Výprava za tajemstvím výroby nanovláken

Nanovlákna, pojem skloňovaný v posledních dvou dekádách v mnoha pádech. Nejprve v souvislosti s mimořádným úspěchem vědců Technické univerzity v Liberci (byla o něm řeč v první epizodě našeho podcastu Region, který mění svět), později velmi intenzivně v souvislosti s vývojem a výrobou pomůcek pro ochranu dýchacích cest, roušek a respirátorů. Filtrace plynů a kapalin je ostatně jednou z významných oblastí užití nanovláken. Roušky jsou pak malou výsečí, které se dostává pozornosti dnes díky pandemické krizi. Do budoucna jsou však před nanomateriály ještě větší výzvy. Především čištění vod může být přímo strategickou devizou ve světě klimatických změn.

První nanovlákna vědci dokázali vyrobit již v první polovině minulého století. Vědecký svět o nich ví dokonce ještě o něco déle. Kouzlo objevu týmu Technické univerzity v Liberci okolo profesora Oldřicha Jirsáka spočívá v rozluštění hádanky, jak úspěšně aplikovat jejich výrobu v průmyslovém měřítku. Mnohokrát jsme o tom psali, tentokrát se ale podíváme zblízka hledáčkem fotoaparátu. Vydali jsme se do libereckého Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CxI), konkrétně do laboratoře klastrové organizace Nanoprogress doslova napěchované moderními přístroji na výrobu nanovláken.

Příprava výroby: Z čeho se vyrábějí nanovlákna?

Nanovlákna se vyrábějí z přírodních nebo syntetických polymerů. Různé druhy suroviny dávají nanovláknům různé, unikátní vlastnosti. Pro výrobu technologií zvlákňování je potřeba nejprve připravit zvlákňovací polymerní roztok (v našem případě se roztok připravuje z granulátu polymeru PLA – kyseliny polymléčné).

Výrobní fáze: Jak na to?

Proces výroby se nazývá AC electrospinning, česky střídavé elektrické zvlákňování. AC je zkratka pro střídavý proud (altering current). Ústředním prvkem výrobního zařízení je tyčová zvlákňovací elektroda, která vytváří kouři podobný útvar složený z propletených nanovláken. Nazýváme ho nanovlákenná vlečka.

Během iniciační fáze výroby nanovláken pokryje technik zvlákňovací elektrodu výrobního zařízení polymerním roztokem. Na ovládacím panelu nastaví parametry procesu a můžeme začít.

Nanovlákenná vlečka se zpracovává různými způsoby. Lze ji například navést na sběrnou elektrodu v podobě rotačního válce která poslouží pro sběr vyrobených nanovláken.

Rotační válec se používá pro přípravu plošných nanovlákenných struktur (vlevo). Příprava lineárních nanovlákenných struktur (vpravo) oproti tomu probíhá tak, že nanovlákennou vlečku ukládáme na nosnou přízi. Nosná příze není tvořena nanovlákny a slouží pouze jako jádro výsledného produktu. Nanomateriál je pláštěm, tedy vrchní vrstvou.

Lze ověřit, jakou má nanovlákenná struktura charakteristiku? 

Ano, například pomocí přidání směsi na bázi železa (modrá kapalina v pipetě) do polymerního roztoku. Pro ověření specifické nanovlákenné struktury například u bi-komponentního (dvousložkového) nanovlákna, lze polymer pro výrobu jedné složky obarvit a následně zkoumat strukturu finálního výrobku. 

Jak vypadá finální výrobek? 

Plošná nanovlákenná struktura (vlevo) je využitelná například pro filtraci vzduchu. Pro ochranné dýchací pomůcky se používá kombinace s netkanou textilií, která funguje jako nosič nanovlákenné vrstvy (známé roušky s nápisem NANO z Liberce). Lineární nanovlákenná struktura (vpravo) může mít podobu nanovlákenné příze s jádrem z klasické příze obaleným nanovlákenným pláštěm.