Nanovlákno

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
SEM snímek nanovlákenné PVA příze

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).

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. [1]

Techonologie výroby nanovláken[editovat | editovat zdroj]

Velmi jemné textilní vlákno je možné vyrobit mnoha způsoby. Na začátku 21. století byly v odborné literatuře uvedeny zejména: [2]

Způsob výroby Princip Rozsah
jemnosti (nm)
Štěpení bikomponentních vláken Odstranění jednoho z polymerů
v systému Islands in the Sea
nad 800
Foukání taveniny Dloužení polymerní taveniny
v proudu horkého vzduchu
nad 800
Fyzikální dloužení Fyzikální dloužení roztoku nad 50
Zvlákňování vzněcováním Zahřívání za současného tlaku
na polymerní tekutinu
nad 200
Fázové dělení Tvarování vlákna umělým
fázováním roztoku
50 - 500
Samosběr Samovolné upořádání molekul
v roztoku
nad 100
Rozptýlení rozpouštědlem Přeměna srážením
z rozpustnosti na nerozpustnost
nad 100
Odstředivé zvlákňování Dloužení vlákenné tekutiny
odstředivou silou
nad 100
Hydrotermální proces Formování vlákna
v hydrotermálním roztoku
50 - 120
Elektrostatický proces Roztahování roztoku
v elektrickém poli
10 nm až
několik µm
Schéma elektrostatického zvlákňování "z trysky"

Mezi uvedenými metodami vyniká elektrostatické zvlákňování. Touto technologií se dá vyrábět nejjemnější vlákno, k výrobě je možné použít několik různých materialů i ve složení více druhů dohromady a molekuly se mohou uspořádat také ve formě trubic. [2]

Z historie elektrostatického zvlákňování[editovat | editovat zdroj]

Za nejstarší objev v oboru je považováno zjištění Angličana Gilberta z roku 1600, že kapka vody se dá v elektrickém poli vytahovat do kónických tvarů. V roce 1902 byl patentován vynález Američana Mortona na rozptylování kapalin pomocí vysokého napětí. V letech 1965-1969 sestavil Američan Taylor matematický model kónického tvaru tekutin, který měl rozhodující vliv na zaměření výzkumných prací. Američan Reneker se spolupracovníky přehodnotil v roce 1990 vývoj v oboru elektrostatického zvlákňování a dal tak podnět k intenzivnímu výzkumu. V roce 2004 se zabývalo studiem této technologie ve světě už 200 univerzit. [3] Komerční výroba nanovláken začala v 80. letech 20. století. [4] Aktuální informace o celosvětové výrobě a spotřebě nanovláken lze získat jen z placených publikací, např. z každoroční studie za cenu cca 4000 USD. [5]

Pokročilé elektrotatické zvlákňování[editovat | editovat zdroj]

Na začátku 21.století se se k vlastnímu zvlákňování běžně používá tryska ve tvaru jehly. S touto technikou se však dá pracovat jen na velmi nízké úrovni produktivity, hotová vlákna se dají jen náhodně ukládat na kolektoru, komerčně se z nich vyrábí jen netkané textilie. [2] Pro zlepšení, resp. odstranění uvedených nedostatků byly do 2. dekády 21. století vyvinuty nové metody elektrostatického zvlákňování, z nichž tři mají praktický význam: [2]

Bezjehlové zvlákňování[editovat | editovat zdroj]

Známé jsou konstrukční varianty “z tyčky” a “z válečku”.

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", je patentován českým CZ294274 a světovým patentem WO/2005/024101. Výhradní licenci k tomuto zařízení zakoupil 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. [6] [7]

Kontinuální zvlákňování a spřádání nanovláken (“yarn electrospinning”)[editovat | editovat zdroj]

Např. přístroj z roku 2011 sestávající v princiopu ze dvou protilehlých trysek s elektrickým nábojem. Vlákenný material vycházející z trysek se dlouží a zakrucuje s pomocí trychtýřovitého kolektoru umístěného mezi oběma tryskami. Hotová nit se navíjí na cívku rychlostí 5 m/min.

Snímek z elektronového mikroskopu orientovaných nanovláken polyvinylidenfluoridu (PVDF)

Zvlákňování technologií Islands in the Sea („ostrovy v moři“)[editovat | editovat zdroj]

Technologie se zakládá na principu výroby bikomponentních vláken z taveniny. Zvlákňovací tryska je konstruována tak, že jeden polymer (např. polypropylen, polyester nebo polyamid) se protlačuje několika sty otvorů ("ostrovů"), kolem kterých protéká tryskou polystyren (jako druhá komponenta) a tvoří „moře“. Vzniklý multifilament se dlouží a jako příze zpracovává na tkaninu nebo pleteninu. Textilie potom vlákna nachází vhodnou chemikálií, která rozpustí materiál z „moře“, takže v přízi zůstanou jen (zpravidla velmi jemná) vlákna z „ostrovů“.[8]

Tímto způsobem se dala již v 90. letech 20. století vyrábět vlákna jemnější než 100 nm. [9] Zařízení ze začátku 21. století mohou na tomto principu produkovat až 5 kg nanovláken za hodinu. [8]

Vlastnosti[editovat | editovat zdroj]

Nanovlákno má tisícinásobně větší povrchovou plochu než např. mikrovlákno. Nanovlákenné materiály se vyznačují vysokou porozitou. 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.[10]

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

  • 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 [11]

Příze z nanovláken[editovat | editovat zdroj]

se dají vyrábět např. ze 3700 jednotlivých vláken při rychlosti navíjení do 180 m/hod. Svazek vláken v přízi drží dobře pohromadě i bez zákrutu. Příze z určitých materialů může se 420 zákruty na metr dosáhnout pevnosti 2 MPa při tažnosti 250% a se 6000 t/m se může pevnost zvýšit až na 60 MPa. [2]

Použití[editovat | editovat zdroj]

V odborných publikacích jsou obsáhle popisovány pokusně vyrobené textilie z nanovláken s použitím zejména v oblasti biomedicíny, elektroniky (superkapacitátory, litiové baterie), solárních buněk, piezoelektrických přístrojů, senzorů, ochrany ovzduší, chemických reakcí, funkčních textilií a mnoha jiných. [2] [12] Údaje o komerční výrobě jsou však na veřejnosti (v roce 2017) sotva známé. [13] K výjimkám v tom směru patří např. informace o produktech české firmy Nanovia. [14]

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Ramakrishna S., Fujihara K, Teo W.: An Introduction to Electrospinning and Nanofibers, Word Scientific Publishing 2005, pp.3, ISBN 981-256-415-2
  2. a b c d e f Bhat: Structure and Properties of High-Performance Fibers, Woodhead Publishing 2017, ISBN 978-0-08-100550-7, str, 267-300
  3. Electrospun nanofibers [online]. materialstoday, 2006-03-03, [cit. 2017-06-27]. Dostupné online. (anglicky) 
  4. The Pioneer in Nanofiltration [online]. Floor Care & Central Vac Professional, 2011, [cit. 2017-06-27]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. Global Nanofibers Consumption 2016 [online]. Decision Databases, 2016, [cit. 2017-06-27]. Dostupné online. (anglicky) 
  6. Textilní nanomateriály [online]. TU Liberec, 2015-03-23, [cit. 2017-06-27]. Dostupné online. (česky) 
  7. O společnosti [online]. elmarco, 2004-2017, [cit. 2017-06-27]. Dostupné online. (česky) 
  8. a b Mather / Wardman: The Chemistry of Textile Fibres, Royal Society of Chemistry 2011, ISBN 978-1-84755-867-1, str. 215-217
  9. Takajima: Advanced Fiber Spinning Technology, Woodhead Publishing 1994, ISBN 9781855731820, str. 194-197
  10. 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)
  11. Fyzikální hodnoty nanotrubiček: http://www.volny.cz/zkorinek/vlakna.pdf
  12. A Comprehensive review [online]. Arabian Journal of Chemistry, 2015-12-12, [cit. 2017-06-27]. Dostupné online. (anglicky) 
  13. The Global Market for Celluloe Nanofibers [online]. Future Markets, 2017, [cit. 2017-06-27]. Dostupné online. (anglicky) 
  14. Produkty [online]. TU Liberec, 2016, [cit. 2017-06-27]. Dostupné online. (česky) 

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)

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]