O nanovláknech

Co jsou to nanovlákna?


Nanovlákna jsou vlákna jejichž průměr je v rozmezí několika nanometrů až několika stovek nanometrů. Jeden nanometr je 0.000000001 metru nebo-li 10-9 metru a není viditelný okem bez použití optického aparátu. Pro srovnání lidský vlas má průměr okolo 75 000 nanometru.

První nanovlákna dokázali vědci vyrobit již v první polovině 20. století a tudíž se nejedná ve vědecké komunitě o novinku, avšak v minulosti bylo možné s technologiemi své doby vyrobit jenom velmi limitované množství nanovláken a tudíž nebyla vhodná pro masově rozšířené průmyslové aplikace. Teprve až na přelomu 20. a 21. století dosáhla technologická vyspělost výroby nanovláken do takové míry, že se nanovlákna začala vyrábět ve velkém množství, a tím se otevřely nové možnosti pro průmysl. 

Jak se nanovlákna vyrábějí?


Nanovlákna se vyrábějí z různých přírodních polymerů, jakými jsou kupříkladu celulóza, keratin, kolagen anebo syntetických polymerů, jakými mohou být kupříkladu PLA, polyurethan PU, PHBV a mnoho dalších. Každý z těchto materiálů dává nanovláknům své unikátní vlastnosti.

Je mnoho způsobů jakými se nanovlákna, jak pro experimentální, tak průmyslové využití, dají vyrobit. Mezi nejpoužívanější metody výroby nanovláken se používá:

Foukání taveniny (melt-blown)
Odstředivé zvlákňování
Electrospinning
Fázové dělení
Dloužení (drawing)
Hydrotermální metoda

Pro Českou republiku je velmi důležitá výroba nanovláken za použití elektrospinningu, jelikož České vědecké teamy dokázali právě v oblasti výroby nanovláken za pomoci elektrospinningu dosáhnout velkých pokroků. Mezi jedním z nejznámějších je výrobní linka „Nanospider“, která za pomocí elektrospinningu dokáže produkovat velká množství nanovláken v odpovídající kvalitě.

Co je to elektrospinning?


Elektrospinning je populární metoda výroby nanovláken, která využívá při výrobě vysokého napětí o velikosti několika desítek kV.

V roce 1964 britský vědec Geoffrey Ingram Talyor zkoumal roztoky tekutin a jejich chování, když jsou vystaveny vysokému napětí. Taylor nabral roztok do jehly a pozoroval, jak se bude chovat kapka na špičce jehly vystavená vysokému napětí. Kapka se stupňujícím napětím měnila tvar, až dosáhla tvaru kužele a v momentě, kdy napětí dosáhlo kritické hranice, tak ze špičky tohoto kužele vytrysklo vlákno. Tento jev byl pojmenován po svém objeviteli a je tedy znám jako Taylorův kužel. U roztoků se vlákno nadále rozpadá v elektrickém poli na malé částečky (jev zvaný elektrospraying), v případě tekutých polymerů se vlákno nerozpadá na drobné částečky, ale natahuje se.

Tento jev je základem elektrospinningu. Vlákno z polymeru, které takto vznikne ze špičky kužele, se v elektrickém poli začne natahovat a tím zároveň i zužovat, až se vlákno zúží natolik, že dosáhne nanorozměrů. Toto vlákno poté dopadne na sběrnou desku, kde se s ním může nadále pracovat. Důležitou dovedností při výrobě nanovláken elektrospinningovou metodou je kontrola elektrického napětí a jeho vlivu na roztok polymeru a to je závislé na mnoha faktorech včetně parametrů výrobního stroje.      

Využití nanovláken


Filtrační membrány

Membrány vyrobené nanovlákny mohou dosáhnout menších rozměrů pórů, a tudíž filtrovat i velmi malé částice.  Zároveň mohou nanovlákenné membrány dosáhnout vyšší poréznosti,.

Obvazy na rány

Za pomocí nanovláken je možné vytvořit vhodné textilie, které mají dostatečně malé póry na to, aby jimi neprošla většina bakterií a zároveň dobře propouštěla vzduch,

Tkáňové inženýrství

V tkáňovém inženýrství nanovlákna zastupují důležitou roli stavby „lešení“ (scuffold) pro tkáňové buňky.

Jak nanovlákna chrání


Nanovlákna díky svým vlastnostem otevírají novou dimenzi ochrany obyvatelstva. Ze zkušenosti s epidemií COVID-19 víme, že ochranné pomůcky, jakými jsou například roušky a respirátory, hrají klíčovou roli při ochraně a prevenci. Nanovlákna v tomto případě přináší vylepšené vlastnosti těchto ochranných pomůcek a zvyšují jejich efektivitu. Zároveň české společnosti přišli s různými variacemi těchto ochranných pomůcek, jakými jsou kupříkladu pratelné nanovlákenné šátky nebo nanovlákenné moskytiéry, které filtrují vzduch.

Nanovlákna také pomáhají při znečištění ovzduší. V mnoha regionech ve světě dochází k výraznému znečištění ovzduší, které má negativní odpad na fyzický a psychický stav obyvatelstva. Při znečištění vzduchu částicemi v podobě smogu dochází k usazování jemných částic v plicích, které omezují jejich funkci. Mezi nejvíce problematické patří částice pod velikost PM 10, čili částice pod velikost 10 mikrometru. Tyto částice jsou nebezpečné z toho důvodu, že jsou natolik malé, že mohou putovat hluboko do plic a plíce nemají žádný obraný mechanismus, jak se jich zbavit, nedochází tedy k vykašlávání částic jako se tomu děje u větších z nich. Nanovlákna mohou, v závislosti na filtrační třídě materiálu, pomoci s filtrací těchto částic ze vzduchu a zamezit tak vdechování škodlivých částic do plic. Mezi nanovlákenné produkty, které chrání před smogem patří filtrační membrány do vzduchotechniky, roušky, šátky a nanovlákenné moskytiéry.       

Nanovlákenné filtrační membrány se již používají v oblasti vodní filtrace, a to jak v oblasti mikrofiltrace, ultrafiltrace, nanofiltrace, reverzní osmózy nebo forward osmózy. Membrány vyrobené nanovlákny mají lepší vlastnosti díky vyšší poréznosti, a tudíž vyžadují menší tlak. Membrány se také využívají k desalinizaci mořské vody, což je v některých regionech jediný způsob, jak získat dostatečné množství pitné vody.

Filtrační certifikace


Je důležité si uvědomit, že fakt, že produkty obsahují nanovlákna neznamená automaticky, že dochází k filtraci v nejvyšší filtrační třídě. Je to právě hustota nanovláken a velikost pórů, které určují filtrační kvalitu produktu. Proto je důležité věnovat pozornost filtrační certifikaci produktu. Pokud produkt nemá žádnou certifikaci, doporučujeme se těmto produktům vyhnout, jelikož jejich filtrační kvalita může být na tak nízké úrovni, že certifikačními testy neprošla.

EN149 je evropský standard, který stanovuje minimální kvalitu respirátorů a masek, co zakrývají polovinu obličeje. Tento standard stanovuje minimální požadavky těsnosti ochranné pomůcky a dále parametry kategorií FFP. Během koronavirové pandemie jsme mohli slyšet mnohokrát skloňované FFP kvality masek a respirátorů.  FFP je zkratka pro „filtering facepiece“ a je rozdělena do tří kategorií, nejnižší filtrační kategorie je 1 a naopak nejvyšší je kategorie 3. V USA je rozdílná standardizace a ekvivalentem FFP je N. Níže můžeme vidět porovnání FFP a N standardu, procentová míra je minimální požadavek záchytu všech částic 0.3µm a větší.

FFP1

Alespoň 80%

FFP2

Alespoň 94%

N95

Alespoň 95%

N99 & FFP3

Alespoň 99%

N100

Alespoň 99,7%