Transcript TZ1_07_Ostatni chemicka vlakna_2013

Přednáška č.7
1. Anorganická vlákna
• Skleněná
• Horninová
• Uhlíková
2. Speciální vlákna:
• Pokovená vlákna
• Bikomponentní vlákna (konjugovaná)
• Nanovlákna
Chemická vlákna
Z přírodního
polymeru
Ze syntetického
polymeru
Anorganická
Celulózová
Polyamidová
Z minerálů
Konjugovaná
Z rostl. bílkovín
Polyesterová
Z kovů
Dutá
Ze živ. bílkovín
Polyakrylová
Z přír. kaučuku
Polyuretanová
Polyetylenová
Polypropylenová
Speciální
Vysocesorpční
Anorganická
Z minerálů
Z kovů
: Skleněná, horninová, uhlíková apod.
: Kovová ↔ Pokovená
Fénický rybař, Egejské moře
Tavicí vana, T=1200°C
Tantalové trysky
(oscilační hořáky)
Sklářský kmen
(směs kysličníku:
křemičitý 50-60%,
vápenatý 15-20%,
hlinitý 5-10%)
Lubrikace
(snižuje adhezí,
není vhodná pro
kompozity)
Sdružování vláken
NT
tkanina
měděná folie
laminát
• Kompozitní materiály (lamináty)
pro:
• automobilový průmysl,
• letecký průmysl,
• lodní průmysl.
•
•
•
•
Izolační materiály
Spotřební zboží
Komunální služby
Nepoužívají se v oděvních
výrobcích – podráždění pokožky
(zákaz praní)
Podpůrné zubní pásky a kolíky:
Dentapreg (CZ) – 19 zemí
Zdroj:
http://www.esa.int/Our_Activities/Technology/Glass_fib
re_for_splinting_teeth
• Vlhké prostory;
• Tapetování stropů – nebezpečí
popraskání;
• Odolnost vůči mechanickému
poškození, ohni;
• Životnost až 30 let;
• Omezená barevnost;
• Komplikované odstranění;
• Dodržení bezpečnosti práce při
instalaci tapet (poškození pokožky,
oči apod.).
Zdroj: http://furniture.trendzona.com/category/interior-design/page/29
Nehořlavá vlákna – automobilový, letecký průmysl..
• 1923 – Paul Dhé, první pokus vyrobit čedičové vlákno (Spojené státy), patent
• Po Druhé světové válce – Spojené státy, Evropa, Rusko – armáda (střely), letectví
• 1995 – široký spektrum využití čedičového vlákna
1 – drcení horniny
2 – dávkovač I
3 – dopravní systém
4 – dávkovač II
5 – tavicí zóna I
6 – tavicí zóna II
7 – tryska
8 – lubrikace
9 – sdružování vláken
10 – napínání vlákna
11 – navíjení
•
•
•
•
•
•
Nádoby pro skladování přírodního plynu
Brzdové špalíky
Lopatky věterných mlýnů
Surfovací desky
Automobilový průmysl
Letecký průmysl
• Nejtužší a nejpevnější textilní vlákno (mechanické zkoušky: ohyb, namáhání v
podélném směru), křehká při stlačování (obtížné pojení); nízká hustota – malá
hmotnost, využití – výztuž kompozitních materiálů
• Složení – atomy uhlíku, struktura – grafit
•1958 – Roger Bacon – karbonizace celulózového vlákna,
20% uhlíku (nízká pevnost a tuhost).
• Zač. 1960 – použití PC, 55% uhlíku
Raketoplán Kolumbie
Oxidace a následně – termická pyrolýza PC prekursoru
Přetržení vodíkových
vazeb a oxidace PC
Grafitizace ~ 2000°C (karbonizace):
pec, plynová atmosféra
(argon, dusík) – přestavba vnitřní
striktury
akrylonitril
5-10 µm
Letectví (trupy a křídla
letadel)
22
26
Větrné genrátory (rotory
apod.)
5
17
Kompozity různých druhů
(vojenské a civilní lodě,
nádrže na plyn)
Sportovní nářadí (čluny,
golfové hole, skluznice lyží)
Auto (nárazníky, části
karoserií)
14
16
Ostatní
Oblast použití
Rok
Cena, $/kg
Letectví
1985
120
2000
40
2000
15-30
Automobilový průmysl (nižší obsah
uhlíku, nižší pevnost)
Světová produkce uhlíkových vláken2009
Vlákno/prekurzor
Pevnost v
tahu, GPa
Modul
pružnosti, Gpa
Tažnost,
%
Výrobce
Karbonizované / PC
(95% uhlíku)
5,5
250
1,9
Toray, Japonsko
Grafitované / PC
(99% uhlíku)
4,4
377
1,2
Toray, Japonsko
-/- / VS (99% uhlíku)
1,2
100
0,5
Sohim, Bělorusko
Nanovlákno (0,2µm)
7,0
600
0,5
Applied Science, USA
S-sklo
4,5
85
5,7
Agy, USA
Zdroj: http://edu-support.blogspot.com/2012/07/basic-workshop-technology-engineering.html
Zákaz žehlení
82% bavlna
17 % měděná vlákna
1% stříbro
• Radiofrekvenční stínění:
wi-fi, radary, mikrovlny, TV
vysílání apod.
• Využití: záclony, závěsy,
„nebesa“, oděvy
55% stříbro
45% polyamid
• Radiofrekvenční
stínění
• Stínění
elektrického
pole
• Vysoký stupeň
uzemnění
• Statický výboj
70% bambus
30% stříbro
• Radiofrekvenční stínění
• Využití: pyžama, košile,
závěsy
Převážně 2 komponenty, v profilu jsou
zřejmé 2 nebo více odlišných oblastí
Dobrá adheze
1. Různá
sráživost
komponent
–
samovolná obloučkovitost;
2. Různé teploty tání – pojení NT;
3. „Rozdělitelná“ vlákna – ohýbání přes
ostrou hranu nebo rozpouštění jedné z
komponent
s/s typ
Přírodní vlákno typu s/s?
Matrix-fibril / Islands-in-the-sea
Vhodné pro výrobu mikrovláken. „Ostrovy“ - polymery
s dobrou zvlákňovací schopností (PA 6.6, PL, PP),
„moře“ – vodě rozpustné polymery (polyvinylalkohol)
– rozdílné PS
m/f typ
Nano- a mikrovlákna
Jedná z komponent (jádro) je zcela obklopena
druhou komponentou (plášť)
Adheze není podstatná
Jádro – stabilita (snížení ceny)
Plášť – specielní vlastnosti: lesk, barvitelnost...
s/c typ
1. Tvar trysky
2. Potahování jiným polymerem (procházení
roztokem)
3. Zvlákňování kopolymeru do koagulační lázni,
obsahující jiný polymer
1, 2 – extruder
3 – zvlákňovácí článek (2
trysky nad sebou)
13 – komora z proudícím
studeným vzduchem
1. Pojivo pro výrobu NT, první komerční aplikace – výroba
koberců, čalounictví
2. Vlastnosti pláště
PL + PA 6.6
16 segmentů, pavučina je podstoupena
intenzivnímu proudění vzduchu nebo vody –
rozštěpení vláken na segmenty, spojení pavučiny
Ulehčení rozštěpení
Ulehčení procesu mykání
Zvětšení 1000x
Nano – jedna miliardtina základní jednotky (x10-9)
Nanovlákno – vlákno, které má průměr 50-500 nm (<1000nm)
1882 – sprejování v elektrostatickém poli (Lord Rayleigh).
1902 – Cooley a Mortonem – patent procesu elektrostatického zvlákňování
1934 – první pokusy o výrobu nanovláken – technologie elektrostatického
zvlákňování (electrospinning – spol. Formhals, US patent).
1959 – první vize nanotechnologií (Richard Feynman). K masovému využití
technologie ani vláken nedošlo z důvodu složitosti výroby v průmyslovém
meřítku.
1964-1969 – Taylor pracuje na teoretickém popisu procesu elektrostatického
zvlákňování (Taylorův kužel).
'90 – přehled polymeru vhodných ke zvlákňování (Reneker and Rutledge).
2003 – TUL (FT, KNT) – patentována technologie průmyslové výroby
nanovlákenných materiálů. Název technologie: NanospiderTM.
Vědecké práce a patenty
zabývající se elektrostatickým
zvlákňováním
81% - USA
6% - Německo
7% - Korea
6% - jiné
Předpokládaný vývoj nanotechnologií
Základní
výzkum
Aplikova První
Rychlý
ný
komerční technol.
výzkum výrobky pokrok
Masový
trh
Elektrostatické zvlákňování (angl. electrospinning) –
proces využívající elektrostatických sil k utváření
jemných vláken z polymerního roztoku nebo taveniny.
A – injekční stříkačka
B – elektroda (kapilára – zvlákňování
tryska)
C – zdroj vysokého napětí
D – vlákna
E – kolektor
Produkt – vlákenná pavučina
(NT) – omezené aplikace
Rotující kolektor (velká rychlost otáčení)
• Zvlákňování bez kapilár a trysek
• Produkce: 1 – 5 g*min-1*m-1
• Polymery: roztoky, taveniny
• Průměr vláken 100 – 300 nm
• Malý průměr vláken – velký měrný povrch.
• Nízká hmotnost - váží pouze 0,1 – 1 g/m2
(něco malo prez 1 g nanovláken by opásalo
Zemi v rovníku).
• Vysoce orientované krystalické oblasti ve
vnitřní struktuře vláken – vysoká pevnost
(kdyby bylo vlákno silné jako malíček na ruce dítěte, dokázalo
by udržet šestnáct afrických slonů).
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Kompozitní materiály (transparentnost)
Filtrační / separační materiály (výší filtrační efektivita)
Zvukopohltivé materiály
Kosmetika
Ochranné oděvy (páropropustná, zároveň nepropustná pro chemikálie)
Solární, světelné plachty
Aplikace pesticidů na rostliny
Nanoelektrické aplikace: nanovodiče, polem řízené tranzistory, ultra malé
antény
Nosiče chemických katalyzátorů
Vodíkové nádrže pro palivové články
Biomedicína (většina lidských tkání jsou v nanovlákennych formách a
strukturách)
• Umělé orgány
• Tkáňové inženýrství
• Krevní cévy
• Systémy cíleného doručení léčiv
• Obvazoviny (bakteriální štíty, prevence jizev)