Nanovlákno

Nanovlákno je délkový útvar o charakteristických rozměrech a vlastnostech, kde jeden rozměr (délka) významně přesahuje průměr vlákna. Charakteristické průměry nanovláken se pohybují mezi 100–800 nanometry (nm).

Nanovlákenné materiály jsou textilní výrobky s průměrem vláken menším než 1 mikrometr (µm) = 1000 nanometrů (nm). Jako surovina se dá (dosud) použít asi 50 syntetických a přírodních polymerů.^[1]

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

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]

Známé jsou konstrukční varianty “z tyčky” a “z válečku”.

Zařízení Nanospider vyvinuté na Technické univerzitě v Liberci, textilní fakultě, katedře netkaných textilií pracuje s výkonem 1–5 g/min. na 1 metr pracovní šířky. Tento vynález je založen na principu zvlákňování "z válečku", je patentován českým CZ294274 a světovým patentem WO/2005/024101. Výhradní licenci k tomuto zařízení zakoupil Ladislav Mareš pro svoji firmu Elmarco, která začala v roce 2005 s úspěšnou výrobou a prodejem těchto zařízení. Společnost Elmarco byla v roce 2007 jediným producentem strojů na výrobu netkaných textilií z nanovláken na světě.^[6][7]

Např. přístroj z roku 2011 sestávající v principu ze dvou protilehlých trysek s elektrickým nábojem. Vlákenný materiál 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.

Technologie se zakládá na principu výroby bikomponentních vláken z taveniny. Zvlákňovací tryska je konstruována tak, že jeden polymer (např. polypropylen, polyester nebo polyamid) se protlačuje několika sty otvory ("ostrovy"), kolem kterých protéká tryskou polystyren (jako druhá komponenta) a tvoří „moře“. Vzniklý multifilament se dlouží a jako příze zpracovává na tkaninu nebo pleteninu. Na textilii se potom působí vhodnou chemikálií, která rozpustí materiál z „moře“, takže v přízi zůstanou jen (zpravidla velmi jemná) vlákna z „ostrovů“.^[8]

Tímto způsobem se dala již v 90. letech 20. století vyrábět vlákna jemnější než 100 nm.^[9] Zařízení ze začátku 21. století mohou na tomto principu produkovat až 5 kg nanovláken za hodinu.^[8]

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]

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]

Nanotechnologie je obecně považována za možné zdravotní riziko.^[12][13] Uhlíková nanotrubice mohou způsobovat podobné patologické změny jako např. vlákna azbestu.^[14] Krátká nanovlákna jsou spojena s menším zdravotním rizikem.^[15]

Příze 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 materiálů 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] Jedná se však jen o laboratorní výrobky. Komerční výroba nanovlákenných přízí nebyla do roku 2021 nikde ve světě známá.^[16]

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][17]

Údaje o komerční výrobě jsou však na veřejnosti (v roce 2017) sotva známé. ^[18] K výjimkám v tom směru patří např. informace o produktech české firmy Nanovia.^[19]

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.^[20] 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.^[21]

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 uvolňují 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.^[zdroj?]

• Nanotechnologie
• Nanospider
• Uhlíkové nanotrubice
• Orbitální výtah
• Netkané textilie
• Mikrovlákno
• Polyakrylonitrilová vlákna (uhlíkové nanotrubičky)

• Denninger/Giese: Textil- und Modelexikon, ISBN 3-87150-848-9 Deutscher Fachverlag Frankfurt/Main 2006, str.484 (definice nanovlákna)

• Obrázky, zvuky či videa k tématu nanovlákno na Wikimedia Commons