Nanovlákna na Technické univerzitě v Liberci

Důležitost a perspektivu výroby nanovlákenných materiálů můžeme odůvodnit tím, že si jejich výjimečných vlastností dávno před člověkem všimla příroda. V živých buňkách i mezibuněčné hmotě se vyskytují v obrovském množství nanovlákenné útvary. Nanovlákna v podobě prostorových sítí propůjčují buňkám a tkáním pevnost v tahu i tlaku. Slouží také jako tažná a vodicí lana k přemísťování organel a genetického materiálu uvnitř buněk.

Na konci devadesátých let minulého století se vedoucí katedry netkaných textilií Fakulty textilní Technické univerzity v Liberci prof. Oldřich Jirsák rozhodl započít s výzkumem elektrostatického zvlákňování a přípravy nanovláken, přestože v té době mělo mnoho světových, skvěle přístrojově vybavených laboratoří výzkum nanovláken již značně rozpracovaný. Podařilo se však vyvinout vhodné zařízení a podat v r. 2003 český patent, který byl v r. 2005 rozšířen na patent světový. Metoda, známá pod obchodním názvem NanospiderTM, je vysoce efektivní pro výrobu plošných vrstev nanovlákenných materiálů, jež nacházejí využití zejména ve filtraci vzdušnin a kapalin, v medicíně, tkáňovém inženýrství apod. Průmyslově je patent využíván libereckou firmou Elmarco (obr. 2).

Na Fakultě textilní TUL nadále probíhá zdokonalování technologie výroby nanovláken, výzkum nových nanovlákenných materiálů a jejich aplikací, zakládajících se na zvlákňování jak speciálních polymerů, tak směsí polymerů a speciálních aditiv, které významně ovlivňují vlastnosti vzniklé nanovlákenné vrstvy. Tyto vrstvy mají vynikající vlastnosti pro aplikace například ve filtraci, akustice, fotovoltaice nebo biomedicíně. Může jít o materiály vytvořené z biodegradabilních polymerů, tj. odbouratelných v organismu, nebo o polymery, které jsou v prostředí organismu téměř stálé.

V současné době probíhá řada výzkumů možností opravy nebo náhrady kostí, chrupavek, cév apod. na bázi nanovlákenných vrstev porostlých příslušnými buňkami. Vrstvy vytvořené z vláken, jejichž průměr se pohybuje od jednoho sta do několika set nanometrů, mají velký specifický povrch (řádově desítky až stovky m².g^–1) a malou velikost pórů ve srovnání s komerčními textiliemi.

A právě velký specifický povrch a porozita jsou ty důležité vlastnosti, které předurčují aplikace nanovláken.

Elektrostatické zvlákňování je zdánlivě velmi moderní, jen dvě desetiletí známou technologií výroby nanovláken. Počátkem devadesátých let oživil D. Reneker z Akronské univerzity v Ohiu řadou vynikajících článků o zvláknění mnoha polymerních materiálů staré myšlenky W. J. Mortona a J. F. Cooleyho, které byly obsaženy v jejich patentech podaných kolem roku 1900. V nich jsou popisovány základní principy hladinového i jehlového elektrostatického zvlákňování. Historické kořeny elektrostatického zvlákňování však můžeme hledat ve středověku. Roku 1600 dokumentoval anglický přírodozpytec W. Gilbert jeden z prvních elektro-hydrodynamických pokusů. Pozoroval změnu tvaru drobné vodní kapky v elektrostatickém poli po přiblížení elektricky nabité jantarové tyče. V roce 1914 navrhl česko-americký fyzik John Zeleny při studiu výbojů v atmosféře zařízení, které je dodnes po celém světě používáno pro pokusy s elektrostatickým zvlákňováním. Skládá se z elektricky nabité drobné kapiláry s polymerním roztokem a diskové protielektrody. Výrobní produktivita takového jehlového zařízení je však velice malá. Za hodinu výroby se nevyprodukuje více než 1 gram nanovlákenného materiálu.

Příspěvek katedry netkaných textilií Fakulty textilní z TU v Liberci je ve vývoji produktivní průmyslové technologie. Pečlivým pozorováním při pokusech bylo zjištěno, že ke vzniku polymerních trysek dochází samovolně z volné hladiny kapaliny. Jako optimální technické řešení byl zvolen pozvolna se otáčející válec, který se částečně brodí v polymerním roztoku a je připojen ke zdroji vysokého napětí. Válec při otáčení vynáší na povrch tenkou vrstvu polymeru, na které vznikají stovky drobných kapalinových trysek. Členové katedry jsou také autory prvního fyzikálního vysvětlení hladinového zvlákňování na základě vzniku stabilních kapilárních vln, z nichž rostou kapalinové trysky.

Na první pohled se zdá, že výroba nanovláken je složitá a náročná. Právě v případě elektrostatického zvlákňování jsme však schopni se přírodě dostatečně přiblížit díky tomu, že dokážeme využít proces samoorganizace hmoty. Pokud do nelineárního systému, jímž polymerní roztok je, vložíme energii, systém se uspořádá do nové struktury. Tento fakt jsme využili na katedře netkaných textilií Fakulty textilní TU v Liberci při konstrukci jednoduchého demonstračního přístroje pro výrobu nanovláken (obr. 1). Používáme ruční elektrostatický generátor vysokého napětí, známý jako Wimshurstova influenční elektřina nebo též třecí elektrika. Paralelně k jiskřišti tohoto generátoru je připojen nesymetrický kondenzátor, který je tvořen dvěma různými elektrodami uspořádanými svisle nad sebou. Spodní, zvlákňovací elektroda je tvořena kovovou tyčkou. Horní elektrodu, kolektor, tvoří plochá kovová deska (obr. 2). Umístíme-li na spodní elektrodu malou kapku vhodného polymerního roztoku a na horní elektrodu kousek tmavého papíru, vyrobíme otáčením kliky rychlostí asi jedné otáčky za sekundu vzorek nanovlákenného útvaru. Pozorováním zblízka zjistíme, že při otáčení klikou se kapka začíná hýbat, podobně jako to v roce 1600 pozoroval William Gilbert. Na povrchu kapky lze pozorovat malý putující výstupek, Taylorův kužel, který tvoří patu tenké kapalinové trysky. Z ní v složitých termodynamických procesech vznikají nanovlákna. Na papíru připevněném ke kolektoru pak vznikne bělavá skvrna tvořená nanovlákennou vrstvou. Pro detailní zkoumání vyrobených vláken je však nutné použít elektronový rastrovací mikroskop (obr. 3).