Nanovlákno

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Nanovlákno je délkový útvar o charakteristických rozměrech a vlastnostech, kde jeden rozměr (délka) významně přesahuje průměr vlákna. Charakteristické průměry nanovláken se pohybují mezi 100–800 nanometrů (nm).[13]

Nanovlákenné materiály jsou textilní výrobky s průměrem vláken menším než 1 mikrometr (µm) = 1000 nanometrů (nm).

Jako surovina se dá (dosud) použít asi 50 syntetických a přírodních polymerů. Nanovlákna bývají označována za materiály třetího tisíciletí, které mají přinést revoluci v medicíně, elektronice, automobilovém průmyslu. Dále mohou být použita ve filtraci, v ochraně životního prostředí, nanokompozitech, energii a IT, ochranných pomůckách a bariérách.

Výzkumem v oblastech nanovláken, nanovlákenných materiálů, nanovlákenných kompozitů se věnuje Technická Univerzita v Liberci, Fakulta textilní, Katedra netkaných textilií a nanovlákenných materiálů.

Dějiny oboru[editovat | editovat zdroj]

Elektrostatické (elektrické) zvlákňování jako fyzikální jev a také výroba ultra jemných vláken je datována rokem 1900, kdy byla podána patentová přihláška. Tento americký patent se věnuje Metodám rozptylování (rozstřikování) kapalin pomocí vysokého napětí. Autorem patentu, který byl přijat v roce 1902 je Morton.[15]

Pokusy o výrobu nanovlákna byly realizovány v letech 1934 až 1944. Autor Formhals v tu dobu publikoval řadu patentů popisujících experimentální instalaci pro výrobu polymerových vláken při použití elektrostatické síly. V roce 1952 uměli Vonnegut a Neubauer vyrobit proud vysoce elektrifikovaných uniformních kapiček o průměru 0,1 mm a o tři roky později vyzkoumal Drozin rozptylování řad tekutin do aerosolů při vysokém elektrickém potenciálu.

Další krok učinil v roce 1966 Simon, jenž patentoval přístroj na výrobu ultratenkých a ultralehkých nanovlákenných tkanin s různými vzorky při použití elektrického zvlákňování. Zjistil, že vlákna z nízkoviskózních roztoků měla tendenci se zkracovat a zjemňovat, zatímco vlákna z vysoceviskózních roztoků byla poměrně stále spojitá.

V roce 1971 Baumgarten zhotovil přístroj k elektrozvlákňování akrylických vláken s průměrem v rozmezí 0,05 – 1,1 mikronů. Zvlákňovaná kapka se uvolňovala z kapilárové trubky z nerezové oceli a její stálá velikost byla udržována úpravou přiváděcí rychlosti infúzní pumpy. Kapilárová trubka byla spojena s elektrodou o vysokém napětí, zatímco vlákna byla zachycována na uzemněné kovové cloně.

Na tyto badatele a především na jejich následníky ve firmách Reneker a Chun a Larronda a Manley navázal výzkumnou činnost tým profesora Oldřicha Jirsáka z Technické univerzity v Liberci,Katedry netkaných textilií a nanovlákenných materiálů.

Přehledná publikace věnující se fyzikálním principům elektrostatického zvlákňování, historii a koaxiálním nanovláknům byla publikována v roce 2009 profesorem Davidem Lukášem a kolektivem autorů.[14]

Výrobní technologie[editovat | editovat zdroj]

První výrobky přišly na trh v 80. letech minulého století,[1] vývoj technologie je však stále ještě v počátečním stádiu. Použití textilních nanovláken bude v mnoha oborech znamenat obrovský pokrok, ovšem až se podaří vyřešit některé technické problémy při jejich výrobě.

Schéma elektrostatického zvlákňování "z trysky"

Nejpoužívanější způsob výroby je elektrostatické zvlákňování. Princip: Z kapky polymeru procházejícího elektrickým polem s napětím až 50 kV se tvoří kapiláry. Hotová nanovlákna s průměrem pod 500 nm se neuspořádaně ukládají na kolektor, který se pohybuje po povrchu elektrody. Dosud jsou známé tři metody elektrostatického zvlákňování: "z trysky", " z tyčky" a "z válečku".[2]

Pokusná zařízení pracující na popsaném principu mohou za hodinu zhotovit 0,1-1 gram vláken. Mimo nízké produktivity má tato metoda nedostatek na příklad v tom, že se při výrobě nedá ovlivňovat stejnoměrnost tloušťky vlákna, počet a velikost kapek vycházejících z trysky jsou závislé na koncentraci a viskozitě polymeru atd. Výzkumníci se snaží odstranit nedostatky modifikací výrobního zařízení na příklad instalací otáčivého kolektoru, pomocného elektrického pole a podobně.

Zařízení Nanospider vyvinuté na Technické univerzitě v Liberci, textilní fakultě, katedře netkaných textilií pracuje s výkonem 1–5 g/min. na 1 metr pracovní šířky. Tento vynález je založen na principu zvlákňování "z válečku",[3] je patentován českým CZ294274 a světovým patentem WO/2005/024101. Výhradní licenci k tomuto zařízení zakoupil p. Ladislav Mareš pro svoji firmu Elmarco, která začala v roce 2005 s úspěšnou výrobou a prodejem těchto zařízení. Společnost Elmarco byla v roce 2007 jediným producentem strojů na výrobu netkaných textilií z nanovláken na světě.


Vedle elektrostatického zvlákňování existuje několik jiných výrobních technologií, jako: předení průtahem (podobné výrobě standardních syntetických vláken), zvlákňování fázovým dělením nebo tzv. samosběrem, template sythesis (tímto způsobem se vyrábí také duté vlákno, např. uhlíkové nanotrubičky CNT) atd. Všechny tyto metody jsou velmi málo produktivní a mají více kvalitativních nedostatků než elektrostatické zvlákňování.

Jako textilie se nanovlákna (dosud) zpracovávají jen ve formě netkaných textilií, tedy tvorbou vrstvy z náhodně uložených vláken. Firma CNT Technogies Inc. získala licenci na spřádání uhlíkových nanotrubiček o délce 1–5 mm[4] Tato firma vyvinula výrobní zařízení, které na mechanickém a vakuovém principu dlouží a elektromagneticky spřádá vlákna na (staplovou?) přízi. Tato zpráva byla publikována v tisku v roce 2007.[5] Ani údaje o skutečné produkci ani technické podrobnosti nebyly dosud (do roku 2010) zveřejněny.

V laboratorních podmínkách je možné připravit orientované nanovlákenné materiály. Jedná se o využití metody speciálního kolektoru, tedy místa, kde se nanovlákna ukládají. Pomocí vodivého kolektoru lze ovládnout elektrické pole v jeho blízkosti a tím ovlivnit ukládání nanovláken. Tato technologie je zejména vhodná pro výrobu orientovaných nanovlákenných přízí.[6] Nanovlákenné příze mohou být také použity pro vytvoření tkaniny.[7] Tato tkanina je biokompatibilní a biodegradabilní při použití vhodného polymeru a může být použita v oblasti tkáňového inženýrství.

Soubor:Orientovaná nanovlákna
Snímek z elektronového mikroskopu orientovaných nanovláken polyvinylidenfluoridu (PVDF)
Soubor:Nanovlákenné příze
SEM snímek nanovlákenné příze

Vlastnosti[editovat | editovat zdroj]

Nanovlákno má tisícinásobně větší povrchovou plochu než např. mikrovlákno. Nanovlákenné materiály se vyznačují vysokou pórozitou. Mechanické vlastnosti nanovlákenných materiálů vytvořených ze syntetických nebo přírodních polymerů nedosahují vysokých hodnot. Pro zlepšení mechanických vlastností se nanovlákna nanášejí na podkladový materiál, který je obecně z polypropylenu a je vytvořen technologií spunbond.

Pro zlepšení mechanických vlastností nanovláken je možné využít metodu výroby uhlíkových nanovláken karbonizací pomocí metody CVD na speciálních substrátech (kámen, kovové plátky, dráty). V laboratorních podmínkách se uhlíková nanovlákna připravují na Technické Univerzitě v Liberci, Katedře netkaných textilií a nanovlákenných materiálů.[8]

Laboratorně byly vyrobeny (na univerzitě v Cambridge v Anglii) uhlíkové nanotrubičky

- s jednoduchou stěnou (SWNT) s modulem pružnosti 1000-5000 GPa a s tažnou pevností 13-53 GPa

- s vícenásobnou stěnou (MWNT) s modulem pružnosti 800–900 GPa a s tažnou pevností 10-150 GPa [9]

Použití[editovat | editovat zdroj]

Po vyřešení výrobně technických problémů bude možné použít nanovlákna v mnoha oborech.

V současné době převažuje jejich použití u filtrů, kompozitů, textilních látek se speciálními vlastnostmi. Uplatňují se také v biomedicíně, v tkáňovém inženýrství jsou používána jako podklad pro pěstování lidských buněk. Uplatnění mohou mít také při čištění vody, pro získávání a uchovávání elektrické energie, ve farmacii nebo v potravinářském průmyslu.[10]

Z dosavadních sériových výrobků jsou známy (vysoce účinné) filtry a v menším měřítku kompozity a membrány. Další možností využití nanovlákenných materiálů je ve tkáňovém inženýrství. Zde se používají nanovlákenné nosiče jako scaffoldy tedy lešení. Nanovlákenné nosiče jsou poté osazeny buňkami, které zde adherují a proliferují. Bylo provedena řada experimentů [16]v oblasti tkáňového inženýrství a biomedicíny. V současné době se v této oblasti věnují odborníci a výsledky naznačují budoucí použití jako např. umělá chrupavka, umělá kost, kožní implantáty a jiné.

Z nanovláken se vyrábí i netkaná textilie, která se využívá antialergických lůžkovinách. V současné době je jediným producentem textilie česká firma Nanovia s.r.o. Hlavní zpracovatelem je firma nanoSPACE s.r.o., která z textilie šije lůžkoviny. Textilie funguje na principu třívrstvého sendviče, prostřední vrstvu tvoří nanovlákenné struktury. Vzájemná soudržnost jednotlivých vrstev zajišťuje technologie termobondingu (způsob kalandrování textilií). Výhodou nanovlákenné struktury je, že se neničí praním, nepropustí ani alergeny roztočů a podle Státního zdravotního ústavu jsou nezávadné.[11]

V roce 2005 se předpokládal nárůst světové produkce nanovláken do roku 2010 na více než 10 milionů tun, z toho 3,2 miliony na průmyslové použití a 2,4 miliony na zdravotní a hygienické účely.[12] Znamenalo by to více než 20 % podílu na celkové roční výrobě umělých vláken. Údaje o skutečné produkci nejsou veřejně známé ani z minulých let ani ze současnosti.

Související články[editovat | editovat zdroj]

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • Denninger/Giese: Textil- und Modelexikon, ISBN 3-87150-848-9 Deutscher Fachverlag Frankfurt/Main 2006, str.484 (definice nanovlákna)

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. První výrobky z nanovláken (německy): http://www.emea.donaldson.com/de/filtermedia/support/faq.html
  2. Tři způsoby elektrostatického zvlákňování: http://www.ft.tul.cz/depart/knt/nanotex/N%C3%A1vod%20na%204.cvi%C4%8Den%C3%AD_TNA%20.pdf
  3. Elektrostatické zvlákňování: http://www.ft.tul.cz/depart/knt/nove/index.php?obsah=studium/stranky_predmetu/mit
  4. Nanotrubičky s délkou 1–5 mm : http://www.volny.cz/zkorinek/vlakna.pdf
  5. Výroba příze z nanovláken http://newsblaze.com/story/2007080911330100001.sp/topstory.html
  6. Chvojka J., Hinestroza J.P., Lukas D.: Production of Poly(vilylalcohol) Nanoyarns Using a Special Saw-like Collector, Fibres & Textiles in Eastern Europe, 2013;21,2(98):28-31
  7. ChvojkaJ., Pokorna M., Lukas D., Woven fabric created by nanofibrous yarns, Nanocon,. October 2010, Olomouc, pp. 98–102, ISBN 978-80-87294-19-2
  8. Kostakova E, Gregr J, Meszaros L, Chotebor M, Nagy Z,K, Pokorny P, Lukaš D: Laboratory synthesis of carbon nanostructured materials usin natural gas, Materials Letters, Vol.79 (2012)
  9. Fyzikální hodnoty nanotrubiček: http://www.volny.cz/zkorinek/vlakna.pdf
  10. Portál o nanovláknech: http://www.nafigate.com/cs
  11. Praha: Státní zdravotní úřad, 2011, [cit. 2013-10-14]. Dostupné online.  
  12. Prognóza výroby nanovláken (SHISHOO-Consulting, německy): http://www.textil-mode.de/_obj/D603066C-8232-436B-9EC2-BCF47095F2C9/outline/Nassauer.pdf

13. Ramakrishna S., Fujihara K,Teo W.: An Introduction to Electrospinning and Nanofibers, Word Scientific Publishing 2005, pp.3, ISBN 981-256-415-2

14. Lukas D. and kol. :Physical principles of electrospinning (Electrospinning as a nano-scale technology of the twenty-first century), Textile Progress Vol.41,No.2, 2009,59-140, ISSN 0040-5167

15. Morton W.J.: Method of Dispersing Fluids, US Patent No. 705 691, 1902

16.Rampichová M., Chvojka J., a kol.,: Elastic three-dimensional poly (e-caprolactone) nanofibre scaffold enhances migration, proliferation and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells, Cell Proliferation, 2013, 46, pp. 23–37