Fyzikální principy tvorby nanovláken. 1. Úvod. D.Lukáš

Transkript

1 Fyzikální principy tvorby nanovláken 1. Úvod D.Lukáš 1

2 Physical principles of electrospinning (Electrospinning as a nano-scale technology of the twenty-first century) Physical principles of electrospinning (Electrospinning as a nanoscale technology of the twentyfirst century) D. Lukáš; A. Sarkar; L. Martinová; K. Vodsed'álková; D. Lubasová; J. Chaloupek; P. Pokorný; P. Mikeš; J. Chvojka; M. Komárek Department of Nonwovens, Faculty of Textile Engineering, Technical University of Liberec, Liberec, Czech Republic 2

3 Doporučené monografie (Knihovna TUL): [2] S. Ramakrishna, K. Fujihara, W. Teo, T. Lim, and Z. Ma, An introduction to electrospinning and nanofibres, World Scientific Publishing Co., Singapor, [3] D.H. Reneker and H. Fong, Polymeric nanofibres, Oxford University Press, Washington D.C., [1] Y. Filatov, A. Budyka, and V. Kirichenko, Electrospinning of micro- and nanofibres: fundamentals in separation and filtration processes, Begell House Inc., Redding, [4] D.H. Reneker and A.L. Yarin, Electrospinning jets and polymer nanofibres, Polymer, 49 (2008), pp [89] A.L. Andrady, Science and Technology of Polymer Nanofibres, Wiley, New Jersey,

4 Schéma elektrostatického zvlákňování z trysky: (1) stříkačka napojená na pumpu, (2) jehla/kapilára jako jedna z elektrod, (3) stabilní část trysky, (4)bičující zóna, (5) kolektor, (6) uzemnění, (7) zdroj vysokého napětí. 4

5 Okouzlující jednoduchost tohoto procesu spočívá v samoorganizaci polymerního roztoku či taveniny do formy nanovláken jen s pomocí elektrického pole. Z fyzikálního hlediska se elektrostatické zvlákňování podobá stromu neobvyklého tvaru. Vyrůstá z kořenů" v tenké povrchové vrstvě polymerního roztoku (sloužící jako jedna ze dvojice elektrod) a pokračuje kmenem" představovaným stabilní částí proudu polymeru. Následující bičující zóna proudu polymeru vytváří jednotlivé větve" tohoto stromu. Jeho plody, tedy nanovlákna jsou zachytávána na druhé z elektrod spojené se zdrojem vysokého napětí (Lukáš 2007). 5 5

6 Fyzikálně je jev elektrostatického zvlákňování je důsledek boje mezi elektrostatickými a kapilárními silami. První z těchto sil hovoří o nabitých kapalinových tělesech, která se rozpadají díky dlouhodosahovým repulsním Coulombickým silám mezi ionty stejného znaménka Druhá z těchto sil zapříčiňuje to, že částice kapaliny se snaží držet pohromadě, aby minimalizovali povrch kapaliny a povrchovou energii, což pramení z krátké vzdálenosti mezi intermolekulárními interakcemi na kvantové úrovni. 6

7 Jehlové elektrostatické zvlákňování 1 Taylorův kužel Stabilní část trysky Bičování 2 Odpařování rozpouštědla John Zeleny, Physical Review, Vo. III, No. 2, 1914

8 Elektricky řízená ohybová nestabilita jednotlivé kapalinové trysky při elektrostatickém zvlákňování 8

9 9

10 Elektrostatické zvlákňování je potenciálně schopna uskutečnit revoluční převrat ve zvlákňovacích technologiích. Proces je podobný biologickým postupům výroby nanovláken, kde bio-vlákna jako je celulóza nebo kolagen jsou tvořena samoorganizací. 10

11 Roztok polymer u S d =200 nm Samozorganizovaná nanovlákenná vrstva s 11 11

12 Na rozdíl o výroby netkaných textilií (např. vpichovaných) tato technologie nevyžaduje žádné pasivní a rotující součásti. 12

13 Proces Polymer-to-fabric Vlákenná vrstva přímo z polymeru Zvlákňování z taveniny polymeru Extruze skrz systém trysek Vysoká rychlost proudu vzduchu Depozice vláken na dopravník

14 Technologie elektrostatického zvlákňování je rozdělena do dvou větví. (1) Zvlákňování z jehly/kapiláry (výrobní rychlosti okolo jednotek gramů za hodinu) (2) Zvlákňování založené na bezjehlovém zvlákňování tedy samoorganizace polymerních trysek z povrchu kapaliny. 14

15 15

16 Primární využití elektrostaticky zvlákněných materiálů je v : medicíně, biologii chemii, Textilním a materiálovém inženýrství, Nanoporézní materiály fungují jako filtry, Scaffoldy pro tkáňové inženýrství, Ochranné oděvy, Systémy s řízeným dodáváním léčiv, Substráty pro katalýzu, atd. 16

17 Oblasti přednášené v tomto předmětu: 1. Úvod 2. Historický přehled 3. Teoretický vývoj elektrostatického zvlákňování 4. Kapalinové trysky v elektrickém poli 5. Speciální kolektory 6. Varianty elektrostatického zvlákňování 7. Výjimečné vlastnosti elektrostatického zvlákňování 8. Polymerní roztoky pro elektrostatické zvlákňování 9. Nanovlákna v buňce 10. Tvorba nanovláken technologií drawing tažení. 11. Tvorba nanovláken technologií odstředivého zvlákňování. 17

18 Úkol: Nakreslete schéma jehlového způsobu elektrostatického zvlákňování a popište jeho jednotlivé součásti a fáze polymerní trysky. 18