Fyzikální principy tvorby nanovláken
2. Historie D.Lukáš 2010 1
Objevení fyzikálního jevu spojeného z elektrostatickým zvlákňováním může být datováno až do roku 1600, kdy William Gilbert (*1544 +1603) anglický fyzik a filozof napsal svou zásadní práci “De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure” a publikoval ji. Gilbert byl první člověk, který objevil, že kulové kapka vody na suchém povrchu je tažena do kónického tvaru, jestliže je k ní přiložen kus jantaru nabitého třením. Ve skutečnosti je tvar kapalinového tělesa deformován externím elektrostatickým polem, které popisuje moderní teorie elektrostatického zvlákňování.
2
William Gilbert 1600 Nabitá tyč a kapka vody
3
Sférická kapka vody umístěná na pevné hydrofóbní podložce je tažena do konického tvaru pomocí PVC tyčky nabité třením o textilii.
4
Experiment v posluchárně
5
W.J. Morton: Method of dispersing fluids, US Patent, Seriál No. 705,691, July 29, 1902 (Application 1900)
1,2 - Prime conductors 4- Tube 6 - Chain
6
Mortonův vynález: „Kompozitní“ kapalina tedy polymerní roztok vytváří výboj mezi kladnou a zápornou elektrodou. Elektrody jsou propojeny zdrojem vysokého napětí. Nanovlákna jsou zachytávána na kovový řetěz na levé straně jako na kolektoru. 7
Princip moderního jehlového elektrostatického vzlákňování vznikl díky práci Zeleného v [9], který navrhl jehlový / kapilární přístroj pro studium elektrických výbojů z kapalinových bodů.
8
Zeleného jehlové/bodové zařízení na kterém studoval Taylorovu teorii : (A),(B),(C) a (V) jsou popořadě kapiláry délky L, kolektor, kontejner poskytující hydrostatický tlak a napájení.
9
John Zeleny Physical Review 3 (1914) 69 J. Zeleny Physical Review 10 (1917) 1
Elektrický výboj z kapalinových bodů, a hydrostatická metoda měření elektrické intenzity na jejich povrchu
Publikována před American Physical society 30.12. 1910 10
Zeleny byl schopen měřit elektrostatické intenzity na vrcholu kapilár.
11
John Zeleny (1872-1951) byl česko-americky fyzik na University of Minnesota, který v roce 1911 vynalezl Zeleneho electroscope. ¨
12
Formhals je obecně uznávaný jako otec moderního elektrostatického zvlákňování díky jeho patentu [11]. Jeho objev hovoří o metoda a zařízení k výrobě umělé nitě z vláken, použitím elektrického pole a záchytu vláken na cívce pro použití v textilních technologiích jako je tkaní a pletení.
13
Forhamsovo zařízení Vysoké napětí
Zvlákňující kolo
c – roztok f – kovový prstenec g – ozubené kolo h+l – vymývací zařízení m+k – protahovací zařízení
14
Formhalsovo zařízení pro výrobu umělých nití z vláken pomocí elektrostatického zvlákňování a ukládání těchto nití na cívku: Ozubené kolo (1) se otáčí v reservoáru s polymerním roztokem (2). Nanovlákna (4) jsou zachytávána na další kolo (3), které je vlastně kolektorem. Příze z nanovláken je kontinuálně odebírána a zachytávána na rotující cívce. 15
SVĚTOVÝ PATENT BEZJEHLOVÉHO PRŮMYSLOVÉHO ZAŘÍZENÍ PRO KONTINUÁLNÍ VÝROBU POLYMERNÍCH NANOVLÁKEN POMOCÍ ELEKTROSTATICKÉHO ZVLÁKŇOVÁNÍ Jirsák, O. Sanetrník, F. Lukáš, D. Kotek, V. Marinová, L. Chaloupek, J. (2005) WO2005024101 A Method of Nanofibres Production from A Polymer Solution Using Electrostatic Spinning and A Device for Carrying out The Method.
16
Nejranějším teoretickým popisům týkajícím se této oblasti se věnoval Rayleigh [15], ten spočítal limitní náboj, který isolovaný kapce o určitém poloměru způsobí její nestabilitu. Zajímaly ho tvary kapek v elektrickém poli.
Díky detailní analýze Taylor získal charakteristickou hodnotu úhlu α.
17
John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, (1842 – 1919) Byl anglický fyzik, který spolu s Williamem Ramsayem objevil prvek ARGON a získal za to Nobelovu cenu za fyziku v roce 1904.
18
19
20
Lev Davidovich Landau (Ле́в Дави́дович Ланда́у; January 22 1908 – April 1, 1968 Byl prominentní sovětský fyzik, který vytvořil zásadní příspěvky v mnoha oblastech fyziky. Získal Nobelovu cenu za Fyziku v roce 1962 za vývoj matematické teorie superfluidity.
21
Výzkum a teoretický popis procesu elektrostatického zvlákňování se dostává do popředí v současné době, zejména potom co Doshi a Reneker [20], Srinivasan a Reneker [21], a Reneker a Chun [22], zvláknili několik druhů polymeru a charakterizovali jejich vlastnosti.
22
Dr. Darrell H. Reneker Professor of Polymer Science Education 1959 Ph.D., Physics, University of Chicago 1955 M.S., Physics, University of Chicago 1951 B.S., Electrical Engineering, Iowa State University Research Interests Polymer physics, computer modeling of conformation defects in polymer crystals, morphology and scanning tunneling microscopy of polymers, electron holography of polymer molecules, electrospinning of polymer fibers, electrostriction of polymers, polymer nanofibers. 23
Alexander L. Yarin, Professor University of Illinois at Chicago! PhD 1980, DSc 1989, USSR Acad. Sci., Moscow. Fluid mechanics, free liquid jets and films, drop splashing, acoustic levitation, rheology, nonNewtonian fluid mechanics, nanotechnology, electrospinning of nanofibers, nanoparticles, heat and mass transfer, combustion, elasticity and plasticity. 24
A. L. Yarin, Taylor cone and jetting from liquid droplets in electrospinning of nanofibers Faculty of Mechanical Engineering, Technion, Haifa 32000, Israel
[41] D. Lukas, A. Sarkar, and P. Pokorny, Self organization of jets in electrospinning from free liquid surface – a generalized approach, Journal of Applied Physics, 103 (2008), pp. 08430910843097.
25
b
a
32 kV
Ea Eb
43 kV
Lineární uspořádání elektrody s reservoárem polymerního roztoku polyvinylalkoholu ve vodě. Trysky vznikající při napětí32 kV a 43 kV. Vzdálenost trysek / vlnová délka l. Vzdálenost mezi electrodou a kolektorem je 802 mm.
26
Úkol: Nakreslete časovou osu a znázorněte na ní jednotlivé historické události související s elekrostatickým zvlákňováním.
27
