Nanotextilie v průmyslové praxi

Nanotextilie jsou tvořeny nanovlákny, jejichž průměr je menší než 1 mikrometr, obvykle 50–500 nm. Takto tenká vlákna, jejichž rozměry řádově odpovídají počtu několika atomů, lze vidět pouze pod elektronovým mikroskopem. Na Technické univerzitě v Liberci (TUL) byla před několika lety vynalezena a patentována technologie Nanospider, která umožňuje průmyslovou výrobu netkaných nanotechnologií na bázi elektrospiningu. Princip výroby spočívá ve vytahování nanovláken z polymerního roztoku v silném elektrostatickém poli. Výhradním partnerem TUL pro další rozvoj technologie se stala společnost Elmarco, která současně získala exkluzivní licenci na výrobu a prodej zařízení Nanospider. O podrobnější informace jsme požádali Ing. Ladislava Mareše, jednatele společnosti Elmarco.

MM: Co předcházelo zahájení průmyslové výroby nanovláken? Jak dlouho trvala cesta od výzkumu k průmyslové praxi?

L. Mareš: Na počátku byla myšlenka profesora Jirsáka a jeho týmu a velmi jednoduché laboratorní zařízení s deseticentimetrovou elektrodou vyrábějící diskontinuálně nanovlákna. Už to byl velký krok k produkci nanovláken ve velkém, ale ještě bylo potřeba vyřešit řadu technických problémů, aby stroj mohl být použit v průmyslové výrobě. Kromě vyřešení technologie nepřetržité výroby bylo nutno prodloužit elektrodu, která je jádrem zařízení, na 1,6 m, upravit ji pro použití v příslušných systémech a také vyřešit bezpečnost. Nejdéle trvalo vyřešení dlouhodobého provozu stroje při zaručení stabilních parametrů výstupu. I tak ale byl skok od výzkumu k průmyslové praxi velmi rychlý. Za rok a půl byl hotov první průmyslový stroj, který převzal zákazník z USA.

MM: V čem spočívá unikátnost výrobního zařízení Nanospider pro výrobu netkaných nanotextilií?

L. Mareš: Toto výrobní zařízení umožňuje výrobu nanovláken v průmyslovém měřítku, variabilitu průměru nanovláken i hmotnosti vrstvy nanovláken, profesionální řešení problémů adheze, použití širokého spektra polymerů jako vstupní suroviny i použití různých podkladových materiálů. Další předností Nanospideru je mechanická jednoduchost a snadná údržba. Výroba nanovláken je při jeho užití mnohem snazší a provozní náklady jsou nízké.

MM: Kolik již bylo těchto zařízení vyrobeno a kde všude pracují? O kolik různých typů nebo modifikací se jedná?

L. Mareš: Bylo vyrobeno více než 40 zařízení od malých laboratorních strojů až po dvoumodulovou průmyslovou linku. Pracují po celém světě. Okruh uživatelů technologie Nanospider, kterou vyvinula společnost Elmarco spolu s libereckou Technickou univerzitou, je dnes tvořen více než třemi desítkami zákazníků. S řadou významných společností pak máme podepsány dohody o dalším vývoji zařízení pro nejrůznější aplikace – od filtrace pro automobily až po obvazový materiál. Navíc máme vlastní kompetenční centra pro EU, USA a Asii, která v daném teritoriu nabízejí v reálném čase služby a produkty Elmarca.

MM: Kolik je ve světě dalších výrobců nanotextilií?

L. Mareš: V současnosti je to několik málo firem. Nanospider však vyrábíme jako jediní a jsme také držiteli světového patentu na tuto technologii.

MM: Jaké jsou charakteristické vlastnosti nanotextilií? Jak jsou pevné? Lze je použít samostatně, nebo jen ve spojení s nějakou podkladovou vrstvou?

L. Mareš: Nanovlákno má průměr pouhých několik desítek až tisíc atomů. Je tak malé, že jej lze pozorovat pouze elektronovým mikroskopem. Unikátní jsou právě jeho vlastnosti.

Díky svým rozměrům mají nanovlákna obrovský měrný povrch, přitom váží pouze 0,1–1 gram na metr čtvereční. Další výhodou nanotextilií je vysoká pórovitost, malé velikosti pórů, dále transparentnost a také vynikající mechanické vlastnosti v poměru k jejich hmotnosti. Přitom vzhledem k nízké hmotnosti pro jejich výrobu postačuje poměrně malé množství polymerů. I když jsou některé polymery drahé, nanovlákno vyjde relativně levně, řádově na jednotky až desítky korun na metr čtvereční.

Pro některé aplikace se používají nanovlákenné materiály o plošných hmotnostech v řádech od setin gramů, které je možno zachytit pomocí podkladového materiálu, až po vrstvy v řádech desítek gramů, které jsou aplikovatelné samostatně.

MM: Jak vlastně taková nanotextilie vypadá? Lze rozpoznat výrobek obsahující nanotextilii například hmatem?

L. Mareš: Výrobky obsahující nanotextilie jsou na dotek velmi jemné, hedvábné.

MM: Z jakých materiálů obecně lze nanovlákna připravit? Jak se liší vlastnosti nanotextilií z plastů a anorganických materiálů? Liší se i jejich aplikační oblasti?

L. Mareš: Nanovlákenné materiály byly připraveny z mnoha různých polymerů. V současné době jsme zvládli výrobu více než 40 různých nanovlákenných materiálů. Použité materiály jsou specificky připraveny pro různé aplikační možnosti. Například chceme-li vyrobit nanotextilii napomáhající hojení ran na a v lidském těle, musíme zvolit vhodný polymer (nejlépe biokompatibilní a nebo biodegradabilní), protože tyto materiály musejí splňovat náročné normy a požadavky (např. FDA atest). Rozdíly mezi anorganickými nanovlákennými materiály a polymerními jsou zásadní. Liší se z hlediska tepelné odolnosti, ale i fyzikálně chemických vlastností.

MM: Jaký je rozdíl mezi přípravou nanovláken z roztoků a z tavenin?

L. Mareš: Hlavní rozdíl je v tom, že při výrobě nanovláken z tavenin se neuvolňují žádné škodlivé emise. Vlastnosti takto získaných materiálů se příliš neliší. Pro zvlákňování z taveniny je potřeba speciální polymer, a tím jsou i omezena použití v některých oborech.

MM: Co jsou to nanokompozity a jak se svými vlastnostmi liší od tradičních kompozitních materiálů?

L. Mareš: Oblast nanovlákenných kompozitů je na počátku vývoje, a zatím nemůžeme sdělit podrobnosti. Předpokládáme, že se významně zvýší pevnost těchto kompozitních materiálů.

MM: Jednou z hlavních oblastí použití nanotextilií v průmyslu je filtrace vzduchu. Jaké jsou v tomto směru možnosti a co přinese nasazení nanotextilií například v automobilovém průmyslu?

L. Mareš: Použití nanovláken pro filtraci vzduchu je v současné době jejich nejrozšířenějším využitím. Je vyzkoušeno, že nasazení nanovlákenných filtrů do turbín a motorů významně zvyšuje životnost motorů. Kombinace filtrace vzduchu, paliva a olejů přinese kromě zmíněné prodloužené životnosti i úspory paliva.

Kabinové filtry s nanovlákennou vrstvou zlepšují čistotu interiéru vozu a přinášejí vyšší komfort zejména pro alergiky a lidi citlivé na prach, pyly apod.

MM: Další zajímavou aplikační oblastí je protihluková ochrana. Jaké výhody zde použití nanotextilií přináší a jak se liší jejich akustické vlastnosti od vlastností běžně používaných materiálů?

L. Mareš: Akustické vlastnosti materiálů s nanovlákny jsou výrazně lepší než akustické vlastnosti stávajících materiálů a jejich hmotnost je přibližně třetinová, což přináší úsporu hmotnosti, například u praček a myček.

MM: Jak je to s dostupností nanotextilních materiálů? Jsou již k dispozici pro běžné průmyslové aplikace?

L. Mareš: Naše technologie je schopna vyrobit většinu nanovlákenných materiálů. V současnosti jsou ve stadiu testování všechny zmíněné aplikace.

MM: Kam je zaměřen další vývoj technologie?

MM: Přeji hodně dalších úspěchů a děkuji za rozhovor.

Za MM Průmyslové spektrum se ptal Pavel Marek

pavel.marek@mmspektrum.com