JEDNODUCHÉ TEORETICKÉ ÚVAHY KE ZVLÁKŇOVÁNÍ NANOVLÁKEN SIMPLE THEORETICAL CONSIDERATIONS TO NANOFIBER SPINNING. Lubomír SODOMKA,

20. - 22. 10. 2009, Rožnov pod Radhoštěm

JEDNODUCHÉ TEORETICKÉ ÚVAHY KE ZVLÁKŇOVÁNÍ NANOVLÁKEN SIMPLE THEORETICAL CONSIDERATIONS TO NANOFIBER SPINNING Lubomír SODOMKA , TUL, Adhesiv Liberec, lubomí[email protected]

Abstrakt V článku jsou zpracované teoretické úvahy tvorby nanovláken různými metodami a též elektrostatickým zvlákňováním. Práce navazuje na předchozí práce autora ve snaze teoreticky vysvětlit řadu experimentálních skutečností, které se objevují v experimentech. Na základě teoretických představ jsou navržené nové experimentální metody k přípravě monofilních nanovláken. Je uvedeno i několik aplikací. Klíčová slova: nanovlákna, technologie nanovláken: tažením, protlačováním, shlukováním molekul, rozfukováním, elektrostaticky, elementární teorie v homogenním poli, v nehomogenním poli, pohybové rovnice, speciální metody zvlákňování nanovláken, Taylorův kužel, aplikace nanovláken

Abstract In the paper the theoretical considerations of nanofiber spinning

are being presented. The work is

continuation of the author forgoing papers for explanation some experimental facts which are appearing in the experiments of homogenous as well as inhomogeneous electrostatic fields and time depending electric fields. On the basis of the theoretical conception new experimental methods for the monofil nanofibers have been proposed. Some application of nanofibers are also presented. Keywords: nanofibers, technologies of nanofibers, drawing, pressing, molecule clustering, melt blowing, electrostatic spinning, elemental theory, equation of movement, special methods, Taylor cone, applications

1.

ÚVOD

Počátky historie nanovláken sahají do konce 19. století a jsou produktem náhody při pokusech s elektrostatickým předením. Jako první nanovlákna byla připravena vlákna uhlíková v roce 1889. Dále byly konány pokusy s nanovlákny i na počátku 20.století. První patenty na elektrostatické zvlákňování se objevily v letech 1934 až 1944 autora A.Formhalse USA [1] [2] a dalších. Definice nanovláken se u různých autorů liší. Mohla vzniknout až po roce 1959 po zavedení pojmu nanotechnologie R.Feynmanem. Nejjednodušší definice nanovláken je, že jde o vlákna o průměru menším než 1000nm. Poněkud ostřejší definice je, že jde o vlákna s průměrem pod 1000nm a s poměrem jejich délky k průměru větším než 50. Pro taková vlákna je vhodnější název podmikronová vlákna. Teprve vlákna s průměrem pod 100nm lze považovat s přemáháním za nanovlákna. Pesimisté nazývají vlákna kolem 100nm za submikronová, optimisté za nanovlákna Do průřezu takových vláken se vejde na 10 000 makromolekul. Nejmenšími skutečnými nanovlákny jsou pak jednotlivé makromolekuly. Vedle nejčastějších polymerových nanovláken jsou možná i nanovlákna kovová, sklová , keramická a uhlíková. Význam nanovláken vzrostl až po zavedení do výroby syntetických polymerových vláken ve 20. století a na nich objevené elektrostatické zvlákňování. Od roku 1980 se začalo již s hromadnou výrobou nanovláken


v USA, která se rozšířila do Japonska a zejména pak v poslední době do Číny, kde se již používají nanovláknové vrstvy v oděvním průmyslu. Přes dnes již poměrně rozsáhlou výrobu nanovláknových textilií, teoretické práce se v tomto oboru opožďují za jejich výrobou. V tomto příspěvku je snaha poněkud náskok technologie nanovláken před jejich teorii vyrovnat.

2.

EXPERIMENTÁLNÍ

METODY

TVORBY

NANOVLÁKEN Způsoby přípravy nanovláken jsou založené na několika principech, a to laboratorně na tažení z kapek, kdy je možné zjistit nové experimentální skutečnosti a vlastnosti jednotlivých nanovláken. Podstata tažení nanovláken z kapek

je

na

obr.1.

Dalšími

metodami

přípravy

nanovláken jsou protlačování zvlákňovacími tryskami (obr.2) a tvorbou sdružováním malých molekul [2], jak je znázorňují obr. 3. Velmi produktivními pro výrobu nanovláken jsou metody rozfukovaní taveniny (melt blown)

na

obr.4

a

pro

polymery

elektrostatické

zvlákňování s příkladem na obr.5. Metodu rozfukování z taveniny lze upravit tak, že do stejného místa se rozfukují

různá

vlákna

s různými

průměry,

a

to

nanovlákna a mikrovlákna (obr. 6) [9] a dají se tak vytvářet přímo vrstvové vláknové kompozity s vlastnostmi inteligentních materiálů. Metody rozfukováním taveniny a elektrostatickým

zvlákňováním

nanovlákna nejproduktivnější. Obr.3 Princip tažení z kapek

jsou

prozatím

pro


Obr.2 Protlačování nanotryskami

Obr.3 Sdružování molekul

Obr.4. Princip přípravy vrstev nanovláken rozfukováním taveniny


Obr.5. Princip přípravy vrstev nanovláken elektrostaticky

Obr.6. Rozfukování taveniny na přípravu vláknové vrstvy se dvěma typy vláken , nano- a mikrovlákny

3.

VYBRANÉ METODY ELEKTROSTATICKÉHO ZVLÁKŇOVÁNÍ

V současnosti jsou pro výrobu nanovláken a jejich rounovou vrstevnatou strukturu metody rozfukování tavenin (meltblown) [10] a elektrostatické zvlákňování (electrostatic spinning) [2] nejvhodnější. V tomto odstavci bude uvedený přehled hlavních a podstatných metod elektrostatického zvlákňování, kterých bylo navrženo od patentů z roku 1934 [11] již dodnes větší množství ([1], [2], [12]). Jsou uvedené jen takové vybrané metody, které jsou odlišné pro teoretické zpracování. Jde o metody uskutečněné v homogenním (kvasihomogenním) elektrostatickém poli a metody uskutečněné v poli nehomogenním. Jde o metody na obr.5 a obr.7 pro (kvasi)homogenní pole a metody na obr.8 a obr.9a,b pro nehomogenní pole. Mnohem více experimentálních metod technologie nanovláken lze nalézt např. v ([1], [2] kap.2.3. Podstata některých z nich je uvedená na obr.7.,8. a 9.


Obr.7 Přímkové nanovlákno

Obr.8 Kuželovité nanovlákno

Obr.9a Elektrostatické zvlákňování monofilu. Tryska

Obr.9b Tryska kladná, nanovlákno

kladnou elektrodou, otáčivé kolo je zápornou elektrodou.

nasávané zápornou trubičkou

4.

MATERIÁLY NA TVORBU NANOVLÁKEN

Nanovlákna patří do nových struktur označovaných nanostruktury. Jde o struktury, které zkoumáme v atomovém a molekulovém měřítku a řečeno kvantitativními délkovými a technologickými měřítky řádově -9

nanometry (1nm =10 ) a jejich násobky. To jsou měřítka, která se užívají k hodnocení struktury a technologií kondenzovaných zvláště pak pevných látek [3], [4], [5]. Jako suroviny pro nanovlákna jsou všechny typy


kondenzovaných látek, kapalin, roztoků, polymerních látek, skel, keramiky, iontových látek a kovů či gelů. I když žádný z uvedených materiálů nelze z teoretického hlediska vyloučit z tvorby nanovláken, jejich zvlákňování v nanovlákna není stejně pravděpodobné a snadné. Jsou vázáné různými atomovými a molekulovými silami, které pak ovlivňují technologii tvorby nanovláken. Snadnou tvorbu nanovláken umožňují vláknotvorné materiály jako jsou polymery a uhlíková vlákna [4] kap.26, [6], [7], [8], [13] kap.4. Proto se polymery staly jako první materiály pro tvorbu nanovláken zvláště pak elektrostatickým zvlákňováním. U vláknotvorných polymerů hrají velkou úlohu dlouhé lineární molekuly, které již samy o sobě tvoří elementární nanovlákna. Jejich soudržnost pak tvoří uhlíkové orbitalové vazby typu sp, tvořící přímkovou vazbu jednoduché, dvojné i trojné vazby [4]. U uhlíkových nanovlákem jde o orbitalové plošné 2

vazby sp tvořící plochy bazálních rovin grafitu [4] kap.20. Přímkové a plošné uhlíkové vazby patří mezi nejsilnější a proto náleží z nich vytvořená nanovlákna mezi nejpevnější s vysokým modulem v tahu, zvláště pro vlákna vytvořená z fulerénových trubiček

(obr.10) [3], [4], [5], [10]. Vzhledem k vláknové

makromolekulové struktuře polymeru se tyto nejsnadněji elektrostaticky zvlákňují z roztoků, hůře z tavenin. mnohem hůře se pak zvlákňují materiály, které tvoří síťovou strukturu jako jsou skla a částečně keramika. Ty se zvlákňují protlačováním tryskami za vysokých teplot. Nejhůře se zvlákňují kovové materiály, což způsobuje silná kovová vazba [4]. Kovy se zvlákňují přímo opakovaným protahováním až do submikronových vláken nebo nepřímo smísením kovových komplexů s polymery v gely, elektrostatickým zvlákňováním a rozpuštěním polymeru. Uhlíkové trubičky se připravují zpracováním uhlíku za vysokých teplot [4] působením výkonového laseru nebo v uhlíkovém oblouku za rozfukování produktů heliem. Z uvedeného je vidět, že vývoj technologie nanovláken může vytvářet nové pracovní problémy a tím i příležitosti pro kolektivy výzkumníků.

Obr.10 Trubičková struktura uhlíkových nanovláken

5.

ELEMENTÁRNÍ TEORIE V HOMOGENNÍM POLI

a)

V gravitačním poli

Ideální homogenní elektrostatické pole se vytváří mezi dvěma dokonale hladkými rovnoběžnými deskami. Jsou-li umístěné ve vzdálenosti h, s připojeným napětím U, je intenzita elektrického pole E v každém místě mezi elektrodami stejná a E = (U/h) E0 , kde E0 je jednotkový vektor směrovaný od kladné k záporné elektrodě. Vložíme-li na zápornou (spodní) elektrodu např. kapalný polymer, pak při dostatečně vysokém napětí, které překonává povrchové napětí, kapalného polymeru, se začnou tvořit na povrchu kuželové útvary, Taylorovy kužele, ze kterých se při zvyšování napětí vytahují nanovlákna. Ta se v homogenním elektrickém poli vytahují v přímkách směřujících ke kladné elektrodě a naopak za přímkově tažená vlákna odpovídá homogenní elektrické pole. Vznik Taylorova kužele je první stadium tvorby nanovláken (obr.11). .


Obr.11 Vznik Taylorova kužele při překonání síly povrchového

napětí

sílou

elektrického

či

gravitačního pole.

Teorii Taylorova kužele vypracoval v roce 1964 G.I.Taylor k řešení elektrostatického rozprašování. Jeho charakteristikou je Taylorův úhel, který svírá tečná rovina plochy u vrcholu kužele a kolmicí na vznikající 0

vlákno. Jeho hodnota je αT = 49,3 . Teoreticky lze určit αT ze vztahu αT = π – θ a úhel θ lze určit z Legendrova polynomu P1/2 [14] řádu ½ a tvaru P1/2 (cos θ). Taylorův kužel vniká také i při překonávání síly povrchového napětí, viskoelastické síly, adhezní síly a síly vnitřního tření silou gravitační, jak znázorňuje obr.12

Obr.12. Vznik Taylorova kužele působením gravitace

Pohybová rovnice počátku nanovlákna Jak ukazují obr.5 až 9. opisují konce nanovláken při jejich tvorbě v podstatě přímkové a kuželově spirálové tvary. Je úkolem teoretických úvah popsat tento pohyb pohybovými rovnicemi. K tomu je třeba zjistit výslednicí silového působení na počátky vytvářených nanovláken. Na vytváření nanovláken se podílejí tyto síly: coulombovská FC, síla elektrostatického pole FE, síly povrchového napětí FS, viskoelastická síla FV, síla vnitřního tření FI, síla tření vzduchu FT, adhezní síla FA a gravitační síla FG. Složením všech těchto sil vzniká výsledná hnací síla vytváření nanovláken F, pro kterou platí F = FC + FE + FS + FI + FT + FV + FA + FG

(1)

Pohybová rovnice konce nanovlákna pak je tvaru 2

2

2

m d r/dt = F , kde m je hmotnost počátku nanovlákna a r≡(x,y,z), m=πR Lρ

(2)

3

R je poloměr vlákna, ρ je objemová hmotnost (kg/m ) L délka jeho začátku a počátek polohového vektoru r je v počátku tvorby nanovlákna (obr.14). Při zanedbání všech sil kromě gravitační, zjednoduší se pohybová rovnice počátku nanovlákna (obr.13) na 2

2

2

2

2

(m/2) d r/dt = FG = (m/2)g , g ≡ (0,0,g), takže platí d z/dt = g a z =(g/2)t , v= gt

(3)

-5

Pro sílu působící na poloviční kapku, tj. na hmotnost m/2 je (m/2)g =7.10 N, která způsobuje příliš velkou rychlost tvorby vláken. Proto je třeba uvážit brzdící síly FS, FI, FA. -2

Rychlost zvlákňování vlákna v = gt za 1sekundu je 10m/s a uražená dráha za 1s je pak 5m/s . Taková rychlost při tvorbě nanovláken se však nepozoruje. Proto je nutné do pohybové rovnice tvorby vláken přidat


odporové brzdící síly FS, FI a FT. K odhadu těchto sil užijeme vztahů, známých z učebnic základů fyziky např. [5], články 4.3.2 a 4.4.4 2

FI = S η dv/dx , FS = Sσ (J/m )≡ σL(N/m)L, FT = 6πη R

(4)

v nichž S je účinná plocha, η součinitel dynamické viskozity, v rychlost počátku vlákna, R poloměr vlákna, σ 2

povrchové napětí v (J/m ) a σL v (N/m). K odhadu sil působících na tvorbu vlákna je třeba dosadit do vztahu (3) a (4) číselné hodnoty odpovídající -2

-2

-3

tvorbě vlákna, které jsou pro FI=2π. RL η v/z =2π(0,25/2)10 5.10 .10 N≈4.10 N,

Obr.13. K výkladu hmotnosti m/2 v pohybové rovnici (3). -3

pro FS = 1,57.10 N, FA ≈ FS

(5)

Hmotnost začátku nanovlákna určíme z objemu jeho začátku V a objemové hmotnosti ρ, jak znázorňuje obr.14, kde jsou uvedené významy symbolů m,R a L.

Obr.14. Význam symbolů počátku nanovlákna

Uvažujme dále jako vzor vytváření nanovlákna z kapky v gravitačním poli (obr.12). Má-li dojít k vytváření nanovláken v gravitačním poli, musí platit FG>FI + FS + FA. Číselný příklad za normálních podmínek tuto nerovnost nesplňuje. Je ji možné dále splnit zvýšením teploty nebo zvýšeným ředěním, což je obtížně nastavitelné, i když ne nemožné. Proto je výhodné zvlákňovat polymerové materiály elektrostatickým polem, pro které je zvlákňovací síla řiditelná a nastavitelná nebo rozfukáváním roztoků či tavenin polymerů.


b)

Zvlákňování v elektrostatickém poli

V dalším textu bude soustředěna pozornost na zvlákňování nanovláken elektrostatickým polem. Gravitační sílu

v pohybové

rovnici

počátku

vlákna

(obr.14)

zastupuje

intenzita

elektrostatického

pole. Pohybová rovnice počátku nanovlákna v elektrostatickém poli (obr.14) o intenzitě elektrického pole E byla odvozena v dřívějších publikacích [15] až [18] ve tvaru 2

2

2

2

2

F = md r/dt = 4πα R E - 2πRγ -2πηrL -S γA = 2πR( 2α R E –γ- 2πηrL/R- γA ).

(6)

v němž γA přestavuje adhezní povrchové napětí [4]. Zatímco první člen vztahu (6) vyjadřuje vliv jediné aktivní elektrostatické síly FE na tvorbu nanovláken, ostatní síly jsou síly brzdící. Poněvadž při tvorbě 2

2

nanovláken musí platit 4πα R E > 2πRγ +2πηrL + S γA , je možné určit hraniční intenzitu Eh užitím rovnosti 2

Eh = √( (2πRγ +2πηRL + 2πRγA)/ 4πα R ))

(7) -3

-3

Po dosazení číselných hodnot za geometrické veličiny R =0,125.10 m, L= 2.10 m a za fyzikální veličiny γ ≈ γA, η a α získané z [19] až [21], dostaneme pro hraniční velikost Eh číselnou hodnotu 28

Eh ≈ 2,6.10

V/m, -8

-39

2

když jsme dosadili do (7) za R≈ 5.10 m, za viskozitu η≈ 1Pa.s za α≈8.10 F.m a za γ≈γA≈0,268 N/m. Hraniční hodnota intenzity je příliš vysoká, takže neuskutečnitelná. Ve skutečnosti však v dokonale homogenním elektrostatickém poli by spřádání nanovláken nemohlo nastat, neboť k mechanismu zvlákňování nemůže dojít bez existence nehomogenit na povrchu zvlákňované kapaliny. Nehomogenity elektrostatického pole vznikají na nehomogenitách povrchu elektrody, na nehomogenitách zvlákňované kapaliny, případně na v ní obsažených částicích nebo na nehomogenitách způsobených vnějšími vlivy. Ty tvoří silně nehomogenní elektrostatická pole jako jsou pole u hrotových elektrod. Slouží tedy teorie zvlákňování v homogenním poli pouze jako nulté přiblížení a lze jeho vliv považovat více méně za virtuální nebo za vlivu pseudohomogenního pole. Obecně jde vždy u zvlákňování o elektrostatická pole více méně nehomogenní.

6.

TEORIE

V NEHOMOGENNÍM

ELEKTROSTATICKÉM

POLI,

TEORIE

MONOFILNÍCH

NANOVLÁKEN Výklad bude prováděný nejprve pro jednoduchá snadno matematicky popsatelná elektrostatická pole, která se používají při elektrostatickém zvlákňování. Půjde o tyto zvlákňovací elektrody: bodová elektroda proti rovinové elektrodě a dvě bodové elektrody. Podstata uskutečnění obou typů dvojic elektrod je na obr.8 a obr.9a, b. Teoreticky jde o bodový náboj umístěný ve vzdálenosti L/2 od rovinové elektrody. Bodový náboj se realizuje zvlákňovací tryskou s připojeným napětím proti rovinové sběrné elektrodě (obr.8). V druhém případě jde o dva náboje ve vzdálenosti L s opačnými znaménky, tvořící elektrický dipól (obr.a jejich realizace je na obr.9.


a)

b)

c)

Obr.15 a) náboj + v blízkosti roviny, b) vznik nehomogenního pole, c) nehomogenní pole dipólu

Z obr.15 je patrné, že nehomogenní elektrostatické pole dvou bodových elektrod (dipólu) je vytvořené zrcadlovým obrazem nehomogenního pole vytvořeného bodem a rovinou metodou nazývanou metoda elektrostatického obrazu [5] (díl 2, str.15). Jak znázorňují obr.8 a 9a není dráha počátku nanovlákna lineární, ale pohybuje se po kuželové spirále (obr.8) a po dvojkuželové spirále (obr.9a). Poněvadž nehomogenní pole dipólu je zrcadlovým obrazem pole elektrostatického obrazu, je i pohyb nanovlákna zrcadlovým obrazem pohybu nanovlákna mezi tryskou a rovinou, takže vytváří dvojkužel , který je rovněž zrcadlovým obrazem prvního kužele (obr.9.a). Pro intenzitu elektrostatického pole v místě r E(r) dipólu o dipólovém momentu p existuje v elektrostatice vztah [5] (díl 2, kap.7) 3

5

3

E(r) = - ∇( p.r0/4πε r ) = (1/4πε)(3r0r0.p/r – p/r )

(8)

v němž r0 = r/r je jednotkový vektor ve směru polohového vektoru r (obr.16). V něm V(r) je potenciál V(r)= 3

p.r0/4πε r , jehož gradient je intenzita [5] (díl2. str.13). Ze vztahu (8) vyčteme, že v každém bodě elektrostatického pole má vektor E(r) dvě složky , a to ve směru výstupu nanovlákna z trysky a ve směru k němu kolmém, jak je znázorněné i na obr.16.


Obr.16 Charakteristiky dipólu

Obr.17.Elektrostatické pole dipólu

Na pohybové rovnici se podílejí jednak síly elektrostatické, jednak síly odporové a jednak časově proměnné síly poruchové, způsobující otáčivý pohyb nanovlákna po kuželové spirále. Rozložíme-li otáčivé síly působící jako poruchy na pohyb na dvě kmitající síly ve směrech os X, a Y, dostaneme pro pohyb počátku nanovlákna o hmotnosti m ve směrech X, Y a Z tyto pohybové rovnice 2

2

2

m d X/dt + rdX/dt + kXX =0 ,

2

2

2

m d Y/dt + rdY/dt + kYY =0, md Z/dt = FEZ

(4)

Osa Z je orientovaná ve směru výstupu vlákna , osy X a Y ve směrech kolmých na Z a tvoří ortogonální soustavu. Součinitel r je odporový součinitel, veličina r/m = h je součinitel tlumení, který může představovat pro parametrické kmitání i součinitel zesílení. Řešením rovnic soustavy (4) jsou tvaru 2

2

2

X(t) = A exp (ht) sin ωt, Y(t) = A exp(ht) sin (ωt + π/2), Z(t) = K t , FEZ ≈ 4πα R E

(5)

ω = kX /m (kY/m, předpoklad kX= kY). Výsledkem jsou pak kruhové kmity v rovině X,Y , ze kterých časová závislost Z(t) vytvoří kuželové kmity v souhlase s experimentem na obr.8.. A je amplituda poruchových kmitů, které předpokládáme harmonické s rostoucí amplitudou, takže činitel musí být kladný, tj. a>0. Pro malé časy přejdou řešení prvních rovnic v nultém přiblížení na 2

X(t) = A at sin ωt, Y(t) = A at sin (ωt + π/2), Z(t) = (FEZ/2) t

(6)

Poněvadž amplitudy kmitů popsaných prvními dvěma rovnicemi soustavy (6) závisejí na čase, jde o kruhové kmity parametrické s lineární závislosti amplitudy na čase. Závislost souřadnice Z(t) posouvá kruhové kmity s rostoucím poloměrem v prostoru ve směru osy Z(t) a tak se vytvářejí kuželové kmity s plochou rotačního kužele ve tvaru (viz obr.18) 2

2

2

2

2

2

X(t) /(a) + Y(t) /(b) - Z(t) /(c) =0 2

2

2

2

2

(7) 2 2

X(t) /(Aht) + Y(t) /(Aht) - Z(t) /((FEZ/2) t ) =0 Provedeme-li časový záznam tvorby nanovlákna na kuželové ploše (7) např. videokamerou, nebo digitálním fotoaparátem, můžeme určit veličiny Aht a s příslušného času t určit veličiny A a h. Z úhlu kužele 2φ , pro


2

který platí tg φ = X(t)/Z(t) = Aa/(FEZ/2)t je možné ověřit hodnotu FEZ. Souvislost veličin Aht a FEZ/2)t s geometrickými charakteristikami nanovláknového kužele ozřejmuje obr.18.

Obr.18 Souvislost parametrů nanovláken a geometrie kužele ve vztahu v rovnici (7)

Nehomogenním elektrostatickým polem lze poměrně jednoduše vysvětlit tvorbu nanovláken v uspořádání na obr.9a. Nanovlákno vystupuje z trysky v podobě kuželové spirály až do základny kužele, který je současně základnou opačného kužele, na který se navíjí nanovlákno s klesající amplitudou.až do vrcholu kužele, který leží v bodě otáčející se břitové elektrody. Opačná polarita napětí na trysce v bodě břitové elektrody vytvářejí nehomogenní elektrické pole shodné s elektrickým polem dipólu (obr.15. a17.). Poněvadž elektrické pole dipólu je geometricky souměrné kolem roviny jdoucí kolmo středem dipólu a nábojově antisymetrický (náboj + přejde v náboj -), projeví se tato skutečnost symetrickou orientaci kuželové plochy a klesáním amplitudy kuželové spirály. Pohybové rovnice pro tuto část kuželové spirály budou stejné jako rovnice (5),(6),(7) s uvážením symetrie a antisymetrie elektrostatického nehomogenního pole. Tak je možné objasnit vznik monofilního nanovlákna užítím metody nehomogenního elektrostatického pole vytvořeného elektrostatickým obrazem a elektrickým dipólem. Z uvedených teoretických úvah je možné vytvořit celou řadu technologických modifikací přípravy nanovláken, jak v dalším ukážeme.

7.

NOVÉ TECHNOLOGIE PŘÍPRAVY NANOVLÁKEN

7.1

V kvazihomogenním elektrickém poli

Z výsledků experimentálních prácí vyplývá, že tažení nanovláken je iniciované nejprve vznikem Taylorových kuželů. Jak bylo ukázané v článku 5. Taylorovy kužele nemohou vznikat v dokonale homogenním elektrickém poli za běžných intenzit. Vliv intenzity na vznik Taylorových kuželů mohou podstatně snížit nehomogenity v elektrickém poli. Ty jsou tvořeny např. nedokonalostí povrchu brodícího válce (obr.5) a snadnějšímu tvoření Tayrolových kuželů na povrchu vláknotvorné kapaliny. Ukázalo se, že smícháním vláknotvorné kapaliny s feromagnetickými částicemi a působením magnetického pole lze vytvářet Taylorovy kužele bez silných elektrických polí, jak ilustruje obr.19.


Obr.19. Vytváření „Taylorových kuželů přimíšením feromagnetických částic do zvlákňované kapaliny působením magnetického pole.

Jedna z kvazihomogenních metod vytváření monofilního nanovlákna je představena na obr.7 a její modifikace na obr.9.b. Z této teoretické úvahy vyplývají četné modifikace zvlákňování vláken v kvazihomogenním poli podle různého vytváření nehomogenit ve zvlákňovací soustavě, a to vnějších na soustavě elektrod a vnitřních ve zvlákňované kapalině. Takové technologie jsou žádoucí při vytváření vrstev rounin (netkaných textilií)., kterých se dnes již využívá i v oděvnictví (obr.20).

a)

b)

c)

Obr.20 a) Submikronové (nano)textilie (čepice, b) koupací plášť, župan, c) šála

7.2

V nehomogenním elektrostatickém poli

Zatímco v homogenním elektrostatickém poli očekáváme přímočarý pohyb počátku nanovlákna, zakřivený pohyb svědčí o vlivu nehomogenního elektrostatického pole, jak ukazují obr.8 a 9a. K teoretickému zpracování vlivu nehomogenního elektrostatického pole bylo použito v článku 6. nehomogenního pole elektrického dipólu, jehož elektrostatické pole je teoreticky snadno dostupné. Elektrostatické pole elektrostatického obrazu je pak elektrostatické pole poloviny dipólu (obr.15). Nanovlákna vytvářená vlivem těchto nehomogenních polí jsou monofilní a vhodnou úpravou experimentálního uspořádání je možné je navíjet na válec či cívku. Produktivita takto vytvářených délkových nanovláken by však byla velmi nízká. Je proto nutné konstruovat takové zvlákňovací soustavy, které by vytvářely současně velké množství nanovláken, které by byly vhodné pro další textilní zpracování, zvláště pak pro tkaní a pletení, tj. vytvářet kabílky a příze z nanovláken. a vyvinout nanotechnologii pro zpracování nanovláken.

7.3

Nanovlákna speciálních polymerů


Kromě nanovláken z běžných polymerů jako je polyethylen (PE) a polypropylen (PP), je třeba se věnovat speciálním vláknům, které jsou využitelné ke konstrukci inteligentních textilií [4], [13]. Jde o vlákna speciálních vlastností, jako jsou elektrická vodivost, piezoelektrické, pyroelektrické a feroelektrické vlastnostipřípadně luminiscenční vlastnosti. Tyto vlastnosti jsou vhodné ke konstrukci nanovláknových led diod a laserů (obr. 21a), která lze používat ke konstrukci diod, transistorů, čidel mechanického napětí, tepelných jevů a dalších důležitých pro technické textilie.

Obr.21.a) Nanovláknový laser

b) triboelektrický zdroj napětí

Jde o polymery jako je polvinylchlorid a fluorid (PVC, PVF)), polyvinylidenchlorid a fluorid (PVDC, PVDF), polytetraflurethylen (PTE), polyakrylonitril (PAN), aktivovaný polyacetylen a další [4], [22] Důležité vlastnosti nanovláken je existence jejich povrchového náboje, který se ještě znásobí třením vláken. Tyto triboelektrické vlastnosti je možné použít jako zdrojů elektrického napětí i jako sběrače prachových mikročástic, jak ilustruje obr.21b. Uhlíková nanovlákna je možné používat jako závěsová vlákna citlivých přístrojů (nanoampermetrů), k měření jejich mechanických vlastností. S uhlíkovými vlákny se počítá ke konstrukci lan výtahů mezi Zemí a Měsícem. Je proto třeba věnovat pozornost výzkumu nanovláken a zvláště pak jejich aplikacím.

8.

DISKUSE VÝSLEDKŮ, ZHODNOCENÍ A ZÁVĚR

Současné znalosti přípravy nanovláken a jejich vlastností umožňují již hodnotit výsledky technologie metod jejich přípravy. Nejvíce se připravují nanovlákna z polymerních roztoků. Kromě polyvinylalkoholu (PVA) jde většinou o toxická rozpouštědla, takže vždy, kde je to možné je výhodné užívat polymery v taveninách zvláště pak PP a PE a dalších pro speciální použití. Je výhodné se orientovat na polymery se speciálními vlastnostmi elektrickými, triboelektrickými, piezoelektrickými, pyroelektrickými, luminiscenčními apod., důležitými pro konstrukci inteligentních textilií s elektronickým vybavením. Vedle produkce vláknových vrstev, je třeba se orientovat také na přípravu monofilních vláken, ke studiu jejich vlastností i pro jejich aplikace v budoucích nanotkaninách. Je otázkou, zda orientace pouze na elektrostatické zvlákňování je vždy nejvhodnější zvláště na výrobu nanovláknových rounin, kde se jeví použití rozfukováním polymerů jako produktivnější a bezpečnější. Výběr technologie však závisí na vyráběných produktech a požadavcích na jejich produktivitu.


Jsou však ještě otevřené otázky teoretické, které mohou značně ovlivnit i problémy technologické. Do tvorby nanovláken je třeba rozšířit i využití prvků elektronové optiky, jak ukazují některé metody uvedené v [1] a v [2]. I když jde při přípravě nanovláken o technologii vynalezenou ke konci 19. století, značné pokroky ve století 20. a 21. ukázaly, že rozvinutá technologii nanovláken přináší významné výsledky pro četné aplikace a proto je třeba vývoj a výzkum v tomto oboru podporovat. Zvláště významná jsou uhlíková vlákna se strukturou fulerénových trubiček (obr.10), kterým se věnuje mimořádná pozornost.

LITERATURA [1]

Růžičková, J.: Elektrostatické zvlákňování nanovláken. TUL 2004

[2]

Ramakrishna,S., et al.: An introsuction to Elecrospinning and Nanofibers.World Scienific Publisher Singapore 2005

[3]

Sodomka,L: Fyzika kondenzovaných látek I,II,III. Adhesiv Liberec 2002, 2003

[4]

Sodomka, L., Fiala,J.: Základy fyziky kondenzovaných látek s aplikacemi1,2. Adhesiv, Liberec 2002,2003

[5]

Sodomka,L.: Základy fyziky pro aplikace 1,2,3 , díl 3. Adhesiv na CD Liberec 2005, díl 1. Adhesiv 2007

[6]

Tobolsky, Vlastnosti a struktura polymerů. SNTL Praha 1963

[7]

Hearle, J.W.S.: Polymers and their properties. J.Wiley, New York 1982

[8]

Sodomka,L.:Uhlíková vlákna, Výzkumná zpráva VŠŠT v Liberci. Google: Carbon fibers/Wikipedia

[9]

Technische Textilien, 2008

[10]

Chaloupek, J.: Netkané textilie (s technikou rozfukování taveniny). Google, meltblown/netkané textilie)

[11]

Formhals, A.: Process and apparatus for preparing atrificial threads. US patent 1,975,504

[12]

Brown, P., Stevens,K.: Nanofibers and nanotechnology in textiles. Woodhead publishing lmt. Cambridge England 2007

[13]

Hloch,S., et al.: Struktura, vlastnosti, diagnostika a technologie textilie. Vydavatěĺstvo Michala Vaška Přerov 2006, kap.4

[14]

Taylor, G.: Disintegration of water droplets in an electric field. Proc.Roy.Soc. ser.A,260,1964, str 383

[15]

Sodomka,L.: Fundamental ideas for the nanofibre theory ,Part I., sborník konference Strutex, TUL 2005

[16]

Sodomka,L.: Nanovlákna. Vlákna a textil, 2006

[17]

Sodomka,L.: Základní pojetí elektrostatické teorie nanovláken. Plasty a kaučuk 2006


[18]

Sodomka,L: Fundamental ideas for the nanofibre theory, elemental nanofiber theory Sborník TOS, Prešov 2007

[19]

Mende,D., Simon, G.: Physik, VEB Fachverlag , Leipzig 1983

[20]

Foltýn, J.: Příruční tabulky pro chemiky vláknaře. SNTL Praha 1975

[21]

Polymer data handbook, Oxford university press 1999.

[22]

Sessler, G.M.: Electrets, Springer Verlag , Berlin, Heidelberg 1987

[23]

Sodomka,L.: Nanovlákna, nové fyzikální struktury. MFI, 16,2007, č.9, str.547

JEDNODUCHÉ TEORETICKÉ ÚVAHY KE ZVLÁKŇOVÁNÍ NANOVLÁKEN SIMPLE THEORETICAL CONSIDERATIONS TO NANOFIBER SPINNING. Lubomír SODOMKA,

Recommend Documents