Vlastnosti destilované vody. [8]

Molární hmotnost [g/mol] Hustota p°i 4^◦C [g/cm³] T_v [^◦C] T_m [^◦C] pH

18,015 1 100 0 7

.

Obrázek 4.6: Strukturní vzorec vody. [13]

Kapitola 5

Elektrostatické zvlák¬ování

Elektrostatické zvlák¬ování (electrospinning) je zp·sob p°ípravy nanovláken z poly-merního roztoku nebo polymerní taveniny pomocí elektrostatických sil. Touto meto-dou jiº byly zvlákn¥ny r·zné druhy polymer· p°írodních i syntetických. Nanovlákna jsou vlákna, jejichº pr·m¥r se pohybuje do 1000 nm. Takto jemná vlákna s pr·m¥rem v nanometrech se vyzna£ují n¥kolika vyjíme£nými vlastnostmi jako je velký m¥rný povrch vláken, coº je pom¥r povrchu vláken k jejich objemu, velká pórovitost vlákenné vrstvy a malý rozm¥r pór·. Tyto význa£né vlastnosti nanovláken umoº¬ují jejich vyuºití v mnoha oblastech jako je vzduchová a kapalinová ltrace, separa£ní mem-brány, výztuhy pro kompozitní materiály, biologické aplikace, tká¬ové inºenýrství, ochranné a bariérové od¥vy, sorbenty, zvuk pohltivé materiály a mnoho dal²ích. [38]

5.1 Princip elektrostatického zvlák¬ování

Elektrostatické zvlák¬ování není novou technologií na výrobu vláken z polymer·. Je známa jiº od po£átku 20. století. Základním prvkem elektrostatického zvlák¬ování je pouºití vysokého elektrického nap¥tí, které je pouºito na vytvo°ení elektrostatického pole mezi kapkou polymerní taveniny (polymerního roztoku) na ²pi£ce jehly (p°í-padn¥ kapiláry) a kolektorem. Na obr. 5.1 je znázorn¥n jeden z nejvíce známých zp·sob· elektrostatického zvlák¬ování, elektrostatické zvlák¬ování z horizontální kapiláry. St°íka£ka je napln¥na polymerní taveninou nebo roztokem a je pomocí infúzní pumpy vytla£ována denovanou rychlostí do kapiláry nebo kovové jehly, na konci se tvo°í kapka. Hlavní výhoda v pouºití infúzní pumpy je p°esné nastavení rychlosti toku vytla£ované látky a uloºení poslední nastavené hodnoty do pam¥ti.

Do pumpy lze vkládat jednorázové injek£ní st°íka£ky. P°i tomto zp·sobu výroby elektrostaticky zvlákn¥ných vláken je jeden zdroj vysokého nap¥tí p°ipojen p°ímo na kovovou jehlu a je v p°ímém kontaktu s polymerním roztokem nebo taveninou.

Protielektroda (kolektor) je uzemn¥na, m·ºe mít r·zný tvar, nap°. kovová plochá deska, m°íºka, talí° nebo rotující buben. D·sledkem tohoto zapojení je vznik elek-trostatického pole. Díky vzniku elektrického pole mezi kapilárou a kolektorem je na povrchu kapaliny indukován elektrický náboj. Vzájemná odpudivost náboj· a staºení

jde k p°ekonání povrchového nap¥tí a ze ²pi£ky Taylorova kuºelu je vytaºen nabitý proud kapaliny. Tento proud kapaliny je zachycen na kolektoru a vznikají elektro-staticky vyrobená vlákna, která mají náhodnou orientaci a po odpa°ení rozpou²t¥dla dojde k jejich ztuhnutí. Náboj na vláknech se £asem rozptýlí do okolí. [38]

.

Obrázek 5.1: Schéma principu elektrostatického zvlák¬ování  horizontální kapilára.

[38]

.

Obrázek 5.2: Taylor·v kuºel. [17]

Elektrostatické zvlák¬ování roztok· o nízké koncentraci vede ke tvorb¥ perli£ek ve vzniklé vrstv¥. Je to zp·sobeno viskoelastickými silami, které jsou p°íli² malé k udrºení vlákenné struktury. Tento jev se nazývá Rayleighova nestabilita. Zvý²ením viskozity roztoku nebo dodaného nap¥tí lze tvorbu perli£ek odstranit, ale ne vºdy.

[17]

Dal²í moºnost elektrostatického zvlák¬ování je zvlák¬ování z ty£ky (vertikální kapilára). Tímto zp·sobem nelze zvlák¬ovat velké mnoºství polymerního roztoku, ale i to se dá povaºovat za výhodu p°i testování nových a drahých polymerních materiál·

a jejich schopnosti elektrostatického zvlák¬ování, protoºe jiº malé mnoºství vytvo°í vlákna.

Tento zp·sob zvlák¬ování i horizontální zvlák¬ování z jehly není vhodný pro kon-tinuální pr·myslovou výrobu z n¥kolika d·vod·. Jsou jimi neustálé dopl¬ování poly-meru do st°íka£ky, na ty£ku, náro£né £i²t¥ní st°íka£ky a malá produktivita. Av²ak v sou£asné dob¥ je jiº znám zp·sob pro pr·myslovou výrobu elektrostaticky zvlákn¥-ných nanovlákenzvlákn¥-ných vrstev, bez vý²e uvedezvlákn¥-ných problém·. Práv¥ takovou moºností je technologie Nanospider^TM (obr. 5.3), která byla vyvinuta na Kated°e netkaných textilií Technické univerzity v Liberci.

.

Obrázek 5.3: Nanospider^TM. [46]

.

Obrázek 5.4: Detail výrobního za°ízení. [46]

Metoda Nanospider^TM nevyuºívá ºádné zvlák¬ovací trysky ani kapiláry. Je zaloºena na poznatku, ºe Taylorovy kuºely je moºné vytvo°it i na tenké vrstv¥ polymerního roztoku. Ke tvorb¥ nanovlákenné vrstvy slouºí rotující elektroda ve tvaru válce (obr. 5.4), který se ze spodní £ásti brodí v polymerním roztoku. Nad ním je umíst¥na protielektroda, p°ed kterou je vedena nosná netkaná textilie, na které dochází k zachy-távání nanovlákenné vrstvy. Takto lze kontinuáln¥ vyráb¥t nanovlákna s jednodu-chým £i²t¥ním celého za°ízení a s minimální nutností dopl¬ování polymerního roz-toku. [17, 38]

5.2 Parametry elektrostatického zvlák¬ování

Zvláknitelnost je schopnost polymeru formovat se do vláken, ve skute£nosti se jedná o soubor vlastností, které ovliv¬ují tuto schopnost. Parametry lze rozd¥lit do dvou

tického zvlák¬ování, pat°í intenzita elektrického pole, elektrický proud procesu, elektrická vodivost a dielektrické vlastnosti polymerního roztoku nebo taveniny, vzdálenost kolektoru od zvlák¬ovací trysky nebo kapiláry, pohyb cílové plochy (pokud se pohybuje) a okolní parametry mezi které pat°í teplota, vlhkost a rychlost vzduchu v komo°e. Do systémových parametr· pat°í vlastnosti zvlák¬ovaného materiálu jako jsou molekulová hmotnost polymeru, koncentrace polymerního roztoku, hustota, povrchové nap¥tí, viskozita, viskoelasticita roztoku, teplota zvlák¬ování, rychlost odpa°ování rozpou²t¥dla a rychlost tuhnutí polymerní taveniny. [38]

Kapitola 6

Experimentální £ást

V této £ásti bakalá°ské práce bude popsán experiment, který se skládal z výroby jednotlivých vzork· polymerních nanovrstev a jejich testování na smá£ení povrchu.

Experiment byl uskute£n¥n v laborato°ích Katedry netkaných textilí.

6.1 Popis a cíl experimentu

Hlavním cílem experimentální £ásti bylo vyhodnotit smá£ení vyrobených polymerních vrstev v závislosti na struktu°e povrchu. Pro tento experiment byly vybrány dva polymery a to polykaprolakton (PCL) a polyvinylbutyral (PVB). PCL i PVB jsou polymery, které jsou jiº ze svého chemického sloºení hydrolní. U PCL je to zp·-sobeno karbonylovou skupinou C=O, která je polarizovaná a ve vod¥ m·ºe tvo°it hydráty. U PVB je hydrolita zp·sobena p°ístupnými elektronovými páry na kys-líku, které m·ºou tvo°it vodíkové m·stky s molekulami vody. Pro porovnání, jak moc struktura ovliv¬uje smá£ení, byly vyrobeny i tenké polymerní lmy.

6.2 P°íprava vzork·

Z polykaprolaktonu byly vyrobeny roztoky pomocí etanolu, z polyvinylbutyralu po-mocí etanolu a 60% kyseliny octové v pom¥ru 2:1. Vzniklé koncentrace polymerních roztok· jsou uvedeny v tab. 6.1. Elektrostatické zvlák¬ování (viz kap. 5) z trysky probíhalo na laboratorním za°ízením (obr. 6.7). P°i zvlák¬ování byl pouºit jako pod-kladový materiál £erný papír a spun-bond. Dále se m¥nila vzdálenost kolektoru od hrotu jehly a pouºité nap¥tí. Pr·m¥r nabíjené jehly byl 0,7 mm. V tabulkách 6.2, 6.3, 6.4, a 6.5 jsou shrnuty podmínky p°i výrob¥ vzork· a jejich ozna£ení. Zde ∫ znamená vzdálenost, U nap¥tí, t £as, T teplota, φ vlhkost a v rychlost. Pro porovnání smá£ení byly také vyrobeny polyvinylkaprolaktonový a polyvinylbutyralový lm. Celkem bylo elektrostatickým zvlák¬ováním vyrobeno 22 vzork· polymerních nanovrstev a dva rovné polymerní lmy.

V tab. 6.5 jsou popsány pouze £ty°i vyrobené vzorky PVB. Roztok o koncentraci

Obrázek 6.1: Laboratorní za°ízení na elektrostatické zvlák¬ování z trysky.