Výroba polymerních nanovláken (s výjimkou elektrostatického zvlákňování) Eva Košťáková KNT, FT, TUL

Výroba polymerních nanovláken (s výjimkou elektrostatického zvlákňování)

Eva Košťáková KNT, FT, TUL

Možnosti výroby polymerních nanovláken - Tažení (Drawing) - Syntéza šablonou (Template Synthesis) - Fázová separace (Phase Separation) - Samosestavování (Self-Assembly)

- Technologie Melt-blown - Výroba bikomponentních vláken – typ „ostrovy v moři“ - Forcespinning

- Electrospinning

Drawing - tažení Malá kapka z jejíhož kraje je pomocí mikropipety a mikromanipulátoru vytahováno nanovlákno. Rychlost vytahování vlákna musí být cca 10-4 m.s-1 Diskontinuální proces. Pouze laboratorní technologie Nelze řídit rozměry vláken.

Průměr vláken 2-100nm; délka 10m – několik milimetrů

Drawing - tažení

Appeared in Applied Physics Letters, vol. 89, no.18, pp. 183105-7, 2006

Drawing - tažení

Drawing - tažení

Drawing - tažení

Drawing - tažení

MIKROMANIPULÁTOR - VIDEO

Poznámka

Tažení polymerních nanovláken jako optických vláken - Průmyslová výroba ???

Literatura: TONG, L. - SUMETSKY, M. Subwavelength and Nanometer Diameter Optical Fibers. Hangzhou; Heidelberg; New York: Zhejiang University Press ; Springer, 2010. 236 s. [cit. 2012-04-10]. ISBN 9783642033612.

Poznámka

Tažení polymerních nanovláken jako optických vláken - Průmyslová výroba ??? Literatura: TONG, L. - SUMETSKY, M. Subwavelength and Nanometer Diameter Optical Fibers. Hangzhou; Heidelberg; New York: Zhejiang University Press ; Springer, 2010. 236 s. [cit. 2012-04-10]. ISBN 9783642033612.

Tažení PMMA, PS, PANi/PS

Délky max. několik centimetrů

Poznámka k diskuzi z minulé přednášky

Tažení polymerních nanovláken jako optických vláken - Průmyslová výroba ??? Tažení skleněných mikro nebo nanovláken jako optických vláken JE ZVLÁDNUTO A VELMI DOBŘE V LITERATUŘE POPSÁNO. TONG, L. - SUMETSKY, M. Subwavelength and Nanometer Diameter Optical Fibers. Hangzhou; Heidelberg; New York: Zhejiang University Press ; Springer, 2010. 236 s. [cit. 2012-04-10]. ISBN 9783642033612.

Electron microscope images of glass nanofibers. (a) SEM image of a 260-nm-diameter nanofiber placed on a 5.8-μm-diameter microfiber. (b) SEM image of the cross-section of a 480-nm-diameter nanofiber. (c) TEM image of the edge of a 220-nm-diameter nanofiber. Inset: electron diffraction pattern.

Template Synthesis – Syntéza přes šablony Využití šablony nebo membrán k získaní požadovaných nanovlákenných materiálů. Pouze pro laboratorní výrobu Možnost řízení průměrů vláken Membrány ze speciálních materiálů – např. oxidy kovů (oxid hlinitý).

Například PAN do DMF – průměr cca 100nm, délka vláken cca 10m.

Template Synthesis – Syntéza přes šablony Zjednodušeně příkladový postup výroby membrány pro Syntézu přes šablonu: Vychází se z hliníkové fólie tloušťky 0,25mm

hliník se nechá rekrystalovat při 500 stupních, pak se z jedné strany naoxiduje a několika stupňově se leptá a znovu oxiduje, až v tom proužku hliníku jsou dírky podobné včelím plástům, ale v rozměrech stovek nanometrů anodic aluminium oxide (AAO) membranes American Journal of Biomedical Engineering 2013, 3(6): 119-131

Self-Assemly- Samosestavování

Budování nanovláken z menších molekul jako ve stavebnici! Obvykle koncentrické uspořádání „obrmolekuly“ = nanovlákna. Pouze laboratorní výroba

Nemožnost řízení rozměrů nanovláken (jen určité rozmění průměrů a délek) Velmi jemná vlákna (7-100nm v průměru;

délka stovky nanometrů – 20 m

Fázová separace (Phase Separation)

Postup výroby -Vytvoření homogenního roztoku -Malé množství (2 ml) roztoku nality do teflonové nádobky -Dosažení teploty gelace, která závisí na koncentraci polymeru v roztoku

-Rozpouštědlo bylo vymýváno vodou -Vyjmutí gelu z nádobky a vysušení pomocí metody mrazového sušení (freeze drying)

Např. je možné využít kyselinu polymléčnou a jako rozpouštědlo tetrahydrofuran

Fázová separace (Phase Separation) Pouze laboratorní výroba Nemožnost řízení rozměrů nanovláken (určité rozmění průměrů a délek)

PŘÍMO SE VYRÁBÍ NANOVLÁKENNÉ VRSTVY. Je možné použít jen některé polymery. Méně náročné za vybavení. 50-500nm v průměru; Porézní struktura se sítí „nekonečných“ vláken Nevhodné polymery = nevlákenná struktura

Technologie Melt-blown

Zvlákňování z taveniny (granulátu) Jen speciální typy polymerů (např. high MFI polypropylene) – průměr cca 250nm; spíše nekonečná vlákna Využití zejména pro filtraci. Nerovnoměrnost Průmyslová výroba (zatím není moc uplatnění – příliš drahé). Např. článek: Uppal, R.: Fibers and Polymers 2013, Vol.14, No.4, 660-668

http://www.hillsinc.net/nanomeltblownfabric.shtml


http://www.vtmarg.com/nanotechnology.php

http://www.kasen.co.jp/engl ish/product/line/meltblown. html

http://www.biax-fiberfilm.com/meltblown_systems.html video

http://www.hillsinc.net/nanomeltblownfabric.shtml


using high MFI (vysoký index toku) polypropylene

Meltblowing Another method that Hills, Inc. uses to produce nanofibers involves using a meltblowing technique. Hills uses a proprietary design to make die with 100 holes per inch that can be used At 1500 psi. The overall production rate per length of the spin pack is the same as standard meltblowing. With this technology, the L/D of the capillaries is increased to 30, and the resulting pressure drop increases from the standard 40 psi to several hundred psi or greater. As a result, the average melt blown fiber size is greatly reduced and the rangeof the fiber size is also reduced. In this technique the spin hole diameters are in the range of 0.10 to 0.15 mm; therefore, the polymer must have a MFI of 1000 or greater and be extremely clean.

http://www.hillsinc.net/ http://www.hillsinc.net/fibers/

Technologie Melt-blown Kombinace meltblown + elektrostatické zvlákňování

Erben, J. et. Al: Materials Letters 143 (2015) 172-176




M – meltblown E – electrospinning S - naprašování Erben, J. et. Al: Materials Letters 143 (2015) 172-176


M – meltblown E – electrospinning S - naprašování

Odhad objemového podílu nanovláken ve vzorku: M – 0,1% objemu vláken je pod 1m oproti vláknům ostatním ME – 1,2% objemu vláken je pod 1m oproti vláknům ostatním Odhad plošného podílu nanovláken ve vzorku: M – 1,1% plošného podílu vláken pod 1m oproti vláknům ostatním ME – 15,7% plošného podílu vláken pod 1m oproti vláknům ostatním Odhad střední hodnoty průměrů nanovláken - 732±292 nm Odhad střední hodnoty průměrů vláken z meltblownu – 6,5±4,4 m


Výroba bikomponentních vláken – typ „ostrovy v moři“

Výroba bikomponentních vláken – typ „ostrovy v moři“

cca 500 nm diameter (POP/PVA)

Production of bi-component fibers - type „island-in-the-sea“ Islands-In-The-Sea One technique that Hills practices to produce nanofibers is done using the Island-In-The-Sea (fibers within fibers) method. This method, developed using Hills in-house pilot line, has the capability of making a large number of fibers within a fiber. The Hills lab has been able to spin up to 1200 fibers within a single fiber. The Hills’ Islands-In-The-Sea process has the potential of producing over 4,000 fibers within a single fiber. Using the same techniques, these filament can be produced as hollow tubes.

http://www.hillsinc.net/

nanofibers are also manufactured by splitting of bicomponent fibers; most often bicomponent fibers used in this technique are islands-in-a-sea, and segmented pie structures. Bicomponent fibers are split with the help of the high forces of air or water jets. Figure shows the bicomponent nanofiber before and after splitting. A pack of 198 filaments in single islands is divided into individual filaments of 0.9 μm. In this example, Hills Inc has succeeded in producing fibers with up to 1000 islands at normal spinning rates. Furthermore bi-component fibers of 600 islands have been divided into individual fibers of 300 nm http://www.engr.utk.edu/mse/Textiles/Nanofiber%20Nonwovens.htm

Výroba bikomponentních vláken – typ „segmentový koláč“

Poznámka: Segmentové koláče – bikomponentní vlákna – využití - Jemná vlákna



Zvětšování specifického povrchu v netkaných textiliích

Forcespinnig – Cetrifugal spinning – Odstředivé zvlákňování

Jehlové - tryskové

Bezjehlové

Forcespinnig – Cetrifugal spinning – Odstředivé zvlákňování Jehlové - tryskové

X. Zhang and Y. Lu: Polymer Reviews,Centrifugal Spinning:An Alternative Approach to Fabricate Nanofibers at High Speed and Low cost, 2014

Forcespinnig – Cetrifugal spinning – Odstředivé zvlákňování Bezjehlové - beztryskové

JOURNAL OF POLYMER SCIENCE, PART B: POLYMER PHYSICS 2014, 52, 1547–1559

Forcespinnig – Cetrifugal spinning – Odstředivé zvlákňování Firma FIBERIO - FIBERLAB Zahájení prodeje strojů – 2010

Zvlákňovací jednotka - Spinneret

Forcespinnig – Cetrifugal spinning

http://www.youtube.com/watch?v=8Q-kydRdghI&feature=related http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=nr8cbpAt9oQ Process a broader range of materials Melt–spinning Solution spinning Organic Polymers, Inorganic Polymers, Metals, more Infusion of nanoparticles, carbon nanofibers/nanotubes Simple Parameters and Repeatable Results Rotational speed Orifice diameter Viscoelesticity of the material Distance to the collector Target/Uniform Diameter Average fiber diameters 400nm and below Homogeneity +/- 35% at 300nm average



Nanofiber Spinning Installations

DIENES Apparatebau GmbH Philipp-Reis Str. 16 63165 Mühlheim Germany Tel.: +49 (0)6108 / 707-0 [email protected] www.dienes.net


Hladká, porézní, bikomponentní vlákna atd.


Se vzrůstající koncentrací roste průměr vláken. Nízké koncentrace – kapkové defekty.

DOI: 10.1021/nl101355x | Nano Lett. 2010, 10, 2257-–2261


http://www.youtube.com/watch?v=d8QNG64VgVE

Výroba cukrové vaty od 15-tého století

KOMBINACE ELEKTROSTATICKÉHO ZVLÁKŇOVÁNÍ A FORCESPINNIGU


Pouze odstředivé zvlákňování

Image of PAN nanofiber formation in electrocentrifugal spinning at rotational speed of 6630 rpm and polymer solution of 15% wt. F. Dabirian et al. / Journal of Electrostatics 69 (2011) 540e546


Scanning electron microscopy of nanofibers produced by electrocentrifugal spinning of (a) 15% and (b) 16% wt PAN in DMF at rotational speed of 6360 rpm and applied voltage of 15 kV.

Kombinace odstředivého a elektrostatického zvlákňování

Rotační otáčející se disk vyrobený z pozlaceného hliníku. Průměr kotouče je 100 mm.

Shear spinning – střihové zvlákňování zapletení

Úhlová rychlost

Krátká vlákna 100-2000nm

SHRNUTÍ Tažení

Fázová separace

Melt-blown

roztok gel

Vl. vrstva

Syntéza šablonou

Samosestavování

„Ostrovy v moři“

Forcespinning

SHRNUTÍ Technologie

Typ výroby

Průměr vytvářených vláken

Požadavky na strojní vybavení

Výhody

Nevýhody





Tažení (Drawing)

Laboratorní

2-100nm

Malé

Velmi jemná vlákna

Diskontinuální proces, malá produktivita

Syntéza šablonou

Laboratorní

cca 100nm

Vhodné šablony či membrány

Přesné rozměry vláken dle šablony, další zpracování

Speciální šablony

Laboratorní

50-500nm

Malé

Přímá výroby vlákenné vrstvy

Omezeno jen na určité polymery

Laboratorní

7-100nm

Střední

Velmi jemná vlákna

Velmi složitý proces

-Technologie Meltblown

Průmyslová

 250nm

Velké

Vysoká produktivita výroby

Jen některé polymery

Bikomponentnívlákna

Průmyslová

 500nm

Velké

Řiditelný průměr vláken

Další zpracování, jen některé polymery

Forcespinning

Průmyslová

 400nm

Velké

Menší náročnost na přípravu roztoků a tavenin, možnost řízení procesu.

Rozpouštědla nesmí způsobovat korozi, poměrněvelký průměr vláken

Elektrostatické zvlákňování

Průmyslová

50-500nm

V závislosti na objemu výroby (obecně malé)

Velké množství polymerů, výroba přímo vl. vrstvy, „nekonečná“ vl.,….

Vysoké napětí, nestabilita procesu

(Template Synthesis)

-Fázová separace (Phase Separation)

-Samosestavování (Self-Assembly)

–„ostrovy v moři“

(i více)

Výroba polymerních nanovláken (s výjimkou elektrostatického zvlákňování) Eva Košťáková KNT, FT, TUL

Recommend Documents