Reologie: Vytvořili jsme nanovlákennou membránu se superhydrofobním povrchem

Ústav pro hydrodynamiku AV ČR ve spolupráci s Technologickou fakultou UTB ve Zlíně vytvořil kompozitní nanovlákennou membránu se superhydrofobním povrchem. Výsledky výzkumu byly publikovány v renomovaném časopise Journal of the Textile Institute.

Kompozitní nanovlákenné membrány mají velký potenciál především v technických aplikacích, jako jsou senzory, filtry nebo samočistící membrány. Tyto vlákenné membrány se relativně snadno vyrábějí pomocí elektrostatického zvlákňování (obr. 1), během něhož se z polymerního roztoku obohaceného nanočásticemi vytvoří pomocí elektrických sil nanovlákenná vrstva. Předpokládá se, že výroba je ovlivněna především reologickými (tokovými) vlastnostmi (viskozita, elasticita) polymerního roztoku. Je-li viskozita v limitních případech příliš vysoká nebo naopak nízká, nanovlákenná vrstva vůbec nevznikne.

SMÁČIVOST POVRCHU

– určena především morfologií povrchu (drsností) membrány
velká → kontaktní úhel θ < 90° => HYDROFILNÍ povrch
malá → kontaktní úhel 90° < θ < 150° => HYDROFOBNÍ povrch
               → kontaktní úhel θ > 150° => SUPERHYDROFOBNÍ povrch

 

V této studii byly z polymerního roztoku polyvinyl butyralu (PVB) obohaceného nanočásticemi oxidu křemičitého (SiO2) úspěšně připraveny kompozitní nanovlákenné vrstvy. Byl studován efekt různých modifikací nanočástic oxidu křemičitého (viz tab. 1) na tokové vlastnosti polymerního roztoku a na vlastnosti výsledné nanovlákenné vrstvy (průměr nanovláken, morfologie povrchu = drsnost, smáčivost povrchu).

Bylo zjištěno, že některé modifikace křemičitých nanočástic výrazně zvyšují viskozitu i elasticitu polymerního roztoku. Přesto se tyto změny neprojevily na průměru nanovláken, které zůstávají téměř stejné (300-350 nm) a tedy nezávislé na tokových vlastnostech polymerního roztoku. Průměr nanovláken byl ovlivněn spíše parametry elektrostatického zvlákňování, jako je velikost použitého napětí a vzdálenost pipety od kolektoru (obr. 1).

Smáčivost nanovláken (viz rámeček) byla ovlivněna především velikostí nanočástic SiO2, které pokrývají nanovlákna a určují tak morfologii jejich povrchu. Čím větší byla velikost částic, tím drsnější byl povrch nanovláken a membrána byla ve výsledku více hydrofobní. V případě SiO2 modifikace R 972 s největšími částicemi (cca 16 nm) byl dokonce naměřen kontaktní úhel (viz rámeček) 153°, což odpovídá tzv. superhydrofobnímu (tedy extrémně nesmáčivému) povrchu. Morfologie nanovláken a tedy i jejich výsledná smáčivost byla dále určena také koncentrací nanočástic oxidu křemičitého (obr. 2). Nejnižší smáčivosti bylo dosaženo při koncentraci 2 hmot.% SiO2.

Obr. 2. Vliv koncentrace křemičitých nanočástic (typu R 972) na morfologii nanovláken.
Wt.% jsou hmotnostní % SiO2.

Zdroj: Peer, P., Polášková, M., Musilová, L., (2019). Superhydrophobic poly(vinyl butyral) nanofibrous membrane containing various silica nanoparticlesJournal of the Textile Institute.

Kategorie Aktuality CZ.