Tým prof. Jaroslava Berana z katedry textilních a jednoúčelových strojů Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci (TUL) zkonstruoval prototyp unikátního stroje pro výrobu lineárního kompozitního materiálu s obsahem nanovláken zvlákňováním z roztoku polymeru účinkem střídavého elektrického proudu. Na vývoji se významně podílel také tým prof. Davida Lukáše z katedry netkaných textilií Fakulty textilní TUL. Konstrukce stroje navazuje na novou technologii zvlákňování polymerních roztoků účinkem střídavého elektrického pole, která byla vyvinuta a patentována na liberecké univerzitě. Autorem myšlenky této technologie je prof. David Lukáš společně s docentem Pavlem Pokorným. Linka na zvlákňování polymerních roztoků technologií AC elektrospinningu získala v roce 2017 zlatou medaili na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně v kategorii Inovační zpracovatelská technologie a v roce 2019 vzbudila velký ohlas na ITMA, světově největší výstavě textilních strojů a příslušenství, v Barceloně. „Oslovovali nás vědci i zástupci firem. Zaujalo je, že proces je produktivnější než při zvlákňování polymerních roztoků účinkem stejnosměrného elektrického pole,“ uvedl člen vývojového týmu Jan Valtera z liberecké fakulty strojní. Na základě patentované technologie pak bylo vyvinuto laboratorní zařízení a v současné době jsou již v klastru Nanoprogress úspěšně testovány první dva prototypy výrobního stroje. Technologii chrání patenty Liberečtí vědci pro nový způsob zvlákňování použili bezjehlovou elektrodu namísto jehly nebo kapiláry. „Při procesu zvlákňování vznikne takzvaná nanovlákenná vlečka, připomínající vodu ze sprchy nebo kouř z ohně, unášená ‚elektrickým větrem‘,“ přiblížil postup prof. David Lukáš. Jádrová příze se odvíjí z cívky a prochází zvlákňovací komorou, kde dochází k ovíjení nanovlákenné vlečky kolem jádra. Poté se v sušicí a fixační zóně odpaří zbytková rozpouštědla a dochází k tepelné fixaci nanovláken a ke zvýšení adheze nanovlákenné vrstvy na jádrové přízi pomocí zákrutového ústrojí. Nová technologie je chráněna několika patenty v ČR a v zahraničí. Týkají se: transportního zařízení roztoků polymerů, způsobu výroby lineárního materiálu s obsahem nanovláken a zařízení k jeho výrobě a zvlákňovací elektrody pro výrobu nanovláken elektrickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru. Základnímu patentu zvlákňování účinkem střídavého proudu byl již udělen evropský patent a patent v USA, Číně, Rusku a Japonsku. Na základě této patentované technologie vyvinul vědecký tým fakulty strojní ve spolupráci s vědeckými týmy fakulty textilní a katedry chemie laboratorní zařízení. Zařízení je schopné vyrobit materiál, který podle testů v Ústavu chemických procesů Akademie věd ČR dokáže zachytit až více než 90 % virů. Na průběh vývoje, výhody technologie a jejich perspektivy jsme se zeptali vedoucího vědeckého týmu prof. Jaroslava Berana z katedry textilních a jednoúčelových strojů Fakulty strojní TUL: Dalším stupněm po vývoji linky prezentované v Brně bylo laboratorní zařízení? Ano. Laboratorní zařízení jsme vyvíjeli na fakultě strojní ve spolupráci s katedrou netkaných textilií, katedrou chemie a fakultou mechatroniky, informatiky a mezioborových studií. Chtěli jsme ověřit další možnosti technologie zvlákňování roztoků polymerů účinkem střídavého elektrického proudu, kterou týmy fakulty textilní a strojní již dříve patentovaly a použily pro konstrukci stroje na výrobu jádrové příze s nanovlákenným obalem. Nové zařízení převádí tuto technologii do produkce plošného materiálu. Prvotní myšlenku jsme zhmotnili vlastní konstrukcí dřevěného modelu v listopadu 2018. Když jsme zjistili, že to funguje, rozhodli jsme se podat projekt na vývoj této technologie a prototypu stroje do programu agentury TA ČR. Svět zná objev profesora Jirsáka na průmyslovou výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním účinkem stejnosměrného elektrického proudu. Co vás vedlo k vývoji technologie střídavým proudem? Jaký je rozdíl mezi těmito technologiemi? Střídavé elektrické pole na proces zvlákňování působí jinak. Při této technologii (AC elektrospinningu) není nutná přítomnost protielektrody (tzv. kolektoru), protože v tomto případě vzniká samovolně a opakovaně v bezprostřední blízkosti zvlákňovací elektrody. „Virtuální“ protielektroda se skládá z elektricky nabitých nanovlákenných segmentů. Znaménka elektrických nábojů unášených svazky nanovláken vytvořených zvlákňovací elektrodou se rychle střídají. Svazky nanovláken jsou buď pozitivně, nebo negativně nabité, přičemž jejich elektrický náboj odpovídá příslušné půlvlně střídavého elektrického proudu. Působením elektrického pole dochází k destabilizaci volné hladiny polymerního roztoku, která vede k tvorbě polymerních trysek a jejich následnému dloužení na nanovlákna. Proces vzniku a zániku polymerních trysek odpovídá změně polarity elektrického pole. Nabité nanovlákenné svazky jdoucí bezprostředně za sebou se přitahují a vytvářejí útvar, který nazýváme nanovlákennou vlečkou. Tato vlečka se pohybuje od zvlákňovací elektrody a její pohyb vzniká v důsledku účinku elektrického větru vytvořeného elektrodou. Zvlákňování při AC elektrospinningu probíhá opakovaně v cyklech daných frekvencí střídavého proudu. Zatímco při účinku stejnosměrném proudu probíhá zvlákňování nepřerušovaně a vytváří se souvislý tok nanovláken pohybující se směrem k reálné protielektrodě. Jaké jsou výhody nové technologie? Tento princip je jednodušší, protože není potřeba protielektroda, a lze předpokládat, že pořizovací cena stroje bude nižší než cena současných strojů. Už je také zřejmé, že vykazuje vyšší produktivitu. Celý proces je totiž rychlejší než při tvorbě nanovláken účinkem stejnosměrného elektrického pole. Naše laboratorní zařízení vyrábí plošný materiál o šířce 50 cm rychlostí 3 m/min. Nanovlákenná struktura vytvořená zvlákňováním účinkem střídavého proudu (AC) má také jiné vlastnosti než při zvlákňování stejnosměrným proudem (DC). Nanovlákenná vrstva vzniklá účinkem střídavého elektrického pole je načechraná, vykazuje menší tuhost v ohybu a není tak choulostivá na manipulaci. Elektrody mají při zvoleném napětí v zásadě stabilní výkon, takže hustota struktury se řídí rychlostí odtahu stroje. Čím je rychlost odtahu podkladové textilie pomalejší, tím je nanovlákenná vrstva hustější. Rychlost lze přizpůsobovat tomu, pro jakou aplikaci je materiál určen. Výhodou také je, že do roztoku polymeru lze přidat vhodná aditiva. Pokud je roztok polymeru a aditiva zvláknitelný, můžeme nanovlákna funkcionalizovat. Dostaneme pak vrstvu se speciálními, třeba antibakteriálními vlastnostmi. Na začátku pandemie jste měli možnost podrobit laboratorní zařízení zatěžkávací zkoušce. Osvědčilo se? Laboratorní zařízení bylo vloni na jaře ještě v testovacím provozu. Vzhledem k nouzovému stavu, kvůli zoufalému nedostatku roušek a díky nesmírné obětavosti lidí napříč univerzitou jsme na něm začali v univerzitních prostorách vyrábět potřebný materiál. Zařízení běželo od rána do večera na plný výkon, i když ještě neprošlo všemi potřebnými testovacími zkouškami. Při standardním postupu se tyto zkoušky vyhodnocují a dělají se další úpravy zařízení. Na to ale nebyl čas. Z laboratorního modelu se ze dne na den stala plně vytížená výrobní linka, která byla v provozu 12 hodin denně. A musím říct, že se plně osvědčila, i když jsme samozřejmě museli korigovat některé provozní parametry. Dolaďovali jsme také určité bezpečnostní prvky, například bezpečnostní zámky nebo automatický hasicí systém. Nyní už máte funkční prototyp; jak se od laboratorního zařízení liší? Bylo potřeba udělat zásadní konstrukční úpravy stroje. Laboratorní zařízení vyrábí výchozí materiál o šířce 50 cm, ale prototyp je nastaven na šíři 1,6 m. Také jsme dořešili bezpečné vzdálenosti jednotlivých komponent, které jsou pod vysokým napětím, aby nedošlo k elektrickému průrazu. V elektrickým poli je na elektrodě napětí 30 kV a na kostře stroje je napětí nulové, musí být tedy dodržena bezpečná vzdálenost. Stejně tak je nutné zamezit šíření elektrického náboje po povrchu dílů stroje směrem na kostru. Na laboratorním zařízení to bylo často na hranici, u prototypu už musí být tyto záležitosti definitivně vyřešeny. Otázkou je také rychlost. Laboratorní zařízení vyrábí výchozí materiál rychlostí zhruba 3 m/min. Rychlost může být samozřejmě i vyšší, ale zatím jsme maximální rychlost nestanovili. Rychlost se přizpůsobuje nejen aplikaci, pro kterou je materiál určen, ale záleží také na vlastnostech zvlákňovaného polymeru. Jaké polymery zvlákňujete? Výchozí nanovlákenný materiál vzniká zvlákňováním polyvinylbutyralu (PVB). Tento polymer se vyrábí z polyvinylalkoholu reakcí s butyraldehydem a je rozpustný v etanolu. Nanovlákenná vrstva z PVB se pak nanáší na podkladovou látku z netkané textilie. Jedná se o bikomponentní materiál – Spunbond, jehož dvě složky tvoří polypropylen (jádro) a polyetylen (obálku). Polyvinylbutyral je levný, dobře se zvlákňuje a jsme schopni vyrobit materiál, který zachytí více než 90 % virů. Zkoumáme ale i možnosti zvlákňování dalších polymerů, jako je polyamid, polyuretan a další. Vývoj v této oblasti poskytuje další možnosti. Kdy prototyp představíte? V současné době je už v jednom výrobním závodě. Postavili jsme ho tam k plné spokojenosti našeho průmyslového partnera, který má s výrobou nanovlákenných materiálů letité zkušenosti a už má také představu o konkrétním využití linky. Chce se zpočátku zaměřit na hygienické aplikace, nicméně budeme společně hledat i další využití. Možnost vidíme v oblasti filtrace, ale také třeba ve zdravotnictví, zejména v regenerativní medicíně a tkáňovém inženýrství. Vývoj v této oblasti poskytuje další možnosti. Konkurenční zařízení vyrábějící takovýto nanovlákenný materiál technologií AC elektrospinningu neexistuje. Stroj ale představíme, až bude dokončeno patentové řízení. /Jaroslava Kočárková/
