Přednáška č.7

Larysa Ocheretna

Vlákna anorganická. Ostatní umělá vlákna

1. Anorganická vlákna• Skleněná• Horninová• Uhlíková

2. Speciální vlákna:• Pokovená vlákna• Bikomponentní vlákna (konjugovaná)• Nanovlákna

Obsah

Chemická vlákna – rozdělení

Chemická vlákna

Z přírodního polymeru

Celulózová

Z rostl. bílkovín

Ze živ. bílkovín

Z přír. kaučuku

Ze syntetického polymeru

Polyamidová

Polyesterová

Polyakrylová

Polyuretanová

Polyetylenová

Polypropylenová

Anorganická

Z minerálů

Z kovů

Speciální

Konjugovaná

Dutá

Vysocesorpční

Anorganická vlákna – rozdělení

Anorganická

Z minerálů

Z kovů

: Skleněná, horninová, uhlíková apod.

: Kovová ↔ Pokovená

Skleněná vlákna – získání

Sklářský kmen (směs kysličníku:

křemičitý 50-60%, vápenatý 15-20%,

hlinitý 5-10%)

Tantalové trysky(oscilační hořáky)

Sdružování vláken

Lubrikace (snižuje adhezí, není vhodná pro

kompozity)

Tavicí vana, T=1200°C

Fénický rybař, Egejské moře

Skleněná vlákna – výroba kompozitů (laminátů)

měděná folie laminát

NT

tkanina

Skleněná vlákna – použití

• Kompozitní materiály (lamináty) pro:

• automobilový průmysl,• letecký průmysl,• lodní průmysl.

• Izolační materiály• Spotřební zboží • Komunální služby• Nepoužívají se v oděvních

výrobcích – podráždění pokožky (zákaz praní)

Zdroj: http://www.esa.int/Our_Activities/Technology/Glass_fibre_for_splinting_teeth

Podpůrné zubní pásky a kolíky: Dentapreg (CZ) – 19 zemí

Skleněná vlákna – použití

Zdroj: http://furniture.trendzona.com/category/interior-design/page/29

• Vlhké prostory;• Tapetování stropů – nebezpečí

popraskání;• Odolnost vůči mechanickému

poškození, ohni;• Životnost až 30 let;• Omezená barevnost;• Komplikované odstranění;• Dodržení bezpečnosti práce při

instalaci tapet (poškození pokožky, oči apod.).

Horninová vlákna (čedičová)

Nehořlavá vlákna – automobilový, letecký průmysl..• 1923 – Paul Dhé, první pokus vyrobit čedičové vlákno (Spojené státy), patent• Po Druhé světové válce – Spojené státy, Evropa, Rusko – armáda (střely), letectví• 1995 – široký spektrum využití čedičového vlákna

1 – drcení horniny2 – dávkovač I3 – dopravní systém4 – dávkovač II 5 – tavicí zóna I6 – tavicí zóna II7 – tryska 8 – lubrikace9 – sdružování vláken10 – napínání vlákna11 – navíjení

Horninová vlákna (čedičová)

• Nádoby pro skladování přírodního plynu• Brzdové špalíky• Lopatky věterných mlýnů• Surfovací desky• Automobilový průmysl• Letecký průmysl

Horninová vlákna (čedičová) – použití

Uhlíková vlákna

• Nejtužší a nejpevnější textilní vlákno (mechanické zkoušky: ohyb, namáhání v podélném směru), křehká při stlačování (obtížné pojení); nízká hustota – malá hmotnost, využití – výztuž kompozitních materiálů• Složení – atomy uhlíku, struktura – grafit •1958 – Roger Bacon – karbonizace celulózového vlákna, 20% uhlíku (nízká pevnost a tuhost).• Zač. 1960 – použití PC, 55% uhlíku

Raketoplán Kolumbie

Uhlíková vlákna - výroba

Oxidace a následně – termická pyrolýza PC prekursoru

akrylonitrilPřetržení vodíkových vazeb a oxidace PC

Grafitizace ~ 2000°C (karbonizace): pec, plynová atmosféra(argon, dusík) – přestavba vnitřní striktury

Uhlíková vlákna - vzhled

5-10 µm

22

17

1614

5

26

Letectví (trupy a křídla letadel)

Větrné genrátory (rotory apod.)

Kompozity různých druhů (vojenské a civilní lodě, nádrže na plyn)

Sportovní nářadí (čluny, gol-fové hole, skluznice lyží)

Auto (nárazníky, části karoserií)

Ostatní

Uhlíková vlákna – použití

Oblast použití Rok Cena, $/kg

Letectví 1985 120

2000 40

Automobilový průmysl (nižší obsah uhlíku, nižší pevnost)

2000 15-30

Uhlíková vlákna – produkce

Světová produkce uhlíkových vláken2009

Charakteristika a výrobce úhlikových vláken

Vlákno/prekurzor Pevnost v tahu, GPa

Modul pružnosti, Gpa

Tažnost, %

Výrobce

Karbonizované / PC (95% uhlíku)

5,5 250 1,9 Toray, Japonsko

Grafitované / PC (99% uhlíku)

4,4 377 1,2 Toray, Japonsko

-/- / VS (99% uhlíku) 1,2 100 0,5 Sohim, Bělorusko

Nanovlákno (0,2µm) 7,0 600 0,5 Applied Science, USA

S-sklo 4,5 85 5,7 Agy, USA

Anorganická vlákna – kompozity

Zdroj: http://edu-support.blogspot.com/2012/07/basic-workshop-technology-engineering.html

Anorganická vlákna – hmotnost vs. cena

Vlákna pokovená

Zákaz žehlení

Kovová vlákna

70% bambus 30% stříbro

55% stříbro45% polyamid 82% bavlna

17 % měděná vlákna1% stříbro

• Radiofrekvenční stínění: wi-fi, radary, mikrovlny, TV vysílání apod.

• Využití: záclony, závěsy, „nebesa“, oděvy

• Radiofrekvenční stínění • Využití: pyžama, košile,

závěsy

• Radiofrekvenční stínění

• Stínění elektrického pole

• Vysoký stupeň uzemnění

• Statický výboj

BIKOMPONENTNÍ (KONJUGOVANÁ) VLÁKNA

Side-by-side bikomponentní vlákna

Převážně 2 komponenty, v profilu jsou zřejmé 2 nebo více odlišných oblastí

1. Různá sráživost komponent – samovolná obloučkovitost;

2. Různé teploty tání – pojení NT;3. „Rozdělitelná“ vlákna – ohýbání přes

ostrou hranu nebo rozpouštění jedné z komponent

s/s typ

Dobrá adheze

Přírodní vlákno typu s/s?

Side-by-side bikomponentní vlákna

Matrix-fibril bikomponentní vlákna

Vhodné pro výrobu mikrovláken. „Ostrovy“ - polymery s dobrou zvlákňovací schopností (PA 6.6, PL, PP), „moře“ – vodě rozpustné polymery (polyvinylalkohol) – rozdílné PS m/f typ

Matrix-fibril / Islands-in-the-sea

Matrix-fibril bikomponentní vlákna

Nano- a mikrovlákna

Sheath-core bikomponentní vlákna

Jedná z komponent (jádro) je zcela obklopena druhou komponentou (plášť)

Jádro – stabilita (snížení ceny)Plášť – specielní vlastnosti: lesk, barvitelnost...

1. Tvar trysky2. Potahování jiným polymerem (procházení

roztokem)3. Zvlákňování kopolymeru do koagulační lázni,

obsahující jiný polymers/c typ

Adheze není podstatná

Sheath-core bikomponentní vlákna

1, 2 – extruder

3 – zvlákňovácí článek (2

trysky nad sebou)

13 – komora z proudícím

studeným vzduchem

Sheath-core bikomponentní vlákna

1. Pojivo pro výrobu NT, první komerční aplikace – výroba koberců, čalounictví

2. Vlastnosti pláště

Sheath-core bikomponentní vlákna

Segmentové (pie) struktury vláken

PL + PA 6.616 segmentů, pavučina je podstoupena intenzivnímu proudění vzduchu nebo vody – rozštěpení vláken na segmenty, spojení pavučiny

Ulehčení rozštěpení Ulehčení procesu mykání

Segmentové (pie) struktury vláken

?

?

Nano – jedna miliardtina základní jednotky (x10-9)Nanovlákno – vlákno, které má průměr 50-500 nm (<1000nm)1882 – sprejování v elektrostatickém poli (Lord Rayleigh).1902 – Cooley a Mortonem – patent procesu elektrostatického zvlákňování1934 – první pokusy o výrobu nanovláken – technologie elektrostatického

zvlákňování (electrospinning – spol. Formhals, US patent).1959 – první vize nanotechnologií (Richard Feynman). K masovému využití

technologie ani vláken nedošlo z důvodu složitosti výroby v průmyslovém meřítku.

1964-1969 – Taylor pracuje na teoretickém popisu procesu elektrostatického zvlákňování (Taylorův kužel).

'90 – přehled polymeru vhodných ke zvlákňování (Reneker and Rutledge).2003 – TUL (FT, KNT) – patentována technologie průmyslové výroby

nanovlákenných materiálů. Název technologie: NanospiderTM.

Nanovlákna Zvětšení 1000x

Nanovlákna

Předpokládaný vývoj nanotechnologiíVědecké práce a patenty zabývající se elektrostatickým

zvlákňováním

Základní výzkum

Aplikovaný výzkum

První komerční výrobky

Rychlýtechnol. pokrok

Masový trh81% - USA 7% - Korea

6% - Německo 6% - jiné

Elektrostatické zvlákňování

A – injekční stříkačkaB – elektroda (kapilára – zvlákňování tryska) C – zdroj vysokého napětíD – vláknaE – kolektor

Produkt – vlákenná pavučina (NT) – omezené aplikace

Elektrostatické zvlákňování (angl. electrospinning) – proces využívající elektrostatických sil k utváření jemných vláken z polymerního roztoku nebo taveniny.

Elektrostatické zvlákňování

Rotující kolektor (velká rychlost otáčení)

Elektrostatické zvlákňování

Elektrostatické zvlákňování - NANOSPIDER

• Zvlákňování bez kapilár a trysek• Produkce: 1 – 5 g*min-1*m-1

• Polymery: roztoky, taveniny• Průměr vláken 100 – 300 nm

• Malý průměr vláken – velký měrný povrch.• Nízká hmotnost - váží pouze 0,1 – 1 g/m2 (něco

malo prez 1 g nanovláken by opásalo Zemi v rovníku).

• Vysoce orientované krystalické oblasti ve vnitřní struktuře vláken – vysoká pevnost (kdyby bylo vlákno silné jako malíček na ruce dítěte, dokázalo by udržet

šestnáct afrických slonů).

Nanovlákna - vlastnosti

• Kompozitní materiály (transparentnost)• Filtrační / separační materiály (výší filtrační efektivita)• Zvukopohltivé materiály• Kosmetika• Ochranné oděvy (páropropustná, zároveň nepropustná pro chemikálie)• Solární, světelné plachty• Aplikace pesticidů na rostliny• Nanoelektrické aplikace: nanovodiče, polem řízené tranzistory, ultra malé

antény• Nosiče chemických katalyzátorů• Vodíkové nádrže pro palivové články • Biomedicína (většina lidských tkání jsou v nanovlákennych formách a

strukturách)• Umělé orgány• Tkáňové inženýrství• Krevní cévy• Systémy cíleného doručení léčiv• Obvazoviny (bakteriální štíty, prevence jizev)• Dýchací masky/roušky

Nanovlákna – použití (aplikace)