Elektrostatické zvlákňování: Výroba polymerních nanovláken a jejich využití v kompozitních materiálechl

Transkript

1 Elektrostatické zvlákňování: Výroba polymerních nanovláken a jejich využití v kompozitních materiálechl Seminář: KOMPOZITY ŠIROKÝ POJEM, Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR Eva Košťáková, Pavel Pokorný a David Lukáš Technická univerzita v Liberci Fakulta textilní Katedra netkaných textilií

2 Elektrostaticky zvlákněná nanovlákna

3 Elektrostatické vzlákňování (anglicky Electrospinning) je jednou z možností výroby polymerních nanovláken a v principu je známé již od počátku 20. století. ZVLÁKŇOVÁNÍ Z JEHLY

4 Needle-less electrospinning ZVLÁKŇOVÁNÍ Z VOLNÉHO POVRCHU ZVLÁKŇOVÁNÍ Z TYČKY 1-zdroj vysokého napětí, 2-kovová tyčka, 3-kapka polymerního roztoku nebo taveniny, 4-vznikající nanovlákna, 5- uzemněný kolektor zachytávající nanovlákna.

5 ZVLÁKŇOVÁNÍ Z VOLNÉHO POVRCHU ZVLÁKŇOVÁNÍ Z POVRCHU VÁLEČKU (NANOSPIDER TM ) SVĚTOVÝ PATENT týmu Technické univerzity v Liberci a firmy Elmarco v roce 2004: Kontinální výroba nanovlákenných vrstev elektrostatickým zvlákňováním

6 ZVLÁKŇOVÁNÍ Z VOLNÉHO POVRCHU ZVLÁKŇOVÁNÍ Z POVRCHU VÁLEČKU (NANOSPIDER TM )

7 ZVLÁKŇOVACÍ PROSTOR u elektrostatického zvlákňování SAMOORGANIZACE celého procesu!!!

8 Důvod formování porézních vláken je vlastně fázová separaceběhem vytvrzování vláken. Velmi rychlé vypařovánírozpouštědla a kondenzace vlhkostina povrchu vláken = tvorba nanopórů na povrchu vláken. Modifikace elektrostatického zvlákňování PORÉZNÍ NANOVLÁKNA

9 Modifikace elektrostatického zvlákňování ORIENTOVANÁ NANOVLÁKNA

10 Modifikace elektrostatického zvlákňování ORIENTOVANÁ NANOVLÁKNA

11 Modifikace elektrostatického zvlákňování NANOVLÁKENNÉ NITĚ

12 Modifikace elektrostatického zvlákňování NANOVLÁKENNÉ NITĚ

13 Modifikace elektrostatického zvlákňování HYBRIDNÍ NITĚ

14 Modifikace elektrostatického zvlákňování HYBRIDNÍ NITĚ

15 Modifikace elektrostatického zvlákňování BIKOMPONENTNÍ VLÁKNA

16 Modifikace elektrostatického zvlákňování VNÁŠENÍ PRÁŠKŮ MEZI NANOVLÁKNA

17 Modifikace elektrostatického zvlákňování NANOKOMPOZITNÍ VLÁKNA

18 Modifikace elektrostatického zvlákňování NANOKOMPOZITNÍ VLÁKNA Přídavek CNTs of 0,01hm% -20hm%.! Zvýšení viskozity Zvýšení pevnosti elektrostaticky zvlákněných nanovláken. Zvýšení tepelné odolnosti. Zvýšení elektrické vodivosti. Atd.

19 Elektrostatické zvlákňování APLIKACE NANOVLÁKEN Filtrace, sanace Zdravotnictví(tkáňové inženýrství, kryty ran, řízené dodávání léčiv) Ochranné oděvy, respirátory, Stavebnictví a automobilový průmysl - zvuk pohltivé materiály...

20 Elektrostatické zvlákňování APLIKACE NANOVLÁKEN Kompozitní materiály - klasické VÝZTUŽ POUZE ELSPIN NANOVLÁKNA První práce KIM& RENEKER ( ) nanovlákna: PBI matrice: epoxidová pryskyřice a pryž Bergshoef & Vancso (1999) nanovlákna: PAD 4,6 matrice: epoxidová pryskyřice

21 Elektrostatické zvlákňování APLIKACE NANOVLÁKEN Kompozitní materiály - klasické Hlavní problémy 1) Kompletní impregnace 2) Manipulace s nanovlákenným materiálem samotným Řešení Ad1. Ultrazvuk Ad2. Vypínání na rámeček Impregnace nanovlákenných materiálů kapalnými matricemi: a) pro kapaliny s nízkou viskozitou, b) pro kapaliny s vysokou viskozitou. 1 nanovlákenný materiál, 2 kapka matrice, 3 ultrazvukový měnič, 4 ultrazvukový generátor.

22 Elektrostatické zvlákňování APLIKACE NANOVLÁKEN Kompozitní materiály - klasické Transparentnost Charakter fólie Zjišťování mechanických vlastností spočívalo ve zkoušce v pevnosti v tahu dle normy EN ISO s epoxidovými matricemi - delaminace, žádná synergie. s polyesterovou matricí lepší synergie než u epoxidové matrice s akrylátovým pojivem - nejlepší synergie (7x nárůst pevnosti oproti samotné nanovlákenné vrstvě, 4x oproti pevnosti samotné vytvrzené matrice. Obsah vláken v kompozitech: s epoxidovými matricemi byl 15% hmotnostních a 9 % objemových. s polyesterovou matricí 17% hmotnostních. s akrylátovým pojivem 34% hmotnostních a 31% objemových. KIM & RENEKER ( ) nanovlákna: PBI +matrice: epoxidová pryskyřice 3-15wt% Bergshoef & Vancso (1999) nanovlákna: PAD 4,6 + matrice: epoxidová pryskyřice 4,6 wt% Reálné použití???

23 VÝZTUŽ PRIMÁRNÍ -KLASICKÉ VLÁKENNÉ MATERIÁLY SEKUNDÁRNÍ ELSPIN NANOVLÁKNA Elektrostatické zvlákňování APLIKACE NANOVLÁKEN Kompozitní materiály - klasické SKLENĚNÁ NETKANÁ TEXTILIE POLYESTEROVÁ PRYSKYŘICE PVA nebo PAN nanovlákna Ruční laminace The set of samples for three-point test consisted of: (i) primary reinforcement presented by glass nonwoven fabric made from fibers with a diameter of 12 μm; the linear density of roving was 30 tex, the surface mass was 300 g/m 2, provided by company Ahlstrom; (ii) secondary reinforcement with fibers of small diameter PVA II, PAN; and resin matrix polyester resin Viapal.

24 Elektrostatické zvlákňování APLIKACE NANOVLÁKEN Kompozitní materiály - klasické Tříbodový test Samples Average σ max [N/mm 2 ] Standard deviation [N/mm 2 ] Average σ ILSS [N/mm 2 ] Total fiber content [wt%] Blind samples 27,06 2,10 2,71 37,5 26,9 PAN without US 30,87 1,03 3,09 32,3 24,7 PAN with US 32,73 1,13 3,27 33,8 26,7 PVA without US 26,57 2,24 2,66 28,0 21,9 PVA with US 26,67 1,81 2,67 29,3 23,9 Total fiber content [vol%]

25 Elektrostatické zvlákňování APLIKACE NANOVLÁKEN Kompozitní materiály - klasické Uhlíková vlákna PAN nanovlákna Epoxidová pryskyřice Ruční laminace a využití vakua (vacuum pressing) Unidirectional carbon fabric before (a) and after (b) the electrospinning

26 Elektrostatické zvlákňování APLIKACE NANOVLÁKEN Kompozitní materiály - klasické Dynamické zkoušky Falling dart impact tests (I-FDIT) 40% nárůst energie perforace Material carbon fiber composite hybrid composite Maximum force [N] Time at maximum force [ms] Perforation energy [J] Total energy [J] Index of ductility [-] 1045± ± ± ±

27 Děkuji za pozornost! Ing. Eva Košťáková Technická univerzita v Liberci Fakulta textilní Katedra netkaných textilií Studentská Liberec eva.kostakova@tul.cz

28