Měření a vizualizace proudění vyvolaného elektrostatickým procesem

elektrostatickým procesem

Diplomová práce

Studijní program: N3942 – Nanotechnologie Studijní obor: 3942T002 – Nanomateriály Autor práce: Bc. Karel Havlíček

Vedoucí práce: Ing. Darina Jašíková, Ph.D., ING. PAED. IGIP

Liberec 2017

electrostatically induced flow

Master thesis

Study programme: N3942 – Nanotechnology Study branch: 3942T002 – Nanomaterials Author: Bc. Karel Havlíček

Supervisor: Ing. Darina Jašíková, Ph.D., ING. PAED. IGIP

Liberec 2017

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

01.05.2017

6

Poděkování

Tímto děkuji všem, kteří mi s diplomovou prací ochotně pomáhali a poskytli mi cenné rady, kterých si velmi vážím.

7

Abstrakt

Tato diplomová práce je zaměřena na studium elektrostatického děje, který se uplatňuje u zvlákňovacích procesů. Teoretická část se převážně věnuje principům elektrostatických procesů a metodám pro jejich vizualizaci a měření. Speciálně jsou rozebírány jednotlivé metody pro výrobu nanovlákenných materiálů z hlediska jejich fyzikální podstaty a konkrétní možnosti jejich sledování. V praktické části jsou popsány jednotlivé experimenty daných měření a zhodnocení výsledků. Především se jedná o použití metody PIV pro studium a vyhodnocení systémů nestacionárních polí, kdy jsme sledovali a hodnotili řadu vlivů na elektrostatický děj.

Klíčová slova

Elektrostatický děj, zvlákňování, vizualizace, metoda PIV.

8

Abstract

This thesis is focused on the study of electrostatic action, which are applies to spinning processes. The theoretical part is mainly focused to the principles of electrostatic processes and methods for visualization and measurement. Specifically are discussed various methods for the production of nanofiber materials in terms of their physical nature and the concrete possibilities of their monitoring. The practical part describes the various experiments of the measurement and evaluation of results. This primarily involves the use of PIV method for the study and evaluation systems of non-stationary fields. We watched and evaluated a number of effects on the electrostatic action.

Keywords

Electrostatic action, spinning, visualization, method of PIV.

9

Obsah

1 ÚVOD ... 12

2 TEORETICKÁ ČÁST ... 14

2.1 Elektrostatický zvlákňovací proces... 14

2.1.1 Počáteční fáze elektrostatického zvlákňování ... 17

2.1.2 Elektrický vítr ... 19

2.1.3 Parametry ovlivňující proces elstat. zvlákňování ... 20

2.2 „Elektrospinning“ s DC zdrojem ... 21

2.3 „Elektrospinning“ s AC zdrojem ... 24

2.4 Elektrostatické rozprašování ... 26

2.5 Bezpečnost práce a nanotoxicita ... 28

2.6 Možnosti vizualizace elektrostatikých procesů ... 28

2.6.1 Záznamy rychlokamer, stereografické záznamy ... 29

2.6.2 Difrakční metody ... 30

2.6.3 Vizualizace pomocí interferenčních barev ... 31

2.7 Možnosti měření elektrostatických procesů ... 34

2.7.1 Metoda PIV („Particle Image Velocimetry“)... 34

10

3 PRAKTICKÁ ČÁST ... 39

3.1 Použitá zařízení ... 39

3.1.1 Elektrody ... 40

3.2 Příprava a měření experimentu ... 42

3.2.1 Popis systému při experimentu... 42

3.2.2 Analýza elektrického větru PIV metodou ... 45

3.2.3 Postup analýzy dat z PIV metody ... 46

3.2.4 Synchronní PIV měření AC zvlákňování ... 47

3.2.5 Validace metodou žhaveného drátku ... 48

3.3 Vizualizace procesu tvorby nanovláken ... 50

3.4 Vyhodnocení dat ... 54

3.4.1 PIV data – měření elektrického větru ... 54

3.4.2 PIV data ze synchronního měření ... 62

3.4.3 Analýza vizualizace vzniku nanovláken ... 64

3.4.4 Ověření výsledků s HW anemometrií ... 65

4 DISKUZE ... 67

5 ZÁVĚR ... 69

SEZNAM LITERATURY ... 70

11

Seznam použitých zkratek a symbolů

AC – „alternate current“ – střídavý zdroj DC – „direct current“ – stejnosměrný zdroj

PIV – „Particle Image Velocimetry“ – integrální laserová anemometrie EP – elektrické pole

PRI – Plateau-Rayleightova nestabilita

CCD – „charge-coupled device – zařízení s vázanými náboji

CMOS – „Compl. Metal-Oxide-Semiconductor“ – doplňující se kov-oxid-polovodič CAD – „computer-aided design“ – počítačem podporované projektování

LIF – fluorescence indukovaná laserem

LED – „Light-Emitting Diode“ – dioda emitující světlo FFT – rychlá Fourierova transformace

LDA – Laserová dopplerovská anemometrie IPI – „Interferometric Particle Imaging“

PVB – polyvinylbutyral

HW anemometrie – „hot-wire“ anemometrie

Nd:YAG – krystal yttrium aluminium granátu (Y3Al5O12) dopovaný ionty neodymu

12

1 ÚVOD

Elektrostatické zvlákňování je poměrně nový a efektivní výrobní proces, který může být použit k výrobě polymerních vláken různých složení a průměrů (od několika mikronů po vlákna s průměrem menším než 100 nm). Tento elektrostatický způsob přípravy nanovláken využívá elektrického pole vysokého napětí k vytvoření pevných vláken z polymerního materiálu (roztok nebo tavenina). Tímto procesem lze řídit nanášení polymerního vlákna do cílového substrátu a vytvářet kompozitní nanovlákna nebo různé trojrozměrné útvary. Je známo mnoho způsobů elektrostatického zvlákňování – z jehly, z tyčky, z válečku, atd. Příprava nanovláken se také dělí na dvě skupiny dle použitého zdroje – střídavý (AC) či stejnosměrný (DC).

Principem „electrospinningu“ je udržování roztoku polymeru u konce kapiláry resp. jehly pomocí povrchového napětí. Po vložení dostačujícího elektrické pole se roztok začne protahovat a dojde tak k vytvoření tzv. Taylorova kužele, což je umožněno repulzními silami uvnitř nabité kapky. K vytvoření proudového vlákna z vrcholu kužele dojede poté, co síla elektrického pole překoná povrchové napětí.

Elektrostatické zvlákňování je tedy poměrně jednoduchý a univerzální způsob jak vytvořit z polymeru vysoce funkční nanovlákna, která mohou do budoucna znamenat převrat ve světě konstrukčních materiálů. Zároveň je možné touto metodou zvláknit širokou škálu polymerů resp. biopolymerů ve formě roztoků a tavenin, jenž tento proces zvlákňování činí velmi univerzálním. ^{1 , 2}

Metody laserové anemometrie jsou nástroje k analýze nikoliv samotných nanovláken, ale děje při kterém vznikají. Tento děj samozřejmě ovlivňuje výsledná nanovlákna, a je proto vhodné ho zkoumat.

Laserové anemometrie jsou bezdotykové metody měřící rychlost média pomocí mikroskopických částic v něm rozptýlených a výsledky nejsou závislé na okolních vlivech (teplota, tlak, apod.). Je známo několik typů (dopplerovská, dvouohnisková, aj.), avšak dále se budu zabývat pouze metodou PIV (Particle Image Velocimetry). Ta má jako jediná z laserových anemometrií základní předpoklady pro experimentální studium nestacionárních polí (závislých na čase) - dovoluje experimentálně studovat složitá proudová pole v definované rovině prostoru a s dostatečně výkonnou vyhodnocovací technikou zaznamenat i budoucí chování systému.

13

Tedy spojením elektrostatického zvlákňování, PIV metody a kvalitní zaznamenávací techniky lze vytvořit velmi zajímavý aparát, který ukáže velké množství zajímavých parametrů procesu. Po důkladné analýze je možné uvažovat nad vývojem tohoto procesu v čase (předpovídat chování daného systému) a zkoumat detailněji jednotlivé procesy. ³

14

2 TEORETICKÁ ČÁST

2.1 Elektrostatický zvlákňovací proces

Elektrostatické zvlákňování je široce používaná technologie, která využívá elektrické síly k výrobě polymerních vláken o průměru v rozmezí od 2 nm do několika mikrometrů z polymerních roztoků či tavenin. Použití přírodních i syntetických polymerů pro přípravu především nanovlákenných materiálů zaznamenalo obrovský nárůst v oblasti komerční i výzkumné. Tento proces poskytuje unikátní možnosti pro výrobu speciálních nanovláken a tkanin s konkrétními vlastnostmi a danou strukturou. ⁴

V procesu elektrostatického zvlákňování je roztok polymeru držen pomocí jeho povrchové napětí na konci elektrody a je vystaven elektrickému poli. Náboj je indukován na povrchu kapaliny pomocí elektrického pole. Vzájemné odpuzování náboje způsobuje vznik opačné síly k povrchovému napětí. Zvyšující se intenzitou elektrického pole roste sférický povrch roztoku na špičce kapiláry a následně se prodlužuje za vzniku kónického tvaru tzv. Taylorova kužele. Jakmile elektrické pole dosáhne kritické hodnoty, tak odpudivá elektrická síla překonává sílu povrchového napětí a nabitý proud roztoku „vystřelí“ ze špičky kužele do prostoru. Vzhledem k tomu, že tryska je nabitý útvar, tak jeho trajektorii lze ovlivňovat vnějším EP. Při letu vlákna dochází k odpařování rozpouštědla a tím i ke ztrátě náboje. Uvedený proces ovlivňuje řada parametrů – vlastnosti roztoků (viskozita, vodivost, povrchové napětí atd.), velikost hydrostatického tlaku v kapiláře, elektrický potenciál na špičce, okolní parametry (teplota, vlhkost, rychlosti proudění vzduchu atd.) a parametry zvlákňovací aparatury. ^{5, 6}

Obr. 1: Schematické znázornění tvorby Taylorova kužele. (A) Povrchové náboje jsou indukovány v roztoku polymeru vlivem EP. (B) Protažení polymerní kapky vlivem zvyšujícího se EP. (C) Deformace kapky na formu Taylorova kužele těsně před vznikem proudového vlákna. ⁶

15 Obr. 2: Schematické znázornění dílčích oblastí při elektrostatickém zvlákňování.

Při dosažení kritického napětí je rovnováha sil narušena a nabitá tryska vychází od špičky kuželové kapky. Následné protahování vlákna je řízeno třemi typy fyzikálních nestabilit. Tyto nestability mají vliv na velikost a geometrii uložených vláken. První nestabilita, také známá jako Rayleightova, je osově souměrná a nastane, když intenzita elektrického pole je nízká, nebo když je viskozita roztoku nižší než optimální hodnota pro danou látku. Použití roztoků s velmi nízkou viskozitou způsobuje rozpad proudového vlákna a často vede k nechtěné morfologii. Rayleightova nestabilita je potlačena při použití vysokých elektrických polí nebo při použití vyšší koncentrace polymeru v roztoku.

Po prvotní přímé dráze vlákna (řízena právě Rayleigh. nestabilitou) je polymerní tryska dále ovlivňována nestabilitou ohybovou a bičující. Tyto nestability vznikají v důsledku odpuzování nábojů přítomných v trysce, což podporuje zužování a prodloužení trysky. Při vysokých hodnotách EP převažuje ohybová (osově souměrná) a bičující (osově nesouměrná) nestabilita. Respektive při vyšších hodnotách EP a při dostatečné hustotě náboje v trysce je osově souměrná (tj. Rayleightova a ohýbací nestabilita) potlačena, a tím se umocňuje nestabilita bičující. Ta vytváří síly, které mají za následek vysoký stupeň prodloužení vlákna a rychlejší odpařování rozpouštědla, což nakonec vede k ukládání ultrajemných vláken na protielektrodu

16

(v případě DC zdroje napětí) nebo zachytávání vláken na příslušné zařízení (v případě AC zdroje napětí). ^{6, 7, 8}

Elektrické pole

Oblast, kde elektrické síly představují působení dvou nábojů, známe jako elektrické pole. Síly jsou atrakční nebo repulsní podle typu nábojů, které na sebe působí. Zde se působící síla vyjádří z Coulombova zákona:

kde q je náboj, ε je permitivita a d je vzdálenost nábojů.

Tento vztah je omezen pouze na bodové náboje. V mnoha případech je elektrické pole definováno jako oblast, kde náboj „cítí“ sílu vytvořenou jiným nábojem.

Rozsah tohoto pole je dán jeho intenzitou:

kde F je síla, q je náboj a E je intenzita elektrického pole.

Pokud máme náboj q, pak je intenzita elektrického pole ve vzdálenost d je psána jako:

.

Intenzitu elektrického pole je možné určit pomocí elektrického potenciálu dle vztahu:

kde φ je potenciál elektrického pole a grad je operátor gradientu (směr růstu).

Po aplikaci vektoru elektrické intenzity na uzavřenou (Gaussovu) plochu dostaneme tok elektrické intenzity, který je úměrný vnitřnímu náboji – Gaussův zákon elektrostatiky:

,

kde element dS povrchové oblasti je zde považován za vektor kolmý k povrchu. ^{7, 8} (1)

(2)

(3)

(4)

(5)

17

Povrchové napětí

Povrchové napětí hraje kritickou roli v procesu elektrostatického zvlákňování a jeho velikostí lze ovlivňovat tvorbu výsledného produktu. Různá rozpouštědla mají rozlišné povrchové napětí. Obecně platí, že vysoké hodnoty povrchové napětí roztoku zpomalují elektrostatický proces kvůli proudové nestabilitě a zároveň dochází k vytváření sférických útvarů (kapičky, korálky apod.). To může být i cílené v případě

„electrosprayingu“ (odstavec 2.4). ^{4, 8}

Povrchové napětí můžeme určit ze znalosti kapilárního tlaku pc a poloměru kapky r dle vztahu:

za předpokladu, že koule o poloměru R bude mít obě hlavní křivosti K1 a K2 rovny.

2.1.1 Počáteční fáze elektrostatického zvlákňování Rayleightova nestabilita

Vlivným faktorem, který jde proti prostému průběhu tvorby vláken z polymerního materiálu, je Rayleigh nestabilita. Díky tomuto jevu, který je „řízen“ povrchovým napětím, jsou kapalná válcová (trysková) tělesa oddělována do izolovaných kapiček.

A to především, pokud nejsou aplikována žádná preventivní opatření (stabilizace).

Jedná se tedy o kontraproduktivní proces při výrobě nanovláken, který může být za daných podmínek eliminován.

Teoretický přístup k Rayleightově nestabilitě se podobá elektrohydrodynamické nestabilitě volných kapalných povrchů, protože oba procesy patří do stejné třídy – samoorganizované jevy, které jsou způsobeny mechanismem nejrychleji tvořící nestability. Obecně platí, že k rozpadu kapalinového proudu o poloměru r dochází v důsledku vývoje vlnových odchylek různých vlnových délek λ na povrchu sloupce kapaliny, kde λ musí být větší než πr. Tato odchylka v konečném důsledku vyvolává rozklad válcového proudu kapaliny^{. 7, 9}

Zvýšením intenzity EP popř. zvýšením viskozity zvlákňovacího roztoku můžeme této nestabilitě zabránit resp. výrazně ji omezit. Stále je však nutné pamatovat na to, že změnou daných podmínek se může změnit i výsledný produkt. Proto je vhodnější regulovat vnější podmínky ovlivňující proces, něž měnit konkrétní fyzikálně- chemické vlastnosti roztoků.

(6)

18 Obr. 3: (A) Schéma a (b) optická fotografie ilustrující PRI pro tekutý polystyrenový film na skleněném vlákně. ¹²

Stabilní oblast

Stabilní proudová zóna navazuje přímo na Taylorův kužel. Tato část je řízena hmotou, energií a zákonem zachování hybnosti. Proudový tok a viskoelasticita roztoku jsou pak důležité pro řízení této oblasti. Oblast stability měří maximálně jednotky centimetrů a proudové vlákno je v této formě udržováno díky rozložení náboje, který kapalina má a také za pomoci postupného protahování vlákna (až do nestabilní oblasti). ^{7, 9, 13} Bičující nestabilita

Tato nestabilita je způsobena přítomností souhlasných bodových nábojů v daných souřadnicích, které se pohybují souhlasně s elektricky nabitou kapalinovou tryskou.

Pokud se malá část nabitého paprsku mírně posune mimo osu, tak dojde k tomu, že náboje rozdělené podél paprsku budou působit na tu část, která je ve větší vzdálenosti od osy, což vede právě k bičující nestabilitě.

Pohyb trysky podle této nestability vede k velmi velkým tahových napětím, které vedou k markantnímu řídnutí vláken. Proces vede k výraznému zrychlení odpařování rozpouštědla a tím i ke ztrátě náboje proudového vlákna. V rámci této nestability tedy dochází k vypuzovaní molekul rozpouštědla z kapalinové trysky během několika milisekund. Princip jevu vedoucí k odpařování více než 80% roztoku z trysky během zlomku sekundy má podstatu v oblasti termodynamiky. ^{7,10, 11}

19 Obr. 4: Snímky bičující nestability. (A) 2% oxid polyethylenu (nominální molekulová hmotnost = 2000 kg / mol) ve vodě (E = 1,33 kV / cm). (B) de-ionizovaná voda, (E = 1,75 kV / cm). Expoziční doba je cca 18 ns v obou případech. ¹⁰

2.1.2 Elektrický vítr

Intenzita EP roste na hrotech různých elektrod nebo na kapalinách s malým rozměrem.

Za těchto podmínek dochází k ionizaci vzduchu v okolí těchto těles a následně je produkováno značné množství iontů do prostředí. Ionty opačného znaménka, než je nabíjena elektroda, jsou silně odpuzovány a dochází ke vzniku tzv. elektrického větru. Hodnotu driftové rychlosti vd iontů můžeme určit ze vztahu:

kde k je pohyblivost iontů (konstanta), U je napětí a d je vzdálenost elektrod. K ionizaci dochází především nárazem urychlených částic do neutrálních. Dle teorie je počet záporných iontů až 12x větší než kladných.

Jelikož nanovlákna jsou velmi jemné a lehké útvary s vysokou pórovitostí, tak elektrický vítr výrazně ovlivňuje jejich směr letu k protielektrodu resp. do prostoru.

Tento proces je velmi příhodný, přihlédneme-li k tomu, že vlákna ztrácejí vlivem odpařování rozpouštědla náboj, a tedy nejsou bez jiných vlivů tak silně přitahována k protielektrodě. Znalost elektrického větru sahá daleko do historie a jednoduchý pokus, jak jeho existenci ověřit, je přiložení nabíjené elektrody k plamínku, kdy můžeme pozorovat jeho ohýbání vlivem vznikajícího proudění iontů. ¹⁴

(7)

20

2.1.3 Parametry ovlivňující proces elstat. zvlákňování

Bylo zjištěno, že morfologie elektrostaticky zvlákněných vláken je závislá na mnoha parametrech souvisejících s procesem. Tyto parametry mohou být rozděleny do tří skupin, jak je uvedeno v tabulce 1.

Tab. 1: Parametry ovlivňující elektrostatické zvlákňování. ¹⁵

Vlastnosti roztoků Viskozita

Koncentrace polymeru

Molekulová hmotnost polymeru Elektrická vodivost

Elasticita polymeru Povrchové napětí

Podmínky procesu Vložené napětí

Vzdálenost elektrody a kolektoru*

Parametry zvlákňovací elektrody Zvlákňovací postup

Okolní podmínky Teplota

Vlhkost

Atmosférický tlak

*při použití aparatury s DC zdrojem

Nelze zobecnit jednotlivé poznatky pro určitou skupinu sledovaných parametrů.

Vše záleží na typu materiálu, který zvolíme a na nastavení určitých podmínek. Jako velmi obecné poznatky lze uvést např. to, že se zvyšující se koncentrací roztoku se zvětšuje velikost výsledných vláken a např. povrchové napětí ovlivní vznik Rayleightovy nestability. Zvýšením napětí můžeme urychlit celý proces a zároveň zvýšením viskozity roztoku ho zpomalíme. To je jen několik málo příkladů z praxe. Pro konkrétní aplikace je vždy nutné provést vlastní analýzy daných parametrů pro použité materiály a okolní podmínky. O testování specifického ovlivňování procesu pojednávají např. články ^{15, 16, 17}.

Ale nejen vlastnosti roztoků ovlivňují celý proces. I samotné sestavení aparatury a použití určitých elektrod hraje významnou roli. Spinery mohou proces ovlivnit už jenom svým tvarem, který je schopný různě utvářet elektrické pole v jeho blízkosti a tím výrazně mění parametry elektrického větru právě v závislosti na tvaru elektrody.

Strukturu a morfologii nanovláken lze řídit i vzdáleností elektrod. Například při menší vzdálenosti elektrod mají vlhká vlákna perličkovou strukturou a to bez ohledu na koncentraci roztoku. Tento jev je naopak silně závislý na těkavosti rozpouštědla, čili jak rychle je schopno se odpařit. ¹⁸

21

2.2 „Elektrospinning“ s DC zdrojem

Zařízení obecně obsahují tři klasické prvky – DC zdroj vysokého napětí, elektrodu a kolektor. DC zdroj je možné přivést na jakýkoliv vodivý prvek, ze kterého lze zvlákňovat, a v zásadě se používají níže uvedené. Z hlediska produktivity můžeme metody rozdělit na laboratorní (tyčka, jehla) a průmyslové (soustavy jehel, váleček, struna, drát).

Zvlákňování z tyčky

Zařízení pro zvlákňování z tyčky (lze ilustrovat dle obr. 1) je složeno z kovového spineru, na který je přivedeno elektrické napětí z kladného či záporného zdroje, a z kolektoru, na kterém se zachytávají vznikající nanovlákna. Kapka polymerního roztoku je vkládána na horní část tyčky, kde vlivem dříve popsaných procesů setrvá do počátku zvlákňování. Metoda není příliš produktivní, a proto je vhodná jak pro základní výzkum, tak pro oblast, kde není potřeba masové produkce (např. medicínské aplikace).

Zvlákňování z jehly

Zvlákňování z jehly (obr. 5) je základní metoda elektrostatického zvlákňování, která využívá elektrické pole k vytvoření Taylorova kužele na konci kovové jehly, ze kterého probíhá tvorba nanovláken zachytávajících se na protilehlém kolektoru. Tato metoda je opět málo produktivní (pokud nepoužijeme soustavy jehel) a je ovlivněna především viskozitou polymeru, velikostí kapky vytvořené na konci jehly (souvisí s počtem vytvořeným Taylorových kuželů) a velikostí přivedeného elektrického napětí. ²⁰

Obr. 5: Schéma zařízení pro elektrostatické zvlákňování z jehly (trysky). ¹⁹

22

Zvlákňování z volné hladiny - Nanospider^TM

Technologie Nanospider^TM využívá zvlákňování z volné hladiny roztoku polymeru v silném elektrostatickém poli. U této metody je možné aplikovat různé druhy elektrod (válec, struna, drátky atd.). Zařízení se na rozdíl od ostatních vyznačuje vysokou produktivitou za poměrně krátký čas (průmyslové aplikace).

Princip celého procesu je obdobný jako u jiných metod s tím rozdílem, že je zde nabíjen i kolektor. Na strunu je přiváděno kladné napětí a na kolektor záporné. Značný rozdíl potenciálů umožňuje efektivní tvorbu nanovláken z polymerního roztoku. Ten je aplikován mechanizovaným zásobníkem a vznikající vlákna jsou zachytávána na spunbond posouvající se po kolektoru. ²¹

Obr. 6: Základní schéma zařízení Nanospideru^TM se strunnou zvlákňovací elektrodou.

Produktivita je ovlivněna vzdáleností a počtem Taylorových kuželů vznikajících při procesu v elektrickém poli. Čím více kuželů se v průběhu utváří, tím je počet vznikajících vláken vyšší a výrazněji je ovlivněna homogenita a morfologie nanovlákenné vrstvy. ²⁰

Speciální případy

„Elektroblowing“ je unikátní elektrostatický proces s asistovaným foukáním horkého vzduchu kolem trysky. Kombinací proudu vzduchu a elektrostatické síly je možné lépe překonat vysoké povrchové napětí roztoku polymeru. Foukání vzduchu může urychlit proces odpařování rozpouštědla a účinně napomáhá vytahovat vlákna směrem od elektrody. Použití této metody je příhodné tam, kde klasické metody selhávají (např.

u špatně zvláknitelných polymerů) a zároveň představuje produktivnější alternativu.

Horký vzduch také příznivě ovlivňuje vlastnosti roztoku – snižuje jeho viskozitu. ²²

23

Další metodou je tzv. „melt spinning“, což znamená tvorbu vláken z tavenin polymerů. Oproti „elektroblowingu“ je zde zásadní rozdíl v přípravě základního polymerního materiálu pro zvlákňování. Princip této metody je založen na předpokladu, že surový polymerní materiál má teplotu tání, která je nižší než degradační teplota určitého polymerního materiálu. Prvotní materiál je předem zahříván v trysce, tudíž nemusíme používat rozpouštědla. Poté následuje již známý proces. Chladnutí vlákna je pak závislé pouze na teplotě prostoru. Velké využití je v oblasti, kde chceme netoxické materiály, což nám zajistí právě nepoužití mnohdy nebezpečných rozpouštědel. ²³

Jako poslední metodu uvedu velmi specifické spojení „electrospinningu“

s odstředivým zvlákňováním („forcespinning“). Pro vhodnou kombinaci těchto metod je důležité zajistit optimální podmínky, které ovlivňují obě metody a zároveň brát v potaz řešení problémů vzniklých spojením těchto metod – antagonické procesy. Pro zajištění synergismu je třeba prozkoumat (vypozorovat) nejvhodnější podmínky, za kterých bude proces hladce probíhat.

Kombinace odstředivé a elektrické síly má hned několik výhod. Bez použití vysokého napětí, čistě odstředivá tvorba vláken vyžaduje až několik tisíc otáček rotujícího disku za minutu. Nicméně pomocí „centrifugal electrospinning“ může být rychlost otáčení snížena na 300 až 600 ot. za minutu. Naopak se zavedením odstředivé síly je zapotřebí nižší elektrické napětí k překonání povrchového napětí roztoku než při prostém „electrospinnigu“, což je pravděpodobně hlavní důvod, proč toto kombinované zařízení je vhodné používat.

Tedy kombinace mechanického otáčení a sníženého napětí je velmi účinná pro přípravu uspořádaných nanovláken. Průměr vláken je ovlivněn vzdáleností mezi špičkou trysky a kolektorem. Rotací disku se zvyšuje síla, která „tlačí“ vznik nanovláken ke kolektoru, a tím se snižuje doba trvání letu, což má za následek výrazné ovlivnění tloušťky nanovlákna. Zvýšením vzdálenosti mezi špičkou elektrody a kolektorem se zvýší doba trvání letu, která dává maximální protažení a ztenčení vlákna. Nicméně lze předpokládat, že pokud tuto vzdálenost nastavíme na největší možnou, pak již po určité době letu vlákna nebude ono vlákno dlouženo, jelikož dojde k jeho zaschnutí. ^{24, 25}

24

2.3 „Elektrospinning“ s AC zdrojem

Poměrně nový způsob přípravy nanovláken je za použití AC zdroje vysokého napětí.

Podstata této metody se z fyzikálního hlediska markantně neodlišuje od procesů s DC, avšak některé i malé rozdíly nám poskytují řadu výhod.

Střídavé napětí poskytuje segmenty ve vláknech s pozitivním a negativním nábojem, což má za následek snížení elektrostatického odpuzování a zvýšení stability vláken. Na obrázku 7a je znázorněn schematický diagram ilustrující základní komponenty (zdroj vysokého napětí, transformátor, elektroda) elektrostatického zařízení a na obrázku 7b a 7c kontrast nabití vláken u DC a AC zvlákňování. U vláken s jednou polaritou dochází na základě coulombických interakcí k výraznější nestabilitě oproti vláknům se střídající se polaritou. ²⁶

Dále přítomnost pozitivních a negativních segmentů na elektrostatické trysce způsobuje to, že se zde indukuje vlastní svazkování do elektrostatické trysky – vznik

„samoorganizované příze“. Také je podstatné, že v prostoru nad elektrodou vzniká samoorganizací tzv. virtuální proti-elektroda, která se skládá právě z elektricky nabitých nanovlákenných segmentů. Nově vytvořená nanovlákna se částečně spojují s těmi v oblasti virtuální proti-elektrody a dochází k neustálému opakování procesu. To má za následek zpětné přitahování nanovlákenné vlečky (v určité fázi) zpět.

Důležitý parametr použití střídavého vysokého napětí pro elektrostatické zvlákňování je frekvence proudu. Je-li frekvence příliš vysoká, tak transfer nábojů nebo pohyblivost iontů nemusí být dostatečně rychlý proto, aby vznikalo dostatečně rychlé letící vlákno. Pro každý materiál je tato hodnota jiná, obvykle se pohybuje v rozmezí 500 Hz a 1 kHz. Pokud je frekvence příliš nízká, tak nemusí docházet k dostatečné tvorbě pozitivně a negativně nabitých oblastí. Právě dostatek těchto regionů je důležitý pro stabilitu procesu.

Průměr vláken je zpravidla u AC elektrostatického zvlákňování větší než u DC.

To je pravděpodobně v důsledku potlačení bičující nestability při použití AC zdroje.

V některých případech však lze vyčíst, že po nastavení speciálních podmínek (např.

vyšší napětí) a použití určitých polymerů (závislost na koncentraci) se podařilo pomocí AC zvlákňování připravit menší průměry vláken než u DC. ^{27, 28}

25 Obr. 7: (A) schéma zařízení pro AC „elektrospinning“. Nabití vláken u DC (b) a AC (c) zdroje. ^{26, 29}

Základní matematický model AC zvlákňování

V DC „elektrospinningu“ může být proud tekutiny považovaný za stálý. Nicméně při AC zvlákňování je proces ze své podstaty nestabilní vzhledem k AC potenciálu. Je nutné zohlednit účinky tepelné energie, elektrické energie a hydrodynamiky. Kompletní bilance, které upravují všeobecné termo-elektro-hydrodynamické toky, se skládají z modifikovaných Maxwellových rovnic, jimiž se řídí elektrické pole v pohybující se tekutině, modifikované Navier-Stokesovy rovnice, která řídí tok tekutiny pod vlivem elektrického pole, a konstitutivní rovnice popisující chování tekutiny.

Řídící rovnice pro nestabilní tok nekonečné viskózní trysky vytažené z kapiláry urychlené AC potenciálem může být vyjádřena takto:

kde r je poloměr trysky ve směru osy z, u je rychlost a je hustota trysky.

Zachování náboje nastane pokud:

kde σ je povrchová hustota náboje, E je elektrické pole. Proud se skládá ze dvou částí:

JC = πr2kE a Js = 2πrσu.

Navier-Stokesovu rovnice můžeme psát ve tvaru:

kde p je vnitřní tlak v kapalině.

(8)

(9)

(10)

26

Vnitřní tlak v kapalině můžeme určit ze vztahu:

kde κ je dvojnásobek střední křivosti rozhraní κ = 1/R1 + 1/R2, kde R1 a R2 jsou hlavní poloměry křivosti, ε je dielektrická konstanta tekutiny a je dielektrická konstanta vzduchu.

Reologické chování mnoha polymerních kapalin může být popsáno pomocí upravené konstitutivní rovnice ve tvaru:

Obecně jsou matematické modely v této oblasti velmi důležité, protože na jejich základě můžeme předpovídat chování procesu a odhalit důvody případného nepředpovídatelného chování daných systémů. ³⁰

2.4 Elektrostatické rozprašování

„Elektrospraying“ (elektrohydrodynamické sprejování) je metoda atomizace kapalin pomocí elektrických sil. V této metodě je kapalina vytékající z kapilární trysky, která je udržována na vysokém elektrickém potenciálu, nucena se rozptylovat elektrickým polem do jemných kapiček. Tyto systémy mají řadu výhod oproti mechanických rozprašovačům. Velikost kapiček se může pohybovat od stovek mikrometrů až do několika desítek nanometrů. Distribuce velikosti kapiček může být téměř jednotná.

Velikost kapiček může být řízena pomocí průtokové rychlosti kapaliny a napětím na kapilární trysce. Skutečnost, že kapičky jsou elektricky nabité, usnadňuje kontrolu nad jejich pohybem (včetně jejich deformací) pomocí elektrického pole. ³¹

Tekutina vytékající z trysky tvoří meniskus, který se prodlužuje v elektrickém poli a rozpadá se na kapky v důsledku elektrických sil. Existují dvě skupiny sil, které způsobují deformace a narušení proudu kapaliny (viz obr. 8): objemové síly na trysce a normální a tangenciální napětí na povrchu kapaliny. Elektrodynamický síla Fe je přímo úměrná intenzitě elektrického pole a ke vzniku dochází v důsledku elektrického pole, které je dáno napětím na kapilární trysce, a také prostorovými náboji dříve emitovaných kapiček FQ. Dále se zde uplatňuje gravitační síla FG, inerciální síla Fρ a tahová síla Fη.

(11)

(12)

27 Obr. 8: (Vlevo) zobrazení rozložení sil při elektrosprejování.

(Vpravo) různé modely „elektrosprayingu“. ³¹

Existuje mnoho modelů těchto procesů v závislosti na tvaru menisku, pohybu paprsku a způsobu, jak dochází k rozpadu kapalinového tělesa na kapičky. Různé formy jsou schematicky znázorněny na obr. 8. Tyto modely lze rozdělit do dvou hlavních kategorií: kapkové režimy a proudové režimy. První jsou charakteristické tím, že pouze fragmenty kapaliny jsou „vystřelovány“ přímo z kapilární trysky. Tyto fragmenty mohou být ve formě pravidelných velkých kapek (režim kapající), jemných kapiček (režim „microdripping“), podlouhlých vřeten nebo někdy i nepravidelných úlomků kapalin. V určité vzdálenosti od výstupu trysky se však fragmenty stávají sférické.

V druhém případě je kapalina protahována do jemného dlouhého paprsku, který může být hladký a stabilní („cone-jet“ režim) nebo se může pohybovat jakýmkoliv standardním způsobem. Například se může otáčet kolem osy kapiláry (režim precese), nebo se pohybuje v jeho rovině (režim oscilační). Někdy je možné pozorovat několik trysek na obvodu kapiláry („multi-jet“ režim). V každém případě se následně tryska rozpadá do kapiček v důsledku elektrostatických sil. ^{31, 32}

„Electrospraying“ je široce používaná metoda jak pro průmyslové procesy, tak pro vědecké výzkumy. Pomocí sprejování se otevřely nové cesty k nanotechnologiím.

28

Můžeme nanášet jemné vrstvy kapiček na dané materiály a používat je v moderních materiálech (zdravotnictví, elektronika apod.). Výzkum dále směřuje do oblasti podávání a výroby léků, potravinářského a kosmetického průmyslu a jiných rozvojových oblastí. ³¹

2.5 Bezpečnost práce a nanotoxicita

Oblast nanotechnologií je v dnešní době komerčně velmi životaschopná technologie.

Umělých nanostrukturovaných materiálů jako fullereny, nanočástice, nanoprášky, nanotrubičky, nanovlákna, dendrimery a nanokompozity jsou na celém světě vyráběny ve velkých množstvích. Vliv těchto materiálů na člověka je nevyhnutelný, protože mohou do těla pronikat přes plíce nebo jiné orgány prostřednictvím potravin, nápojů, léků a zároveň působí na různé orgány a tkáně jako je mozek, játra, ledviny, srdce, tlusté střevo, slezina, kostní dřeň, krev, atd., a může způsobit cytotoxický účinek.

Interakce nanomateriálů s biologickými systémy a toxicita do značné míry závisí na jejich vlastnostech jako je velikost, koncentrace, rozpustnost, chemické a biologické vlastnosti a stabilita. Toxicita může být snížena různými chemickými přístupy (povrchové úpravy, funkcionalizace) a důkladné analýzy zajistí, co možná nejmenší dopad na lidský organismus. ³³

Při provádění lidské činnosti hrozí vznik rizikových situací, které nás mohou ohrozit na zdraví nebo i na životě. Obecně nelze rizika zcela vyloučit, lze je určitými opatřeními a jejich respektováním eliminovat na přijatelnou míru. Nejinak je tomu i při provádění prací pod napětím. Při práci s vysokonapěťovým zdrojem je nutné přísně dodržovat zásady bezpečnosti práce. Osoby provádějící tyto práce jsou kromě běžných rizik navíc ohroženy přímým zásahem elektrického proudu a popálením, pokud při práci dojde na zařízení ke zkratu nebo zemnímu spojení. První riziko, přímý zásah elektrického proudu v podstatě nelze nikdy zcela vyloučit a zejména jej nelze vyloučit provedením jakýchkoliv technickým nebo organizačních opatření na daném zřízení. ³⁴

Stejně tak při práci s lasery, které mohou mít výrazný vliv na náš zrak, je nutné nošení bezpečnostních prvků a manipulovat se zařízením s nejvyšší opatrností.

29

2.6 Možnosti vizualizace elektrostatických procesů

Touha zachytit obrazy tekutin v pohybu má svou podstatu ve vědecké i umělecké sféře více než 500 let. Už Leonardo da Vinci zaznamenával vizuální představy o složitých vzorech plovoucích semen na povrchu přirozeně tekoucí vody. Vizualizace proudění hraje hlavní roli ve vývoji mechaniky tekutin a je jistě klíčovou součástí hlavních technologických pokroků v oblastech letectví, atmosférických pohybů (meteorologie, klimatologie), biologických systémů (např. srdeční pumpy) a případně v dalších odvětvích, kde je nějakým způsobem potřeba vidět podstatu děje neviditelného běžným okem. ³⁵

Pomocí vizualizačních technik můžeme sledovat jednotlivé části elektrostatického procesu a zvlášť je vyhodnocovat. Největší zájem je o pozorování nestabilit procesu a prvopočátku zvlákňování (především vzniku Taylorova kužele).

2.6.1 Záznamy rychlokamer, stereografické záznamy

Vysokorychlostní kamera je optoelektronické zařízení, které zaznamenává snímky vysokou záznamovou frekvencí, a díky nízké přehrávací frekvenci můžeme vidět procesy, které probíhají ve skutečném čase i několik milisekund. Záznamová frekvence standardních kamer je cca 25 Hz a lze pořídit snímek jen každých 40 ms.

Vysokorychlostní kamera je schopna za stejnou dobu zobrazit až 150 snímků. Princip je takový, že se světlo odráží od snímaného předmětu a prochází objektivem přes soustavu zrcadel a čoček. Poté následuje separace barev pomocí filtrů a generace elektrických signálů pro jednotlivé body. Ze signálů se vytvoří digitální data pomocí obrazového senzoru využívající čip CCD nebo CMOS. Oba senzory využívají fotocitlivé buňky umístěné na ploše čipu, které zaznamenají proud fotonů, a podle jeho velikosti určí jas obrazu.

Abychom získali kvalitní záznam, musí být snímané těleso dobře nasvíceno, neboť s vyšší frekvencí snímkování klesá rozlišení záznamu. Využívá se zdrojů halogenových, laserových, LED, výbojkových o příkonu několika kilowatů a popř.

dalších. Díky vysoké opakovací frekvenci pulzních laserů, můžeme dosáhnout účinné doby trvání závěrky v rozmezí obvykle od 30 ns – 250 ns na frekvencích až 50 kHz bez nutnosti použití zesilovače obrazu. Frekvence laseru však musí odpovídat frekvenci počtu snímků za sekundu. Jednou z výhod pulzních laserů je, že při svícení nevyzařují příliš velké teplo a tudíž nejsou snímané objekty ovlivněny tepelným účinkem. ³⁷

30

Stereografie je název pro 3D vizualizace systémů. Když se pozorovatel dívá na předmět, tak levé a pravé oko vnímají rozdílné scény. Ve stereografii jsou generovány dva pohledy na scénu a jsou zobrazovány tak, že pouze pravé oko vidí „pravooký“

prostor a levé oko vidí „levooký“ prostor. V důsledku toho můžeme generovat virtuální 3D obraz.

Dále bude uveden příklad využití této metody. Velikost vektorových rychlostních polí je extrémně velká pokud vycházíme z numerického řešení Navier- Stokesi rovnice (10) pro trojrozměrné, v čase proměnlivé a turbulentní proudění.

Stereografické systémy mohou intuitivně zachytit malé pohyby do hloubky a vztahy mezi částicemi tekutiny, což by pomocí standardní projekce nešlo. V praxi je tedy možné „vidět“ i malé kolísání rychlostí kolem průměrných hodnot. ³⁸

Obr. 9: Stereoskopický obraz zachycený při zvlákňování polyethylenoxidu. ³⁶

2.6.2 Difrakční metody

Zde se využívá vlastností nanovláken odrážet monochromatické světlo svým zakřiveným povrchem. Metoda může být použita pro výpočet průměru trysky přesně ve stejné oblasti, ve které se měří rychlost, a pro výpočet velikosti částic.

Jedna z možností je často využívaná laserová difrakce. Jedná se o techniku hromadného měření částic, která poskytuje souhrnný výsledek pro celý vzorek.

Laserový svazek poskytuje koherentní záření a to difraktuje na částicích, které tečou daným systémem v měřící cele. Vzniká difrakční obrazec, který dává informace právě o velikosti a tvaru. Pomocí Fourierovy transformace můžeme informace převést na distribuční křivku. Před měřením je nutné nejdříve vyvinout a validovat metodu pro

31

konkrétní vzorek. To znamená stanovit fixní a hledané parametry měření, které souvisí s vlastnostmi měřené látky. Výsledky měření jsou totiž ovlivňovány především vlnovou délkou primárního záření a indexem lomu kapaliny. Výhodou laserové difrakce je rychlost, reprodukovatelnost a robustnost metody. ^{36, 39}

Obr. 10: Difrakční obrazec vzniklý při měření průměru „elektrospinningového“ proudu metodou laserové difrakce. ³⁶

2.6.3 Vizualizace pomocí interferenčních barev

Dvě elektromagnetické vlny, které zároveň dospějí do určitého místa, spolu interferují (skládají se) podobně jako mechanické vlny. Skládání vlněn se nazývá interference.

Podmínkou k trvalému pozorování tohoto jevu na daném místě je, aby dopadající vlnění byla koherentní, tj. měla stejné frekvence, jejichž vzájemný fázový rozdíl v daném místě je konstantní, tj. nemění se s časem. Pro výsledek interference dvou vlnění je rozhodující vztah mezi jejich vlnovou délkou a dráhovým rozdílem D, s jakým se obě vlnění setkají. Interferenční maximum vzniká v místech, kde je pro dráhový rozdíl splněna podmínka:

kde λ je vlnová délka a k = 0,1,2,3,…n.

(13)

32

Lze říci, že v interferenčním maximu se obě vlnění setkají se stejnou fází. Dochází zde k maximálnímu zesílení vlnění. Interferenční minimum vzniká v místech, kde je pro dráhový rozdíl splněna podmínka:

V interferenčním minimu se obě vlnění setkávají s opačnou fází, dojde k největšímu zeslabení vlnění. Interference světla se projevuje různými barevnými efekty a můžeme ji pozorovat na tenkých vrstvách o charakteristické tloušťce d s indexem lomu n (mýdlové bubliny, povrch fotografických objektivů apod.).

V současnosti je velká část nejmodernějších bezkontaktních měřících metod založena na interferometrickém principu. Intenzita výsledného interferenčního pole je detekována pomocí detektoru záření (např. CCD senzoru) a poté je provedeno vyhodnocení, jehož hlavním výsledkem je získání fáze daného interferenčního pole, která úzce souvisí s optickým dráhovým rozdílem obou svazků. Pokud chceme tuto metodu využít pro vizualizaci „electrospinningu“, tak musí být vznikající vlákno

„průhledné“ a potom se může chovat jako tenká vrstva. Například můžeme stanovit zúžení stabilní trysky na základě vznikajících barev, tj. pokud osvětlíme danou část procesu vhodným světlem ke kontrastnímu pozadí. ^{35, 36, 40}

Obr. 11: Interferenční barvy dvou stabilních a téměř identických trysek při různém napětí (směrem doprava napětí roste). ³⁶

(14)

33

Další používané metody

Díky neustálému letitému výzkumu existuje řada metod vizualizací procesů v mechanice tekutin i v jiných odvětví. Mnoho z nich je založeno na podobném principu, lišit se však mohou v uspořádání měřící aparatury nebo v parametrech použitých měřících zařízeních. Velké množství metod pro různé oblasti je uvedeno v neustále aktualizované online knize „A Gallery of Fluid Motion“. Dále uvedu některé metody, které se v dnešní době používají.

Metoda LIF (fluorescence indukovaná laserem) diagnostiky spolu s vysokorychlostním „real-time“ záznamem získává digitální obraz mapovaného pole směšujících se tekutin. Fluorescenční barvivo, které je předem smícháno s volně tekoucí kapalinou, se ředí s vysokorychlostní tekutinou a my můžeme sledovat relativní koncentrace tekutiny v dané vrstvě.

Stínové metody jsou založeny na principu zakřivování trajektorií světelných paprsků vlivem průchodu nehomogenním transparentním prostředím. Při aplikaci na zvlákňovací proces můžeme sledovat vývoj bičující nestability.

Další mohou být clonkové metody, které jsou v první fázi založeny na principu zakřivování trajektorií světelných paprsků vlivem průchodu nehomogenním transparentním prostředím (stejně jako u předchozí metody) a ve druhé fázi dochází k filtraci paprsků šířících se vybraným směrem pomocí čočky a clony. 35, 36, 41, 42

Obr. 12:Snímek zobrazující vizualizaci nestabilit dvojice protiběžných vírů pomocí LIF. ³⁵

34

2.7 Možnosti měření elektrostatických procesů

Měřením proudění rozumíme studium pohybu proudícího média. Můžeme aplikovat postupy mechanické nebo optické. Moderní optické laserové metody jsou nejvýhodnější – umožňují měření plynných, kapalných i více fázových proudění a mohou být použity pro náročná měření (různé teploty, malé rychlosti proudění, vibrace apod.). Měření provádíme za účelem výzkumu již známých procesů (měření daných parametrů) nebo za účelem vývoje nových postupů v oblasti mechaniky tekutin. Předním dodavatelem kvalitních a finančně náročných měřících zařízení je v dnešní době firma Dantec Dynamics. Všechny optické metody využívají Laser („Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“) a jeho usměrňování pomocí optických soustav.

Světlo z laseru má následující vlastnosti – monochromatické, koherentní a minimálně rozbíhavé.

Metody se dělí na dvě základní skupiny dle základních principů: metody využívající Dopplerova frekvenčního posunutí a metody vizualizací proudění pomocí mikroskopických částic. ^{43, 44, 45}

2.7.1 Metoda PIV („Particle Image Velocimetry“)

Metoda PIV je optická měřící technika pro výzkum a diagnostiku proudění, turbulencí, sprejů a podobných procesů. Experimentální uspořádání PIV systému se obvykle skládá z několika subsystémů. Ve většině aplikací musí být přítomny i zobrazovací částice.

Tyto částice musí být osvětleny v rovině proudění alespoň dvakrát v krátkém časovém intervalu. Světlo rozptýlené částicemi musí být zaznamenáno buď na jednom, nebo na sekvenci snímků většinou pomocí CCD. Posunutí částic v důsledku nenulové rychlosti proudění je stanoveno prostřednictvím vyhodnocení záznamů PIV. Vyhodnocení záznamů pak probíhá (zjednodušeně napsáno) na základě elementární rovnice:

kde vzdálenost s je posunutí částic proudícím systémem za čas t.

(15)

35 Obr. 13:Schéma „setupu“ pro PIV metodu.

Zachycují se tedy minimálně dva záznamy s časovým odstupem. Na prvním je pak uchována počáteční poloha částic a na druhém jejich koncová poloha a oba záznamy tak nesou informaci o vektorech posunutí částic v dané měřící rovině. Pro vyhodnocení je digitální záznam PIV rozdělen do malých podoblastí zvaných

„iterrogation area“ (zkoumaná oblast). Vektor posunutí sledovaných částic v prvním a druhém snímání je stanoven pro každou oblast pomocí statistických metod (korelační metody).

Předpoklad je takový, že všechny částice uvnitř dané vyšetřované oblasti jsou homogenně posunuty mezi oběma expozicemi. Na základě měřítka zaznamenaných obrazů se pak pomocí softwaru určí polohy částic v proudu kapaliny v jednotlivých obrazech. Získáme posunutí částic Δx a Δy v kolmých směrech mezi obrazy. Z intervalu časového posunutí mezi snímky ΔT a ze známých posunutí částic Δx a Δy vyhodnotíme příslušné složky rychlostí ux a uy v daném místě dle vztahů:

S moderními CCD kamerami (1000 × 1000 snímacích prvků a více) je možné zachytit více než 100 PIV nahrávek za minutu. Vyhodnocení jednoho digitálního záznamu s několika tisíci okamžitých vektorů rychlosti (v závislosti na velikosti (16)

36

záznamu, zkoumané oblasti a algoritmu zpracování) trvá řádově sekundy na standardním počítači. Pro vyhodnocování on-line (v reálném čase) se uplatňuje speciální software a výkonná výpočetní technika. ^{3, 46, 47}

Zobrazovací částice pro PIV musí splňovat dva základní požadavky: (1) měly by být schopny efektivně sledovat (kopírovat) tok bez nadměrného shlukování, (2) musí účinně rozptylovat laserové světlo. S druhým požadavkem je spojeno i nastavení správného výkonu laseru a zvolené vhodné hardwarové nahrávání. Například pokud daná částice slabě rozptyluje, pak je nutné použít větší výkon laseru popř. použít více laserů v „setupu“, což by mělo za následek značné zvýšení nákladů a snížení bezpečnosti obsluhy.

Jednoduchý způsob, jak zhodnotit první požadavek je určení sedimentační rychlosti u∞ částice. Za předpokladu, že tento proces je řízen Stokesovým zákonem, pak je u∞ dána vztahem:

kde dp je průměr částic, hustota částic, viskozita tekutiny, hustota tekutiny.

Částice jsou vhodné, pokud je u∞ zanedbatelné ve srovnání se skutečnými rychlostmi proudění. Při práci s nízkou rychlostí proudění tekutin je výhodné použití takových kapalin, z kterých lze vygenerovat lehké a dobře rozptylující částice (vyšší index lomu částic). Tento předpoklad relativně dobře splňují částice silikonového oleje. Vzhledem k poměrně velkému rozdílu hustoty mezi olejem a plynným médiem je zásadní použití velmi malých kapiček, typicky <1 mm, aby se minimalizovala sedimentační rychlost částic. ^{48, 49}

Existuje řada modifikací klasické PIV metody. Např. Stereo-PIV, která je spojením PIV metody a stereografie (odst. 2.4.1). Dále pak TR-PIV, Micro-PIV, Nano-PIV, HPIV, PLIF-PIV a mnohé další. ^45,48

Numerické zpracování PIV dat pomocí FFT

Nejběžnější metoda pro stanovení Δx a Δy je Fourierova transformace, která se uplatňuje i pro málo rozlišitelné částice, nebo dokonce pro vizualizaci proudění pomocí kouře či mlhy. Počátkem 60. let byla definována metoda, která podstatným způsobem (17)

37

(18) zefektivnila výpočet a snížila objem nutných operací pro numerický výpočet Fourierovy transformace (DFT). Metoda byla nazvána rychlou Fourierovou transformací (FFT). ⁵⁰

Podstatou PIV je nalezení funkce průměrného posunutí s(m,n) na základě změřených hodnot f(m,n) světelné intenzity v dané oblasti v čase t a hodnot g(m,n) světelné intenzity ve stejné oblasti v čase t+Δt. Při vyhodnocování je zapotřebí vzít v úvahu také tzv. adaptivní šum d(m,n), který je dán výsledkem pohybu částic, které do vyhodnocované oblasti během intervalu mezi záznamy vstoupily resp. vystoupily. Pro nalezení funkce průměrného posunutí s(m,n) používáme tzv. prostorovou korelaci.

Diskrétní vzájemná korelace je definována rovnicí:

Pro efektivní výpočet diskrétní korelace se uplatňuje rychlá Fourierova transformace – vývojový diagram numerického zpracování PIV záznamu pomocí FFT je znázorněn na obr. 13.

Diskrétní korelace, která je výpočtově velmi náročná, může být zjednodušena komplexně sdruženým násobením korespondujících si párů Fourierových koeficientů.

Inverzní transformací takto vzniklého výsledku se získá korelační funkce ϕfg(m,n). ³

Obr. 14:Vývojový diagram numerického zpracování PIV záznamu pomocí FFT. ³

38

Další používané metody (LDA, IPI)

Laserová dopplerovská anemometrie (LDA) je metoda, která využívá Dopplerova jevu a řadí se mezi velmi rozšířené anemometrické techniky. Dopplerův jev popisuje změnu frekvence a vlnové délky přijímaného signálu vůči vysílanému signálu, způsobenou nenulovou vzájemnou rychlostí vysílače (v našem případě částice) a přijímače (kamery). LDA sleduje změnu frekvence laserového záření rozptýleného částicemi unášenými proudící tekutinou. Dopplerův jev způsobí změnu frekvence světla rozptýleného na částici pohybující se vzhledem ke zdroji o hodnotu, která závisí na její rychlosti a geometrii rozptylu.

LDA využívá dvou paprsků emitovaných laserem jako nositele informace o rychlosti částic v proudění. Interferenční obrazec vzniká v místě průniku dvou paprsků – vznikají interferenční pruhy, což jsou místa s vyšší a nižší intenzitou světla.

Vznik těchto pruhů způsobuje konstruktivní a destruktivní interference dvou zkřížených paprsků. Částice procházející touto oblastí způsobí rozptýlení světla a intenzita rozptýlení je měřena optickými detektory. Analýzou roztečí interferenčních pruhů získáme rychlost částic. ^{3, 43}

V metodě IPI („Interferometric Particle Imaging“) jsou průsvitné částice osvětleny laserovým paprskem. V závislosti na úhlu pozorování jsou na povrchu částice vidět osvětlené body. Vzdálenost mezi dvěma z těchto bodů je použita pro výpočet velikosti částic. Jsou-li tyto body zaostřeny, tak je interferenční obrazec viditelný a určený clonou. Úhlová frekvence tohoto obrazu je přímo úměrná dělící vzdálenosti mezi osvětlenými body a tím i průměru částic. V měřící aparatuře je přítomný CCD čip, který detekuje vznikající interferenční kroužky.

Jako u předchozí metody musejí mít částice přesně definované vlastnosti – homogenitu, kulovou jednotvárnost a transparentnost. Počet interferenčních proužků v obraze souvisí s počtem částic a jistým geometrickým koeficientem. ⁴⁵

39

3 PRAKTICKÁ ČÁST

3.1 Použitá zařízení

Základem této práce je zařízení pro tvorbu nanovláken s použitím střídavého zdroje napětí, které bylo sestrojené na katedře netkaných textilií (TUL). Celé zařízení je složeno ze tří základních komponent – zdroj vysokého napětí, transformátor a zvolená elektroda (obr. 14). Elektrické schéma a zapojení je znázorněno na obr. 15. Vše je navrženo a zapojeno tak, aby byla dodržena maximální bezpečnost obsluhy. Systém pro uložení vybrané elektrody a ovládací skříňka jsou umístěny na povrchu celého boxu, což umožňuje jednoduchou manipulaci se strojem.

Při práci bylo používáno stále stejné napětí 36 000 V. Podmínky v laboratoři se pohybovaly okolo normálních hodnot (p=980 hPa, t = 23,5 °C, vlhkost=45 %).

Jako výchozí roztok pro tvorbu nanovláken byl používán 12% PVB v ethanolu (4 díly) a izopropylalkoholu (1 díl). Pro obarvení nanovláken byl do roztoku přimíchán rhodamin B (červené barvivo) v poměru 0,01 gram rhodaminu na 125 gramů PVB. Jako základní látka pro vytvoření mikročástic při měření metodou PIV byl používán silikonový transformátorový olej.

Obr. 15:(Vlevo) kompletní fotografie zařízení s AC zdrojem napětí. (Vpravo) místo pro uchytávání elektrod.

40 Obr. 16:Elektrické schéma zařízení s AC zdrojem. 1 - zdroj napětí (vysokonapěťový), 2 -transformátor, 3 - výstup s odporem, 4 - uzemněný výstup, 5 - pojistková skříňka.

Jako laserový zdroj byl použit pulzní laser NewWave Gemini Nd:YAG s pulzní délkou 10 ns a vlnovou délkou 532 nm. Obrazy byly zachyceny na kamery HiSence Neo (5,5 Megapixel o velikosti 6,5 μm) a Phantom cinemag II (rozlišení 1280x800px o velikosti pixelu 20 μm). Pro HW anemometri byl použit přístroj Testo 425.

3.1.1 Elektrody

Elektrostatický proces a chování okolí při tomto ději jsou velmi závislé na parametrech použité elektrody. Práce zahrnuje studium procesu při použití třech základních elektrod – kuželová (čtyři elektrody s různými sklony), stromečková a kulová. Jednotlivé fotografie a schémata jsou zobrazena na obrázcích níže.

Stromečková elektroda byla sestrojena na strojní fakultě TUL v rámci diplomové práce – Zařízení na výrobu jádrové příze (Ondřej Baťka)⁵¹. Základním materiálem všech elektrod je nerez ocel. Hlavní veličina – intenzita elektrického pole – je na odlišných elektrodách různě rozložená. S touto veličinou souvisí primární vznik Taylorových kuželů (míst, odkud vznikají nanovlákna) a také produktivita celého procesu. Nejvyšší intenzita se předpokládá na hranách daných elektrod, což potvrzuje i měření rozložení intenzity elektrického pole na elektrodách (obr. 18). S „výskytem“

intenzit je také spojeno následné chování procesů, které bylo studováno PIV metodou.

Tvar elektrody tedy výrazně přispívá k charakterizaci procesu. U kuželových elektrod s různým úhlem byly očekávány menší změny v oblasti počátečního proudění, než u elektrod kulového a stromečkového tvaru. Změna úhlu elektrod totiž výrazně nemění

41

rozložení intenzit elektrického pole – hrany jsou zachovány. V práci dále jsou v souhrnu celkem tři měření (PIV metoda, vizualizace vláken a vizualizace vznikajících korón), které téměř shodně charakterizují počátek elektrostatického procesu na různých elektrodách a potvrzují měření rozložení intenzit z výše uvedené diplomové práce.

Každá elektroda tedy představuje unikátní součást zařízení pro elektrostatické procesy a pomocí jejích tvarů lze ovlivnit parametry procesu jako je produktivita, tloušťka vláken (souvisí s dobou tažení vlákna a rychlostí letu) a proudění samotného média (souvisí s elektrických větrem).

Obr. 17: Fotografie elektrod: A-D – kuželové elektrody, K – kulová elektroda, F – stromečková elektroda.

Obr. 18: (Vlevo) CAD schéma kulové a stromečkové elektrody. (Vpravo) měření korónového výboje na elektrodách F a K. (Dole) konstrukční schéma elektrod. ⁵¹

42

(19) Obr. 19: Rozložení intenzity elektrického pole na elektrodách (zleva: kulová, stromečková a kuželová). Modelováno při elektrickém napětí 25 kV okrajové prostředí má hodnotu 0 V). ⁵¹

3.2 Příprava a měření experimentu

Laserová anemometrie – PIV je metoda, která měří rychlostní pole a jeho parametry v proudící tekutině pomocí určování přesných vzdáleností, kterou urazí generované částice vložené do proudu tekutiny za přesně definovaný časový úsek. Tyto experimenty si vyžadují dokonalou znalost systému, ve kterém daný děj sledujeme a přesné nastavení jednotlivých komponent (jejich synchronizace).

3.2.1 Popis systému při experimentu

Pro experiment je zásadní chování částic a vláken resp. nanovláken v elektrické poli, což je popsáno níže.

Popis chování částice v elektrickém poli

Na částici v elektrickém poli působí současně několik sil zároveň. Uvažujme systém dvou bodových nábojů q1 a q2 (na kapkách), které jsou od sebe v určité vzdálenosti r. Síla působící mezi těmito nabitými částicemi je dána Coulombovým zákonem:

kde je jednotkový vektor směřující od q1 do q2.

Coulombův zákon platí pro libovolnou dvojici bodových nábojů. Pokud jsou přítomny