Nanovlákenné materiály pro průmyslovou praxi

Mým hostitelem byl ředitel Jan Buk, který mě seznámil s řadou unikátních řešení. Současně mi však připomněl, že společnost Pardam se specializuje na vývoj produktů pro konkrétní zákaznické aplikace a vývoj nového produktu tak vždy probíhá ve spolupráci s určitým konkrétním partnerem. „V této oblasti je složité vyvinout nový produkt a pak se snažit najít jeho odbyt,“ uvádí mne do obrazu Jan Buk. „Používáme unikátní technologie a připravujeme jedinečné strukturované materiály. Nastavení parametrů proto musí odpovídat požadavkům dané aplikace.“

Jednou z hlavních oblastí, kde se nanovlákenným materiálům otevírá široké pole působnosti, je filtrační technika. Z polymerních nanovláken se zhotovují filtrační membrány, jejichž vývoj probíhá s ohledem na požadovanou specifikaci. Ta zahrnuje například požadavek na záchyt konkrétních typů a velikostí částic, velikosti průtoků či pevnost a chemickou odolnost vlastní membrány. Přitom se volí vhodný polymer, z něhož se nanovlákna vyrábějí, dále krycí (podkladové) materiály a způsob laminace (spojování membrán). V neposlední řadě je k tomu potřeba odladit příslušnou výrobní technologii.

Konkrétním příkladem takovéto aplikace je nanovlákenná filtrační membrána, která byla od roku 2014 vyvíjena pro španělského obchodního partnera, firmu Astralpool. V rámci tohoto projektu byl po dvou letech práce uveden na trh nový výrobek – kartušový bazénový filtr Nanofiber, jehož základem je právě nový typ filtrační membrány. Jejím účelem je zachycení mechanických nečistot z bazénové vody a jedním ze základních požadavků na vývoj filtračního materiálu přitom bylo, aby na něm nerostly řasy. „Nanovlákenné materiály zde přinášejí řadu výhod,“ vysvětluje Jan Buk. „Při vývoji však nelze vzít standardní řešení kartušového filtru a použít ho. Filtr je nutné s ohledem na unikátní vlastnosti nanovlákenné membrány překonstruovat. To ostatně platí obecně pro každou aplikaci nanovlákenných materiálů.“ Nanovlákenná filtrační membrána má vyšší filtrační účinnost, což ovšem také znamená, že se rychleji zanáší. V daném případě proto bylo třeba vymyslet, jak filtrační membránu regenerovat, tedy jakým způsobem provádět její oplach.

Nová nanovlákenná membrána zachytí nečistoty od velikosti 5 μm, zatímco v bazénové technice dosud běžně používané pískové filtry jsou schopny zachytit částice od velikosti 20 μm. Oproti nim je filtr s nanovlákennou filtrační membránou také mnohem menší, lehčí a má menší tlakovou ztrátu, takže pro filtraci postačuje menší čerpadlo, které spotřebuje méně energie. Navíc na regeneraci filtru stačí menší množství vody. Filtrační kartuš vydrží v provozu nejméně jednu sezonu.

Čistit je potřeba nejen vodu. Výhod polymerních nanovlákených filtračních membrán lze využít i v potravinářství, například pro filtrování vína. Společnost Pardam obdržela za nanovlákennou filtrační membránu Riftelen N15 pro potravinářský a farmaceutický průmysl ocenění Vizionář roku 2016 udělované sdružením Czechinno. Její vývoj proběhl ve spolupráci s výrobcem deskových filtrů pro potravinářský průmysl, českou firmou Filtrex. Cílem byla náhrada celulózových filtračních desek, které sice splňují přísné požadavky pro styk s potravinami, ale jinak mají řadu nevýhod – jsou poměrně křehké, takže se v provozu mohou snadno poškodit, nelze je regenerovat, mají velkou tlakovou ztrátu, a navíc mohou v produktu zanechávat pachuť. Vývoj byl zahájen v roce 2014 a jeho výsledkem je polymerní nanovlákenná membrána laminovaná speciální technologií, která má certifikát pro styk s potravinami. Riftelen N15 je již na trhu a používá se pro filtraci vína, při lisování olejů, výrobě farmaceutik a pro filtrování alkoholu. Aktuálně se testuje filtrace piva a fritovacích olejů.

A jaké jsou výsledky? „Všichni zákazníci, kteří se zúčastnili testů, používají už jenom naše membrány. I když pořizovací cena Riftelenu je vyšší než celulózových desek, ve finále uživatel ušetří spoustu peněz, času a energie,“ uvádí Jan Buk. Membránu lze totiž proplachovat, a tedy používat opakovaně – podle typu filtrovaného produktu vydrží 15 až 30 cyklů. K dalším výhodám Riftelenu N15 patří menší tlaková ztráta (garantovaný průtok je 150 l.m-2.min^-1), snadná instalace bez nutnosti použití těsnění, vysoká mechanická odolnost a kromě toho tato membrána nezanechává v produktu pachuť. Membrány Riftelen N15 jsou rozděleny podle tloušťky nanovlákenné vrstvy do několika filtračních tříd a jsou schopny odfiltrovat částice od velikosti 0,45 μm.

Na základě získaných zkušeností je tato membrána testována i v dalších aplikacích, například při čištění průmyslových odpadních vod.

Dalším dlouhodobým projektem, na němž Pardam spolupracuje se společností Deza, je vývoj respirátorů na bázi polymerních nanovlákenných materiálů. Respirátory slouží k ochraně uživatele před vlivy okolního prostředí a používají se v armádě, v chemickém průmyslu, u hasičů nebo ve zdravotnictví. Během dvou let vývoje se ladil především způsob laminace, resp. pojení nanovlákenné filtrační membrány na další materiály tak, aby při zachování velké prodyšnosti bylo dosaženo požadované filtrační účinnosti.

Některé nanomateriály lze kombinovat i se sorpčními materiály nebo katalyzátory. Při jejich vývoji zabralo nejvíce času najít správné technologie pojení těchto materiálů, aby vznikl požadovaný kompozit. U respirátoru potom může být nanovlákno funkcionalizováno antibakteriálním katalyzátorem. To znamená, že bakterie zachycené respirátorem dále nerostou a jsou katalyzátorem inaktivovány – kromě mechanické filtrace je tak možné zajistit i filtraci antibakteriální a antimikrobiální. Nanovlákno lze kombinovat rovněž s aktivním uhlím, čímž lze odstranit nejen pachy, ale i některé chemické látky. „Antibakteriální respirátory bychom chtěli od jara letošního roku nabízet do onkologických center pro pacienty,“ říká Jan Buk a pokračuje: „Respirátory kombinující nanovlákno s aktivním uhlím jsou zase vhodné pro chirurgy – ti totiž při operacích vdechují i anestetika, jimiž jsou pacienti udržováni ve spánku, a to zvyšuje jejich únavu. Tyto respirátory jsou schopné anestetika odfiltrovat.“ Další výhodou nanovlákenných respirátorů je, že jsou prodyšné, takže se v nich člověk nepotí, a k dispozici je opět několik filtračních tříd.

Na těchto principech vzniklo několik dalších filtračních materiálů, které kombinují různé podkladové nebo krycí vrstvy s nanovlákennými membránami. Jedním z nich je antibakteriální HEPA filtr (z angličtiny – high efficiency particulate air filter), vhodný opět pro operační sály, nemocnice nebo veřejné budovy. Tyto filtry díky katalyzátoru navázanému na struktuře nanovláken nezarůstají bakteriemi a plísněmi.

Kromě membrán lze vytvářet i polymerní nanovlákenné vatovité 3D struktury, které se mohou uplatnit jako sorbenty pro zachycování těžkých kovů z vody. Takový materiál byl již vyvinut ve spolupráci s jednou francouzskou firmou, ale zatím je poměrně drahý. Proto se pracuje na úpravě výrobní technologie s cílem zvýšení výrobní kapacity a zlevnění materiálu tak, aby měl šanci na komerční úspěch.

Využití v praxi nacházejí také anorganická nanovlákna. Pro firmu HE3DA, která se zabývá vývojem lithioiontových 3D baterií, byl vyvinut separátor na bázi anorganických nanovláken. V současné době se hledá způsob jak jeho výrobu zlevnit, aby měl šanci na komerční použití.

„Nedávno jsme obdrželi dva patenty na dva nové materiály na bázi oxidu křemičitého,“ říká Jan Buk. „Jeden vznikl ve spolupráci s pardubickou univerzitou a vyznačuje se velkým měrným povrchem 800 m2 na gram materiálu – představte si, že na kávové lžičce můžete mít 800 m2 povrchu!“ Díky tomu je tento materiál velmi vhodný například pro sorpci vlhkosti. „Výhodou našeho druhého typu materiálu na bázi SiO₂ je, že se zhotovuje z velmi levného prekurzoru a výrobní kapacita je oproti standardním nanovlákenným materiálům asi čtyřnásobná,“ pokračuje Jan Buk. „Tím se dostáváme na akceptovatelnou cenu. Tento materiál je vyvíjen právě pro bateriové separátory.“

Dalším projektem, na němž Pardam ve spolupráci s partnery pracuje, jsou katalyzátory na bázi nanovláken. Katalytická nanovlákna nebo nanovlákna dotovaná katalyzátorem jsou schopna odbourávat NOx nebo VOC (těkavé organické látky) z odpadního vzduchu. Výhodou nanovláken v těchto aplikacích je opět jejich velký povrch, a pokud se funkcionalizují katalyzátorem, lze ušetřit až 70 % drahého katalyzátoru (např. platiny či palladia). Další výhodou jsou malé tlakové ztráty. V současnosti jsou tyto katalyzátory v souladu s chystanou legislativou EU testovány u malých spalovacích motorů, které se používají například v motorových pilách, sekačkách či křovinořezech. Lze je využít i u motorů malých dvoustopých vozidel.

Tím možnosti aplikací anorganických nanovláken zdaleka nekončí. Vývoj probíhá například v oblasti palivových článků, testují se různé kompozity, jako například vyztužování betonu pomocí anorganických nanovláken, velký potenciál je i v dentálních aplikacích, různých senzorech apod.

Aktuálně se pracuje na nové technologii pro výrobu organických nanovláken z tavenin. „Tato technologie je vhodná pro chemicky odolné polymery jako polypropylen nebo polyester, které nelze zvláknit standardní technologií s použitím rozpouštědel,“ vysvětluje Jan Buk. „Uvedené materiály se tedy roztaví v extrudéru a následně zvlákní.“ Očekává se, že první produkty budou uvedenou technologií vyrobeny již koncem tohoto roku. Díky tomu bude možné používat nanovlákenné filtry i v náročných aplikacích vyžadujících chemicky odolné membrány.

Pavel Marek, Roudnice nad Labem. Foto: autor

pavel.marek@mmspektrum.com

www.pardam.com