) kialakított felületre fekszik fel, míg alulról a főtengelyre illesztett Seeger gyűrű (3.17. ábra, 7) támasztja meg. Az alsó csapágy felülről a főtengelyen kialakított tengelyvállra fekszik fel, míg alulról a szíjtárcsába illesztett másik Seeger gyűrűn (3.17. ábra, 8) támaszkodik. Az illesztő csappal (3.17. ábra, 10) való csatlakozására az E8/m6-os illesztést választottam, amely biztosítja a biztos eltávolíthatóságát az illesztő csapnak a szíjtárcsából, azonban ez az alkatrész nagyobb pontosságot igényel, mint a PA távtartó és a PP tálca. A csapágyak (3.17. ábra, 5, 6) illesztésére H8-as tűrést választottam, mert ez által jó kenéssel még éppen szerelhetőek kézzel ezek az alkatrészek. Amennyiben szükséges a gyártási pontatlanságok és tűrések miatt, a csapágyak (3.17. ábra, 5, 6) és a Seeger gyűrűk (3.17. ábra, 7, 8) közé hézagoló lemezek is illeszthetőek, melyek szintén szabványos elemek.

3.19. ábra Csapágyak megtámasztása (piros nyíllal a felső, kék nyíllal az alsó csapágy megtámasztási irányai)

– 47 –

A 3.17. ábra 5-ös, 6-os, 7-es, 8-as, 10-es és 11-es számmal jelölt alkatrészei szabványos kialakításúak, ezeknek a csatlakozó felületeit kellett a megfelelő alkatrészekre terveznem. A szálképző fej fedelét (3.17. ábra, 9) PA6.6-ból terveztem, az anyag előzőekben már említett tulajdonságai miatt. Geometriai kialakítása során a már ismertetett hibákra kerestem megoldást, melyet a 3.20. ábra szemléltet. A szálképző rés (3.20. ábra, 1) szélességének állandóságát a kerület mentén a már említett fémfejjel való illesztés teszi lehetővé. A 2-es felület mentén pedig a fémfej és a szálképző fej fedelének kúpos felületei között egy állandó szélességű rés segíti a polimeroldat szálképző résbe (3.20. ábra, 1) való feljutását. Azért, hogy a résbe jutó anyag egyenletesebben töltődjön fel, a fedélbe terveztem a (3.20. ábra 3-as) puffer teret, amely a kerület mentén segíti az oldatot annak viszkozitása, valamint az oldat és a fal közötti súrlódásból fakadó ellenállás leküzdése során. Ugyanezt a célt szolgálja a 4-es felület, amely az előző berendezésen található fedéllel ellentétben nem négyes, hanem hatos osztású, ezáltal is csökkentve a hengeres felületet, növelve a kúpos résbe való feljutó anyag egyenletesebb eloszlását.

3.20. ábra A szálképző fej fedelének kialakítása: 1 – száképző rés, 2 – fémfej és szálképző fej fedelének a kúpos felületei között található rés, 3 – polimeroldatpuffertér, 4 – hatos osztású fedélalj

A PP tálca anyagának esztétikai szempontból választottam PP-t, mert ez egy viszonylag olcsó tömegműanyag és rendkívül jó vegyszerállósággal rendelkezik. A megmunkálási követelményei nem indokolják a jó forgácsolhatóságot. A szíjfeszítő egység szerelvénye felelős a szíjfeszítésért, ezt az egységet mutatja a 3.21. ábra.

– 48 –

3.21. ábra Szíjfeszítő egység szerelvénye: 1 – szíjfeszítő, 2 – retesz, 3 – csavar, 4 – jeladó, 5 – szíjtárcsa, 6 – menetes csap

A darabjegyzék a mellékletben található (4. táblázat). A szíjfeszítő elem (3.21. ábra, 1) C-R.E.S.A. gyártmányú, típusa FE10. A nagyfeszültségtől való védelem miatt védőföldeléssel kell ellátni. Adatlapja a mellékletben megtalálható.

3.22. ábra C–R.E.S.A szíjfeszítő: 1 – menetes homlok felfogatás, 2 – utólag gyártott furatok

A homlokfelületén található M5x0,8-as csavarral rögzíthető, ezt jelöli a 3.22. ábra 1-es felülete. Az erre szolgáló menetes furatot a szálképző alaplapon hoztam létre, melyet később részletezek. A

jeladó

(3.21.

ábra,

4),

Hengstler

gyártmányú,

RI–32-es

típusú

fordulatszámmérő, ez az eszköz szolgál majd a motor fordulatszámának a mérésére, adatlapja a mellékletben megtalálható. Az eszköz helytakarékossági okokból nem közvetlenül a hajtás tengelyét méri. A fogasszíjjal való hajtás miatt nem keletkezik slip.

– 49 –

A jeladó (3.21. ábra, 4) rögzítése miatt szükséges a szíjfeszítő kinyúló lemezébe 3 db megfelelő kialakítású furatot fúrni, melybe a belső kulcsnyílású süllyesztett fejű csavarok (3.21. ábra, 3) szára belefér. A retesz (3.21. ábra, 2) felelős a szíjtárcsáról (3.21. ábra, 5) érkező nyomaték átviteléért a jeladóra (3.21. ábra, 4), a süllyesztett fejű csavar (3.21. ábra, 3) pedig a jeladó házának rögzítését a szíjfeszítő egységhez képest. Ezek az elemek szabványos kialakításúak, kereskedelmi forgalomban kapható termékek. A szíjfeszítő szíjtárcsa (3.21. ábra, 5) szabványos kialakítású, HDT16–5M–15 fogazású. Alapanyagának PA 6.6-ot választottam, mert nem indokolja jelentős mechanikai igénybevétel a fémből való gyártását. A reteszhorony geometriája a retesz (3.21. ábra, 2) illeszthetőségét szolgálja, további méretei pedig a szálképző egységben betöltött pozíciója miatt lettek kialakítva. A menetes csap (3.21. ábra, 6) a szíjfeszítő elem (3.21. ábra, 1) elfordulását akadályozza meg a már említett M5-ös csavar körül beépített állapotban, méretei pedig a szíjfeszítő elemnek megfelelően lettek kialakítva. Anyagának PA 6.6-ot választottam, mert nem terheli jelentős mechanikai igénybevétel, amely fém alkatrészt indokolna, ez az anyag pedig jól forgácsolható és igényeinknek megfelel. Méretezését nem indokolja ennek az alkatrésznek sem mechanikai igénybevétel. A szálképző egység alaplapjában elhelyezett, megfelelő menetes furatokban lehet rögzíteni, kézzel becsavarva. A hajtóegység felelős a szálképző egység meghajtásáért, a 3.23. ábra mutatja.

3.23. ábra Hajtóegység: 1 – motor, 2 – szíjtárcsa, 3 – retesz

Az alkatrészek darabjegyzékét a mellékletben található 5. táblázat mutatja be. A táblázat 2-es eleme egy szabványos alkatrész, azonban a reteszhornyot bele kell forgácsolni. Ennek kialakítását a csatlakozó felületeknek megfelelően terveztem. A motor tengelye szabvány szerint h tűréssel készül, amely csap esetén a névleges méret alatti tűrést jelent. Ehhez a szíjtárcsa furatának H8-as tűrést választottam, amely segítségével még jó kenés mellett éppen szerelhetőek az alkatrészek kézzel. Ezzel a – 50 –

szálképző fej és a hajtómű sebességének áttétele a szíjtárcsáknak köszönhetően 1:4,66os lett (113,45 mm/24,32 mm). Ez az előző berendezésen is megfelelőnek bizonyult, a gyártási tesztek során nem kellett kihasználni a motor maximális fordulatszámát, csak megközelítőleg 60%–ban, ezáltal egy esetleges gyártáskapacitás növekedés esetén is marad a rendszerben kellő tartalék az igények biztosítására. A régi berendezésen nem állt rendelkezésre a fordulatszám mérése, ezáltal ennek pontos számítására sincs lehetőségünk. A szálképző egység házát mutatja a 3.24. ábra. Az ábrán a kötőelemek nem láthatóak csak részben, ezeket részletesebben a 3.27. ábra mutatja meg. Az alkatrészek darabjegyzékét, adott mennyiségüket a szerelvényben, tömegüket, valamint kiválasztott anyagukat pedig az 6. táblázat mutatja be.

3.24. ábra Szálképző egység háza kötőelemek nélkül: 1 – alaplap, 2 – oszlop, 3 – hátlap, 4 – alsó lap, 5 – hüvely, 6 – állvány, 7 – állványhátlap, 9 – állványoszlop, 10 – állványhüvely Az egységnek el kell szigetelnie a nagyfeszültséggel feltöltött alkatrészeket a berendezés elektromos alkatrészeitől, valamint jó a vegyszerállósága és viszonylag alacsony tömege miatt is választottam a berendezés legtöbb alkatrészénél PA 6.6-ot. Jól forgácsolható és ragasztható (a kereskedelemi forgalomban kapható polimerek ragasztására alkalmas ragasztók gyakorlatilag bármelyike alkalmas ragasztott kötés létrehozására ezen anyagok esetén [38]), nagyszilárdságú, szívós műszaki műanyag. A szálképző ház alaplap (3.24. ábra, 1) a szálképző egység házát tartja, erre van az összes elem rögzítve. A kialakítása peremes, hogy a szálképző berendezés később – 51 –

ismertetett bázislapján felfeküdjön. A szálképző térbe csak a szálképző egység fémfeje (3.17. ábra, 2), a fedele (3.17. ábra, 9) és PP tálca (3.17. ábra, 12) válnak láthatóvá, a többi alkatrész a szálképző berendezés zárható alsó egységében foglalnak ez által helyet. Alapanyagának PA 6.6-ot választottam, a korábban ismertetett tulajdonságai miatt. Az alkatrészt ragasztani szükséges, mert a szálképző térben elhelyezkedő szálképző ház alaplap felső lapját a könnyebb takaríthatóság miatt nem volt célszerű felülről csavarkötéssel ellátni, amely megtörte volna a síkfelületet (süllyesztett fejű csavar esetében is) ez által nehezítve a tisztántarthatóságot (az elem további rögzítési megoldásainál is ezt a szempontot tartottam legfontosabbnak). Az alulról csavarozás is elég körülményes megoldást jelentett volna, lévén a szálképző hátlap miatt átlapolt kötésre lett volna szükség, ezért az optimális megoldásként ezt a kötés típust választottam. Csavarkötést a mechanikai igénybevételek sem indokolnak, ezért megfelelő a ragasztott kötés is. Az illesztő csapok azért szükségesek, mert így ragasztás előtt az elemeket pozícionálja, valamint az illesztett felületeiknek köszönhetően a hátlap hajlítási igénybevétele esetén tehermentesítik a ragasztott kötést. A ragasztóanyag kiválasztásához méreteztem a kötést, majd az ébredő feszültség alapján kiválasztottam a ragasztóanyag típusát. A szimulációs eredményeket mutatja a 3.25. ábra. A méretezésnél kétféle terhelést vettem figyelembe, az egyik a szálképző egység tömegéből származó megoszló terhelés, valamint egy esetleges felhasználó irányában történő együttes meghúzás (hátlapra ható hajlítás), 100 N-os erővel. Az egyes terhelések támadáspontjai az ábrán láthatóak. Az eredő feszültségnek 3,12 MPa feszültség adódott (3.25. ábra, B).

3.25. ábra Szálképző egység ház alaplap és hátlap közötti ragasztott kötés terhelés hatására való elmozdulása (A) és az ennek hatására ébredő feszültség (B)

– 52 –

Erre a feszültégre kell tehát a ragasztó anyagát kiválasztani. A kiválasztott ragasztóanyag a Loctile 406-os lett, amely kis igénybevételnek kitett alkatrészek esetén alkalmazható ragasztott kötés 3–8 MPa terhelhetőségig. Ez PA 6.6 esetében 5,398 MPa nyírószilárdságot jelent, mely 1,73-as biztonsági tényezőt eredményez (5,398 MPa/3,119 MPa), amely megfelelő a kötés esetében tekintettel az illesztett kötés szilárdságnövelő hatásra is [39]. Az illesztő csapok (3.27. ábra, 11) illesztésére az alaplap (3.27. ábra, 1) és a hátlap 3.27. ábra, 3) közé a H8/h9-es alaplyukrendszer esetén ajánlott tűrést választottam, mert elegendő a közepes központosítást adó kötés, mert a csapok által rögzített elemek szerelés után ragasztva is lesznek. Ez az illesztés jó kenés esetén még éppen összetolható kézi szereléssel. A 3.24. ábra 2-es elemét, a szálképző ház oszlopát PA 6.6–ból terveztem, mert az alkatrészt nem terheli olyan jelentős mechanikai igénybevétel, amely fémből való tervezését igényelné, a PA korábban már részletezett előnyös tulajdonságai alapján pedig maradéktalanul teljesíti az alkatrész számára előírt követelményeket. Továbbá ezek az alkatrészek közel találhatóak a szálképző fejhez, amely nagyfeszültségre van feltöltve, amely ív keletkezését okozhatta volna, vagy igen jelentős szigeteléssel kellett volna ellátni. Helytakarékossági okokból tehát a PA 6.6 alapanyagú forgácsolt termék mellett döntöttem. Funkciója az alaplap (3.24. ábra, 1) és a hátlap (3.24. ábra, 4) rögzítése. Ezeket a kapcsolatokat mutatja be a 3.26. ábra. Az ábra jelöli továbbá, hogy az oszlop becsavarásakor a szálképző alaplapra ható erő irányát. Ennek az erőnek az ellentartására terveztem az hüvelyt (3.24. ábra, 5). Ezt az ellentartást meg lehetett volna oldani egy egyszerű tengelyvállal az oszlop menetes felülete előtt, ezáltal vagy az oszlop átmérőjét kellett volna megnövelni, vagy a menetes felületét jelentősen csökkenteni (így egy feszültség gyűjtő hely alakult volna ki), hogy megfelelő méretű felfekvő felület alakulhasson ki a menetes rész előtt. Helytakarékossági és merevségi okokból azonban a hüvelyes illesztés mellett döntöttem, mert ennek illesztése tovább merevíti a szerkezetet.

– 53 –

3.26. ábra A szálképző ház oszlop felfekvő felületei: 1 – menetes kapcsolat, 2 – peremes felfekvés

A szálképző ház hátlap (3.24. ábra, 3) kötőelemeit mutatja a 3.27. ábra, valamint a kötő elemek által érintett alkatrészeket. A szálképző ház alsólapjának (3.24. ábra, 4) rögzítését pedig menetes kapcsolattal terveztem (3.27. ábra, 8).

3.27. ábra Szálképző egység házának kötő elemei a jelölt elemek között: 1 – alaplap, 3 – hátlap, 4 – alsó lap, 8 – csavar, 11 – illesztő csap

A szálképző ház hátlapjának (3.24. ábra, 3) további funkciója a hajtóegység rögzítési felületének biztosítása. A hajtóegységet a szíj élettartama alatt bekövetkezett nyúlása miatt (valamint a fogas hajtáshoz szükséges megfelelő kapcsolat fenntartása miatt a teljes élettartam alatt) nem lehet fixen rögzíteni. Az állítható rögzítés miatt adható egyfajta előfeszítés a szíjnak, majd a működés közben szükséges megfelelő előfeszítést a szíjfeszítő egység biztosítja. Ezt két párhuzamos, lóverseny pálya alakú felület biztosítja. Ezáltal a hajtóegység, valamint a szálképző egység függőleges tengelyének a párhuzamossága a gyártási követelményeknek megfelelően biztosítható.

– 54 –

Az állíthatóság mértéke a később részletezett szíjhoz szükséges tengelytáv beállíthatóságának megfelelően lett kialakítva. A szálképző ház alsólapjának (3.24. ábra, 4) a funkciója a szálképző egységben található elemek védelme, valamint a megfelelő merevség biztosítása az egység számára. A szálképző egység teljes egészében kivehető az elektrosztatikus szálképző berendezésből, ezért ha az eszközt nem a helyén tároljuk, abban az esetben ez alaplapként szolgál. A szálképző ház hüvelyének (3.24. ábra, 5) a funkcióját már korábban ismertettem, illesztésére az oszloppal (3.24. ábra, 2) szintén H8/h9-es tűréssel terveztem (indoklása korábban). A szálképző fej állványlapnak (3.24. ábra, 6) a funkciója, hogy a szálképző fejet (3.17. ábra) tartsa. A fej rögzítése ezen az alkatrészen megvalósított, egy menetes furat segítségével. A főtengely menetes felületét becsavarjuk ebbe a furatba, így válik rögzítetté. Alapanyagának Al 6061-et választottam, a 3.15. ábra szimulációs eredményeinek megfelelően. A szálképző fej állvány hátlapnak (3.24. ábra, 7) funkciója, az állványlap (3.24. ábra, 6) megfelelő magasságba való állítása. Geometriai méretei a szálképző fej szerelvényének a geometriájából és a szálképző ház alaplapjából való kiemelkedésének tervezéséből adódik. Rögzítése a szálképző ház hátlaphoz (3.24. ábra, 3) 2 db csavarral (3.24. ábra, 8) történik. Az állványlappal (3.24. ábra, 6) való kapcsolatát a korábban említett 2 db illesztő csap, valamint az előzőekben már méretezett ragasztott kötés biztosítja. A szálképző egység teljes darabjegyzéke a mellékletben megtalálható (7. táblázat). A hajtóegység rögzítése a szálképző egység házának szálképző hátlapjának megfelelő felületéhez (lóverseny pálya) a csavarkötéssel történik (7. táblázat 5, 6). A csavaranyák (7. táblázat, 6) csavaranyák elforgása ellen a horony alakzáró kialakítása gondoskodik. A horonyba süllyesztésnek köszönhetően nem emelkedik ki a szálképző egység házának hátsó síkjából, megkönnyítve a bázislapból való eltávolítását. A fogasszíj (7. táblázat, 7) kiválasztásakor figyelembe kellett vennem a szerelvény, valamint a már kiválasztott általa meghajtott szíjtárcsák geometriai méreteit. A tengelytávhoz tartozó, valamint a fogprofilhoz és a szíjtárcsák geometriai méreteitől függő szíjhossz számításának eredményét mutatja a 3.28. ábra, amely számítást a szíjat forgalmazó cég honlapján található segédlet alapján végeztem [40]. A szíjhosszra tehát – 55 –

630 mm adódott 202 mm-es tengelytáv esetén, ezért fogasszíjnak az Omega gyártmányú Optibelt 630–5M–15–t választottam. A szíj (7. táblázat, 7) szerelése a szíjtárcsákra való illesztéssel történik annak megfelelő módon, a hajtóegység rögzítő csavarjainak meghúzása (7. táblázat, 5, 6) csak ezután történik.

3.28. ábra Fogasszíj számításának eredményei

3.5.2 Kollektor mozgató egység A kollektor és a szálképző fej távolságának állításával az elektromos térerősség változtatható, ezt úgy a legegyszerűbb megvalósítani, hogy a földelt elektródát, azaz a kollektort mozgatjuk, a szálképző fej pedig állandó beépítési helyzetben marad. Az előző berendezésen a kollektor egybe volt építve a szövedékelhúzó egységgel, de a már ismertetett problémák miatt (és a mozgatott tömeg csökkentése érdekében), ezt külön kellett

választani,

hogy egymástól

függetlenül

lehessen

mozgatni.

Ezért

a

mozgathatóságért a kollektor mozgató egység a felelős, amelyet a 3.29. ábra mutat be. Az alkatrészek darabjegyzékét, adott mennyiségüket a szerelvényben, tömegüket, valamint kiválasztott anyagukat a melléklet tartalmazza (8. táblázat).

– 56 –

3.29. ábra Kollektor mozgató egység: 1 – lineáris vezeték (a – vezeték+kocsi, b – rögzítő kar, c – végállás csavar), 2 – kollektor tartó, 3 – kollektor, 4 – profiltartó, 5 – zártszelvény, 6 – csavar, 7 – csavar, 8 – csavar

A lineáris vezeték (3.29. ábra, 1) egy kereskedelmi forgalomban kapható lineáris sínprofil, alumínium görgőkkel ellátott, standard kialakítású duplasínpáros kocsival szerelve kapható. A termék adatlapja a mellékletben megtalálható. A Franke FDA 15 D 400-as egységet választottam, valamint külön kiegészítőként szükség volt egy rögzítő karra és egy végállás csavarra is. Ezen kiegészítő egységek adatlapja is megtalálható a mellékletben. A mozgatott tömeg 2,06 kg, ezt a legkisebb terméke (FDA 12) is elbírta volna a lineáris vezetékcsaládnak, azonban a szorító kar csak az FDA 15-ös terméktől elérhető. A kocsi rögzítése azért szükséges, mert ez által válik a kollektor magassága rögzítetté. Ez mechanikusan állítható, a beállított távolság mérhető lineáris méréstechnikával. Mivel az eszközzel beállított távolság befolyással van a szálképzési paraméterekre, hajtott (és a hajtásról visszacsatolt jel alapján közvetlenül mért) rendszert terveztem korábban, de ezt végül költséghatékonysági okokból elvetettem és a mechanikusan állítható rendszer mellett döntöttem. A vezeték végén található ütköző csavarra biztonsági okokból van szükség, hogy a rögzítés oldása után a kocsi ne tudjon lefutni a vezetékről. A kollektor tartó (3.29. ábra, 2) felelős a kollektor és a lineáris vezeték kocsijával való kapcsolat létrehozásáért. A később részletezett méretezési okokból forgácsolt alumínium alkatrészt terveztem. A kollektor mozgatására azért csak egy oldali vezetéket terveztem (a több oldali vezetékezés a merevséget növelné), hogy a látóteret ne korlátozza túlzottan a beépített elemek száma. A kollektor (3.29. ábra, 3) a földelt elektróda, a szálképző fejjel közös feladata a potenciál különbség létrehozása (ez az alkatrész állítható megfelelő távolságba a szálképző fejtől, hogy az elektromos térerő megfelelő nagyságú lehessen a – 57 –

szálképzéshez), amely hatására a szálképző fejből érkező oldatból polimer nanoszálak képződnek. Az egységet fémből kell tervezni a vezetőképességi követelmény miatt, tömegcsökkentési okokból pedig alumíniumból terveztem. Az csavarokkal (3.29. ábra, 7) rögzíthető a kollektor tartóhoz (3.29. ábra, 2). A kollektor egy oldali alátámasztása miatt, ennek túlzott lehajlása ellen méreteznem kellett. A szimulációs eredményeket mutatja a 3.30. ábra.

3.30. ábra A kollektor és a kollektor tartó méretezése: a hajlított lemezes tartóval (A) és a forgácsolt, merevítettel (B)

A méretezésnél (az ábrán látható módon) a kollektor és annak tartójából származó lefelé ható tömegerőt, valamint a működés közben fellépő, a szövedék elhúzó egység szövetéből származó felfelé ható megoszló terhelést vettem figyelembe (a szövet és a kollektor között nem jelentős súrlódás és a szövet előfeszítéséből származó, tapasztalat alapján nem jelentős erő miatt 50 N-os erővel számoltam). A kollektor (3.29. ábra, 3) vastagságának növelése nem volt célszerű, ezért a kollektor tartó (3.29. ábra, 2) geometriájával próbáltam a deformációt csökkenteni. A 3.30. ábra mutatja két különböző geometriájú tartó esetében a számított elmozdulásokat. A 3.30. ábra (A) képen látható tartó geometria esetén 1,2 mm-es érték jött ki, amely a 150 mm hosszú lemez esetében 0,8%-os elmozdulást jelent, azonban a biztonság felé való törekvés érdekében módosítottam a profilját a tartónak, ez a 3.30. ábra (B) képen látható. Ezáltal a felhajlása a lemeznek 0,65 mm–re adódott, amely kisebb, mint 0,5%. Az eredő feszültséget mutatja a 3.31. ábra, mely 24,23 MPa-ra adódott. A CES EduPack 2005-ös program ajánlása esetében pedig az Al 6061-es típus ezt az igénybevételt 4,5-es biztonsági tényezővel (110/24,23). A viszonylag magas biztonsági tényezőt azért tartom indokoltnak, mert az elemet érheti véletlenül a felhasználó által okozott erőhatás is, például szerelés közben, amely indokolttá teheti ezt a viszonylag magas értéket.

– 58 –

3.31. ábra A kollektorra és kollektor tartóra ható eredő feszültség

3.5.3 Szövedék elhúzó egység A szövedék elhúzó egység felelős a képződő nanoszálak elhúzásáért, hogy ne a kollektoron gyűljön össze a nanoszál paplan. Ez feltétlenül szükséges feltétele a folyamatos gyártásnak. Ehhez két hengerre van szükség, az egyikre feltekerünk egy szövetet, majd a kollektor előtt elvezetve azt, feltekerjük a másik hengerre. Az elhúzó egység segítségével tehát a beállítási paramétereknek megfelelő rétegvastagságú és minőségű, az elhúzó egységre feltekercselt szövethossznak megfelelő hosszúságú 2D–s terméket kaphatunk. Az általam tervezett egységet mutatja a 3.32. ábra, 3 nézetben.

3.32. ábra A szövedék elhúzó egység: 1 – hajtóegység, 2 – elő henger, 3 – hajtott henger, 4 – Al profil A, 5 – Al profil B, 6 – profiltartó, 7 – motortartó, 8 – jeladó egység, 9 – csavar, 10 – anyacsavar, 11 – alátét, 12 – csavar, 13 – anyacsavar, 14 – csavar

Ezt az egységet is, a szálképző egységhez hasonlóan, további részegységekre bontottam a könnyebb értelmezhetőség kedvéért. Ezek az alegységek a hajtóegység, az elő henger, a hajtott henger, valamint a jeladó egység. – 59 –

A hajtóegységet a 3.5.1-es fejezetben már ismertettem, ez az egység teljesen megegyezik az ott bemutatottal. Az elő hengert, mint szerelvényt mutatja 3.33. ábra. Ez az egység felelős az üres szövet (nincs rajta nanoszál) hordozásáért. A később bemutatott jeladó egység segítségével fogom a szövedék elhúzásának a sebességméréséhez szükséges fordulatszámot mérni. Közvetlenül a hajtott henger tengelyének mérése lenne az ideális eset, de a fogasszíjjal való hatás miatt nem keletkezik slip, ezért helytakarékossági okokból ezen a tengelyen oldottam meg.

3.33. ábra Az elő henger: 1 – henger, 2 – hengertengely_A, 3 – hengertengely_B, 4 – hengercsapágy, 5 – csavar

A szerelvény alkatrészeit, adott mennyiségüket a szerelvényben, tömegüket, valamint kiválasztott anyagukat a mellékletben található darabjegyzék mutatja be (9. táblázat). A hengert (3.33. ábra, 1) egy kereskedelmi forgalomban kapható, szabványos geometriájú alumínium csőből alakítottam ki, a funkciójának megfelelő forgácsolt felületek tervezésével. Ez az átalakítás 6 db süllyesztett fejű hernyócsavar (3.33. ábra, 5) számára biztosított átmenő furatot, valamint méretre vágást jelent. Erre a hengerre tekercseljük fel a szövetet. A hengertengely_A (3.33. ábra, 2) egy általam tervezett alkatrész, melyet alumíniumból terveztem. Funkciója a henger és a hengercsapágy (3.33. ábra, 4) egytengelyűsítése, valamint összeszerelhetőségük biztosítása. A hernyócsavarokat (3.33. ábra, 5) ebbe az alkatrészbe csavarjuk bele, hogy a hernyócsavarok külső átmérője akadályozza meg a henger (3.33. ábra, 1) és a hengertengelyek (3.33. ábra, 2, 3) egymástól való szögelfordulását, valamint hosszirányba való pozícionálását (ez látható a 3.33. ábra bal metszeti képén). A

hengertengely_B

(3.33.

ábra,

3)

funkcionalitása

megegyezik

a

hengertengely_A-val (3.33. ábra, 2), kiegészítve a már említett jeladóval való kapcsolat biztosításával. Ezt egy reteszkötéssel biztosítja, ezáltal egyezik majd meg a jeladó által mért fordulatszám az elő henger fordulatszámával. A hengercsapágyak (3.33. ábra, 4) felelősek a hengerek fordulatakor fellépő súrlódás csökkentéséért. – 60 –

A hajtott hengert mutatja a 3.34. ábra. Az egység feladata a kollektor előtt elvezetett szövet elhúzása, majd feltekercselése. Erre a szövetre már az adott gyártási paramétereknek

megfelelően

szerelvényének

hajtásáról

a

elkészült

nanoszálak

hajtóegység

is

rákerülnek.

gondoskodik,

A

henger

fogasszíj-szíjtárcsapár

kapcsolattal.

3.34. ábra A hajtott henger: 1 – henger,2 – hengertengely_A, 3 – hengertengely_C, 4 – hengercsapágy, 5 – szíjtárcsa, 6 – csavar

A szerelvény alkatrészeit, adott mennyiségüket a szerelvényben, tömegüket, valamint kiválasztott anyagukat a mellékletben található darabjegyzék mutatja be (10. táblázat), az elő hengerhez hasonlóan. A henger (3.34. ábra, 1), a hengertengely_A (3.34. ábra, 2) és a henger csapágy (3.34. ábra, 4) alkatrészek rendre megegyeznek az elő hengernél bemutatottal. A hengertengely_C (3.34. ábra, 3) egy általam tervezett alkatrész, hasonlóan a hengertengely_B (3.33. ábra, 3) alkatrészhez, ennek is van a hengertengely_A-hoz (3.34. ábra, 2) képest egy többlet funkciója, csak ennek az alkatrésznek a szíjtárcsa (3.34. ábra, 5) rögzíthetősége és egytengelyűsítése a hengerrel a többlet feladata. A rögzítést a szíjtárcsához gyárilag kapható csavarok segítségével lehet megoldani a tengelyen. A szíjtárcsának (3.34. ábra, 5) a kiválasztásánál a rendelkezésre álló hely, valamint a szükséges sebességek döntöttek. A korábbi berendezésen nem volt lehetőségünk a sebességek mérésére, ezért pontos számításokat nem tudtam végezni, azonban az áttétel megfelelően volt kiválasztva, az elhúzási sebesség megfelelő volt. A motor sebessége (egyenáramú) a feszültség növelésével változtatható, ezért elegendő ennél a hajtásnál is egy állandó áttétel. Ezt az áttételt 1:1-esnek vettem fel (az előző rendszernél ez valamivel kisebb volt), tehát a hajtóegységben található szíjtárcsáéval megegyezőt. Ezáltal az elhúzási sebességek valamivel növelhetőek az előző berendezéshez képest (a motor maximális fordulatáig). A jeladó egységet mutatja a 3.35. ábra. Feladata, hogy az elő hengerrel együtt forogva annak fordulatszáma mérhetővé váljon. A szerelvény alkatrészeit a mellékletben található darabjegyzék mutatja be (11. táblázat).

– 61 –

3.35. ábra A jeladó egység a tartóval: 1 – jeladó, 2 – jeladó tartó, 3 – csavar, 4 – retesz

A jeladó (3.35. ábra, 1) a szálképző egységnél bemutatottal teljesen megegyező, kereskedelmi forgalomban kapható tétel, adatlapja a mellékletben megtalálható. A jeladó tartó (3.35. ábra, 2) egy saját tervezésű alkatrész. Az elektromos vezetőképesség (földelhető lehessen) és a viszonylag kis tömeg érdekében alumíniumból terveztem. Funkciója, hogy a jeladó házát rögzített állapotban tartsa a szövedék elhúzó egységhez képest, valamint az elő hengerrel való egytengelyűséget biztosítsa. Az elő henger állíthatósága miatt ennek az egységnek is állíthatónak kell lennie a szövedék elhúzó egységen belül, ezt az állíthatóságot ez az egység biztosítja a tetején található lóversenypálya alakú marással. Az motor tengelyének a rögzítési ponttól való távolsága miatt, ennek túlzott elhajlása ellen méreteznem kellett (nyomaték). A szimulációs eredményeket mutatja a 3.36. ábra. A méretezésnél a motor tengelyével párhuzamos, szerelésből származó tengelyirányú, 10 N nagyságú erőt feltételeztem, mely tapasztalat alapján kellő biztonsággal meghaladja a gyakorlatban fellépő szerelési erőt (figyelembe véve azt is, hogy az egység tömege 0,04 kg). Az eredő feszültséget a 3.36. ábra (B) mutatja, amely 52,82 MPa-ra adódott. A CES EduPack 2005-ös program ajánlása esetében pedig az alumínium 6061-es típus folyáshatára 110 MPa, így az elem elviseli ezt az igénybevételt 2-es biztonsági tényezővel (110/52,82). A biztonsági tényezőt megfelelőnek ítéltem, figyelembe véve, hogy már a felvett terhelés is meghaladja az elemet érhető, a felhasználó által okozott valóban jelentkező erőhatást szerelés közben. A 3.36. ábra (A) mutatja a terhelés hatására létrejövő alakváltozást. Az elhajlás értékére 0,02 mm-t kaptam, amely tekintve a több mint 40 mm-es erőkart, megfelelő merevségűnek adódott. – 62 –

3.36. ábra A jeladó tartóra szerelés közben ható terhelések hatására létrejövő elmozdulás (A) és az ébredő feszültség (B)

A jeladó (3.35. ábra, 1) és a jeladó tartó (3.35. ábra, 2) egymáshoz való rögzítését csavarokkal (3.35. ábra, 3) oldottam meg. A retesz (3.35. ábra, 4) az elő hengerrel való nyomaték közvetítés feladatát látja el (ennek méretezése szintén nem szükséges, mert nem jelentkeznek olyan mechanikai igénybevételek, amelyek szükségessé tennék). A szövedék elhúzó egység tehát az előbb bemutatott előszerelt alkatrészekből áll össze. A teljes egység darabjegyzéke megtalálható a mellékletben (12. táblázat). A hajtóegység (3.32. ábra, 1) és a szövedék elhúzó egység kapcsolatát a motortartó (3.32. ábra, 7) elem biztosítja. Ezt az alkatrészt szabványos, egyenlőtlen szárú alumínium L–profilból terveztem, a csatlakozó méreteinek megfelelően. Rögzítését a hajtóegységgel átmenő csavarkötéssel oldottam meg (3.32. ábra, 10, 12). A csavarkötést lelazulása ellen 4 db rugós alátéttel (3.32. ábra, 11) biztosítottam (a motorból származó rezgések miatt van rá szükség). A profil kialakításának és a rögzítéseknek köszönhetően biztosítja a hajtóegység és a hajtott tengelyek párhuzamosságát, valamint a fogasszíj előfeszítését is. Az előfeszítést az L–profil rövidebb szárán kialakított lóversenypálya segítségével lehet kivitelezni, az előfeszítés után pedig csavarral (3.32. ábra, 12) rögzíteni a beállított távolságot. A szíj viszonylagos rövidsége és az így megvalósítható előfeszíthetőség miatt az előző berendezésen tapasztaltak alapján nem igényel előfeszítő egységet, a szálképző egységgel ellentétben. Az elő henger (3.32. ábra, 2) és a hajtott henger (3.32. ábra, 3) rögzítését a szövedék elhúzó egységhez szintén átmenő csavarkötéssel oldottam meg (3.32. ábra, 13, 14). Az anyacsavart (3.32. ábra, 13) növelt felfekvő felületű kivitelből terveztem, mert így nem igényelnek a kötések külön alátétet.

– 63 –

Az Al profil A (3.32. ábra, 4) és Al profil B (3.32. ábra, 5) a szövedék elhúzó egység

vázát

alkotják.

Ezek az elemek

szabványos

kialakítású

alumínium

zártszelvények lekerekített sarkokkal (megegyező profillal, mint a kollektor mozgató egység Al profilja, költségcsökkentés miatt), anyaguk szabványos. Az Al profil A (3.32. ábra, 4) az elő henger és a hajtott henger hátsó végéhez szerelendőek, erre lesz csavarozva a kollektor mozgató egység, az Al profil B (3.32. ábra, 5) pedig az elejéhez rögzítendő, mert erre a hajtóegység és a jeladó egység rögzítését terveztem. A profilokra vannak hegesztve sarokvarrattal a profiltartók (3.32. ábra, 3). Ezeket az elemeket is alumíniumból terveztem, a hegeszthetőség a profillal és az elektromos földelhetőség miatt. A hegesztést méreteztem, a szimulációs eredményeket mutatja a 3.37. ábra. Az ábrán látható helyeken vettem fel a hegesztésre ható tömegerőket, biztonsági okokból úgy, mintha csak erre a profilra hatna a teljes szerkezetre ható terhelés, amely szereléskor elő is fordulhat. Más jelentős igénybevétel nem hat a szerkezetre. A várakozásoknak megfelelően a hegesztés mentén volt a kritikus keresztmetszet (21,1 MPa). A hegesztés jó közelítéssel az alapanyag szilárdságával egyenértékű, így az elemek elviselik ezt az igénybevételt 5-ös biztonsági tényezővel (110/21,1). A viszonylag nagy biztonsági tényezőt a hegesztés bizonytalansága és az esetleges gyártási pontatlanságok miatt indokoltnak tartom.

3.37. ábra A profil és profiltartó hegesztésének méretezése A mellékletben található fogasszíj (12. táblázat, 15) kiválasztásakor figyelembe kellett vennem a szerelvény geometriai méreteit, valamint a már kiválasztott, általa meghajtott szíjtárcsák geometriai méreteit. A tengelytávhoz tartozó, valamint a fogprofilhoz és a szíjtárcsák geometriai méreteitől függő szíjhossz számításának eredményét mutatja a 3.38. ábra, amely számítást a szíjat forgalmazó cég honlapján található segédlet alapján végeztem [40]. A szíjhosszra tehát 270 mm adódott 97 mm-es tengelytáv esetén, ezért fogasszíjnak az Omega gyártmányú Optibelt 270–5M–15-öt választottam. A szíj szerelése a szíjtárcsákra való illesztéssel történik annak megfelelő módon. – 64 –

3.38. ábra Fogasszíj számításának eredményei és a kiválasztott fogasszíj

3.5.4 Elszívó egység Az elszívó egységnek a Nederman Magyarország Kft. megoldását választottam. A cég ipari elszívás technikával foglalkozik, valamint megfelelő megoldást kínáltak a speciális igényeink kielégítésére. Az asztali elszívórendszer kínálatukból az 500-as (legkisebb) elszívó készletüket választottam,

mert

készletben

költséghatékony

megoldást

kínált

az

egyedi

összeállítással szemben. Ez a készlet tartalmaz 1 FX32-es kart elszívó fejjel, N3 ventilátort sebesség-vezérléssel és szabvány szűrővel (részecske, HEPA és gáz), valamint összekötő elemeket. A készlet elemeinek katalógusa megtalálható a mellékletben. Az FX32-es kart mutatja a 3.39. ábra. A kar tulajdonságai, hogy önmerevítős, tehát a beállított alakját megtartja a karba épített belső merevítőknek köszönhetően, ezáltal az elszívó fejet tetszőleges pozícióba állíthatjuk. A kar átmérője 32 mm, valamint a készletben 850 mm-es hosszal biztosítja a gyártó.

3.39. ábra FX32 kar – 65 –

Az elszívó perem kialakítását és méreteit mutatja a 3.40. ábra. Ez az ábrán látható módon az FX32-es karhoz csatlakoztatható, valamint a szálképző térben ez az elérhető legolcsóbb, de még a szálképző térben betöltött funkcióját legmegfelelőbben kihasználó elem.

3.40. ábra Az elszívó perem kialakítása és méretei

További tartozéka még a készletnek az N3-as szabályozható fordulatszámú ventilátor és szűrőbetét, melyet a 3.41. ábra mutat.

3.41. ábra N3 ventilátor és szűrőbetét A szűrőbetét könnyen telepíthető, valamint a rugalmas karnak köszönhetően nem korlátozza az egység elhelyezkedését. A gyártói adatlap szerint a szűrés hatásfoka 99,97%, 0,3 µm részecskeátmérő esetén, valamint a szűrőbetétek könnyen cserélhetőek. A szűrőbetéteket elhasználódásuk után veszélyes hulladékként kell kezelni. A maximális térfogatáram, amely elérhető az egységgel 45 m³/h. Tekintve, hogy a szálképző tér kisebb, mint 0,5 m³ térfogatú, így a berendezés megfelelőnek tekinthető. A teljes készlet tömege 11 kg.

3.5.5 Adagoló egység Az adagoló egységnek az AxFlow Kft. megoldását választottam. A legnagyobb problémát a szabályozott adagolási teljesítmény okozza, hogy a hajtásra visszacsatolt – 66 –

jelben

ne

keletkezzen

zavar

nagyfeszültség

miatt, valamint

az

elektromos

berendezésben se tegyen kárt. A régi adagoló egység kiváltására Watson Marlow perisztaltikus szivattyút választottam. Az egység darabjegyzéke és alkotó elemeinek adatlapja a mellékletben megtalálható.

3.5.6 Berendezés háza A berendezés házának legfontosabb funkciója a berendezésben található elektromos eszközök és a felhasználó védelme a nagyfeszültségtől és az oldószer belélegzésétől. A nagyfeszültség elleni védelem érdekében a berendezés házát védőföldeléssel kellett ellátni, a védeni kívánt eszközöket pedig a házra kötni (ezek kellő távolságra vannak a szálképző fejtől, hogy az erőtérben ne okozzanak zavart). A berendezés házát mutatja a 3.42. ábra. A könnyebb értelmezhetőség kedvéért további szerelési egységekre bontottam az egységet. Ezek a zártszelvény váz (3.42. ábra, 1), a frontablak egység (3.42. ábra, 2), a hátsó ablak egység (3.42. ábra, 3), az bal oldali ablak egység (3.42. ábra, 4), az jobb oldali ablak egység (3.42. ábra, 5), az bal oldali ajtó egység (3.42. ábra, 6), valamint az jobb oldali ajtó egység (3.42. ábra, 7).

3.42. ábra A berendezés házának szerelvényei: 1 – zártszelvény váz, 2 – frontablak egység, 3 – hátsó ablak, 4 – bal oldali ablak, 5 – jobb oldali ablak, 6 – bal oldali ajtó, 7 – jobb oldali ajtó A zártszelvény váz (3.42. ábra, 1) a berendezés tartószerkezete. Szabványos lekerekített sarkú alumínium zártszelvényekből (Al 6060) terveztem, az egyes elemeken pedig a csatlakozó elemekhez szükséges csavarkötések furatait alakítottam ki. Megmunkálás, méretre vágás után pedig az egyes elemeket a műhelyrajzoknak megfelelően (melyek megtalálhatóak a mellékletben) össze kell hegeszteni. Ezt mutatja – 67 –

a 3.43. ábra. Az egyes alkatrészek darabjegyzéke megtalálható a mellékletben (13. táblázat). Kiegészítő alkatrészként egy kereskedelmi forgalomban kapható zártszelvény dugót választottam a függőleges oszlopokhoz, amelynek a katalógusa szintén megtalálható a mellékletben.

3.43. ábra Zártszelvény váz: 1 – függőleges tartóoszlopok, 2 – vízszintes tartóoszlopok Kétféle profilt használtam, a függőleges tartóoszlopokat 40x40 mm-es szelvényméretből,

valamint

a

vízszintes

tartóoszlopokat

40x20

mm-es

szelvényméretből, rendre 2 mm vastag fallal. A szerkezetet méreteztem, az egyes profilokra ható tömegerőkkel. A szimulációs eredményeket mutatja a 3.44. ábra. A kritikus tényezőnek a hegesztési varrat adódott, a keresztmetszetre ható feszültség itt 12,75 MPa, így az elemek elviselik ezt az igénybevételt 8,5-es biztonsági tényezővel (110/12,75).

3.44. ábra A zártszelvény váz méretezése A frontablak egységet mutatja a 3.45. ábra. A szerelvény alkatrészeinek darabjegyzéke megtalálható a mellékletben (14. táblázat). – 68 –

3.45. ábra Frontablak egység: 1 – frontablak, 2 – fogantyú, 3 – ablaksín, 4 – csavaranya, 5 – csavar A nyitható frontablak (3.45. ábra, 1) víztiszta polikarbonátból (PC) készült. Feladata, hogy a szálképző teret látni lehessen működés közben is. Azért nem polimetil metakrilátból (plexi, PMMA) terveztem, mert ez az anyag számos oldószer jelenlétében feszültségkorróziós repedezésre hajlamos, a PC anyagokhoz képest törékeny, forgácsolási feszültséggyűjtő helyekre érzékeny, könnyen repedhet [42]. Ez az anyag a berendezésben betöltött funkcióját (átlátszó, vegyszerálló, könnyen takarítható ez által) maradéktalanul kielégíti. A frontablak (3.45. ábra, 1) mozgatása során az ergonomikus kialakítású, kereskedelmi forgalomban kapható fogantyúval (3.45. ábra, 2) lehet megfogni, majd a szintén kereskedelmi forgalomban kapható, teljesen kihúzható ablaksínek (3.45. ábra, 3) segítségével ütközésig fel lehet húzni (a sínek 2 végállási helyzetükben rögzítik magukat, nem kell megtartani kézi erővel). Az alkatrészek rögzítésére csavarkötést terveztem. A hátsó ablak egységet mutatja a 3.46. ábra. Az alkatrészek darabjegyzékét mutatja a mellékletben található (15. táblázat).

3.46. ábra Hátsó ablak egység: 1 – ablak, 2 – Al L-profil, 3 – rögzítő klipsz, 4 – csavar

– 69 –

A hátsó ablakot (3.46. ábra, 1), valamint a bal és jobb oldali ablakot szintén PCból terveztem, az előbbi indokok miatt. Az Al L-profil (3.46. ábra, 2) szabványos kialakítású, egyenlőtlen szárú L-profil, a szárain a megfelelő csatlakozó elemek furataival. A hátsó ablakkal (3.46. ábra, 1) való rögzíthetőségét a rögzítő klipszek (3.46. ábra, 3) segítségével oldottam, amelyek szintén kereskedelmi forgalomban kaphatóak. Lényege, hogy 2 db klipsz tengelyük mentén egymással 90°-os szöget bezárva egymásba pattanó kötést hoznak létre. Ez a kötés oldható, tehát az ablak bármikor lepattintható ez által az L-profilról. Ugyanezt a megoldást alkalmaztam az oldal ablak egységek esetében is. Az Al L-profilok (3.46. ábra, 2) rögzítése felülről a zártszelvény váz megfelelő vízszintes tartó oszlopainak (3.43. ábra, 2), míg az alja a később részletezett PA bázislapnak a megfelelő menetes furataiban rögzíthetőek, ugyanígy az oldal ablak egységek (3.42. ábra, 4, 5) esetében is. Az bal oldali ablak egység (3.42. ábra, 4) csupán hosszában tér el a hátsó ablak egységtől, valamint erre csavarozható egy ventilátor, valamint egy, az elszívó egységben ismertetett FX 32-es kar, amely a ventilátor légáramát irányítja megfelelő helyre a szálképző térben, orientálva ez által a képződő nanoszál paplant. Az egység darabjegyzékét, alkatrészeinek darabszámát, azonosítóját és tömegét mutatja a mellékletben található 16. táblázat. Az jobb oldali ablak egység (3.42. ábra, 5) az előbb említett bal oldali ablaktól pedig annyiban tér el, hogy erre csak egy megfelelő méretű furatot terveztem, amelyen az elszívó egység FX 32-es karja belefér, ezáltal az elszívást közvetlenül a szálképződés közelében valósíthatjuk meg (rögzítését az 500-as egység karimájával oldom meg, mert az elszívó oldalra nincs szükség rá). Az elszívó fejnek nem kell átférnie a furaton, mert könnyedén eltávolítható a karról (csak le kell róla húzni), így az ablakon nem keletkezik túl nagy rés, amely veszélyeztethetné a szálképző tér megfelelő zártságát. Az egység darabjegyzéke szintén megtalálható a mellékletben (17. táblázat). A PC ablakok hőtágulásával nem kellett számoljak, mert a berendezést beltéri használatra terveztem, amely megközelítőleg szobahőmérséklet, ilyen kis hőmérsékletváltozások mellett pedig a hőtágulásukból adódó méretváltozást az illesztések elviselik. Az bal (3.42. ábra, 6), valamint az jobb oldali ajtó egység (3.42. ábra, 7) egymással szimmetrikus alkatrészek, annyi különbséggel, hogy az jobb oldali ajtó egység tartalmaz egy kereskedelmi forgalomban kapható negyedfordulós minizárat, amelyet klippel lehet rögzíteni. Az ajtók elfordulásáról egy szintén kereskedelmi forgalomban kapható rugós sarokpánt gondoskodik. A kereskedelmi forgalomban – 70 –

kapható elemek adatlapja, valamint az egységek darabjegyzéke megtalálható a mellékletben (18. táblázat és 19. táblázat). Az ajtó lemezek anyagának ASTM 304L rozsdamentes acélt választottam, mert jó a hidegalakíthatósága és jól mélyhúzható, valamint jól ellenáll erős vegyszereknek [43]. A berendezés háza tehát az előbb felsorol szerelvényekből áll. A teljes egység darabjegyzéke a mellékletben megtalálható (20. táblázat). A szerelvények között nem felsorolt elem a PA bázislap (20. táblázat, 8) egy PA 6.6-ból saját tervezésű alkatrész, mely legfontosabb feladata a szálképző egység megtartása. Fémből nem készülhetett, mert túl közel van a szálképző fejhez, megzavarta volna a szálképzést, földelt elektródaként viselkedve. A szálképző térben található elektromos vezetékek elvezetése az alsó térbe a bázislap négy sarkán elhelyezett furatok segítségével lehetséges, a használaton kívül lévő furatokat pedig kereskedelmi forgalomban kapható kissűrűségű polietilén (LDPE) záró dugók (20. táblázat, 13) zárnak le. A berendezés további egységei a burkoló elemek (20. táblázat, 9-12), amelyeket alumínium lemezekből készítettem, geometriai kialakításukat a csatlakozó méreteknek megfelelően. A hátsó és oldal lemezeket (20. táblázat, 11-12) ezen kívül dombornyomással láttam el, kizárólag esztétikai funkcióval. Ezeket a lemezeket ponthegesztéssel rögzítettem a zártszelvényhez. A hátsó lemezen (20. táblázat, 11) található furaton keresztül lehet a berendezés elektromos ellátását bevezetni. A kábelek védelme érdekében kiválasztottam egy kereskedelmi forgalomban kapható PVC élvédőt (20. táblázat, 17), amely megfelelő méretre vágás után ráilleszthető erre a lemezkarimára. Az alsó és felső lapok (20. táblázat, 9-10) egyszerű mozdulattal kivehetőek a berendezésből, nem igényelnek rögzítést, mert így egyszerűbb az eltávolítása egy esetleges szerelés, vagy takarítás esetén. A kicsúszás ellen a zártszelvények profiljába illeszkedő sarokkivágások gondoskodnak.

3.5.7 Elektrosztatikus szálképző berendezés Az elektrosztatikus berendezés tehát az előző fejezetekben leírt egységekből épül fel. A teljes berendezést mutatja zárt állapotban a 3.47. ábra, valamint nyitott állapotban a 3.48. ábra. A berendezés darabjegyzéke megtalálható a mellékletben (21. táblázat), valamint további képeket is csatoltam.

– 71 –

3.47. ábra Elektrosztatikus szálképző berendezés zárt állapotban: 4 – elszívó egység, 5 – berendezés háza, 6+7 – szövedék elhúzó egység átmenő csavarkötése

A szálképző egység (3.48. ábra, 1) a PA bázislapba (20. táblázat, 8) történő illesztéssel, a kollektor mozgató egység (3.48. ábra, 2) a szövedék elhúzó egység (3.48. ábra, 3) megfelelő szelvényébe és a PA bázislapba történő csavarozással, a szövedék elhúzó egység pedig a zártszelvény vázba illesztendő átmenő csavarkötéssel.

3.48. ábra Elektrosztatikus szálképző berendezés nyitott állapotban: 1 – szálképző egység, 2 – kollektor mozgató egység, 3 – szövedék elhúzó egység, 4 – elszívó egység, 5 – berendezés háza, 9 – nagyfeszültségű tápegység

A nagyfeszültségű tápegységnek (3.48. ábra, 9) az előző berendezés tápegységét terveztem a berendezéshez is (költségcsökkentési okokból), valamint az elemek kiválasztásakor ügyeltem arra, hogy a megfelelő egységek vezérelhetőek legyenek a meglévő berendezésével, mert azok működése és kivitelezése megfelelő volt. A berendezések villamoshálózatának kiépítése nem tárgya a dolgozatnak, de tervezéskor számoltam

ezeknek

az

elemeknek

az

problémamentesen elhelyezhetőek legyenek. – 72 –

utólagos

beépítésével,

hogy

azok

Az elektrosztatikus szálképző berendezés a kivitelezési fázisba került, elkészülése a diplomamunkám lezárása után várható, annak tesztelése jövőbeli céljaim között szerepel.

3.6 Továbbfejlesztési javaslatok A berendezés házának tervezésekor Al zártszelvényekből terveztem annak vázát. A berendezés jelenlegi állapotában funkcióját maradéktalanul betölti, mert lényegesen könnyebb, mint csavarozott profilokból. Azonban a berendezés esetleges későbbi bővítése során ezek a szerelvények korlátozottan alakíthatóak át, tehát ha a későbbiekben felmerül az igény egy moduláris szerelvény előállítására, akkor azt csavarozott szerelvényekből javaslom építeni. A kollektor mozgató egységet költségcsökkentés miatt mechanikusan állíthatóra terveztem. Amennyiben a szálképzési paramétereket az általam tervezett berendezésen sikerül

letesztelni,

felmerülhet

az

igény

a

földelt

elektróda

szabályozott

mozgathatóságra is. Erre egy visszacsatolt jelű, szabályozható golyósorsós vezetéket, vagy lineáris hajtást javasolnék. A berendezés laboratóriumi felhasználásra lett tervezve, azonban ennek üzemi léptékű előállítása is lehetséges. Ehhez több, illetve nagyobb szálképző fejet lehetne tervezni, amelyekhez megfelelő hajtást kell kiválasztani. Üzemi léptékű előállítása során feltétlenül szükséges a szálképző fej automatikus takarításáról gondoskodni, az oldat túlfolyása esetén, hogy a folyamatos gyártást ne akadályozza ez a lehetséges probléma. A szövedék elhúzó egység szalagjának üzemközben lehetséges cseréjéről is gondoskodni kell, ezt elképzelhetőnek tartom egy olyan berendezéssel, amely a képződött szálakat automatikusan leválasztja a szalagról. Ez jelenleg kézi művelettel történik, amely során sérülhetnek a szerkezetek. A rendkívül pontos és minőségi gyártáshoz elengedhetetlenül szükségesnek tartom a szálképzési paraméterek közvetlen mérési módjának megoldását. Fontosnak tartom továbbá a gyártásközi minőségellenőrzés lehetőségét, amely elengedhetetlenül szükséges a folyamatok kézben tartásához, a gyártott szerkezetek minőségének állandóságához. Egy szűrő feladatot ellátó szövedék gyártása során például az áteső fény mérésével lehetne egy igen egyszerű és gyors mérési módszert kifejleszteni a gyártásközi paraméterek kézbentartásához.

– 73 –

4

Összefoglalás Dolgozatomban bemutattam az elektro-szálképzett nanoszálas szerkezetek

területén eddig elért eredményeket, valamint a folytonos üzemben történő előállítás lehetőségeit. Munkám közben megismerkedtem egy újfajta technológiai szabadalommal az elektrosztatikus szálképzés területén. A szabadalom egy új szálképző fejen alapul, valamint módosított eljárást használ az elektrosztatikus szálképzéshez. Az eljárás rendkívül termelékeny, ipari mértékű gyártási mennyiség előállítására is van lehetőség. Az elektrosztatikus szálképzéssel előállított nanoszálak gyártására ezért ennek a szabadalomnak a tárgyát képező, rendkívül termelékeny technológiát választottam vizsgálatom céljául. Egy meglévő berendezésen, amely működése ezen a technológiai szabadalmon alapul, előállítottam ezeket a nanoszál paplanokat, megvizsgálva a technológiával létrehozható szerkezetek minőségét, a technológia stabilitását. A meglévő berendezés számos problémával küzdött, ezért a berendezést át kellett terveznem. Ehhez feltártam a berendezés szerelési, technológiai korlátait és akadályait. A legfontosabb problémák a szerkezet takaríthatóságával voltak, valamint a rendkívül időigényes és bonyolult szerelési műveletekkel. A technológiai paraméterek mérhetőségének hiánya a technológia stabilitásának ellenére nehezen reprodukálható termékek gyártását tette lehetővé. Ezek ismeretében felállítottam egy követelményjegyzéket, a tapasztalatok és a követelmények felhasználásával pedig terveztem egy új berendezést, amely az ismert problémákat maradéktalanul kiküszöbölte. A szerelési idő lényegesen lecsökkent, az egyes alkatrészek pedig kialakításuknak és anyagválasztásuknak köszönhetően könnyen takaríthatóvá váltak. A berendezés áttervezésével az eredetileg igen nehéz berendezés tömegét több, mint 30%-al csökkentettem, méretét pedig közel a felére. A technológiai paraméterek mérhetőségének, a karbantarthatóságának, valamint esztétikus megjelenésének köszönhetően pedig a gyártás minőségének állandósága nagymértékben növekedett. A tervezett berendezés kivitelezése már folyamatban van, elkészülése a diploma lezárását követően várható.

– 74 –

5

Summary In my thesis I was presented the results achieved so far in the field of nanofiber

structures made by electrospinning and production opportunities in the continuous manufacturing. During my work a new kind of technology patent in the field of electrospinning was applied. The patent is based on a new spinneret, and a modified method is used for spinning. The process is extraordinarily productive; making possible to produce in industrial-scale quantity. Therefore this highly productive nanofiber manufacturing process introduced in the patent was chosen for the aim of my study. On an existing prototype equipment, nanofiber webs were made in order to examine the quality of the created structures and the stability of the process. The equipment has struggled with numerous problems, therefore the device was redesigned. The restrictions of the assembly and technology of that construction were revealed. The cleanliness of the apparatus was the most significant problem, and the time-consuming and complex assembly operations as well. In spite of the stability of the technology the lack of measurable process parameters was made difficult to manufacture a reproducible fiber structure. For these reasons, a list of requirements was set up, and due to my experiences and using the requirements a new device was designed that has fully eliminated the known problems. The assembly time is significantly reduced and the individual components become easy to clean up due to their design and material selection. The weight of the unit has been reduced by more than 30% compare to original and the size has been diminished nearly by half. The quality and the stability of the production were highly increased thanks to the possibility of measuring the technological parameters, the maintainability, as well as the aesthetic appearance. The construction of the designed device is in progress, the completion could be expected after submission of the thesis.

– 75 –

6

Irodalomjegyzék [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

[8] [9] [10]

[11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]

[19] [20]

http://www.nano.gov/ (2013.03.06.) http://www.origo.hu/tudomany/nanotechnologia/20111021–nanomotor–szen– nanocsovekbol–allo–mesterseges–izombol.html (2013.02.26.) Kovács, J. G.: Polimer alkatrészek tervezése, BMEGEPTMG06, Gépész MSc szak – Polimertechnika szakirány (2013) Vas, L. M.: Polimerek erősítő anyagai és kompozit technológiái, BMEGEPTMG07, Gépész MSc szak – Polimertechnika szakirány (2012) http://hu.wikipedia.org/wiki/Sz%C3%A1lasanyagok (2013.03.05.) Hill, R.: Fybers from syntethic polymers. Elsiever Publishing Company, London (1953) http://www.tesztplussz.hu/sites/default/files/2.%20t%C3%A1bl%C3%A1zat% 20– %20%C3%B6sszefoglal%C3%B3%20a%20textilsz%C3%A1lakr%C3%B3l.p df (2013.05.16.) http://www.secotools.com/en/Global/Products/Holemaking/Drilling/Seco– Feedmax–SD22/ (2013.03.23.) http://www.picodrill.com/spip.php?rubrique2#container (2013.03.23.) Deák, T.: Nem szőtt kelmék előállítása ömledékfúvással. Műanyagipari szemle, A MŰANYAGOK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS FELDOLGOZÁSA, 01. szám (2005) Lajos, T.: Az áramlástan alapjai. Mackensen Kft, Budapest (2008) Hearle, J. W. S.: High–performance fibres. Woodheas Publishing Limited, London (2004) Mohr, J. G. és Rowe, W. P.: Fiberglass. van Nostrand Reinhold, New York (1978) Czigány, T.: Bazaltszálas hibridkompozitok, MTA doktori értekezés, BME (2005) Pölöskei, K.: A szálgyártás során keletkező bazaltszálfejek hatása a polimer kompozitok mechanikai tulajdonságaira, PhD értekezés, BME (2006) Nayak, R., Padhye, R., Kyratzis, I. L., Bach, Y. és Truong, L. A.: Recent advances in nanofibre fabrication techniques. Textile Research Journal (2012) Pándics, T.: A nanorészecskék környezet–egészségügyi hatásainak elemzése. Egészségtudomány, LII. évfolyam, Budapest, 3. szám (2008) Juhász, F.: Irányelvek a funkcióképesség, a fogyatékosság és a megváltozott munkaképesség véleményezéséhez. Egészségügyi, Szociális és Családügyi Minisztérium–Országos Egészségbiztosítási Pénztár, Budapest (2004) Lozano, K. és Sarkar, K.: Methods and apparatuses for making superfine fibers, US Patent 0280325, USA (2009) Lozano, K. és Sarkar, K.: Superfine fiber creating spinneret and uses thereof, US Patent 0269429, USA (2009) [21] Lozano, K., Sarkar, K., Sarkar, C., Gomez, S., Zambrano, M. R., Hoyos, E. és Vasquez, H.,: Electrospinning to Forcespinning, Materialstoday, 2010. november, 11. szám, 12.–14. oldalak

[22] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1904/strutt.html (2013.04.14) [23] Cooley, J.F.. Apparatus for electrically dispersing fluids, 692.631, USA (1902) – 76 –

[24] Norton, C. L.: Method of and apparatus for producing fibrous or filamentary material. 2.048.651, USA (1933) [25] Formhals, A.: Artificial thread and method of producing same. 2.187.306, USA (1937) [26] Doshi, J. és Reneker, D. H.: Electrospinning process and applications of electrospun fibers. Journal of electrostatics. 35:151–160 (1995) [27] Zeus Technical Newsletter: Electrospinning – Fibers at the nanoscale. Zeus Industrial Products, Inc. (2009) [28] Maa, G., Fangb, D., Liub, Y., Zhub, X. és Nie, J.: Electrospun sodium alginate/poly(ethylene oxide) core–shell nanofibers scaffolds potential for tissue engineering applications, Elsiever Ltd. (2012) [29] http://www.electro–spinning.com/multi_spinnerets.html (2013.09.29.) [30] http://www.elmarco.com/electrospinning/electrospinning–technology/ (2013.09.29.) [31] Niu, H. és Lin, T.: Fiber Generators in Needleless Electrospinning, Journal of Nanomaterials, Hindawi Publishing Corporation (2012) [32] Jirsak, O., Sanetrnik, F., Lukas, D., Kotek, V., Martinova, L. és Chaloupek, J.: Method of nanofibres production from a polymer solution using electrostatic spinning and a device for carrying out the method. US Patent 7,585,437, USA (2009) [33] Yan, H., Liu, L. és Zhang, Z.: Continually fabricating staple yarns with aligned electrospun polyacrylonitrile nanofibers, Elsiever Ltd. (2011) [34] Molnár, K., Nagy, Zs. K., Marosi, Gy., Mészáros, L.: Elektrosztatikus szálképző fej és módosított eljárás nanoszálak termelékeny előállítására. Ügyszám: P1200677/1, Magyarország (2012) [35] Hercegfi, K.: Ergonómia, BMEGT52A001, BSc kötelezően választható gazdasági és humán tárgy és szabadon választható tárgy (2008 Ipari munkahelyek ergonómiai értékelése előadás) [36] Szabó, P. J.: Elektronmikroszkópos anyagvizsgálat, BMEGEMT2531, Gépész Hagyományos képzés, szabadon választható tárgycsoport, (2010) [37] Házkötő, I.: Műszaki 2D–s ábrázolás. 45079, Műegyetemi Kiadó, Bp. 2006. [38] Kalácska, G.: Poliamid rudakról, lemezekről – A műszaki műanyag féltermékek alkalmazásának előnyei (II. Rész), http://www.quattroplast.hu, (2013.12.13.) [39] http://teraglobus.hu/tablazat/rag_nyirszil.pdf (2013.12.13.) [40] http://powerbelt.hu/products/htd–5m (2013.12.13) [41] http://www.nederman.com/products/ (2013.12.13) [42] http://www.quattroplast.hu/anyagok/docaplexi-pmma (2013.12.13) [43] http://www.inoxservice.hu/index.php/hu/anyagtulajdonsagok (2013.12.13)

– 77 –

Mellékletek

Az elektrosztatikus berendezésről készült további 3D-s képek

–1–

A szerelvények darabjegyzéke: 2. táblázat A tengely szerelvényének darabjegyzéke Elem 1 2 3

Menny. [db] 1 1 1

Alkatrész

Leírás

Főtengely PA tengelyvég Csőcsatlakozó

– – –

Tömeg Anyaga [kg] 0,016 Al 6061 0,009 PA 6.6 0,001 PA 6.6

3. táblázat A szálképző fej szerelvény darabjegyzéke Elem

Menny. [db]

1

1

2 3

1 1

4

1

5

1

Csapágy DIN 625 – SKF61802–RZ

6

1

7

1

8

1

9

1

10

3

11

1

12

1

Csapágy DIN 625 – SKF6001–RZ Seeger gyűrű DIN 472 – 28 x 1,2 Seeger gyűrű DIN 471 – 15x1 Szálképző fej fedele Illesztő csap ISO 2338 – 6 m6 x 60 –A Tömítőgyűrű DIN 3760 – AS 14x24x7 PP tálca

Alkatrész

Leírás

Tengely szerelvény Fémfej PA távtartó Szíjtárcsa HDT– 72–5M–15

Tömeg Anyaga [kg] 0,055

–

0,294 0,317

Al 6061 PA 6.6

0,385

Al 6061

0,007

–

0,021

–

Furatba illeszthető

0,002

–

Tengelyre illeszthető

0,001

–

0,067

PA 6.6

0,014

–

0,001

–

0,069

PP

Egy soros mélyhornyú golyóscsapágy egy oldali tömítőgyűrűvel Egy soros mélyhornyú golyóscsapágy egy oldali tömítőgyűrűvel

Tengelytömítő gyűrű

–2–

4. táblázat A szíjfeszítő egység darabjegyzéke Elem

Menny. [db]

1

1

2

1

3

3

4

1

5

1

6

4

Alkatrész

Leírás

Szíjfeszítő – Cresa Homlok felfogatású rugalmas FE10–RE010150 szíjfeszítő Retesz DIN 6885 – A 2x2x6 Csavar ISO 10642 Belső kulcsnyílású süllyesztett – M3x8 fejű csavar – A anyagminőség Jeladó Hengstler RI–32 Szíjfeszítő szíjtárcsa HDT16– 5M–15 Menetes csap

Tömeg Anyaga [kg] 0,250

–

0,001

–

0,001

–

0,025

–

0,011

PA 6.6

0,001

PA 6.6

5. táblázat A hajtóegység darabjegyzéke Elem

Menny. [db]

1

1

2

1

3

1

Alkatrész MFA Motor RE – 540/1 + Hajtómű 919D111 Szíjtárcsa HDT– 16–5M–15 Retesz DIN 6885 –A2x2x6

Leírás

Tömeg Anyaga [kg]

MFA áttételes modell motor hajtóművel szerelve

0,238

–

Sati

0,021

Al 6061

0,001

–

–3–

6. táblázat A szálképző egység házának darabjegyzéke Elem

Menny. [db]

1

1

2

2

3

1

4

1

5

2

6

1

7

1

8

6

9

2

10

2

11

6

Alkatrész Szálképző ház alaplap Szálképző ház oszlop Szálképző ház hátlap Szálképző ház alsólap Szálképző ház hüvely Szálképző fej állványlap Szálképző fej állvány hátlap Csavar DIN 7984 – M6 x 20 Szálképző fej állvány oszlop Szálképző fej állvány hüvely Illesztő csap

Leírás

Belső kulcsnyílású csavar

DIN EN 22338 – 6x24

Tömeg Anyaga [kg] 1,981

PA 6.6

0,15

PA 6.6

0,868

PA 6.6

1,198

PA 6.6

0,09

PA 6.6

0,13

PA 6.6

0,107

PA 6.6

0,006

–

0,046

PA 6.6

0,036

PA 6.6

0,001

PA 6.6

7. táblázat A szálképző egység darabjegyzéke Elem

Menny. [db]

1

1

2

1

3

1

4

1

5

4

6

4

7

1

Alkatrész Szálképző fej szerelvény Szíjfeszítő egység szerelvény Hajtóegység Szálképző egység háza Csavar ISO 4762 – M3 x 16 Csavaranya ISO 4032 – M3 Fogasszíj Omega Optibelt 630–5M– 15

Leírás

Tömeg Anyaga [kg] 1,260

–

0,318

–

0,260

–

4,990

–

Belcső kulcsnyílású csavar

0,001

–

Hatlap fejű csavaranya

0,001

–

0,025

–

–4–

8. táblázat A kollektor mozgató egység darabjegyzéke Menny. [db]

Alkatrész

Leírás

1

1

Lineáris vezeték Franke FDA 15 D 400

Alumíniumgörgős, standard kialakítású, kocsival, végállás csavarral, rögzítő karral szerelve

2 3 4

1 1 2

Kollektor tartó Kollektor Profiltartó

5

1

Al profil 40x20x2-490

6

4

7

4

8

4

Elem

Csavar ISO 4762 – M4x30 Csavar ISO 4762 – M5x10 Csavar ISO 4762 – M5x20

Tömeg Anyaga [kg] 0,549

–

0,112 1,421 0,041

Al 6061 Al 6061 Al 6061

Alumínium zártszelvény lekerekített sarokkal, DIN EN 573–3

0,288

Al 6060

Belső kulcsnyílású csavar

0,004

–

Belső kulcsnyílású csavar

0,003

–

Belső kulcsnyílású csavar

0,005

–

9. táblázat Az elő henger darabjegyzéke Elem 1 2 3 4 5

Menny. Alkatrész [db] 1 Henger 1 Hengertengely_A 1 Hengertengely_B Hengercsapágy 2 SKF SY-15-TF Csavar DIN 913 6 M6 x 12

Leírás

Süllyesztett fejű hernyócsavar

Tömeg [kg] 0,370 0,182 0,177

Al 6060 Al 6061 Al 6061

0,079

-

0,002

-

Anyaga

10. táblázat A hajtott henger darabjegyzéke Elem 1 2 3 4 5 6

Menny. Alkatrész [db] 1 Henger 1 Hengertengely_A 1 Hengertengely_C Hengercsapágy 2 SKF SY-15-TF Szíjtárcsa HDT1 16-5M-15 Csavar DIN 913 6 M6 x 12

Leírás

Belső kulcsnyílású hernyócsavar

–5–

Tömeg [kg] 1,002 0,182 0,183

Al 6060 Al 6061 Al 6061

0,079

-

0,022

Al 6061

0,002

-

Anyaga

11. táblázat A jeladó egység darabjegyzéke Elem

Menny. [db]

1

1

2

1

3

3

4

1

Alkatrész

Leírás

Jeladó Hengstler RI-32 Jeladó tartó ISO 10642 Belső kulcsnyílású süllyesztett M3x8 fejű csavar Retesz DIN 6885 A 2x2x6

Tömeg Anyaga [kg] 0,025

-

0,013

Al 6061

0,001

-

0,001

-

12. táblázat A szövedék elhúzó egység darabjegyzéke

1 2 3

Menny. [db] 1 1 1

4

1

Al profil A 40x20x2-600

5

1

Al profil B 40x20x2-600

6 7

4 1

Profiltartó Motortartó

8

1

Jeladó egység

9

2

10

4

11

4

12

6

13

8

14

8

15

1

Elem

Alkatrész

Leírás

Hajtóegység Elő henger Hajtott henger

Csavar ISO 4017 M3 x 8 Anyacsavar ISO 4032 - M3 Alátét DIN 127 A3 Csavar ISO 4762 M3x10 Anyacsavar DIN 6923 - M10 CsavarISO 4762 M10x45 Fogasszíj Omega Optibelt 270-5M15

Alumínium zártszelvény lekerekített sarokkal, DIN EN 573–3 Alumínium zártszelvény lekerekített sarokkal, DIN EN 573–3

Tömeg Anyaga [kg] 0,110 0,901 1,560 0,350

Al 6060

0,349

Al 6060

0,041 0,093

Al 6061 Al 6061

Jeladó tartóval, retesszel szerelve

0,039

-

Hatlapfejű csavar

0,001

-

Hatlapfejű anyacsavar

0,001

-

Rugós alátét

0,001

-

Belső kulcsnyílású csavar

0,001

-

Növelt felfekvő felületű anyacsavar

0,015

-

Belső kulcsnyílású csavar

0,040

-

0,011

-

–6–

13. táblázat A zártszelvény váz darabjegyzéke Elem

Menny. [db]

1

2

2

2

3

3

4

1

5

1

6

1

7

4

8

2

9

8

Alkatrész

Leírás

Alumínium zártszelvény lekerekített sarokkal, DIN EN 573–3 Alumínium zártszelvény Al profil lekerekített sarokkal, DIN EN 40x40x2-1000+D 573–3 Alumínium zártszelvény Al profil lekerekített sarokkal, DIN EN 40x20x2-620 573–3 Alumínium zártszelvény Al profil lekerekített sarokkal, DIN EN 40x20x2-620+D 573–3 Alumínium zártszelvény Al profil lekerekített sarokkal, DIN EN 40x20x2-620+D6 573–3 Alumínium zártszelvény Al profil lekerekített sarokkal, DIN EN 40x20x2-620+M6 573–3 Alumínium zártszelvény Al profil lekerekített sarokkal, DIN EN 40x20x2-520 573–3 Alumínium zártszelvény Al profil lekerekített sarokkal, DIN EN 40x20x2-520+D 573–3 Bordás - négyzetes Zártszelvény dugó zártszelvény dugó 40x40 Al profil 40x40x2-1000

Tömeg Anyaga [kg] 0,796

Al 6060

0,795

Al 6060

0,359

Al 6060

0,359

Al 6060

0,358

Al 6060

0,359

Al 6060

0,301

Al 6060

0,300

Al 6060

0,009

LDPE

14. táblázat A frontablak egység darabjegyzéke

1

Menny. [db] 1

2

2

3

1

4

8

5

2

6

2

7

16

Elem

Alkatrész

Leírás

Frontablak Víztiszta PC Ablaksín 450 mm Közepes teherbírás - Teljesen AI-0620 kihúzható Gépfogantyú OVAL ERGO 200mm 493763 Csavaranya DIN Belső kulcsnyílású záróanya 1587 - M6 Csavaranya DIN Belső kulcsnyílású záróanya 1587 - M8 Csavar ISO 4762 Belső kulcsnyílású csavar M8 x 25 Csavar ISO 7380 - Belső kulcsnyílású gömbfejű M6 x 12 csavar

–7–

Tömeg Anyaga [kg] 2,308 PC 0,590

-

0,120

-

0,005

-

0,010

-

0,017

-

0,004

-

15. táblázat A hátsó ablak egység darabjegyzéke

1

Menny. [db] 1

2

2

3

16

4

14

Elem

Alkatrész

Leírás

Hátsó ablak Al L-profil 30x20x4-620 Rögzítőklipsz BR1-488-01 Csavar ISO 4762 M3 x 10

Víztiszta PC Alimínium egyenlőtlen szárú L-profil Teljes tartó vastagság (mm): 12.7-20.6 Belső kulcsnyílású csavar

Tömeg Anyaga [kg] 3,902 PC 0,307

Al 6060

0,001

PA 6.6

0,001

-

16. táblázat Bal oldali ablak egység darabjegyzéke

1

Menny. [db] 1

2

2

3

24

4

12

5

1

Ventilátor

6 7

1 1

Kar rögzítő perem FX 32 kar

Elem

Alkatrész

Leírás

Bal oldali ablak Al L-profil 30x20x4-520 Rögzítőklipsz BR1-488-01 Csavar ISO 4762 M3 x 10

PC víztiszta Alimínium egyenlőtlen szárú L-profil Teljes tartó vastagság (mm): 12.7-20.6 Belső kulcsnyílású csavar Arctic F12 PWM 12cm rendszerhűtő Nederman Nederman

Tömeg Anyaga [kg] 3,176 PC 0,257

Al 6060

0,001

PA 6.6

0,001

-

0,079

-

-

-

17. táblázat Jobb oldali ablak egység darabjegyzéke Elem 1 2 3 4

Menny. Alkatrész [db] 1 Jobb oldali ablak Al L-profil 2 30x20x4-520 Rögzítőklipsz 16 BR1-488-01 Csavar ISO 4762 12 M3 x 10

Leírás Víztiszta PC Alimínium egyenlőtlen szárú L-profil Teljes tartó vastagság (mm): 12.7-20.6 Belső kulcsnyílású csavar

Tömeg Anyaga [kg] 3,249 PC 0,257

Al 6060

0,001

PA 6.6

0,001

-

18. táblázat Bal oldali ajtó egység darabjegyzéke Elem

Menny. [db]

Alkatrész

1

1

Ajtó lemez

2

1

Rugós sarokpánt

Leírás

Essentra 468222

–8–

Tömeg Anyaga [kg] ASTM 0,470 304L 0,027 -

19. táblázat Jobb oldali ajtó egység darabjegyzéke Elem

Menny. [db]

Alkatrész

1

1

Ajtó lemez

2

1

3

1

Rugós sarokpánt Negyedfordulós minizár clippel fixálva

Leírás

Essentra 468222 Essentra SR5528-L-3-1

Tömeg Anyaga [kg] ASTM 0,467 304L 0,027 0,038

-

20. táblázat A berendezés házának darabjegyzéke Elem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Menny. Alkatrész [db] 1 Zártszelvény váz 1 Frontablak egység Hátsó ablak 1 egység Bal oldali ablak 1 egység Jobb oldali ablak 1 egység 1 Bal oldali ajtó 1 Jobb oldali ajtó 1 PA bázislap 1 Alsólemez 1 Felsőlemez 1 Hátsó lemez 2 Oldal lemez Hordó alakú 4 peremes dugasz 1 PVC élvédő

Leírás

12790

–9–

Tömeg Anyaga [kg] 7,226 Al 6060 3,772 4,543

-

3,801

-

3,788

-

0,497 0,532 8,011 2,241 2,242 0,377 0,325

PA 6.6 Al 6061 Al 6061 Al 6061 Al 6061

0,001

LDPE

0,008

PVC

21. táblázat Az elektrosztatikus szálképző berendezés darabjegyzéke Elem 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Menny. Alkatrész [db] 1 Szálképző egység Kollektormozgató 1 egység Szövedék elhúzó 1 egység N3 ventilátor 1 szűrőbetéttel 1 Berendezés háza Csavar anya DIN 10 6923 - M6 Csavar ISO 4762 10 M6 x 40 Csavar ISO 4762 2 M6 x 25 Nagyfeszültségű 1 tápegység

Leírás

Tömeg Anyaga [kg] 7,008 2,750

-

4,062

-

11,28

-

37,69

-

Hatlapfejű csavaranya

0,004

-

Belső kulcsnyílású csavar

0,012

-

Belső kulcsnyílású csavar

0,008

-

14,9

-

– 10 –

Szíjfeszítő:

– 11 –

Jeladó:

– 12 –

– 13 –

Lineáris vezeték Franke FDA 15 D 400 és elemei:

– 14 –

– 15 –

– 16 –

Fogasszíjak:

– 17 –

Szíjtárcsák:

– 18 –

Asztali elszívó rendszer:

– 19 –

– 20 –

– 21 –

– 22 –

Adagoló egység:

– 23 –

– 24 –

– 25 –

– 26 –

– 27 –

Ablak mozgató sín:

– 28 –

Mozgató motor:

– 29 –

LDPE záródugók:

– 30 –

Zártszelvény dugó:

– 31 –

Ragasztóanyag kiválasztás:

– 32 –

Köszönetnyilvánítás Ezúton is szeretnék köszönetet nyilvánítani konzulenseimnek, Dr. Mészáros László és Molnár Kolos Uraknak közreműködésükért és szakmai tanácsadásukért. További köszönet a Polimertechnika Tanszéknek az diplomamunkámban felhasznált berendezések és a mintaanyagok biztosításáért. Köszönetet szeretnék mondani továbbá Kovács Tamásnak, valamint Váczi Noéminek személyes segítségükért. A munka az az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA K100949) segítségével valósult meg.

– 33 –