1

Fyzikální principy tvorby

nanovláken

1. Úvod

D.Lukáš

2

Physical principles of

electrospinning

(Electrospinning as a nano-

scale technology of the twenty-

first 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

Physical principles of

electrospinning (Electrospinning

as a nano-scale

technology of the twenty-first

century)

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, 2005.

[3] D.H. Reneker and H. Fong, Polymeric nanofibres, Oxford

University Press, Washington D.C., 2005.

[1] Y. Filatov, A. Budyka, and V. Kirichenko, Electrospinning of

micro- and nanofibres: fundamentals in separation and filtration

processes, Begell House Inc., Redding, 2007.

[4] D.H. Reneker and A.L. Yarin, Electrospinning jets and

polymer nanofibres, Polymer, 49 (2008), pp. 2387-2425.

[89] A.L. Andrady, Science and Technology of Polymer

Nanofibres, Wiley, New Jersey, 2008.

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.

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

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

Jehlové elektrostatické

zvlákňování

Odpařování

rozpouštědla

Bičování

Taylorův kužel

Stabilní část trysky

1

2

John Zeleny, Physical

Review, Vo. III, No. 2, 1914

8

Elektricky řízená

ohybová nestabilita

jednotlivé kapalinové

trysky při

elektrostatickém

zvlákňování

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.

11

11

d =200 nm

Roztok

polymer

u

Samozorganizovaná

nanovlákenná vrstva

s

S

12

Na rozdíl o výroby netkaných textilií (např. vpichovaných) tato

technologie nevyžaduje žádné pasivní a rotující součásti.

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.

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.

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.

18

Úkol:

Nakreslete schéma jehlového způsobu elektrostatického

zvlákňování a popište jeho jednotlivé součásti a fáze polymerní

trysky.