Vývoj, výroba a aplikace nanovlákenných materiálů

Abych se mohl pokusit alespoň zčásti odpovědět na tuto otázku a poodhalit roušku tajemství, která nanomateriály obestírá, vypravil jsem se do Roudnice nad Labem navštívit firmu Pardam, která nanomateriály vyrábí v průmyslovém měřítku. Přesněji řečeno, zabývá se vývojem a výrobou v oblasti nanovlákenných materiálů. I vlastní slovo nanomateriály je totiž poměrně široký pojem.

V kanceláři průmyslové budovy z 90. let minulého století mě přijal výrobní ředitel společnosti Jan Buk, který mě ochotně seznámil se situací v oboru. „V roce 2009 byla založena firma Kertak Nanotechnology s cílem průmyslové výroby anorganických nanovláken,“ vysvětluje Jan Buk. „Firem vyrábějících nanovlákenné materiály v průmyslovém měřítku totiž není ve světě mnoho. Představa vlastníků tehdy byla, že se zakoupí vhodná technologie a budou se produkovat požadované materiály. Vše ale bylo ve skutečnosti mnohem složitější. Dokonce ani firma sama to neměla jednoduché – jelikož za sebou neměla žádnou historii, byl problém dosáhnout na případnou podporu z dotačních programů. Proto byly vývoj a výroba nanovlákenných materiálů převedeny na firmu Pardam, což původně byla obchodní firma našich vlastníků založená v roce 1997. Jelikož si však Kertak Nanotechnology mezitím ve svém oboru udělal dobré jméno, zajišťoval obchod a marketing.“

„Původně jsme začínali v prostorách Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského,“ pokračuje Jan Buk. „Zde jsme měli pronajaté kanceláře a laboratoře, pak jsme se přestěhovali do Nového Města na Moravě. Objekt, který jsme tam měli pronajatý, nám ale ne zcela vyhovoval. Problémem byly hlavně nestabilní klimatické podmínky, špatná konstrukce samotné haly, jakož i nedostatek kvalifikovaných pracovních sil v místě a horší dostupnost. Proto jsme koncem loňského roku část výroby přestěhovali do Roudnice nad Labem.“

Firma Pardam se specializuje především na vývoj a výrobu anorganických nanovlákenných materiálů a je jednou z mála firem na světě, která je vyrábí v průmyslovém měřítku. Jak mi vysvětlil pan Buk, ve světě je daleko běžnější výroba nanočástic, které se vyrábějí ve stovkách tun ročně. K jejich nevýhodám však patří obtížná manipulace a tendence ke shlukování a nalepování se díky jejich velkému povrchovému napětí. Naproti tomu s anorganickými nanovlákennými materiály se manipuluje mnohem lépe (mohou mít například formu vaty) a ty pak díky své struktuře poskytují pro určité aplikace řadu výhod. Jejich výroba je však náročnější, a jsou proto výrazně dražší – cena za 1 gram nanovlákenných materiálů se pohybuje v řádu jednotek až desítek eur. Využití proto nacházejí zejména v takových aplikacích, kde přinášejí výraznou přidanou hodnotu. Druhou oblast, kde je konkurence již trochu větší, představují organické „polymerní“ nanovlákenné materiály, které se dodávají v podobě membrán.

Jak se brzy ukázalo, idea výroby nanovlákenných materiálů, s níž byla firma zakládána, je během na dlouhou trať. Jen samotné odladění výrobních technologií pro širší produktovou řadu trvalo dva roky. Současně bylo nutné zaměřit velké úsilí nejen na vývoj vlastních nanovlákenných materiálů, ale i jejich aplikací, neboť nedílnou součástí vývoje těchto materiálů je vytipování vhodné oblasti aplikací, kde se mohou uplatnit. Ve spolupráci s obchodním partnerem pak následuje vývoj konkrétní aplikace, přičemž probíhá ladění materiálu pro danou aplikaci a vývoj technologického zapracování materiálu do této aplikace. Teprve potom se vyvinutý a vyrobený nanomateriál dostává na trh.

Současný objem výroby firmy Pardam představuje desítky až stovky kilogramů nanovlákenných materiálů ročně. Jejich výroba je založena na zvlákňování materiálu z polymerního roztoku. Pro výrobu nanovláken se využívají dvě technologie. Původně firma začínala s technologií elektrospiningu, která je dosud využívána pro laboratorní účely, případně pro výrobu některých materiálů. Princip metody spočívá v tom, že ve vaničce s polymerním roztokem se otáčí elektroda a tím na sebe nabírá polymer. Nad ní je umístěna druhá elektroda, jejímž prostřednictvím jsou z polymeru elektrostaticky vytahována vlákna, která jsou deponována na textilii umístěné před druhou elektrodou, a pomalu se posouvá.

Pro výrobu většiny druhů nanovlákenných materiálů v průmyslovém měřítku se však jako vhodnější ukázala technologie forcespinningu, kdy je roztok pro výrobu nanovláken přiváděn do zvlákňovací hlavy, která se otáčí vysokými otáčkami. Působením odstředivé síly materiál miniaturními tryskami tryská ven a v podobě nanovláken je opět deponován na textilii umístěnou tentokrát pod zvlákňovací hlavou. Předností této technologie je, že je rychlejší, levnější a ekologičtější, přičemž stačí řídit méně procesních parametrů než v případě elektrospinningu.

Výrobní zařízení doplňuje analytická laboratoř, v jejímž vybavení nechybí elektronový mikroskop, XRD (rentgenová difrakce), BET (měření měrného povrchu sorbcí dusíku), dále laboratoř pro přípravu polymerních roztoků a tzv. špinavá laboratoř (ve skutečnosti ovšem i ta zářila čistotou), kde se nachází box pro balení nanomateriálů, a dále různá pomocná zařízení, jako sušárny, mlýn, třepačky, míchačky apod.

Nanomateriály se obecně rozumí takové materiály, které mají alespoň jeden rozměr menší než 100 nm. „V případě nanovlákenných materiálů jsou rozměry ve skutečnosti trochu větší,“ uvádí mne do reality pan Buk. „Průměr vláken bývá mezi 150 až 800 nm. Správněji bychom tedy měli hovořit o submikronových vlákenných materiálech.“

Anorganické nanovlákenné materiály firma Pardam dodává pod značkou NnF CERAM. Tyto materiály mívají formu prášku nebo vaty. Jedná se především o oxidy různých kovů, například Al2O3, TiO2, Li4Ti5O12, SiO2, ZrO2, CeO2, ITO, WO3, nebo kombinace s některými dalšími prvky (Y, La). Tyto nanomateriály se vyznačují velkým povrchem, vysokou pórozitou, dobrou prodyšností, velkým poměrem plochy k objemu a stabilní strukturou. Použití nacházejí v řadě aplikací, například jako anody nebo katody Li-Ion baterií, pro separátory v Li-Ion bateriích nebo palivových článcích, katalyzátory, senzory plynů, tepelné izolátory, kovové nebo keramické nanokompozity, vysoušeče, abraziva, povlaky pro tepelné bariéry, filtry aj.

Kromě nich Pardam pod značkou NnF MBRANE vyrábí polymerní nanovlákenné materiály. Ty se při výrobě deponují na nosnou podložku a zpracovávají do tvaru membrány. V aplikacích se pak používají i s touto podložkou, kterou může být například prodyšná textilie, nebo se od ní oddělí a využívá se čistě nanovlákenná membrána. Pro jejich výrobu se používají PUR, PA6, PAN, PET, PVDF, PCL nebo PVB. Polymerní nanovlákenné materiály se vyznačují vynikající prodyšností v kombinaci s velmi malými póry a používají se obvykle jako filtrační či separační materiály. Tyto materiály je možno dále obohacovat („dopovat“) různými funkčními nanočásticemi a přidávat jim tak ještě další funkci (antibakteriální atd.).

Pro bližší představu mi pan Buk přiblížil několik projektů, na nichž se společnost Pardam podílí. Prvním příkladem je vývoj polymerní filtrační membrány pro čištění vody v domácích bazénech. Ty jsou použity v kartušových filtrech s automatickým proplachem, které nahrazují běžně používané pískové filtry. Výhodou je vyšší účinnost, menší velikost a snadná údržba. Vývoj vlastní membrány zde trval více než rok. V současnosti ještě probíhají testy a očekává se, že příslušný filtr bude k dispozici zákazníkům od příštího roku.

Podobnou aplikací je vlastní projekt čištění vody ve veřejných bazénech. Cílem je ušetřit náklady spojené s výměnou vody, její chemickou úpravou a ohřevem. U 25metrového bazénu tyto úspory mohou dosáhnout až 50 000 Kč měsíčně. Aplikace je testována v Sokolském bazénu v Praze, další instalace se připravuje v krytém bazénu v Roudnici nad Labem.

Následující aplikace jsou z jiného soudku. V loňském roce firma Pardam společně s Ústavem fyzikální chemie Josefa Heyrovského podala patent, který se týká aplikace nanovlákenných materiálů v katalyzátorech, kde tyto materiály přinášejí velmi zajímavé katalytické vlastnosti. V současné době se hledá partner, který by se zabýval výrobou katalytických reaktorů na bázi nanovláken.

Další patent byl podán společně s Masarykovou univerzitou v Brně a Ústavem analytické chemie Akademie věd v Brně. Jedná se o aplikaci nanovlákenných materiálů v analytických špičkách (pipetkách) pro selektivní vychytávání peptidů pro spektrometrickou analýzu v lékařském výzkumu. Výsledky mohou být zajímavé pro určování příčin onemocnění.

Jinou zajímavou aplikací je vývoj separátoru pro 3D Li-Ion baterii na bázi anorganických nanovláken, který by nahradil současné polymerní separátory s omezenou teplotní odolností a přispěl tak k vyšší bezpečnosti těchto zdrojů energie. Na tomto projektu společnost Pardam spolupracuje s českou firmou HE3DA. Pardam se také účastní evropského projektu MAT FLEX END koordinovaného Fraunhoferovým institutem v Berlíně, jehož cílem je vývoj tenkovrstvé Li-Ion baterie. Nanovlákenné materiály se zde uplatňují jednak jako anodový materiál, jednak v piezoelektrickém článku pro nabíjení této baterie.

V rámci projektu pod taktovkou TAČR probíhá vývoj sorpčního materiálu pro odstraňování vlhkosti na bázi nanovláken SiO2, na němž Pardam spolupracuje s Pardubickou univerzitou. Díky obrovskému povrchu má nanovlákenný materiál násobně vyšší sorpční vlastnosti než běžně používaný silikagel. Nanovlákenné materiály mohou být užitečné také při čištění odpadních vod, dekontaminaci půdy nebo vody anebo v boji s bakteriemi.

Pardam se kromě samotné výroby nanovlákenných materiálů zaměřuje především na konkrétní aplikace a optimalizaci parametrů nanovláken pro danou aplikaci, tedy na produkci s co nejvyšší přidanou hodnotou. „Všechno jsou to úžasné materiály, ale málo lidí s nimi zatím dokáže pracovat. Nalezení vhodných aplikací je proto základem úspěchu,“ dodává pan Buk.

Foto: Pardam
Pavel Marek, Roudnice nad Labem

pavel.marek@mmspektrum.com

www.pardam.cz