Nano- a mikrovlákna bude možné vyrobit kdekoliv
Na Technické univerzitě v Liberci (TUL) vyvinuli prototyp mobilního zařízení Fiber Flow, které účinkem odstředivé síly zvlákňuje roztoky polymerů a může prakticky kdekoliv vyrobit nano- i mikrovlákna.
Ze spolupráce výzkumníků a studentů tří fakult katedry netkaných textilií a nanovlákenných materiálů Fakulty textilní TUL (KNT FT) a katedry textilních a jednoúčelových strojů Fakulty strojní TUL (KTS FS), kdy na vývoji řízení se podílel také Ústav mechatroniky a technické informatiky Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií (FM TUL), vznikl prototyp Fiber Flow. Podle vedoucího katedry textilních a jednoúčelových strojů Fakulty strojní TUL docenta Martina Bílka má toto mobilní zařízení hlavní aplikační potenciál v oblasti medicíny, ale uplatnění najde i v potravinářství nebo zemědělství. V červnu na letošním veletrhu Invent Arena 2024 mu odborná porota udělila zlatou medaili. V současné době výzkumníci hledají možnosti financování k dokončení poslední fáze vývoje a na trh se je chystá uvést česká technologická firma NanoSpace Technology, která se zaměřuje na nanotechnologie použitelné v každodenním životě.
Na počátku byly volejbalové míče a přání obléci do nanovláken modelku
První nápad využít ke zvlákňování polymerů odstředivou sílu vznikl v roce 2015 na katedře netkaných textilií a nanovlákenných materiálů Fakulty textilní TUL, kde docent Pavel Pokorný řešil v rámci projektu TAČR se svým týmem problém firmy Gala Prostějov, která chtěla nanovlákna dostat do své technologie výroby volejbalových míčů.
„Nanovlákna vyrobená elektrickým zvlákňováním však snižovala kvalitu povrchu míčů a výroba touto technologií nebyla v daných podmínkách zcela bezpečná. Proto jsme experimentovali s odstředivým zvlákňováním. Je to v podstatě princip výroby cukrové vaty, ale my jsme potřebovali, aby vlákna ze zvlákňovacího zařízení létala v ose otáčení. K tomu jsme použili dva neplatné americké patenty z první poloviny minulého století a vyrobili zařízení o průměru 315 mm. Jako materiál jsme tehdy použili kanalizační trubku z běžně dostupného materiálu. Na Fakultě strojní pak doktor Josef Skřivánek se svým týmem toto zařízení bravurně překonstruoval. Projekt jsme úspěšně zakončili a firma toto zařízení používá dodnes pro vylepšení návinů volejbalových míčů,“ říká docent Pokorný.
Prototyp zařízení byl také představen v rámci prezentace Asociace nanotechnologického průmyslu ČR na festivalu Future Port Prague 2019 s představou o aplikaci nanovlákenných materiálů pro kosmetické a dermatologické aplikace. A jak s úsměvem vzpomíná docent Pokorný, v roce 2017 tímto postupem zvlákňování oblékli na návrh docenta Svatoslava Krotkého z katedry designu FT TUL do nanovláken polyvinyl butyralu modelku a přispěli tak originálně k oslavám 25 let oboru Textilní a oděvní návrhářství a 15 let studijního zaměření Sklo a šperk na FT TUL. „K realizaci nápadu docenta Krotkého jsme mohli přistoupit jen s pomocí zvlákňování odstředivou silou. Pobyt v elektrickém poli při elektrostatickém zvlákňování by totiž modelky nemusely přežít,“ vysvětluje.
Lehce přenosné zařízení
Jedno z prvních mobilních zařízení na výrobu nano- a mikrovláken, které je na světě dostupné, kompletně vyrobili na Fakultě strojní TUL. K vylepšení konstrukce výrazně přispěli i studenti, kteří se podíleli na vývoji zařízení v rámci svých závěrečných prací i ročníkových projektů. I díky jejich zapojení se podařilo zmenšit průměr, a tím ještě snížit hmotnost zařízení, které má nyní hmotnost necelých 8 kg.
Srdce zařízení tvoří rotující zvlákňovací hlava (spinereta), do které se vhodným způsobem dávkuje roztok polymeru, a na vnějším obvodu spinerety, kde je nutné překonat povrchové napětí roztoku, pak vznikají tenké výtrysky, ze kterých se následně tvoří samotná nano- nebo mikrovlákna. Odstředivá síla musí mít určitou velikost danou otáčkami, jež se odvíjejí od průměru zařízení a od parametrů roztoku.
„K tomu, abychom vlákna dopravili na požadované místo či objekt, slouží ventilátor umístěný na konci zařízení. Průtok vzduchu, který díky ventilátoru unáší vlákna z přístroje na konkrétní objekt, musí vyvinout takovou rychlost, aby vlákna nezůstávala uvnitř přístroje. Nedílnou součástí zařízení je dávkovací systém, tedy přivedení roztoku do spinerety, ze kterého kolmo k ose rotace následně vznikají vlákna. Roztok polymeru teče po vnitřní straně spinerety, ta se otáčí, odstředivou silou se polymer z té hrany odtrhuje a proud vzduchu unáší vznikající vlákna požadovaným směrem,“ říká člen vývojového týmu Ing. Josef Skřivánek, Ph.D., z katedry textilních a jednoúčelových strojů FS TUL.
Fiber Flow zvládne více rozdílných typů polymerů než elektrické zvlákňování
Podle vedoucího katedry textilních a jednoúčelových strojů docenta Martina Bílka je liberecké zařízení Fiber Flow revoluční rovněž v tom, že se jím dají pokrývat 3D struktury ze všech směrů a prakticky kdekoliv.
„Výhodou je, že ke zvlákňování není zapotřebí vysoké napětí, a celý proces je proto zcela bezpečný. Podstatné také je, že při odstředivém zvlákňování nedochází k narušení a degradaci polymeru, jak se často stává při elektrickém zvlákňování. Odstředivé zvlákňování je navíc natolik robustní, že dokáže zvláknit materiály, které elektrickým zvlákňováním zvláknit nelze. Na současné úrovni vývoje již můžeme konstatovat, že technologie odstředivého zvlákňování je výkonnější a dokáže zvláknit větší množství rozdílných typů polymerů než elektrické zvlákňování — ať působením stejnosměrného, nebo střídavého proudu,“ říká s tím, že v současné době na Fiber Flow zvlákňují zatím výhradně vodné roztoky polymerů (tedy polymery, které jsou rozpustné ve vodě, jako je například polyvinylalkohol, hydroxyethylcelulóza, polypyrrol atd.).
Odstředivým zvlákňováním vzniká specifická nanovlákenná struktura
Při zvlákňování stejnosměrným proudem se vytvářejí přímá rovná vlákna a rovné homogenní vrstvy. Pod střídavým proudem naopak vznikají kudrnatá vlákna a vrstvy jsou nadýchané a kypré. Odstředivým zvlákňováním se tvoří v zásadě rovná vlákna, ale vrstvy jsou spíše kypré než hladké.
Navíc je podle doktora Skřivánka možné nastavením procesních parametrů vytvářet směs mikro- a nanovláken. To, že je možné recepturou roztoku, otáčkami, dávkováním množství roztoku do spinerety a proudem vzduchu určovat, zda ve výsledném materiálu bude více nano-, nebo mikrovláken, považuje za výhodu pro určité aplikace Mgr. Jan Buk z firmy NanoSpace Technology.
„Nedá se říci, zda je lepší elektrické, nebo odstředivé zvlákňování, protože každá technologie má své výhody i nevýhody a je vhodnější pro určitou aplikaci. Elektrospinning je bezesporu perfektní pro filtrační materiály, ale Fiber Flow nemá ambice tyto materiály vyrábět. Tím, že jsou vrstvy z odstředivého zvlákňování nadýchanější, jsou i prodyšnější, a tím, že jsou silnější, lze poměrně rychle vyrobit bariéru o potřebné tloušťce. To je slibné třeba pro aplikaci kožních krytů a krytů ran. Do silnější vrstvy také můžeme zapracovat aktivní látky, aniž by degradovaly, jak se to stává u elektrospinningu. To je nesporná výhoda pro určité aplikace, pro které není síla vláken podstatná,“ říká Mgr. Jan Buk z firmy, která má dlouholeté zkušenosti se všemi technologickými postupy zvlákňování a která se chce podílet na dalším společném vývoji zařízení Fiber Flow i na optimalizaci zvlákňovacích roztoků pro tento princip.
Vývoj by měl pokračovat, hledají se finanční zdroje
Širšímu využití nanovláken v běžném životě brání zatím složité a drahé zvlákňování. Cílem výzkumného týmu je podle doktora Skřivánka vyrobit nanovlákna levně, jednoduše a bezpečně. A to odstředivé zvlákňování splňuje. Zařízení Fiber Flow podle něj ve své podstatě ověřilo princip odstředivého zvlákňování i v laboratorním měřítku a liberečtí výzkumníci jsou přesvědčeni, že by výsledky jejich vývoje neměly skončit v šuplíku. Proto hledají finanční zdroje, aby mohli v práci pokračovat, a z tohoto důvodu podali žádost o finanční podporu na CLUTEX — klastr technické textilie [odvětvové sdružení spolupracujících podniků — pozn. red.], aby v rámci kolektivního výzkumu mohli tuto myšlenku dále rozvíjet.
„Zařízení máme zatím v laboratoři a není uzpůsobené k tomu, aby nanovlákna produkovalo průmyslově. Proto nás čeká další výzkum a vývoj zaměřený zejména na jeho optimalizaci. S další generací Fiber Flow bychom navíc měli být schopni zvlákňovat nejen polymery rozpustné ve vodě, ale i další typy polymerů rozpustných v organických rozpouštědlech. Chceme, aby zařízení sneslo i agresivní látky. Jediné omezení pak bude, aby byl materiál vláknotvorný a měl vhodné vlastnosti. Naší vizí je další zmenšení konstrukce a vývoj bateriového provozu, aby zařízení už nepotřebovalo pro vlastní provoz připojení do elektrické sítě a mohlo se s ním pracovat kdekoliv v terénu. Také se zaměříme na možnost zvýšení teploty v procesu. Zatím zvlákňujeme při pokojové teplotě, zvýšení teploty by výrobu nanovláken zefektivnilo a také by se tím mohl ovlivňovat průměr vláken,“ konstatuje docent Bílek s tím, že pro další vývoj získala liberecká univerzita další partnery, kteří jsou členy klastru CLUTEX: VÚTS Liberec a firmu NanoSpace Technologie.
Šancí na další rozvíjení této myšlenky je fakt, že klastr plánuje požádat o podporu projektů kolektivního výzkumu v rámci Operačního programu Technologie a aplikace pro konkurenceschopnost (OP TAK), a jedním z předkládaných témat bude právě i návrh a realizace zařízení Fiber Flow.
Redukce rozměrů ovlivní aerodynamické poměry procesu zvlákňování
Na dalším vývoji konstrukce bude, pokud to finanční situace dovolí, spolupracovat liberecká univerzita s vývojovým týmem VÚTS Liberec. Společně budou pracovat na mechanické a elektronické části, na vývoji bateriového napájení, optimalizaci proudění vzduchu a elektronickém řízení jednotlivých subsystémů zařízení. Cílem je podle Ing. Jaromíra Ficka z VÚTS celkové zmenšení konstrukce, aby zařízení bylo kompaktní, dalo se přenášet, aby bateriový pohon byl dostatečně účinný a aby i při zmenšení konstrukce bylo možné zvlákňovat potřebné množství roztoku.
„To není úplně jednoduché. Nelze si myslet, že když něco funguje v určitém měřítku, bude to automaticky fungovat i zmenšené. Redukce rozměrů ovlivní aerodynamické poměry procesu zvlákňování, které ale můžeme řešit pomocí kombinace výpočtů a experimentů. V aerodynamice neplatí lineární poměry při zmenšování a vzhledem k tomu, že se jedná se o řadu aerodynamických a hydromechanických vlivů, musíme počítat s tím, že menší konstrukce bude komplikovanější po aerodynamické stránce,“ říká doktor Ficek s tím, že v počáteční fázi se pro konstrukci v počtu jednotek bude zřejmě využívat především aditivních technologií. Pokud by se objevilo více zájemců, bylo podle něj možné využít plastové formy.
Cílem je i optimalizace zvlákňovacího procesu a komercionalizace
Společně s KNT FT bude firma NanoSpace Technology pracovat na optimalizaci polymerních roztoků, aby se spolehlivě v mobilním zařízení zvlákňovaly, a také zařízení upgradovat, aby zvlákňovalo nejen vodné, ale i chemicky agresivnější roztoky.
„My pak v rámci společného výzkumu budeme mít ještě na starosti úpravy designu a následně distribuci a komercionalizaci produktu. Díky liberecké firmě Elmarco, ale i dalším výrobcům elektrického zvlákňování je po celém světě spousta akademických i komerčních týmů, které se zabývají vývojem nanovláken a jejich aplikacemi. Většinou mají k dispozici elektrospinning, který je dražší a má určitá bezpečnostní omezení, protože je do značné míry limitovaný působením vysokého napětí. To znamená, že ho musí obsluhovat vyškolený pracovník, a pokud se použije mobilní přístroj, například pro nanášení nanovláken na kůži, zvyšuje bolest pacienta. Další limit je vysoká citlivost na vlhkost, takže je nutné pracovat v kontrolovaném prostředí. Také výkon je při odstředivém zvlákňování vyšší, protože jsme schopni pracovat s koncentrovanějšími roztoky,“ podotýká Mgr. Jan Buk a prozrazuje, že se už rýsují kontakty na zájemce o tuto alternativní bezpečnou technologii, která eliminuje nevýhody elektrospinningu a otvírá pole pro nové aplikace.
V rámci spolupráce panuje shoda, že v první fázi by se mělo zařízení dodávat na univerzity a do výzkumných týmů, aby se hledaly další aplikace a přispělo se tak k tomu, aby se zajímavé aplikace v konkrétních oborech využívaly. Přidanou hodnotu nanovláken vidí magistr Buk v jejich funkci jako nosičů pro aktivní látky a pro tuto funkci je podle něj nová technologie vhodná.
„A pokud se bavíme o biodegradabilních materiálech a přírodních polymerech, umím si do budoucna představit, že se Fiber Flow bude využívat nejen v domácnostech, ale třeba i v zemědělství při ochraně rostlin a plodů před plísněmi, protože zdraví neškodná vrstva nanovláken nepustí k plodům plísně, ale pustí k nim vzduch a vlhkost. Pokrýt nanovlákny bude možné ale třeba i poraněnou pokožku a využít je například i na ochranu chirurgických nástrojů. Takto vyrobená nanovlákna by se mohla v budoucnu využít na výrobu obvazů, ale třeba také posloužit jako kryt do oken proti pylům a prachu atd.,“ vypočítává možnosti nové technologie Mgr. Buk.
A jak uzavírá docent Bílek, je úkolem společného výzkumu na základě stávajících zkušeností vyvinout univerzální zařízení, které dokáže vyrábět vlákna z téměř jakéhokoliv polymeru. Jeho výhodou bude to, že se bude moci bezpečně přenášet, a bude si ho tak moci koupit jakákoliv laboratoř, firma či jednotlivec, v podstatě kdokoliv, kdo si najde vhodnou aplikaci.
Foto: J. Kočárková a archiv TUL