Metode izdelave nanovlaken

Obstaja več različnih metod izdelave NV, kot so metoda risanja (angl. drawing), metoda ločevanja faz (angl. phase separation), modelna sinteza (angl. template synthesis), izpihovanje taline (angl. melt blowing), metoda samozdruževanja (angl. self-assembly) in ES. Običajno je izbira metode pogojena z naravo polimera iz katerega želimo izdelati NV (7). Daleč najpogosteje uporabljena metoda za izdelavo NV je ES, ki je podrobneje predstavljena v nadaljevanju.

1.2.3.1 Elektrostatsko sukanje

ES je vsestranska, enostavna in enostopenjska metoda, pri kateri s pomočjo elektrostatskih sil iz raztopine ali taline polimerov izdelamo trdna NV (6, 7). Zaenkrat se uporablja v raziskovalne namene, omogoča pa tudi neprekinjeno proizvodnjo NV v industrijskem merilu. Naprava za ES je sestavljena iz batne tlačilke, brizge s kovinsko iglo (šobo), vira visoke električne napetosti in ozemljenega zbirala, kot je prikazano na sliki 2.

Slika 2: Shematski prikaz osnovnih delov naprave za ES. (A) batna tlačilka, (B) brizga, (C) polimerna raztopina ali raztopina drugega ustreznega materiala ali talina polimera, (D) vir visoke električne napetosti, (E) elektroda pritrjena na prevodno šobo/iglo, (F) ozemljeno zbiralo (14).

Brizgo, vpeto v batno tlačilko, napolnimo z raztopino/talino polimera, ki teče skozi šobo, ki je priključena na izvor visoke električne napetosti. Generator električnega polja med konico igle in zbiralom ustvari električno polje in uvede naboj v polimerno raztopino. Na konici igle se ustvari nabita kapljica, ki se čez čas zaradi delovanja elektostatskih sil in sil površinske napetosti, preoblikuje v tako imenovan Taylorjev stožec. S povečevanjem električne napetosti, elektrostatske sile premagajo površinsko napetost na kapljici, kar povzroči podaljšanje Taylorjevega stožca in nastanek nabitega curka, ki pospešeno potuje

9

proti ozemljenemu zbiralu. Kot lahko vidimo na sliki 2 curek polimerne raztopine (taline) na poti do zbirala vijuga, saj je podvržen nestabilnosti, kar je posledica elektrostatskih odbojnih sil med enako nabitimi funkcionalnimi skupinami verig polimera. Med potovanjem se curek tanjša in daljša (razteza), hkrati pa izhlapi topilo, ki smo ga uporabili za pripravo raztopine. Na zbiralu se zbirajo trdna NV, katerih urejenost je odvisna od vrste zbirala, ki ga uporabimo. Potek ES in morfologija nastalih NV sta odvisna od številnih parametrov, ki jih v grobem lahko razdelimo na formulacijske, procesne in okoljske, ki so predstavljeni na sliki 3 (7).

Slika 3: Shematska razdelitev parametrov, ki vplivajo na lastnosti elektrostatsko sukanega produkta. Puščica

↑ ali ↓ pomeni, da se premer NV poveča/zmanjša, če povečamo dotični parameter (7).

Z optimizacijo zgoraj naštetih parametrov lahko izdelamo kakovostna NV z želenimi lastnostmi in brez neželenih struktur, kot so na primer vozli. Pri izdelavi sta zelo pomembni ustrezna koncentracija polimerne raztopine in molekulska masa polimera. Če ta dva parametra nista ustrezna, lahko namesto gladkih NV nastajajo NV z vozli ali NV sploh ne nastanejo, ampak le (nano)delci. Koncentracija polimera mora biti dovolj visoka, da pride do prepletanja polimernih verig. Polimernih raztopin z nizko prevodnostjo ne moremo elektrostatsko sukati, medtem ko so raztopine s previsoko prevodnostjo nestabilne pri višjih napetostih, kar vodi v večje vijuganje polimernega curka na poti do zbirala in nastanka NV z vozli. Izbrano topilo ali mešanica topil mora imeti dovolj visoko dielektrično konstanto, da lahko izdelamo tanka NV. Običajno za ES uporabimo napetost med 5 kV in 40 kV, pri čemer visoka napetost poveča raztezanje nabitega curka, kar omogoča nastanek tanjših vlaken. Po drugi strani pa se z večanjem električne napetosti

Formulacijski parametri

•električna napetost ↓

•pretok raztopine ↑

•razdalja med konico šobe in zbiralom -

•geometrija zbirala (planarni kolektor, vrteči valj)

Procesni parametri

•vrsta polimera -

•koncentracija polimera ↑

•molekulska masa polimera

↑

•interfacialna viskoznost ↑

•prevodnost raztopine ↓

•površinska napetost -

•dielektrična konstanta topila ↓

Okoljski parametri

•temperatura ↑ ali ↓

•relativna vlažnost ↓

10

poveča masni pretok raztopine polimera, kar se odraža v nastanku debelejših vlaken.

Pretok raztopine je odvisen predvsem od hlapnosti izbranega topila, pri čemer bolj hlapna zahtevajo višje pretoke, posledica tega pa je pogosto nastanek debelejših vlaken, saj je v curku več polimera. Razdalja med konico igle in zbiralom mora biti dovolj velika, da lahko topilo med potovanjem curka do zbirala popolnoma izhlapi, saj v nasprotnem primeru nastanejo debelejša vlakna, ki se lahko zlepijo ali pa pride do tvorbe polimernega filma na zbiralu. Pomembno vlogo ima tudi vrsta zbirala, ki vpliva na urejenost NV. V primeru uporabe planarnega zbirala izdelamo naključno urejena vlakna z mrežasto strukturo, urejenost NV pa se poveča z uporabo zbirala v obliki vrtečega valja. Med samim procesom ES moramo vzdrževati ustrezno temperaturo in relativno vlažnost v prostoru, kjer poteka ES. Višja temperatura lahko pospeši izhlapevanje topila in tako nastanejo debelejša vlakna, hkrati pa lahko povzroči zmanjšanje viskoznosti polimerne raztopine in nastanek tanjših NV. Povečanje relativne vlažnosti omogoča, da se curek počasneje suši oz. dlje časa razteza, zato nastanejo tanjša NV (7).

Za ES lahko uporabimo enostavno enokanalno šobo, ki omogoča izdelavo homogenih enoslojnih NV, medtem ko lahko z uporabo koaksialne šobe izdelamo večslojna ali obložena NV, največkrat dvoslojna z zgradbo jedra in ovojnice. Koaksialna šoba je sestavljena iz koncentrično urejenih kapilar, ki so vstavljene ena v drugo (najpogosteje šobo sestavljata dve kapilari). Raztopini za jedro in ovojnico dovajamo ločeno, vsako iz svoje brizge, s pomočjo dveh batnih tlačilk, v stik pa prideta na koncu šobe, kjer nastane curek, ki potuje proti zbiralu in iz katerega nato nastajajo dvoslojna NV. Proces nastajanja vlaken je precej podoben kot pri uporabi enokanalne šobe, kjer se po tem, ko priključimo vir visoke električne napetosti, ustvari kapljica zunanje raztopine, ki se zaradi delovanja elektrostatskih privlačnih in odbojnih sil podaljša. To povzroči, da se raztegne tudi notranja raztopina in skupaj tvorita sestavljen Taylorjev stožec, iz katerega se razvije dvoslojni curek, ki pospešeno potuje proti zbiralu. Parametri, ki vplivajo na morfologijo izdelanih NV so podobni, določitev optimalnih vrednosti posameznih parametrov oziroma njihovih kombinacij pa je bolj kompleksna (7).

1.2.3.2 Sukanje pod vplivom centrifugalne sile in visokega tlaka

Sukanje pod vplivom centrifugalne sile in visokega tlaka (PG) je nedavno razvita metoda, ki hkrati združuje sukanje pod vplivom centrifugalne sile in izpihovanje raztopine polimera za izdelavo večjih količin homogenih nano- ali mikrovlaken. Napravo za PG sestavlja

11

cilindrična aluminijasta posoda, ki ima na površini številne odprtine premera približno 0,5 mm (slika 4). Posoda je priključena na električni motor, ki omogoča vrtenje posode do 36000 vrtljajev/minuto, na vrhu posode pa je pritrjena cev za dovod plina. Med vrtenjem posode se predhodno napolnjena polimerna raztopina prične iztiskati skozi odprtine posode v obliki curka. Centrifugalna sila povzroči raztezanje in tanjšanje curka, iz katerega med potovanjem do stene zbiralne komore izhlapi topilo in tako omogoči nastanek trdnih NV.

Za razliko od ES omogoča proizvodnjo NV v večjem merilu (angl. scale-up) in brez uporabe visoke napetosti. Tako kot pri ES so tudi pri PG lastnosti NV odvisne od formulacijskih, procesnih in okoljskih parametrov (15, 16).

Slika 4: Prikaz dovoda plina pod tlakom in sestavnih delov naprave za izdelavo NV s PG.