Výroba polymerních nanovláken (s výjimkou elektrického zvlákňování)

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Výroba polymerních nanovláken (s výjimkou elektrického zvlákňování)"

Zdenka Čechová
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Výroba polymerních nanovláken (s výjimkou elektrického zvlákňování) Eva K. Košťáková KNT, FT, TUL

2 Možnosti výroby polymerních nanovláken - Elektrické zvlákňování (electrospinning) - Tažení (Drawing) - Syntéza šablonou (Template Synthesis) - Fázová separace (Phase Separation) - Samosestavování (Self-Assembly) - Technologie Melt-blown - Výroba bikomponentních vláken typ ostrovy v moři - Forcespinning odstředivé zvlákňování - Shear spinning - - Electrospinning

3 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

4 Drawing - tažení Appeared in Applied Physics Letters, vol. 89, no.18, pp , 2006

5 Drawing - tažení MIKROMANIPULÁTOR - VIDEO

6 Drawing - tažení

7 Drawing - tažení

8 Drawing - tažení

9 Tříosý drawing PCL pro aplikací v TI 14ti denní kultivace in-vitro

Pouze pro laboratorní výrobu Možnost řízení průměrů vláken Membrány ze

10 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.

Pouze laboratorní výroba Nemožnost řízení rozměrů nanovláken (jen určité

11 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

12 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

VRSTVY. Je možné použít jen některé polymery. Méně náročné za vybavení.

13 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 nm v průměru; Porézní struktura se sítí nekonečných vláken Nevhodné polymery = nevlákenná struktura

14 Technologie Melt-blown Jen speciální typy polymerů (např. high MFI polypropylene) průměr cca 250nm; spíše nekonečná vlákna Průmyslová výroba

TECHNOLOGIE - MELTBLOWN http://www.biax-fiberfilm.com/meltblown_systems.

15 TECHNOLOGIE - MELTBLOWN VIDEO ZA POLOVINOU: PROCES A VYSLEDNY PRODUKT

16 Technologie Melt-blown using high MFI (vysoký index toku) polypropylene

17 Meltblown pro TI, kombinace mikro a nanovláken KNT, FT, TUL

18 Výroba bikomponentních vláken typ ostrovy v moři

19 cca 500 nm diameter (POP/PVA) Výroba bikomponentních vláken typ ostrovy v moři

Výroba bikomponentních vláken typ ostrovy v moři Obrázek ukazuje bikomponentní vláko před a po rozdělení. 198 vláken - ostrovů je rozdělen do jednotlivých vláken 0,9 mikrometrů.

20 Výroba bikomponentních vláken typ ostrovy v moři Obrázek ukazuje bikomponentní vláko před a po rozdělení. 198 vláken - ostrovů je rozdělen do jednotlivých vláken 0,9 mikrometrů. V tomto příkladu se Hills Inc podařilo vyrábět vlákna s až 1000 ostrovů při běžných rychlostech zvlákňování. Dále vyrábějí i bi-komponentní vlákna z 600 ostrovů, které jsou rozdělovány do jednotlivých nanovláken o průměru 300 nm [1,3].

Výroba bikomponentních vláken typ ostrovy v moři http://www.hillsinc.

21 Výroba bikomponentních vláken typ ostrovy v moři tions/9700%20islands-in-a- Sea%20Cross%20section%20composite.j pg Měřítko 10 mikrometrů

22 Forcespinnig Cetrifugal spinning Odstředivé zvlákňování silové zvlákňování Z taveniny či z roztoku

23 Forcespinnig Cetrifugal spinning Spinneret Zahájení prodeje strojů 2010

Forcespinnig Cetrifugal spinning http://www.youtube.com/watch?

feature=endscreen&nr=1&v=nr8cbpat9oq Process a broader range of materials Melt spinning Solution spinning Organic Polymers, Inorganic

24 Forcespinnig Cetrifugal spinning 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

25 Laboratorní zařízení i výrobní linky FIBERIO

28 DOI: /nl101355x Nano Lett. 2010, 10,

29 Pardam, Roudnice nad Labem, ČR PUR, PVB, PA6, PAN, PCL Anorganická vlákna

30 Bezjehlové odstředivé zvlákňování Podobné technologii spincoating

32 KOMBINACE ELEKTROSTATICKÉHO ZVLÁKŇOVÁNÍ A FORCESPINNIGU

33 KOMBINACE ELEKTROSTATICKÉHO ZVLÁKŇOVÁNÍ A FORCESPINNIGU 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

34 KOMBINACE ELEKTROSTATICKÉHO ZVLÁKŇOVÁNÍ A FORCESPINNIGU 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.

35 Shear spinning Střihové smykové zvlákňování Smykové zvlákňování je založeno na srážení polymerů v roztocích nerozpouštědlo+rozpouštědlo, za střihu-smyku ve viskózních kapalinách. Smykové síly ve dvou mísitelných kapalinách mají za následek téměř nulové mezifázové napětí (mezi povrchové napětí). Avšak již nízké mezifázové napětí vede k téměř nekonečně velkým silám, které mohou roztahovat kapky polymeru.

36 Shear spinning Střihové smykové zvlákňování J difuzní tok

37 Průměr vláken ( m) Shear spinning Střihové smykové zvlákňování Úhlová rychlost (ot/min)

38 Průměr vláken ( m) Shear spinning Střihové smykové zvlákňování Malé zapletení řetězců Velké zapletení řetězců Molekulová hmotnost Úhlová rychlost (ot/min)

39 Shear spinning Střihové smykové zvlákňování PS (polystyren) fibers formed from 15% solution (W/W in CHCl3 - chloroform) sheared into 75% glycerol: 25% ethanol at 2000 rpm. 15hm% Polystyrenu rozpouštěno v chloroformu a dále smykově namáhán v roztoku glycerolu a etanolu (75:25)

40 Shear spinning Střihové smykové zvlákňování

Formation of polymer microrods in shear flow by emulsification - Solvent attrition mechanism. Langmuir 2006, 22, 765 774.

41 Shear spinning Střihové smykové zvlákňování výroba částic tvaru drátků rod-like polymer particles Epoxidová pryskyřice měřítka: a) 100 m,b,c) 10 m (1 m ve výřezu(c)), a d) 50 m. [1] Alargova, R. G.; Paunov, V. N.; Velev, O. D. Formation of polymer microrods in shear flow by emulsification - Solvent attrition mechanism. Langmuir 2006, 22, [2] Alargova, R. G.; Bhatt, K. H.; Paunov, V. N.; Velev, O. D. Scalable synthesis of a new class of polymer microrods by a liquid-liquid dispersion technique. Advanced Materials 2004, 16,

42 SHRNUTÍ Tažení Fázová separace Melt-blown roztok gel Forcespinning Vl. vrstva Syntéza šablonou Samosestavování Ostrovy v moři

43 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 (Template Synthesis) Laboratorní cca 100nm Vhodné šablony či membrány Přesné rozměry vláken dle šablony, další zpracování Speciální šablony -Fázová separace (Phase Separation) Laboratorní nm Malé Přímá výroby vlákenné vrstvy Omezeno jen na určité polymery -Samosestavování (Self-Assembly) Laboratorní 7-100nm Střední Velmi jemná vlákna Velmi složitý proces -Technologie Meltblown Průmyslová 250nm Velké Vysoká produktivita výroby Jen některé polymery Bikomponentnívlákna ostrovy v moři 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 nm (i více) V závislosti na objemu výroby (obecně malé) Velké množství polymerů, výroba přímo vl. vrstvy, nekonečná vl.,. Vysoké napětí, nestabilita procesu

Podobné dokumenty

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