Nanovlákno

přírodní nebo syntetické vlákno s průměrem mezi 100–800 nanometry

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 nanometry (nm).

SEM snímek nanovlákenné PVA příze

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]

Historie nanovláken

editovat

Za první uměle připravené nanovlákno se často považují uhlíková vlákna, která vyrobil Edison v roce 1880. Název nanovlákno prosadil v roce 1974 Japonec Norio Tagiguci. Proces elektrostatického zvlákňování byl poprvé patentován v roce 1900, od roku 1980 se začalo s hromadnou výrobou nanovláken v USA. V roce 1993 přišel na trh první gram nanotubic, ve 2. dekádě 21. století dosahovala roční produkce řádově 300 tun. V té době byla ve světě vyvinuta řada dalších způsobů výroby nanovláken (štěpení bikomponentních vláken, odstředivé zvlákňování aj) žádný z nich se však dosud (2024) nedosáhl úroveň průmyslové výrorby.[2]

Výnos z celkové prudukce polymerních nanovláken se udával v roce 2020 s 924 miliony USD.[3]

Technologie výroby nanovláken

editovat

Velmi jemné textilní vlákno je možné vyrobit mnoha způsoby. Z těch se ve 3. dekádě 21. století používá k průmyslové výrobě

V odborné literatuře se uvádějí další metody, které se dosud nacházejí ve stádiu vědeckého výzkumu a laboratorních pokusů:

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 uspořádání 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
 
Schéma elektrostatického zvlákňování "z trysky"
 
Snímek z elektronového mikroskopu orientovaných nanovláken polyvinylidenfluoridu (PVDF)
 
Schéma trojstěnné uhlíkové nanotrubice

K metodám uvedených v tabulce:

Štěpení bikomponentních vláken

editovat

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 otvory ("ostrovy"), kolem kterých protéká tryskou polystyren (jako druhá komponenta) a tvoří „moře“. Vzniklý multifilament se dlouží a jako příze zpracovává na tkaninu nebo pleteninu. Na textilii se potom působí vhodnou chemikálií, která rozpustí materiál z „moře“, takže v přízi zůstanou jen (zpravidla velmi jemná) vlákna z „ostrovů“.[5] [6]

Foukání z taveniny

editovat

Princip: horké tavné zvlákňování s použitím na netkané textilie

Fyzikální dloužení

editovat

je suché zvlákňování na molekulární úrovni prakticky použitelné jen pro viskózové materiály

Fázové dělení

editovat

Princip: Rozpustná fáze se odděluje od nerozpustné, materiál se extruduje a zvlákňujě. Použití např. pro kyselina polymléčná (PLLA)[6]

Samosběr

editovat

Např.: N-heptyl-D-galactonamid (DMSO) se vstřikuje do vody, v roztoku vniká nadmolekulárním samosběrem do želatinového filamentu, na kterém tvoří stužky o šířce cca 150 nm. Možné použití: tkáňové nosiče.[7]

Rozptýlení rozpouštědlem

editovat

je kombinace elektrostatického zvlákňování a foukání z taveniny. Průchod materiálu tryskou je podporován silným proudem plynu, metoda je mnohem výkonnější než elektrostatické zvlákňování. [8]

Odstředivé zvlákňování

editovat

Princip: Zvlákňovací ústrojí i kolektor rotují s obrátkami až 30 000 /min. V literatuře se rozeznává tryskové a beztryskové zvlákňování, od základní konstrukce je odvozeno několik variant, např. kombinace elektrostatického a odstředivého zvlákňování, zvlákňování s tlakovou rotací (pressurized gyration) aj. Metoda je mnohem výkonnější než elektrostatické zvlákňování, ale jakost vlákna je nižší.[9] [10]

Hydrotermální zvlákňování

editovat

Touto metodou se vyrábějí nanovlákna jako kompozity např. povrstvováním sulfidu bismutitého oxidem křemičitým[11] nebo sufidu nikelnatého (Ni3S4@C) uhlíkem (CNFs)[12]

Vlastnosti

editovat

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.

Vliv na zdraví

editovat

Nanotechnologie je obecně považována za možné zdravotní riziko.[13][14] Uhlíková nanotrubice mohou způsobovat podobné patologické změny jako např. vlákna azbestu.[15] Krátká nanovlákna jsou spojena s menším zdravotním rizikem.[16]

Použití

editovat

Současné a v budoucnu možné použití se dá rozdělit na 3 oddíly:

  • vlákna na pavučinku a rouno, netkané textilie
Výroba z roztoků a tavenin rozfoukáváním nebo odstředivě. Použití zejména na membrány
  • monofilamenty na tkaniny a pleteniny
připravené tažením a dloužením. Použití: senzory, vodiče energie, medicínska a vojenská technika
  • grafenové nanotrubičky
Výroba – viz Uhlíkové nanotrubičky. Použití: zejména elektronické a optoelektronické součástky, informatika, :sportovní nářadí a oděvy[2]

Reference

editovat
  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 Nanostruktury (Nanovlákna), materiály 21.století [online]. TU Liberec, 2013-04-23 [cit. 2024-10-07]. Dostupné online. 
  3. Global Polymer Nanofiber Industry [online]. Gitnux, 2024-07-17 [cit. 2024-10-07]. Dostupné online. (anglicky) 
  4. Bhat: Structure and Properties of High-Performance Fibers, Woodhead Publishing 2017, ISBN 978-0-08-100550-7, str, 267-300
  5. Mather / Wardman: The Chemistry of Textile Fibres, Royal Society of Chemistry 2011, ISBN 978-1-84755-867-1, str. 215-217
  6. a b Technology of Nano-Fibers [online]. Research Gate, 2017 [cit. 2024-10-03]. Dostupné online. (anglicky) 
  7. Wet spinning and radial self-assembly [online]. Nanoscale, 2019 [cit. 2024-10-05]. Dostupné online. (anglicky) 
  8. Solution blow spinning [online]. Wiley Online Library, 2009-04-27 [cit. 2024-10-07]. Dostupné online. (anglicky) 
  9. Robotická zvlákňovací jednotka [online]. TU Liberec, 20223-05-16 [cit. 2024-09-28]. Dostupné online. 
  10. Recent developments in the use of centrifugal spinning [online]. WIREsWireonal Library of Medicine, 2023-08-23 [cit. 2024-09-27]. Dostupné online. (anglicky) 
  11. Combining Electrospinning and Hydrothermal Methods [online]. ASC Publications, 2023-03-07 [cit. 2024-10-05]. Dostupné online. (anglicky) 
  12. Electrospun and hydrothermal techniques [online]. Science Direct, 2019-09-15 [cit. 2024-10-05]. Dostupné online. (anglicky) 
  13. https://zsbozp.vubp.cz/nanocastice-nanotechnologie-a-nanoprodukty-a-jejich-vazba-na-bezpecnost-a-ochranu-zdravi-pri-praci - Nanobezpečnost
  14. https://www.bozp.cz/aktuality/rizika-nanomaterialu/ - Potenciální rizika nanomateriálů a nanočástic. Toxicita, expozice a hodnocení rizik
  15. https://www.materialstoday.com/nanomaterials/news/carbon-nanotubes-coated-to-reduce-health-risks/ - Carbon nanotubes coated to reduce health risks
  16. https://www.ed.ac.uk/news/all-news/nanofibres-220812 - Nanofibre health risk quantified

Související články

editovat

Literatura

editovat

Externí odkazy

editovat