SOUČASNÉ TRENDY ROZVOJE VYSPĚLÝCH TECHNOLOGIÍ - 2

Transkript

1 SOUČASNÉ TRENDY ROZVOJE VYSPĚLÝCH TECHNOLOGIÍ - 2 doc. Dr. Ing. Miroslav Černík, CSc. Podpora přednášky kurzu Vyspělé technologie

2 Nanovlákenné materiály přehled aplikací využití v enviromentálních technologiích

3 Nanovlákna Co jsou nanovlákna? Jde o vlákna jejichž průměr se pohybuje v rozsahu desítek stovek nanometrů, ale jsou to tzv. submikronová vlákna. Co je elektrostatické zvlákňování (electrospinning)? Elektrostatické zvlákňování je proces využívající elektrostatických sil k utváření jemných vláken z polymerního roztoku nebo polymerní taveniny. Vlastnosti velký měrný povrch vysoká porózita malá velikost pórů průměr vláken ( nm) Materiál polymerní roztoky nebo taveniny možné více než 50 polymerů

4 Nanovlákna Diameter (um) Linear density (dtex = 0.1g/km) Specific surface (m 2 /g) Conventional 20 1 Ca. 0.2 fibres (10 40) (1 30) Melt-blown fibres Ca. 2 Nanofibres Ca. 20

5 Technologie přípravy nanovláken Elektrostatické 0.1 zvlákňování - 1gram za hodinu V procesu elektrostatického zvlákňování je využito vysoké napětí k vytvoření elektricky nabitého proudu polymerního roztoku nebo taveniny. Elektroda vysokého napětí je spojena přímo s polymerním roztokem. Roztok je následně zvlákněn kapilárou (zvlákňovací tryskou). Díky vysokému elektrickému napětí mezi špičkou kapiláry a uzemněným kolektorem vzniká tzv. Taylorův kužel na špičce kapiláry, z kterého jsou produkována submikronová vlákna. Vlákna ztuhnou po odpaření rozpouštědla a vytvoří vlákennou vrstvu na povrchu kolektoru.

6 Znázornění různých módů elektrostatického zvlákňování a) PP 2,1 kv/cm, b) PP 2,91 kv/cm, c) jedna tryska PCL při E c =2,18 kv/cm, d) Vícenásobné trysky PCL při 2,47 kv/cm.

7 1 metal roller (positive electrode) 2 fiber-forming polymer layer, 3 reservoir, 4 textile substrate, 5 direction of fiber formation, 6 electrode grounding schield, 7 air drawing

8 NanospiderTM Technology Geneve - Index 2005 Frankfurt - Techtextil 2005 Atlanta - Techtextil North Amerika 2006 Japan - Subsidiary firm-2006

9

10 Elektrostaticky zvlákněné polymery z roztoku Various factors associated with electrospinning of polymers from solution Polymer Solution Process Molecular weight Type of solvent Applied field strength Polydispersity index Concentration Deposition distance Tg Viscosity Deposition time Flow rate Dielectric constant Surf a ce tension Electrical conductivity Temperature Additives Solvent evaporation rate Collection technique Temperature, humidity, air, circulation rate Size of capillary Collection technique

11 Elektrostaticky zvlákněné polymery z taveniny Polymer Processing temperature ( C) Polyethylene, PE Polypropylene, PP Nylon 12, PA Polyethylene terephthalat, PET 270 Polyethylene naphthalat, PEN 290 PET/PEN blends 290 Polymerní nanovlákna mohou mít mnoho výjimečných vlastností zahrnujících malý průměr (a z toho vyplývající velký měrný povrch), vysoce orientovanou krystalickou strukturu (výslednou velkou pevnost), atd.

12 Aplikace nanovláken I. TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ - SCAFFOLDY TKÁŇOVÉ KRYTÍ HEMOSTATICKÉ PROSTŘEDKY CÍLENÝ TRANSPORT LÉČIV FILTRAČNÍ MÉDIA KOSMETIKA OCHRANNÉ OBLEKY POLYMERNÍ NANOVLÁKNA KOMPOZITNÍ MATERIÁLY AKUSTIKA AKUSTIKA SENZORY S VYSOKOU CITLIVOSTÍ OPTICKÉ APLIKACE MINIATURNÍ ELEKTRICKÉ VODIČE

13 Vzdušná filtrace polymerními nanovlákny Filtrační efektivita pro různé plošné hmotnosti nanovlákenných vrstev a pro různé textilie. Tlakový spád pro různé plošné hmotnosti nanovlákenných vrstev a pro různé textilie. Komerční filtr s nanovlákny Snímky filtru před a po filtraci Pro filtraci za podmínek vysokých teplot zhruba do 300 C byla testována nanovlákna z polyimidu, který se pro uvedené aplikace již používá.

14

15

16

17

18

19 Vývoj nanovlákenných materiálů obsahujících chemicky, nebo biologicky aktivní složky Byla zkoušena inkorporace anorganických a organických solí stříbra a mědi do roztoku polymerů v org. rozpouštědlech. Bylo zjištěno, že roztok obsahující uvedené látky je zvláknitelný a lze připravit rovnoměrnou nanovlákennou vrstvu. Filtrační vlastnosti, jakož i chemické a biologické účinky jsou testovány.

20 Vývoj nanovlákenných materiálů obsahujících chemicky, nebo biologicky aktivní složky Polyurethan + AgNO 3 polyethersulfon + AgNO 3

21 Zapouzdřování do polymerních nanovláken elektrostatickým zvlákňováním Malé rozpustné částice byly elektrostaticky zvlákněny na University of Acron. Tyto částice byly zapouzdřeny do suchých nanovláken a začleněny do jejich struktury. Polymerní nanovlákna a netkané textilie z těchto nanovláken mohou být nosičem aditiv. Katedra netkaných textilií TUL učinila první úspěšný pokus o začlenění stříbrných částic do struktury nanovláken antibakteriální účinky

22 Biologické aplikace I. Téměř všechny lidské tkáně jsou v nanovlákenných formách nebo strukturách. Nanovlákenné materiály se používají jako podložky pro růst tkání. Nervy, kosti, chrupavky, kůže, krevní cévy Kolagenové konstrukce jsou biodegradabilní a následně jsou tělem nahrazeny.

23 Biologické aplikace II. Obvazoviny a prevence jizev, bakteriální štít. Typické respirátory jsou nepohodlné při dlouhodobém nošení. Na Washington University vyvinuli nanovlákenný materiál pro masky, který se skládá ze 2 % materiálu a 98 % vzduchu, což je činí pohodlnějšími. Ochranné oděvy dýcháníschopné textilie blokující chemikálie

24 Biologické aplikace III.

25 Schéma propustnosti nano-obvazů Obvaz Zánětlivé tekutiny Kyslík Zranění Bakterie

26 Proliferace buněk na polyethylenu Přiložení napěstovaných buněk Štěp uchycený na nosiči je přenášen na raněnou plochu pacienta

27 Environmentální aplikace nanovlákenných technologií

28 Biologické procesy DEFINICE: Využití přirozených mikroorganismů k tomu, aby transformovaly, rozložily nebo imobilizovaly polutant CÍL: Odstranit nebezpečné vlastnosti polutantu(ů) tak, aby vzniklé látky již nepůsobily nebezpečí pro lidské zdraví a životní prostředí Zásada Mikroorganismy pro nás nepracují, protože to my chceme, ale proto, že jim to přináší různé výhody, především energii pro reprodukci a zdroje pro tvorbu biomasy a pro nezbytné fyziologické pochody Pokud jim zlepšíme podmínky v prostředí, pracují o to lépe.

29 Environmentální aplikace

30 Biologický rozklad AEROBNÍ v přítomnosti kyslíku (alifatické uhlovodíky, některé chlorované ethyleny, aromatické uhlovodíky, fenoly) ANAEROBNÍ bez přítomnosti kyslíku (pentachlorfenol, tetrachlorethylen, aromatické uhlovodíky, organické kyseliny, nitroaromatické sloučeniny TNT, RDX, HRX Schéma aerobního mikrobiálního metabolismu CO 2 + H 2 O + biomasa

31 Vlákenné bioreaktory Udržení živých bakterií ve/na vláknech po dostatečně dlouhou dobu nutnou pro zapracování reaktoru I po zapracování nosiče je čistící proces mnohem více efektivnější a dosahuje se vyšších mezních podmínek Možná vyšší/nižší provozní teplota reaktoru Efektivita procesu i při vyšších průtočných objemech (nižší doba zdržení) Zajištění vyšší stability mikroorganismů na nosiči Nedochází k výpadkům čistícího procesu a vyplavování odpadních vod do kanalizace, řek X velké finanční pokuty

32 Praktické aplikace V pilotních a poloprovozních bioreaktorech s reálnými odpadními vodami a v prostředích komerčních aplikací reálných podniků (odpadní vody z Lučební Závody Draslovka a.s. pro fluidní lože, pevné lože v Bochemie s.r.o., aj.)

33 Imobilizace biologického materiálu Imobilizace = znehybnění Vytvoření materiálu, který pevně váže biologický materiál + jednodušší manipulace (izolace, dávkování ) + opakované použití + větší odolnost materiálu - imobilizace může biomateriál poškodit - difúzní limitace - vyšší cena Technologie LentiKat s a.s

34 Čištění odpadních vod 1) komunální odpadní vody (velké objemy) 2) průmyslové odpadní vody * potravinářský průmysl * zemědělské podniky * průmyslové podniky

35 Nosič biomasy určující prvek I. Historický vývoj VS 1 AnoxKaldnes K3 Zeolit Birepak 84

36 Nosič biomasy určující prvek II. Přínosy Vyšší aktivní povrch díky nanovrstvě Rychlejší zapracování, vyšší odolnost k okolním podmínkám

37 Vlákno, niť a nano-niť Vlákno lineární polymerní orientovaný útvar Niť lin. soubor vláken zčásti jednosměrně orientovaných Nanoniť lineární útvar obsahující nanovlákna Typy nano-nití Obsahující pouze nanovlákna nízký stupeň orientace nanovláken malé výrobní rychlosti vysoká cena Obsahující nanovlákna na povrchu nosného útvaru (nosné niti)

38 Nosič biomasy určující prvek III. Vývoj nanovlákenné nitě pro aplikaci v environmentální technologii při čištění odpadních vod

39 Provoz, hodnocení, modelování chodu bioreaktorů Provoz, monitoring (optimalizace) několika různorodých bioreaktorů v laboratorních a plnoprovozních podmínkách (fluidní, pevné lože) Fluidní lože Pevné lože

40 Odvíjení a zvodivění nosné niti

41 Nanášení nanovláken II.

42 Ovíjení povrstvené niti

43 Tepelná fixace

44 Navíjení

45 Rizikovost nanomateriálů - Nano-rizika I. S nově vyvíjenou technologií vyvstává také otázka její rizikovosti a toxicity. Podotknout rizika využití nanomateriálů, především v environmentálních aplikacích (čištění odpadních vod). Označení pro rizikovost nanomateriálů sice existuje, ale rozhodně neexistují všechny metody, jak testovat tato rizika!!!