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).

SEM snímek nanovlákenné PVA příze

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]

Historie nanovláken

Za první uměle připravené nanovlákno se často považují uhlíková vlákna, která vyrobil Edison v roce 1880. Počátkem 70. let se v Československu (v Litomyšli) vyráběla skelná mikrovata, jejíž vlákna měla průměr i jen 750 nm.^[2] Název nanovlákno prosadil v roce 1974 Japonec Norio Tagiguci. Proces elektrostatického zvlákňování byl poprvé patentován v roce 1900, od roku 1980 se začalo s hromadnou výrobou nanovláken v USA. V roce 1993 přišel na trh první gram nanotrubic, ve 2. dekádě 21. století dosahovala roční produkce řádově 300 tun. V té době byla ve světě vyvinuta řada dalších způsobů výroby nanovláken (štěpení bikomponentních vláken, odstředivé zvlákňování aj) žádný z nich se však dosud (2024) nedosáhl úroveň průmyslové výroby.^[3]

Výnos z celkové produkce polymerních nanovláken se udával v roce 2020 s 924 miliony USD.^[4]

Technologie výroby nanovláken

Velmi jemné textilní vlákno je možné vyrobit mnoha způsoby. Z těch se ve 3. dekádě 21. století používá k průmyslové výrobě

• technologie elektrostatického zvlákňování popsaná ve článku Elektrostatické zvlákňování a
• technologie výroby nanotrubic popsaná ve článku Uhlíková nanotrubice^[5]

V odborné literatuře se uvádějí další metody, které se dosud nacházejí ve stádiu vědeckého výzkumu a laboratorních pokusů:

Způsob výroby	Princip	Rozsah jemnosti (nm)
Štěpení bikomponentních vláken	Odstranění jednoho z polymerů v systému Islands in the Sea	nad 800
Foukání taveniny	Dloužení polymerní taveniny v proudu horkého vzduchu	nad 800
Fyzikální dloužení	Fyzikální dloužení roztoku	nad 50
Zvlákňování vzněcováním	Zahřívání za současného tlaku na polymerní tekutinu	nad 200
Fázové dělení	Tvarování vlákna umělým fázováním roztoku	50 – 500
Samosběr	Samovolné uspořádání molekul v roztoku	nad 100
Rozptýlení rozpouštědlem	Přeměna srážením z rozpustnosti na nerozpustnost	nad 100
Odstředivé zvlákňování	Dloužení vlákenné tekutiny odstředivou silou	nad 100
Hydrotermální proces	Formování vlákna v hydrotermálním roztoku	50 – 120

Schéma elektrostatického zvlákňování "z trysky"

Snímek z elektronového mikroskopu orientovaných nanovláken polyvinylidenfluoridu (PVDF)

Schéma trojstěnné uhlíkové nanotrubice

K metodám uvedených v tabulce:

Štěpení bikomponentních vláken

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“.^[6][7]

Foukání z taveniny

Princip: horké tavné zvlákňování s použitím na netkané textilie

Fyzikální dloužení

je suché zvlákňování na molekulární úrovni prakticky použitelné jen pro viskózové materiály

Fázové dělení

Princip: Rozpustná fáze se odděluje od nerozpustné, materiál se extruduje a zvlákňujě. Použití např. pro kyselina polymléčná (PLLA)^[7]

Samosběr

Např.: N-heptyl-D-galactonamid (DMSO) se vstřikuje do vody, v roztoku vniká nadmolekulárním samosběrem do želatinového filamentu, na kterém tvoří stužky o šířce cca 150 nm. Možné použití: tkáňové nosiče.^[8]

Rozptýlení rozpouštědlem

je kombinace elektrostatického zvlákňování a foukání z taveniny. Průchod materiálu tryskou je podporován silným proudem plynu, metoda je mnohem výkonnější než elektrostatické zvlákňování.^[9]

Odstředivé zvlákňování

Princip: Zvlákňovací ústrojí i kolektor rotují s obrátkami až 30 000 /min. V literatuře se rozeznává tryskové a beztryskové zvlákňování, od základní konstrukce je odvozeno několik variant, např. kombinace elektrostatického a odstředivého zvlákňování, zvlákňování s tlakovou rotací (pressurized gyration) aj. Metoda je mnohem výkonnější než elektrostatické zvlákňování, ale jakost vlákna je nižší.^[10][11]

Hydrotermální zvlákňování

Touto metodou se vyrábějí nanovlákna jako kompozity např. povrstvováním sulfidu bismutitého oxidem křemičitým^[12] nebo sufidu nikelnatého (Ni₃S₄@C) uhlíkem (CNFs)^[13]

Vlastnosti

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.

Vliv na zdraví

Nanotechnologie je obecně považována za možné zdravotní riziko.^[14][15] Uhlíková nanotrubice mohou způsobovat podobné patologické změny jako např. vlákna azbestu.^[16] Krátká nanovlákna jsou spojena s menším zdravotním rizikem.^[17]

Použití

Současné a v budoucnu možné použití se dá rozdělit na tři oddíly:

• vlákna na pavučinku a rouno, netkané textilie
  • Výroba z roztoků a tavenin rozfoukáváním nebo odstředivě. Použití zejména na membrány
• monofilamenty na tkaniny a pleteniny
  • připravené tažením a dloužením. Použití: senzory, vodiče energie, medicínska a vojenská technika
• grafenové nanotrubičky
  • Výroba – viz Uhlíkové nanotrubičky. Použití: zejména elektronické a optoelektronické součástky, informatika, :sportovní nářadí a oděvy^[3]