Nanoszál
A nanoszálak a szintetikus szálasanyagok körében folyó fejlesztések legújabb termékei. Átmérőjük legfeljebb néhány száz nanométer (nm). (1 nm = 10–9 m, azaz 1 milliomod milliméter. Ez már az atomok mérettartománya.) Előállításuk nanotechnológiai eljárással történik.
Történet
[szerkesztés]A nanotechnológia alapjait Richard Feynman fizikus rakta le és 1959-ben publikálta ez irányú kutatásainak első eredményeit.[1] A nanotechnológia alapját az képezi, hogy egy anyag tulajdonságai nagymértékben megváltoznak, ha méretei a nanométeres tartományba kerülnek. Ha egy nagyobb méretű anyagot egy vagy több dimenziójában (szélességében, hosszúságában vagy vastagságában) kisebb részekre, a nanométeres vagy annál is kisebb tartományba darabolunk, az anyag egyes darabjai váratlan tulajdonságokat mutatnak, olyanokat, amelyek eltérnek az eredeti anyagétól. Az atomok és a molekulák tökéletesen más viselkedést tanúsítanak, mint a nagyobb anyagdarabok. Míg az előbbiek tulajdonságait a kvantummechanika írja le, az utóbbiakét a klasszikus mechanika. E két eltérő tartomány között az anyagtulajdonságok viselkedését illetően a nanométer jelenti a küszöbértéket az átmenet számára.
A nanotechnológia már megjelent a textiliparban is. Sokat ígérők azok a kutatások, amelyek a nanotechnológia alkalmazásával a textilanyag tulajdonságait kívánják megjavítani vagy újszerű tulajdonságokat akarnak adni a textíliáknak. Ezek a kutatások főleg a nanoméretű anyagokra és azoknak a gyártásban és a kikészítésben való felhasználására irányulnak. Ezek körébe tartozik a nanoszálak előállítása is.
A nanoszál előállítása
[szerkesztés]Elektromos szálképzés
[szerkesztés]
A nanoszálak előállítására leggyakrabban az elektromos szálképzést használják.[2] A kiinduló anyag valamilyen, erre a célra alkalmas polimer. A folyékony (olvadt vagy oldott) polimert nagyfeszültségű (30 kV-ot meghaladó elektromossággal töltik fel és amikor ennek nagysága elég nagy ahhoz, hogy legyőzze a felületi feszültséget (az elektromos térerősség 100 V/cm körüli értéket vesz fel), egy 0,1–1 mm átmérőjű tű nyílásán megindul egy csepp formájában a folyadék kiáramlása egy földelt fémlemezre. A töltéssel bíró folyadékáram instabil ostorozó mozgást végez, aminek következtében a sugár meghosszabbodik és elvékonyodik, miközben megszilárdul (lehűl ill. elpárolog belőle az oldószer). Vastagsága a 3 nm és 1 μm közötti tartományban áll be. Folytonos nanoszál (filament) úgy lenne készíthető, ha a polimerfolyadék-sugár nem szakadna meg.
Jóllehet az elektromos szálképzés már évtizedek óta ismert eljárás, és nanoszálakat – jelenlegi ismereteink szerint – csakis ezzel a módszerrel lehet előállítani, a kivitelezés gyakorlati lehetősége még mindig meglehetősen korlátozott. Nem minden polimer alkalmas arra, hogy belőle nanoszálakat lehessen húzni, és a siker nagy mértékben függ a polimerkoncentrációtól (a polimer és az oldószer arányától). Nagyon kevés ismeretünk van egyelőre arról, hogy hogyan lehet befolyásolni a polimersugár és ezzel a nanoszál vastagságát és annak egyenletességét. Az erre vonatkozó kutatások azt mutatták, hogy ebben főleg a töltés nagysága, a polimerkoncentráció és az oldat hőmérséklete játssza a főszerepet.
Egyelőre nanoszálakból csak nemszőtt kelméket állítanak elő, amelyekben véletlenszerű a nanoszálak elhelyezkedése.[3]) A sűrűn, egy vonalban elhelyezett elektromos szálképző fejek alkotják a nanoszálas nemszőtt kelmét előállító berendezést (Nanospider)[4]
Nanoszálak előállítása bikomponens szálakból
[szerkesztés]
Egy másik lehetőség a nanoszálak előállítására az ún. „szigetek a tengerben” elven készült bikomponens szálakon alapul (az ábrán ez a c) változat).[5] A szálképzéskor olyan szálhúzó fejet alkalmaznak, amelynek apró nyílásaiból egyidejűleg kétféle anyag jön ki: a később kioldható mátrix (ez a „tenger”), és a belsejében elhelyezkedő, valamilyen szintetikus polimerből készült (poliészter, poliamid, polipropilén stb.) „szigetek”. Így, amikor a befoglaló mátrixot kioldják, a fennmaradó „szigetek” mint nanoszálak jelennek meg. Az utóbbiak átmérője 300 nm körül van, de készítettek ezzel a módszerrel olyan bikomponens szálat is, amelyben több mint 600 „sziget” helyezkedett el és ezekből egyenként 50 nm átmérőjű nanoszál keletkezett.[5] Ezzel az eljárással finomabb és egyenletesebb vastagságú nanoszálakat lehet előállítani, mint az elektromos szálképzéssel.
Ugyancsak a bikomponens szálak elvén készülnek nanoszálak oly módon, hogy az egyik komponens a szál keresztmetszetében csillag alakot mutat, a másik komponens pedig a csillag szárai között helyezkedik el (d) változat).[5] A csillag alakú keresztmetszettel rendelkező komponens itt is oldással eltávolítható és a megmaradó másik komponens külön-külön szálakká esik szét, amelyek vastagsága ebben az esetben is a nanométeres tartományba esik.
Fibrillációval készült nanoszálak
[szerkesztés]Cellulózból (azaz természetes polimerből) is előállítható nanoszál. Erre példa a lyocell szál, amelynek fibrilláiból 50–500 nm vastagságú nanoszálak nyerhetők.[6][7]
A nanoszálak alkalmazása
[szerkesztés]
A gyakorlatban alkalmazott nanoszálak vastagsága a 200–800 nm közötti tartományban van, általában 500 nm körüli.[8]
A nanoszálakat ez idő szerint főként nemszőtt kelmék készítésére használják, ahol a szálak elhelyezkedése véletlenszerű. Ez az alkalmazás azonban viszonylag korlátozott. A nanoszálak jelentősége igen nagy mértékben megnőne, ha sikerülne folytonos szálakat (filamenteket) előállítani.
Amikor a polimer szálasanyag átmérője a mikrométeres nagyságrendről a nanométeres nagyságrendre zsugorodik, számos jellemzője megváltozik. Ezek közül kettőnek van igen nagy jelentősége: 1) felülete nagymértékben megnő a térfogatához képest, és 2) merevsége és szakítószilárdsága nagyobb lesz, mint bármelyik másik ismert szálé. Ezek a figyelemreméltó tulajdonságok teszik a nanoszálakat különösen alkalmassá különféle felhasználásokra.
A nanoszálak szakítószilárdsága nagyobb, mint a mikroszálaké.[Jegyz. 1] A tömegükhöz képest különlegesen nagy húzóellenállást tanúsító szálak halmaza a kelme szerkezetében nagyszámú parányi (néhány nanométer méretű) pórust tartalmaz. Ezeken a levegő és a vízmolekulák áthatolhatnak, de például a mikroorganizmusok már nem férnek át. Ez alkalmassá teszi ezeket a kelméket nagy hatású szűrők készítésére. A nanoszálakból készült textília igen nagy szálfelülete alkalmas fontos vegyületek optimális elhelyezésére, például kötszerek esetében a szálakra rakódott ellenanyagok azonnal elpusztíthatják a rabul ejtett baktériumokat, vagy a sebgyógyulást segítő készítmények hatásosan elállíthatják a vérzést és serkenthetik a hámosodást. A nanoszálakból készült, a vírusokra nézve káros tulajdonságú ezüstadalékokkal kiegészített maszkok is előnyösen alkalmazhatók a kórokozók elleni küzdelemben is. A biológiailag lebontható polimerekből készült nanoszálak lehetővé teszik olyan implantátumok készítését, amit nem kell utólag eltávolítani a testből, ugyanakkor jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint az e célra ma használatos szokványos anyagok.
A polimer nanoszálak lehetséges és fejlesztés alatt álló alkalmazásai:[8]
Gyógyászat:
- gyógyszer bevitelére alkalmas hordozók[9]
- vérzéscsillapító eszközök
- kötszerek
- félig áteresztő hártyák (porózus membránok) a bőrgyógyászat számára
- mesterséges véredények
- térbeli tartószerkezetek a csontok megtámasztására
Szűrők:
- folyadékszűrők
- gázszűrők
- molekulaszűrők
Kozmetikai eszközök:
- bőrtisztítók
- bőrmelegítők
- gyógyszerrel telített bőrgyógyászati eszközök
Védőruhák:
- légzáró öltözékek
- aerosolok elleni védőruhák
- gázvédő és biokémiai védőöltözékek
Nanoszenzorok:
- hőérzékelők
- piezoelektromos érzékelők
- biokémiai érzékelők
- fluoreszcenciás optikai vegyszerérzékelők
Egyéb ipari alkalmazások:
- mikro-/nanoméretű elektronikus eszközök
- elektrosztatikus töltést szétoszlató eszközök
- elektromágneses sugárzás elleni árnyékoló eszközök
- LCD eszközök
- ultrakönnyű űrhajó-felszerelések
- nagy hatású katalizátorok
Egészségkárosító hatás
[szerkesztés]Egyes kutatások szerint a nanoszálak és azok törmelékeinek belélegzése az azbeszthez hasonló egészségkárosító hatású. Egereken végzett kísérletek szerint az 5 ezredmilliméter hosszúságú ezüst nanoszálak légzési problémákat okoztak, ugyanakkor az ezeknél rövidebb nikkel-nanoszálak és szén-nanocsövek esetében ilyen hatás nem lépett fel. Ebből arra következtetnek, hogy a rövidebb nanoszál-részecskék kevésbé károsak, a veszély inkább a hosszabb szálaknak a tüdőben való lerakódása esetében áll fenn.[10] Az ilyen irányú kísérletek és a nanoszálak belélegzésével járó egészségkárosító hatás részletes vizsgálatai tovább folynak.
Megjegyzés
[szerkesztés]- ↑ Mikroszálaknak a textiliparban az elvileg 1, gyakorlatilag az 1,3 dtex-nél nem vastagabb szálakat nevezik.
Források
[szerkesztés]- ↑ Application of nanotechnology in textile engineering. (Hozzáférés: 2015. december 5.)
- ↑ Polymer nanofibres - Fantasy or future?. (Hozzáférés: 2015. december 5.)
- ↑ Nanofibers are Revolutionizing the Nonwovens Industry. [2013. augusztus 1-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2015. december 5.)
- ↑ Electrospun nanofiber - The tiny layers that add great value to nonwovens. (Hozzáférés: 2015. december 5.)
- ↑ a b c Production of sub-micron fibers in non-woven fabrics. (Hozzáférés: 2013. május 27.)
- ↑ E. C. Homonoff, R. E. Evans, C. D. Weaver: Nanofibrillated cellulose fibres. (Hozzáférés: 2013. május 26.)
- ↑ W. Udomkichdecha, S. Chiarakorn: Factors to Predict the Fibrillation Tendency of Lyocell Fibers. [2016. március 5-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2013. május 27.)
- ↑ a b Nanofiber application. [2016. január 2-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2015. december 5.)
- ↑ Electrospun water soluble polymer mat for ultrafast release of Donepezil HCl. (Hozzáférés: 2010. november 30.)
- ↑ Nanofibre health risk quantified. (Hozzáférés: 2015. december 5.)
További információk
[szerkesztés]- A magyar textil- és ruhaipar kutatás-fejlesztési és innovációs stratégiája. Textilipari Műszaki és Tudományos Egyesület, 2009
- Top 5 Reasons a Nanofiber Performance Layer Filter is Worth It