фильера для изготовления из расплавленного полимера пустотелого волокна, содержащего в своей полости сформованное одновременно с ним второе волокно

Формула изобретения

1. Фильера для изготовления из расплавленного полимера пустотелого волокна, содержащего в своей полости сформованное одновременно с ним второе волокно, содержащая горизонтальную пластину с верхней и нижней поверхностями, соединенными между собой посредством внутреннего и наружного концентрично расположенных каналов для подачи расплавленного полимера, последний из которых выполнен кольцевым, и связанных между собой посредством радиальных каналов, отличающаяся тем, что участок каждого из радиальных каналов, примыкающий к наружному кольцевому каналу, выполнен в виде конуса, сужающегося в направлении участка канала, примыкающего к внутреннему кольцевому каналу.

2. Фильера по п.1, отличающаяся тем, что каждый радиальный канал расположен с возможностью подачи по нему расплавленного полимера в направлении от наружного кольцевого канала к внутреннему кольцевому каналу.

3. Фильера по п.1, отличающаяся тем, что внутренний канал имеет в своей полости сегменты, форма каждого из которых включает три последовательно расположенных участка, первый из которых выполнен в виде дуги, концентрично расположенной относительно внутреннего кольцевого канала, второй участок выполнен прямолинейным и является соединительным первого участка с третьим, при этом последний выполнен криволинейным и изогнут в сторону, противоположную первому участку.

4. Фильера по п.3, отличающаяся тем, что второй участок сегмента расположен по касательной относительно двух других участков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для изготовления пустотелого волокна, формуемого вместе с находящейся внутри него сердцевиной.

Мембранные биореакторы на пустотелых волокнах находят применение при производстве некоторых материалов из суспендированных или иммобилизированных ферментов или клеточных культур. При этом клетки или ферменты размещаются изнутри либо снаружи пустотелых волокон, к ним подводятся питательные вещества, а от них удаляются желаемые продукты. Из-за малых размеров биореактора известные методы изготовления вручную таких мембран оказываются дорогостоящими и длительными, что особо справедливо, когда речь идет о двойных пустотелых волокнах значительной длины и малого диаметра.

В соответствии с изобретением предусматривается создание двойных пустотелых волокон, снабженных средствами для удержания внешнего волокна и внутреннего волокна на расстоянии друг от друга, эти средства содержат распорные элементы, выступающие с периферийной поверхности внутреннего волокна либо с внутренней поверхности внешнего волокна, образуя одно целое по все его длине.

Фильера для производства таких волокон содержит пластину с верхней и нижней поверхностями, соединенными каналами, в состав которых входит сегментированный кольцевой внутренний канал для формования посредством него внутреннего пустотелого волокна, кольцевой внешний канал, соосный внутреннему проходу и предназначенный для формования через него внешнего пустотелого волокна, и средство, связанное с внешним проходом для направления полимера к внутреннему проходу во время экструзии.

В соответствии с предложенным вариантом реализации фильеры по изобретению в ее состав входит пластина с верхней и нижней поверхностями, соединенными капилляром, капилляр содержит сегментированный внутренний проход для экструзии через него внутреннего пустотелого волокна, кольцевой внешний проход, соосный внутреннему проходу и предназначенный для экструзии через него внешнего пустотелого волокна, и средство, связанное с внутренним проходом для направления полимера к внешнему проходу во время экструзии полимера. В этом варианте реализации внутренний проход может содержать несколько сегментов, у каждого из которых имеется первый участок, изогнутый по отношению к центру капилляра, второй участок, направленный по прямой линии к первому участку, и третий участок, направленный от второго участка вначале в направлении кривой, обратной по отношению к первому участку.

В рассмотренных вариантах реализации фильерных капилляров можно предусматривать множество опорных элементов, перекрывающих внешний проход, а также средство для подачи газа в капилляр между внутренним и внешним проходами.

Кроме того, фильеры, применяемые для производства двойных пустотелых волокон, выполняются в виде единой детали и потому не обладают недостатками, присущими известным фильерам, приспособленным для производства пустотелых волокон.

На фиг. 1-3 дана фильера, вид сбоку, снизу и план; на фиг. 4-5 вид в более крупном масштабе капилляра фильеры по фиг. 1, снизу и план; на фиг. 6-8 сечения А-А, Б-Б и В-В соответственно на фиг. 5; на фиг. 9 вид в более крупном масштабе сегментированного внутреннего прохода по фиг. 4; на фиг. 10 и 12 соответственно вид сбоку, вид снизу и план фильеры по изобретению; на фиг. 13 и 14 соответственно вид капилляра снизу и сверху в более крупном масштабе, чем на фиг. 8; на фиг. 15-17 сечения Г-Г, Д-Д и Е-Е соответственно по фиг. 13; на фиг. 18 и 19 фотографии поперечных сечений волокон по данному изобретению при 250-135-кратном увеличении соответственно.

Изобретение позволяет минимизировать контакт между отдельными стенками внутреннего и внешнего волокон. Достижение этой цели оказывается возможным благодаря введению в двойную волоконную структуру особых средств, удерживающих внешнее и внутреннее волокна на расстоянии друг от друга. В число таких средств входят распорные элементы, выступающие из периферийной поверхности внутреннего волокна либо из внутренней поверхности внешнего волокна и составляющие с ним единое целое по всей его длине.

Предлагаемая фильера содержит плиту с верхней и нижней поверхностями, соединенными капилляром, капилляр содержит сегментированный кольцевой внутренний проход для экструзии через него внутреннего пустотелого волокна, кольцевой внешний проход, соосный внутреннему проходу и предназначенный для экструзии через него внешнего пустотелого волокна, и средства, связанные с внешним проходом для направления полимера к внутреннему проходу во время экструзии полимера.

Фильера для получения двойных волокон по изобретению содержит пластинку с верхней и нижней поверхностями, соединенными капилляром, капилляр содержит сегментированный внутренний проход для экструзии через него внутреннего пустотелого волокна, кольцевой внешний проход, соосный внутреннему проходу и предназначенный для экструзии через него внешнего пустотелого волокна, и средства, связанные с внутренним проходом для направления полимера к внешнему проходу во время экструзии полимера. Во внутреннем проходе может содержаться несколько сегментов, каждый из которых состоит из первого участка в форме дуги, изогнутой относительно центра капилляра, второго участка, направленного по прямой линии к первому участку, и третьего участка, идущего от второго участка первоначально в направлении кривой, обратной по отношению к первому участку.

В упомянутых вариантах конструкции фильеры могут быть предусмотрены несколько опорных элементов, перекрывающих другой проход, и средства для подачи газа в капилляр к месту, находящемуся между внутренним и внешним проходами.

Кроме того, фильеры, применяемые для совместного формования двойных волокон, выполняются в виде одной детали и не обладают недостатками, присущими известным фильерам, приспособленным для формования пустотелых волокон.

Фильера 1 приспособлена к установке в фильтровальный блок для подведения одного или нескольких полимерных составов для формования внутреннего и внешнего волокон. Фильера состоит из пластины 2 и снабжена капилляром 3, соединяющим верхнюю 4 и нижнюю 5 поверхности. Капилляр 3 содержит внешний кольцевой канал 6, соосный сегментированному внутреннему каналу 7 и расположенному между ними вентиляционному каналу 8. Монолитность фильеры обеспечивается опорными элементами 9, перемыкающими кольцевой канал 6 в нескольких угловых положениях. Внутри пластины 2 предусмотрены каналы 10, 11, которые проходят сквозь опоры 9 и соединяют внешние отверстия 12, 13 с кольцевым каналом 8.

На фиг. 3 и 5 показаны поверхность выемки 14 в верхней поверхности 15 и центральный канал 16.

На фиг. 4 и 9 показан сегментированный внутренний проход 7, предусмотренный в нижней пластинчатой секции 17, через который будет экструдироваться полимер в ходе формования внутреннего пустотелого волокна согласно изобретению. Во внутреннем проходе 7 имеются три или более независимых и криволинейных сегмента 18, 19, 20, 21, разделяемых перемычками 22. Сегменты состоят из первого участка а в форме дуги, изогнутой относительно центра б канала 7, второго участка в, направленного по прямой к первому участку, и третьего участка г, направленного от второго участка вначале по кривой, обратной по отношению к первому участку.

При выполнении канала 7 в фильере выбирают центр б для прохода и центр д для каждого из сегментов; образуют первые участки а, имеющие по краю внутренний радиус r и внешний радиус r" относительно центра б; формуют участки обратной кривизны г, как дуги, имеющие по краям внутренний радиус l, и внешний радиус l" относительно центра д, и соединяют участки а и г еще одним участком в форме прямой линии в. Желательно, чтобы участок в был касательным к краю внутренней дуги участка а и к внешней дуге третьего участка г, а также был касательным своим внешним краем к внешнему краю первого участка а и к внутреннему краю третьего участка г.

Относительно длины радиусов r, r", l и l" следует заметить, что разность по длине между радиусами r" и r равна разности по длине между l и l". Затем, если линия L проведена через центры б и д, то расстояние по линии L от точки б до точки д должно быть равно длине l плюс r" причем длина r" предпочтительно больше или равняется длине l.

Сегмент г размещается вокруг центра д и идет к точке, определяемой по отношению к длине L. Сегмент г может быть направлен навстречу линии L либо сделан короче или длиннее, что приведет к формованию волокон, имеющих более короткие либо более длинные распорные элементы. Если третий участок г продолжается после линии L в форме дуги (например, 60^o), то на поверхности волокна может быть образован пустотелый распорный элемент.

Перемычки 22 отделяют сегменты от канала 7 и обеспечивают конструктивную целостность внутренней секции этого прохода. Длина перемычки 22 определяется расстоянием Е между линией E", идущей параллельно из внутреннего края 33 сегмента прохода, и второй линией E", проведенной параллельно краю 23 и через угол сегмента 24. Типовые величины размеров для прохода приведены ниже в примерах.

Вентиляционные каналы 10 и 11 проходят через опоры 25 для поступления газа в камеру 26. Для облегчения изготовления канала 10 и протекания жидкости к отверстию 12 предусмотрена канавка 27.

На фиг. 7 изображены опорные элементы 25, удерживающие камеру 26 и обеспечивающие конструктивную целостность фильеры в тех местах, где нет каналов 10, 11.

На нижней поверхности сегменты 28 разделены каналом 7, однако перемычки 22 соединяют сегменты 28 в нескольких местах на нижней поверхности фильеры.

На фиг. 18 изображено поперечное сечение волокна, сформованного с помощью описанной фильеры. При этом внутреннее волокно 29 было сформировано одновременно с внешним волокном 30. Из периферийной поверхности 31 внутреннего волокна 29 выступают распорные элементы 32, которые могут контактировать с внутренней поверхностью 33 внешнего волокна 30 и сохранять пространство 34. Размер внешнего волокна относительно внутреннего определяет степень контакта распорных элементов 32 с внутренней поверхностью 33 внешнего волокна 30.

При работе от многоканальной распределительной плиты будет поступать полимер к каналу 16 для внутреннего волокна, а также полимер к поверхности выемки 14 для внешнего волокна. Полимер для внешнего пустотелого волокна будет перемещаться от поверхности выемки 14 к отверстию 6, откуда он будет экструдироваться в виде непрерывного пустотелого волокна.

Одновременно полимер для внутреннего пустотелого волокна будет подаваться к каналу 16 и экструдироваться через проход 7. Вначале свежеэкструдированное внутреннее пустотелое волокно будет прерывистым вдоль периметра из-за перемычек 22; однако сразу после экструзии полимера произойдет коалесценция и образуется непрерывное по периметру пустотелое волокно. Во время экструзии участки 2 прохода 7 образуют распорные элементы. Из прохода 8 поступает газ, например воздух, предназначенный для поддержания пространства 34 между внутренним 29 и внешним 30 волокнами. Газ в канал 8 поступает из камеры 26, куда он идет по каналам 10, 11 из отверстий 12, 13 соответственно. С поверхностью фильеры может быть состыкован коллектор, обеспечивающий положительное давление газа для вентиляционных целей.

На фиг. 10-12 изображен другой вариант реализации фильеры по изобретению. Фильера 31 изготовлена из пластины 32, имеющей нижнюю 33 и верхнюю 34 поверхности. Через фильеру 31 проходит капилляp 35, содержащий внешний кольцеобразный канал 36 с выступами 37, направленными внутрь, а также внутренний кольцеобразный проход 38, прерываемый перемычками 39. Между внешним 36 и внутренним 38 проходами располагаются вентиляционные отверстия 40, которые через канал 41 сообщаются с отверстиями 42, имеющимися в канале 43. Опоры 44 перекрывают внешний кольцевой канал 36, обеспечивая конструктивную целостность фильеры. Через перемычки 44 проходит канал 41, соединяющий отверстия 42 и 40.

На фиг. 12 и 14 изображена поверхность выемки 38 в верхней поверхности 34 и канал 45, сообщающийся с сегментированным проходом 38.

Канал 41 проходит через опору 44 и сообщается с каналом 43 через отверстия 42 и с цилиндрическим каналом 46, который заканчивается у отверстия 40 на нижней поверхности 33 капилляра 47. Перемычки 39 сообщаются с сегментом на нижней поверхности фильеры 48, обеспечивающим конструктивную целостность фильеры.

На фиг. 13 и 16 изображены каналы 37 в нижней поверхности 49, идущие от внутренней поверхности кольцевого канала 36 и ограниченные скошенным краем 50, сходящимся на конус в направлении кольцевого канала 38. Каналы заканчиваются у прямого участка 51 до того, как они достигают кольцевого канала 38.

На фиг. 19 изображены волокна, полученные при помощи такой фильеры. У внешнего волокна 53 имеются распорные элементы 54, вступающие внутрь из его внутренней поверхности; они могут контактировать с периферийной поверхностью 55 внутреннего пустотелого волокна 56 для поддержания пространства 54 между внутренним и внешним волокнами.

При работе полимер, который будет образовывать внешнее пустотелое волокно, поступает по соответствующему распределительному коллектору к поверхности выемки 58, откуда он поступает в кольцевой проход 36 и экструдируется в виде непрерывного пустотелого волокна из нижней поверхности фильеры. Как только полимер достигает нижней поверхности фильеры, он дополнительно поступает в камеры 32, где он образует распорные элементы 54, выступающие из внутренней поверхности 59 внешнего пустотелого волокна 53. Одновременно полимер, который будет образовывать внутреннее пустотелое волокно, поступает по соответствующему распределительному коллектору в канал 45, откуда он затем экструдируется у нижней поверхности фильеры через канал 38. Из-за перемычек 39 свежеэкструдированное волокно оказывается прерывистым по своему периметру; однако оно сразу же после экструзии коалесцирует с образованием непрерывного пустотелого волокна.

Во время совместной экструзии внутреннего и внешнего волокон в межволоконное пространство 57 через отверстие 40 подается газ, например воздух. Он поступает в отверстие 40 из канала 41, куда подается из отверстия 42, сообщающегося с каналом 43. С каналом 43 может сообщаться коллектор, обеспечивающий положительное давление газа в отверстии 40 для сохранения пространства 57 по мере формования двойного пустотелого волокна.

Пример 1. В этом примере описано совместно формование пустотелого двухкомпонентного волокна. В качестве фильеры использована фильера по фиг. 1-7. Капилляры фильеры имеют следующие размеры:

внешний полимерный проход 30:

внутренний диаметр 5,08 мм

ширина 0,177 мм

глубина 1,016 мм

внутренний полимерный проход 32 (см. фиг. 9):

длина r" 0,762 мм

r 0,672 мм

l 0,292 мм

l" 0,381 мм

E 0,154 мм

б-д 1,14 мм

Внутреннее и внешнее пустотелые волокна были совместно отформованы из полиметилпентена (изготовитель фирма "Мицуи Петрокемикл", марка прозрачности R T-18, скорость потока в расплаве 26 г за 10 мин, температура плавления - 240^oC, плотность 0,833 г/см³) и полиэтилентерефтала (LRV 23,5). Оба полимера были по отдельности расплавлены в нагревательной зоне шнековых расплавителей при температуре около 270^oC и затем экструдировалось через фильеру, температура которой также поддерживалась около 270^oC. Полимер, образующий внутреннее волокно, дозировался со скоростью 2 г/мин на проход, тогда как полимер, образующий внешнее волокно, дозировался со скоростью 6 г/мин на проход.

Кроме того, что волокна были экструдированы из фильеры, их охладили в потоке воздуха при комнатной температуре и пропустили по контактному обработочному валку, где с целью сцепления в многоволоконном пучке на них наносилось покрытие (10%-ный раствор смазки из эфира алкилстеарата, эмульгированного Aerosol и Merpol). Затем волокна были сведены вместе с помощью направляющих и намотаны на катушку со скоростью 125 м/мин. Из волокна были вырезаны тонкие сечения, их исследовали под оптическим микроскопом при увеличении 250 крат и нашли, что они представляют собой пустотелое волокно, внутри которого находится другое пустотелое волокно. У внутреннего пустотелого волокна 29 имеются выступающие из него опорные элементы 32, контактирующие с внутренней поверхностью 33 внешнего волокна 30 и поддерживающие пространство между внутренним и внешним волокнами. Внутренне пустотелое волокно было свободным от внешнего и могло быть свободно вытянуто из внешнего волокна с одного или другого конца.

Пример 2. В данном примере описано совместное формование с помощью другого варианта фильеры по изобретению, при этом внутри пустотелого волокна формовалось электропроводное пустотелое волокно. Капилляры фильеры имели следующие размеры:

внешний кольцевой полимерный проход 50:

внешний диаметр 5,08 мм

ширина 0,177 мм

глубина 1,016 мм

ширина канала 51 0,177 мм

угол канала 51 от поверхности 75^o,

внутренние полимерные отверстия 52:

внешний диаметр 0,177 мм

ширина 0,1016 мм

глубина 0,432 мм

длина перемычки 43 вдоль дуги равна 0,228 мм

Внутреннее волокно состояло из смеси электропpоводной углеродной сажи с полиэтиленом при 28 мас. и было сформовано вместе с внешним волокном из полиэтилентерефталатом (LRV 23,5). Материал внутреннего и внешнего волокон плавился раздельно в зонах нагрева шнековых расплавителей при температуре около 270^oC и экструдировалось через фильеру, также нагретую примерно до 270^oC, Дозирование смеси из углеродной сажи и полиэтилена, образующей внутреннее волокно, осуществлялось со скоростью примерно 0,7 г/мин на проход, дозирование полимера, образующего внешнее волокно, осуществлялось со скоростью 4 г/мин на проход.

После того, как волокно было экструдировано из фильеры, его охладили в воде и намотали на катушку при скорости 36 м/мин. Было получено поперечное сечение волокна; его исследовали под оптическим микроскопом при увеличении в 135 раз и нашли, что оно является пустотелым волокном, внутри которого находится другое пустотелое волокно (фиг. 19). У внешнего волокна 53 имелись распорные элементы, которые выступали из его внутренней поверхности 59 и контактировали с периферийной поверхностью 55 внутреннего волокна 56, поддерживая пространство 57 между внутренним и внешним волокнами.