Nanovlákna

Nanovlákenné vrstvy se využívají nejen v technických výrobcích (filtry, senzory, separátory v bateriích), ale také i ve zdravotnictví (příprava umělých orgánů, cévní transplantáty, cílené dodávaní léčiv). Jejich dominantní charakteristikou je velmi vysoký poměr mezi jejich povrchem a zaujímaným objemem. Průměr vláken se pohybuje od desítek nanometrů až po mikrometr. Využití nanotechnologií pro výrobu membrán a filtrů obsahujících nanovlákennou vrstvu je v dnešní době zcela neodmyslitelné v mnoha průmyslových oblastech. Díky vysokému měrnému povrchu a prodyšnosti nanovláken vykazují membrány vysokou filtrační účinnost, umožňují větší průtok, mají silnou chemickou odolnost, vynikají pozoruhodnou kapacitou pro absorpci a mohou také sloužit k dočasnému zachycení funkčních skupin nebo biochemických látek. Nanovlákenné membrány se rovněž využívají k získání pitné vody z geotermálních pramenů, jakož i v procesu odsolování.

Elektrostatické zvlákňování (elektrospinning)

Výchozím materiálem pro přípravu nanovláken je syntetický nebo přírodní polymer, většinou ve formě polymerního roztoku nebo taveniny. Zařízení k přípravě nanovlákenné vrstvy je složeno ze tří základních komponentů: zvlákňovací elektrody (kovová tyčinka, jehla nebo váleček), kolektoru (pevný, rotující) a zdroje vysokého napětí. Bez jakéhokoliv mechanického popudu pouhým vystavením polymerního materiálu vyšším hodnotám napětí (10–70 kV) se kapička polymerního roztoku rozruší a na jejím povrchu se objeví tzv. Taylorovy kužely, ze kterých je emitováno vlákno směrem k uzemněnému kolektoru. Polymerní jet (vysokorychlostní proud) letící směrem k uzemněnému kolektoru je dloužen za současného odpařování rozpouštědla. Na kolektor již pak dopadají tuhá vlákna nahodile nebo uspořádaně dle jeho typu.

Tento výrobní proces je ovlivněn řadou faktorů, zejména materiálovými parametry, tj. vlastnostmi polymeru a rozpouštědla, které dohromady tvoří polymerní roztok, a procesními parametry, tj. elektrickým napětím, vzdáleností zvlákňovací elektrody od sběrného kolektoru, teplotou a vlhkostí prostředí. Jedním z nejdůležitějších materiálových parametrů pro vznik nanovláken jsou reologické (tokové) vlastnosti polymerního roztoku: viskozita a viskoelasticita, které ovlivňují tvorbu a kvalitu nanovlákenné vrstvy, včetně průměru vlákna. Přidání nanočástic aktivních látek (hydrofobní, hydrofilní, antibakteriální, magnetické) do polymerních roztoků vede zpravidla k výrazným změnám reologických vlastností polymerních roztoků. Viskozita (odpor proti tečení) polymerního roztoku ovlivňuje nejen inicializaci procesu ale i průměr výsledných nanovláken. Viskoelasticita polymerního roztoku přispívá ke zpevnění jetu během dloužení a ukládaní vláken na sběrný kolektor. 

Výzkum na Ústavu pro hydrodynamiku

Výzkum v ÚH se zaměřuje na objasnění souvislostí mezi tokovými vlastnostmi polymerních roztoků (interakce polymer-rozpouštědlo-nanočástice) a morfologií nanovláken (tvar a průměr vlákna) připravených elektrostatickým zvlákňováním. Reologický přístup umožňuje předpovědět např. průměr vlákna a nahradit tak často užívaný přístup typu pokus–omyl, který je časově náročný a finančně nákladný. Reologické metody umožňují kromě jiného též upozornit na materiály nevhodné pro užití v procesu elektrostatického zvlákňování.

Publikace:

Filip, P., Zelenková, J., Peer, P. (2020). Evaluation of an onset of electrospun beadless poly(ethylene oxide) nanofibres. Journal of Applied Polymer Science (accepted)

Peer, P., Cvek. M., Urbánek. M., Sedlačík, M. (2020). Preparation of electrospun magnetic polyvinyl butyral/Fe(2)O(3)nanofibrous membranes for effective removal of iron ions from groundwater. Journal of Applied Polymer Science (in press)

Filip, P., Peer, P. (2019). Characterization of poly(ethylene oxide) nanofibres - mutual relations between mean diameter of electrospun nanofibres and solution characteristicsProcesses 7(12), 948.

Peer, P., Polášková, M., Musilová, L. (2019). Superhydrophobic poly(vinyl butyral) nanofibrous membrane containing various silica nanoparticlesJournal of the Textile Institute 110(10), 1508-1514.

Polášková, M. , Peer, P., Čermák, R., Ponížil, P. (2019). Effect of thermal treatment on crystallinity of poly(ethylene oxide) electrospun fibers. Polymers 11(9), 1384.

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.