Nanovlákno

Velmi jemné textilní vlákno je možné vyrobit mnoha způsoby. Na začátku 21. století byly v odborné literatuře uvedeny zejména: [2]

Schéma elektrostatického zvlákňování "z trysky"

Mezi uvedenými metodami vyniká elektrostatické zvlákňování. Touto technologií se dá vyrábět nejjemnější vlákno, k výrobě je možné použít několik různých materiálů i ve složení více druhů dohromady a molekuly se mohou uspořádat také ve formě trubic. [2]

Za nejstarší objev v oboru je považováno zjištění Angličana Gilberta z roku 1600, že kapka vody se dá v elektrickém poli vytahovat do kónických tvarů. V roce 1902 byl patentován vynález Američana Mortona na rozptylování kapalin pomocí vysokého napětí. V letech 1965-1969 sestavil Američan Taylor matematický model kónického tvaru tekutin, který měl rozhodující vliv na zaměření výzkumných prací. Američan Reneker se spolupracovníky přehodnotil v roce 1990 vývoj v oboru elektrostatického zvlákňování a dal tak podnět k intenzivnímu výzkumu. V roce 2004 se zabývalo studiem této technologie ve světě už 200 univerzit. [3] Komerční výroba nanovláken začala v 80. letech 20. století. [4] Aktuální informace o celosvětové výrobě a spotřebě nanovláken lze získat jen z placených publikací, např. z každoroční studie za cenu cca 4000 USD. [5]

Na začátku 21. století se se k vlastnímu zvlákňování běžně používá tryska ve tvaru jehly. S touto technikou se však dá pracovat jen na velmi nízké úrovni produktivity, hotová vlákna se dají jen náhodně ukládat na kolektoru, komerčně se z nich vyrábí jen netkané textilie. [2] Pro zlepšení, resp. odstranění uvedených nedostatků byly do 2. dekády 21. století vyvinuty nové metody elektrostatického zvlákňování, z nichž tři mají praktický význam: [2]

Kontinuální zvlákňování a spřádání nanovláken (“yarn electrospinning”)

Např. přístroj z roku 2011 sestávající v princiopu ze dvou protilehlých trysek s elektrickým nábojem. Vlákenný material vycházející z trysek se dlouží a zakrucuje s pomocí trychtýřovitého kolektoru umístěného mezi oběma tryskami. Hotová nit se navíjí na cívku rychlostí 5 m/min.

Snímek z elektronového mikroskopu orientovaných nanovláken polyvinylidenfluoridu (PVDF)

Nanovlákno má tisícinásobně větší povrchovou plochu než např. mikrovlákno. Nanovlákenné materiály se vyznačují vysokou porozitou. Mechanické vlastnosti nanovlákenných materiálů vytvořených ze syntetických nebo přírodních polymerů nedosahují vysokých hodnot. Pro zlepšení mechanických vlastností se nanovlákna nanášejí na podkladový materiál, který je obecně z polypropylenu a je vytvořen technologií spunbond.

Pro zlepšení mechanických vlastností nanovláken je možné využít metodu výroby uhlíkových nanovláken karbonizací pomocí metody CVD na speciálních substrátech (kámen, kovové plátky, dráty). V laboratorních podmínkách se uhlíková nanovlákna připravují na Technické Univerzitě v Liberci, Katedře netkaných textilií a nanovlákenných materiálů.[10]

Schéma trojstěnné uhlíkové nanotrubice

Laboratorně byly vyrobeny (na univerzitě v Cambridge v Anglii) uhlíkové nanotrubice

• s jednoduchou stěnou (SWNT) s modulem pružnosti 1000-5000 GPa a s tažnou pevností 13-53 GPa
• s vícenásobnou stěnou (MWNT) s modulem pružnosti 800–900 GPa a s tažnou pevností 10-150 GPa [11]

se dají vyrábět např. ze 3700 jednotlivých vláken při rychlosti navíjení do 180 m/hod. Svazek vláken v přízi drží dobře pohromadě i bez zákrutu. Příze z určitých materialů může se 420 zákruty na metr dosáhnout pevnosti 2 MPa při tažnosti 250% a se 6000 t/m se může pevnost zvýšit až na 60 MPa. [2]

V odborných publikacích jsou obsáhle popisovány pokusně vyrobené textilie z nanovláken s použitím zejména v oblasti biomedicíny, elektroniky (superkapacitátory, lithiové baterie), solárních buněk, piezoelektrických přístrojů, senzorů, ochrany ovzduší, chemických reakcí, funkčních textilií a mnoha jiných. [2] [12]

Údaje o komerční výrobě jsou však na veřejnosti (v roce 2017) sotva známé. [13] K výjimkám v tom směru patří např. informace o produktech české firmy Nanovia. [14]

Výrobky z nanovláken se do povědomí běžných občanů dostávají pozvolna. Česká firma nanoSPACE jako první na světě zahájila výrobu bariérových povlaků pro alergiky z nanovláken už v roce 2014[15]. Postupně rozšířily svoje produkty o přikrývky a polštáře z nanovlákna a v roce 2016 vstoupily na trh s prvním protiroztočovým povlečením a prostěradly z nanovlákenné nanobavlny pro alergiky, které plně nahrazuje bariérové povlaky[16].

V roce 2018 můžeme sledovat využití nanovláken ve zdravotnictví, kde se nanovlákenná síť používá například do roušek, a chrání nositele i okolí před nežádoucími bakteriemi a viry. Nanovlákenná síť má mnohem menší otvory, než je velikost nežádoucích částic (smogu, bakterií nebo i aerosolů a dalších), proto je v nezávislých testech oceňována jako velmi výkonná při zachycování jednotlivých částic. Nanovlákenná membrána se také využívá u okenních sítích, které domácí prostředí chrání nejen před hmyzem, ale i před smogem nebo spalinami.

Nanovlákno se používá v kosmetice. Tým českých vědců ze společnosti [n]fibrecare vyvinul první českou high tech masku, která pleti nabízí špičkovou péči jednoduše, příjemně a rychle. Vlákno v sobě zapouzdří cenné aktivní látky, které se rovnoměrně uvolnují do pleti. Běžné mokré textilní masky jsou zpravidla tvořeny z 90 % vodou a glycerinem, stejně jako parabeny, silikony, akryláty, parfémy a dalšími aditivy, které mohou pleť podráždit.