Nanovlákna

Nanovlákna se vyznačují vysokým měrným povrchem způsobené velmi tenkým průměrem pohybující se od desítek nanometrů až po mikrometr. Díky těmto vlastnostem se nanovlákenné vrstvy využívají nejen v technických výrobcích (filtry, senzory, separátory v bateriích), ale také i ve zdravotnictví (příprava umělých orgánů, cévní transplantáty, cílené dodávaní léčiv). Výchozím materiálem pro přípravu nanovláken je syntetický nebo přírodní polymer, většinou ve formě polymerního roztoku nebo taveniny. V současné době existuje několik způsobů jak připravit nanovlákennou vrstvu, nicméně největší pozornosti se dostává elektrostatickému zvlákňování z polymerních roztoků. Podstatou postupu je využití účinku vysokého napětí na kapičku polymerního roztoku, ze které vytryskne viskoelastický jet. Jet je cestou ke sběrnému kolektoru dloužen do tenkých průměrů při současném odpaření rozpouštědla, na sběrný kolektor dopadají již pevná nanovlákna. Tento výrobní proces je ovlivněn řadou faktorů zejména materiálovými a procesními parametry. Jedním z nejdůležitějších materiálových parametrů pro vznik nanovláken jsou reologické (tokové) vlastnosti polymerního roztoku, které jsou intenzivně studovány a optimalizovány.

Elektrostatické zvlákňování (elektrospinning)

Zařízení k přípravě nanovlákenné vrstvy je složeno ze tří základních komponentů: zvlákňovací elektrody (kovová tyčinka, jehla nebo váleček), kolektor (pevný, rotující) a zdroji vysokému napětí. Jak již bylo v úvodu zmíněno, elektrostatické zvlákňování je podmíněno vysokým napětím, které je aplikováno na polymerní roztok nebo taveninu. Vlivem vysokého napětí (10 - 70 kV) se kapička polymerního roztoku rozruší a na jejím povrchu se objeví tzv. Taylorové kužely, ze kterých je emitovano vlákno směrem k uzemněnému kolektoru. Polymerní jet letící ke kolektoru je dloužen chaotickým pohybem směrem k opačně nabitému sběrnému kolektoru. Během letu polymerního jetu se rozpouštědlo odpařuje. Na podkladovou netkanou textilii již pak dopadají tuhé vlákna nahodile nebo uspořádané v jednom směru, podle typu sběrného kolektoru. Modifikace procesu elektrostatického zvlákňování vedla k vytvoření průmyslové linky na výrobu nanovlákenné vrstvy.

Parametry ovlivňující zvlákňování

Existuje řada procesních faktorů, které ovlivňují tvorbu a vlastnosti výsledných nanovláken. Obecně se dělí na materiálové a procesní parametry.

  1. Materiálové parametry
    • Polymer – Využívají se syntetické a přírodní polymery, ale také jejich kombinace. Molekulová hmotnost, distribuce molekulové vlastnosti, topologie polymeru určují výsledný vzhled vytvořených nanovláken. Požadované vlastnosti nanovláken se odvíjí od použitého polymeru.
    • Rozpouštědlo – Vliv rozpouštědla je zásadní a často ovlivňuje tvar vláken, využívají se dobré i špatné rozpouštědla polymeru. Často se vytvářejí směsi rozpouštědel zejména k přípravě porézních nanovláken.
    • Polymerní roztok – Vlastnosti rozpouštědla (těkavost, permitivita, povrchové napětí) ovlivňují vlastnosti komplexního systému - polymerního roztoku. Nejdůležitějšími jsou reologické vlastnosti, povrchové napětí a vodivost. Do polymerního roztoku mohou být včleněny i další aditiva (organického i anorganického typu), které dále vylepšují vlastnosti výsledné nanovlákenné vrstvy (antibakteriální, hydrofobní, magnetické).
  2. Procesní parametry
    • Elektrické napětí – Standardně se využívá stejnosměrné napětí, nicméně bylo vyvinuté i zařízení, u nějž se využívá střídavé napětí. Elektrické napětí celkově urychluje proces zvlákňování a ovlivňuje kvalitu nanovlákenné vrstvy především z makroskopického hlediska.
    • Vzdálenost zvlákňovací elektrody od sběrného kolektoru – Vzdálenost se pohybuje od 5 do 40 cm, a je závislá na tom, jak je rozpouštědlo těkavé. Během této vzdálenosti se musí rozpouštědlo zcela odpařit a zároveň vlákno dostatečně vydloužit do tenkých průměrů.
    • Prostředí – Zde mezi nejdůležitějšími parametry řadíme teplotu a vlhkost, oba tyto parametry ovlivňují vlastnosti polymerního roztoku a tím tedy i výslednou kvalitu nanovlákenné vrstvy.

Morfologie nanovláken

Morfologií vláken se rozumí především jejich tvar a průměr, je především ovlivněna materiálovými a procesními parametry během elektrostatického zvlákňování. Co se týče tvaru, mohou být nanovlákna kruhová, plochá, porézní, bi-kompozitní, dutá a další. Průměr vláken ovlivňuje především povrchovou plochu, ale také i mechanické vlastnosti. Obecně jsou mechanické vlastnosti nanovlákenné vrstvy velmi špatné a proto se často nanovlákna nanášejí na nosnou netkanou textilii. Karbonizací nanovláken se připravují uhlíkové nanovlákna.

Využití nanovlákenných vrstev

Jak již bylo v úvodu naznačeno nanovlákenné vrstvy se dají využít v technických i zdravotnických aplikacích. Využití nanotechnologie pro výrobu membrán a filtrů obsahující nanovlákennou vrstvu je v dnešní době zcela neodmyslitelné v mnoha průmyslových oblastech. Vysoký měrný povrch nanovláken a prodyšnost vykazují membrány vysokou filtrační účinnost, umožnují větší průtok, mají silnou chemickou odolnost, vynikají pozoruhodnou kapacitou pro absorbci a může také sloužit k dočasnému zachycení funkčních skupin nebo biochemických látek. Nanovlákenné membrány se využívají k získání pitné vody z geotermálních pramenů, ale také i při procesu odsolování.

K dalším příkladům využití nanovlákenné vrstvy patří například antialergenní textilie, kde nanovlákenná vrstva slouží jako bariéra proti prachovým roztočům a alergenům. Antivirové respirační masky s nanovlákennou vrstvou proti nebezpečným virům, plísním a dalším škodlivým látkám. Náplasti obsahující membrány z nanovláken s kombinací kyseliny hyaluronové urychluje hojení ran a zabraňuje průniku bakterií a nečistot k pokožce. Budoucí aplikace nanovlákenných vrstev ve zdravotnictví zahrnuje například výrobu 3D struktur sloužící jako lešení pro růst buněk a přípravu náhradní orgánů, kostí, chrupavek, svalů. Nanovlákna se budou využívat k regeneraci kůže i nervové tkáně.

Výzkum na Ústavu pro hydrodynamiku

Reologické vlastnosti (viskozita, viskoelasticita) polymerních roztoků jsou jedním z nejdůležitějších materiálových parametrů ovlivňující tvorbu nanovlákenné vrstvy. Zvláště jsou-li do polymerních roztoků inkorporovány nanočástice aktivních látek (hydrofobní, hydrofilní, antibakteriální, magnetické nanočástice), které mění jejich tokové vlastnosti a následně i kvalitu nanovlákenné vrstvy. Viskozita polymerního roztoku ovlivňuje inicializaci procesu a pak průměr výsledných nanovláken. Viskoelasticita polymerního roztoku přispívá ke zpevnění jetu během dloužení a ukládaní vláken na sběrný kolektor.  V posledních letech se výzkum na Ústavu pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i. významně podílí na objasnění souvislostí mezi tokovými vlastnostmi polymerních roztoků a nanovláken. Zkoumá se především mechanismus interakcí aditiv s polymerem v roztoku a vliv reologických vlastnosti na morfologii nanovláken. Výzkum je také zaměřen na antimikrobiální vlastnosti nanovláken, které zabraňují růstu biofilmu na vodních filtrech.

Publikace:

Peer, P., Polášková, M., Šuly, P. (2018). Rheology of Polyvinyl Butyral Solution Containing Fumed Silica in Correlation with Electrospinning. Chinese Journal Of Polymer Science 36(6), 742-748.

Sedlaříková, J., Doležalová, M., Egner, P., Pavlačková, J., Krejčí, J., Rudolf, O., Peer, P., (2017). Effect of oregano and marjoram essential oils on the physical and antimicrobial properties of chitosan based systems. International Journal Of Polymer Science 2017, Article ID 2593863.

Peer, P., Filip, P., (2017). Nanofibrous web quality in dependence on the preparation of poly(ethylene oxide) aqueous solutions. The Journal of The Textile Institute 108(12), 2021-2026.

Peer, P., Filip, P., Polášková, M., Kucharczyk, P., Pavlínek, V., (2016). The influence of sonication of poly(ethylene oxide) solutions to the quality of resulting electrospun nanofibrous mats. Polymer Degradation And Stability 126, 101-106.

Kategorie Dlaždice.