Nanovlákna
- Podrobnosti
Nanovlákna jsou textilní výrobky s průměrem menším než 1µm = 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 ve filtraci, v ochraně životního prostředí, nanokompozitech, energii a IT, ochranných pomůckách a bariérách.
První pokusy o výrobu nanovlákna byly realizovány v letech 1934 až 1944. Společnost Formalas v tu dobu publikovala 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.
Výrobní technologie
První výrobky přišly na trh v 80. letech minulého století, 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.
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".
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, textilni 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". Výhradní licenci k tomuto zařízení zakoupil p. Ladislav Mareš pro svoji fimu 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 textílií 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, na př. 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. Tato firma vyvinula výrobní zařízení, které na mechanickém a vakuovém principu dlouží a elekromagneticky spřádá vlákna na (staplovou?) přízi. Tato zpráva byla publikována v tisku v roce 2007.Ani údaje o skutečné produkci ani technické podrobnosti nebyly dosud (do roku 2010) zveřejněny.
Vlastnosti
Nanovlákno má tisícinásobně větší povrchovou plochu než např. mikrovlákno, vysokou porezitu a vynikající tuhost a houževnatost.
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
Použití
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.
Z dosavadních sériových výrobků jsou známy (vysoce účinné) filtry a v menším měřítku kompozity a membrány.
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.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.
zdroj: http://cs.wikipedia.org
