Úvod do elektrostatického zvlákňování. Eva Košťáková KNT, FT, TUL

Transkript

1 Úvod do elektrostatického zvlákňování Eva Košťáková KNT, FT, TUL

2

3 Lidský vlas Bavlněné vlákno

4 Jednou v podstatě velmi jednoduchou metodou výroby nanovláken je tak zvané Elektrostatické zvlákňování (anglicky Electrospinning) v principu známé již od počátku 20. století. Historický přehled elektrostatického zvlákňování přednáška prof. Davida Lukáše Schematic diagram of Zeleny s set up apparatus. J. Zeleny Physical Review 3 (1914) 69

5 Základní princip zvlákňování ze stříkačky (z trysky) Taylorův kužel

6

7 Zvlákňování z trnu (kovové tyčky) 1- zdroj vysokého napětí, 2- kovová tyčka, 3- kapka polymerního roztoku nebo taveniny, 4- vznikající nanovlákna, 5- uzemněný kolektor zachytávající nanovlákna.

8 Zvlákňování z válečku - NANOSPIDER SVĚTOVÝ PATENT týmu Technické univerzity v Liberci a firmy Elmarco v roce 2004: Kontinální výroba nanovlákenných vrstev elektrostatickým zvlákňováním TECHNOLOGIE NANOSPIDER Hlavní výhoda výkon

9 Makroskopický pohled na vrstvu elektrostaticky zvlákněných nanovláken Zvlákňování z válečku - NANOSPIDER

10 Vlastnosti elektrostaticky zvlákněných nanovlákenných vrstev -Velký specifický povrch -Vysoká porozita -Malá velikost pórů -Průměr vláken nm -Zvlákňování roztoků nebo tavenin organické, syntetické polymery i biologické polymery

11 Podmínky ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování nanovláken Materiálové podmínky -Typ polymeru -Jeho molekulová hmotnost a distribuce molekulových hmotností -Rozpouštědlo a koncentrace (pro roztoky) -Teplota (pro taveniny) -Aditiva -Elektrická vodivost roztoku či taveniny -Povrchové napětí, viskozita,.

12 Podmínky ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování nanovláken Procesní podmínky -Uspořádání spinneru (např.menší průměr jehly = jemnější vlákna, nanospider = více trysek = větší výkon) -Použité napětí (např. vyšší napětí = tvorba perličkového efektu) -Vzdálenost od kolektoru -Okolní teplota -Vlhkost -Elektrické vlastnosti podpůrného nosného materiálu (např. antistatická uprava = rovnoměrnější vrstva) -

13 KONCENTRACE POLYMERU A PRŮMĚR VLÁKEN Koncentrace polymeru má významný vliv na proces elektrostatického vzlákňování a jeho výsledek. Koncentrace ovlivňuje zejména viskozu, ale i povrchové napětí a elektrickou vodivost. Růst koncentrace polymerního roztoku bude při zachování stálých podmínek zvlákňování působit růst průměru elektrostaticky zvlákněných nanovláken. S růstem koncentrace roste viskozita postupně (od určité hodnoty viskozita narůstá významně).

14

15 Elektrostatické zvlákňování extrémně zředěných roztoků k tzv. perličkovému efektu. Viskoelastické síly v trysce jsou příliš malé k udržení vlákenné struktury. Rayleighova nestabilita prof. Lukáš V extrému = elektrospraying (např. voda)

16 Tvorba perliček (beads) Perličky jsou tvořeny z polymerních roztoků o nízkých koncentrací. = Zvýšení viskozity může vést k odstranění tohoto problému ovšem ne vždy!

17 Zvýšení napětí vede k odstranění perliček!

18 Zvýšení koncentrace roztoku vede k odstranění perliček.

19 Zvýšení rychlosti dodávání roztoku vede ke zvětšení perliček.

20 PA 6.6 (a) při vzdálenosti elektrod 2cm, (b) při vzdálenosti elektrod 0,5cm.

21 Vliv na tvorbu perliček nemá jen viskozita ale i vodivost roztoku = použití povrchově aktivních látek (anionaktivních, kationaktivních i neionogenních). Přídavek povrchově aktivní látky vede i k zmenšení průměru vláken.

22 Morfologie povrchu vláken - hladký povrch nebo porézní povrch Na morfologii povrchu elektrostaticky zvlákněných vláken má vliv: použitý polymer, aplikované napětí, rozpouštědlo a okolní podmínky.

23 Morfologie povrchu vláken - hladký povrch nebo porézní povrch Příklad PLA chloroform (porézní vlákna), PLA chloroform, DMF (hladká vlákna) Důvod formování porézních vláken je vlastně fázová separace během vytvrzování vláken. Velmi rychlé vypařování rozpouštědla a kondenzace vlhkosti na povrchu vláken = tvorba nanopórů na povrchu vláken. Jen pro velmi těkavá rozpouštědla jako chloform, tetrahydrofuran, aceton atd.

24 Růst okolní vlhkosti znamená větší póry ve vláknech.

25 PA 6.6 (a) při vzdálenosti elektrod 2cm, (b) při vzdálenosti elektrod 0,5cm.