Elektrostatické zvlákňování:
Výroba polymerních nanovláken a
jejich využití v kompozitních
materiálechl
Seminář: KOMPOZITY – ŠIROKÝ POJEM, Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR
Eva Košťáková, Pavel Pokorný a David Lukáš
Technická univerzita v Liberci
Fakulta textilní
Katedra netkaných textilií
Elektrostaticky zvlákněná nanovlákna
Elektrostatické vzlákňování (anglicky Electrospinning) je jednou z možností výroby
polymerních nanovláken a v principu je známé již od počátku 20. století.
ZVLÁKŇOVÁNÍ Z JEHLY
Needle-less electrospinning
ZVLÁKŇOVÁNÍ Z VOLNÉHO POVRCHU – ZVLÁKŇOVÁNÍ Z TYČKY
1- zdroj vysokého napětí,
2- kovová tyčka,
3- kapka polymerního roztoku nebo taveniny,
4- vznikající nanovlákna,
5- uzemněný kolektor zachytávající nanovlákna.
ZVLÁKŇOVÁNÍ Z VOLNÉHO POVRCHU – ZVLÁKŇOVÁNÍ Z
POVRCHU VÁLEČKU (NANOSPIDERTM)
SVĚTOVÝ PATENT týmu
Technické univerzity v Liberci a firmy
Elmarco v roce 2004:
Kontinální výroba nanovlákenných vrstev
elektrostatickým zvlákňováním
ZVLÁKŇOVÁNÍ Z VOLNÉHO POVRCHU – ZVLÁKŇOVÁNÍ Z
POVRCHU VÁLEČKU (NANOSPIDERTM)
ZVLÁKŇOVACÍ PROSTOR u elektrostatického zvlákňování
SAMOORGANIZACE celého procesu!!!
Modifikace elektrostatického zvlákňování
PORÉZNÍ NANOVLÁKNA
Důvod formování porézních vláken je vlastně fázová separace během
„vytvrzování“ vláken. Velmi rychlé vypařování rozpouštědla a kondenzace
vlhkosti na povrchu vláken = tvorba nanopórů na povrchu vláken.
Modifikace elektrostatického zvlákňování
ORIENTOVANÁ NANOVLÁKNA
Modifikace elektrostatického zvlákňování
ORIENTOVANÁ NANOVLÁKNA
Modifikace elektrostatického zvlákňování
NANOVLÁKENNÉ NITĚ
Modifikace elektrostatického zvlákňování
NANOVLÁKENNÉ NITĚ
Modifikace elektrostatického zvlákňování
HYBRIDNÍ NITĚ
Modifikace elektrostatického zvlákňování
HYBRIDNÍ NITĚ
Modifikace elektrostatického zvlákňování
BIKOMPONENTNÍ VLÁKNA
Modifikace elektrostatického zvlákňování
VNÁŠENÍ PRÁŠKŮ MEZI NANOVLÁKNA
Modifikace elektrostatického zvlákňování
NANOKOMPOZITNÍ VLÁKNA
Modifikace elektrostatického zvlákňování
NANOKOMPOZITNÍ VLÁKNA
Přídavek CNTs of 0,01hm% -20hm%.
! Zvýšení viskozity
Zvýšení pevnosti elektrostaticky
zvlákněných nanovláken.
Zvýšení tepelné odolnosti.
Zvýšení elektrické vodivosti.
Atd.
Elektrostatické zvlákňování
APLIKACE NANOVLÁKEN
Filtrace, sanace
Zdravotnictví (tkáňové inženýrství, kryty ran, řízené dodávání léčiv)
Ochranné oděvy, respirátory,
Stavebnictví a automobilový průmysl - zvuk pohltivé materiály
...
Elektrostatické zvlákňování
APLIKACE NANOVLÁKEN
Kompozitní materiály - klasické
VÝZTUŽ – POUZE ELSPIN NANOVLÁKNA
První práce
• KIM & RENEKER (1997-1999)
nanovlákna: PBI
matrice: epoxidová pryskyřice a pryž
• Bergshoef & Vancso (1999)
nanovlákna: PAD 4,6
matrice: epoxidová pryskyřice
Elektrostatické zvlákňování
APLIKACE NANOVLÁKEN
Kompozitní materiály - klasické
Hlavní problémy
2
1) Kompletní impregnace
2) Manipulace s nanovlákenným
materiálem samotným
3
1
Řešení
Ad1. Ultrazvuk
Ad2. Vypínání na rámeček
Impregnace nanovlákenných materiálů
kapalnými matricemi: a) pro kapaliny s
nízkou viskozitou, b) pro kapaliny s
vysokou viskozitou. 1 –nanovlákenný
materiál, 2 – kapka matrice, 3 –
ultrazvukový měnič, 4 – ultrazvukový
generátor.
Elektrostatické zvlákňování
APLIKACE NANOVLÁKEN
Kompozitní materiály - klasické
Transparentnost
Charakter fólie
Zjišťování mechanických vlastností spočívalo ve zkoušce v pevnosti v
tahu dle normy EN ISO 527 – 3
s epoxidovými matricemi - delaminace, žádná synergie.
s polyesterovou matricí – lepší synergie než u epoxidové matrice
s akrylátovým pojivem - nejlepší synergie (7x nárůst pevnosti oproti samotné
nanovlákenné vrstvě, 4x oproti pevnosti samotné vytvrzené matrice.
Obsah vláken v kompozitech:
s epoxidovými matricemi byl 15% hmotnostních a 9 % objemových.
s polyesterovou matricí 17% hmotnostních.
s akrylátovým pojivem 34% hmotnostních a 31% objemových.
•KIM & RENEKER (1997-1999)
nanovlákna: PBI +matrice: epoxidová pryskyřice 3-15wt%
• Bergshoef & Vancso (1999)
nanovlákna: PAD 4,6 + matrice: epoxidová pryskyřice – 4,6 wt%
Reálné použití???
Elektrostatické zvlákňování
APLIKACE NANOVLÁKEN
Kompozitní materiály - klasické
VÝZTUŽ
PRIMÁRNÍ - KLASICKÉ VLÁKENNÉ MATERIÁLY
SEKUNDÁRNÍ – ELSPIN NANOVLÁKNA
SKLENĚNÁ NETKANÁ TEXTILIE
POLYESTEROVÁ PRYSKYŘICE
PVA nebo PAN nanovlákna
Ruční laminace
The set of samples for three-point test consisted of: (i) primary reinforcement presented by glass nonwoven
fabric made from fibers with a diameter of 12 μm; the linear density of roving was 30 tex, the surface mass was
300 g/m2, provided by company Ahlstrom; (ii) secondary reinforcement with fibers of small diameter –PVA II,
PAN; and resin matrix – polyester resin Viapal.
Elektrostatické zvlákňování
APLIKACE NANOVLÁKEN
Kompozitní materiály - klasické
Tříbodový test
Samples
Average
Blind samples
PAN without US
PAN with US
PVA without US
PVA with US
[N/mm2]
27,06
30,87
32,73
26,57
26,67
σmax
Standard
deviation
[N/mm2]
2,10
1,03
1,13
2,24
1,81
Average
σILSS
[N/mm2]
2,71
3,09
3,27
2,66
2,67
Total fiber
content
[wt%]
37,5
32,3
33,8
28,0
29,3
Total fiber
content
[vol%]
26,9
24,7
26,7
21,9
23,9
Elektrostatické zvlákňování
APLIKACE NANOVLÁKEN
Kompozitní materiály - klasické
Uhlíková vlákna
PAN nanovlákna
Epoxidová pryskyřice
Ruční laminace a využití vakua (vacuum pressing)
Unidirectional carbon
fabric before (a) and
after (b) the
electrospinning
Elektrostatické zvlákňování
APLIKACE NANOVLÁKEN
Kompozitní materiály - klasické
Dynamické zkoušky
40% nárůst energie perforace
Falling dart impact tests (I-FDIT)
Material
carbon fiber
composite
hybrid
composite
Maximum
Time at
Perforation
Total
Index of
force
maximum force
energy
energy
ductility
[N]
[ms]
[J]
[J]
[-]
1045±30
1.57
1.25±0.11
7.52
0.165
1056±73
1.82
1.76±0.13
6.90
0.254
Děkuji za pozornost !
Ing. Eva Košťáková
Technická univerzita v Liberci
Fakulta textilní
Katedra netkaných textilií
Studentská 2
46117 Liberec
[email protected]
Download

Elektrostatické zvlákňování