Elektroprzędzenie

Schemat elektroprzędzenia

Elektroprzędzenie (ang. electrospinning) jest metodą produkcji włókien[1]. Wykorzystuje ona ładunek elektryczny w celu wyciągania naładowanych nici roztworów polimerowych[2] lub stopu polimeru[3]. W metodzie tej otrzymywane są materiały włókninowe o średnicach włókien rzędu setek nanometrów. Elektroprzędzenie ma cechy charakterystyczne zarówno do elektrorozpylania[4], jak i przędzenia na sucho włókien w konwencjonalnym roztworze. Proces ten nie wymaga stosowania związków koagulujących, czy wysokich temperatur w celu otrzymania końcowego produktu. Dzięki temu proces ten jest odpowiedni w przypadku produkcji włókien przy użyciu dużych i złożonych cząsteczek. Istnieje również możliwość elektroprzędzenia ze stopionych prekursorów; zastosowanie tej metody zapewnia otrzymanie produktu w którym nie znajduje się rozpuszczalnik.

Schematyczny opis stanowiska do elektroprzędzenia

Główne elementy stanowiska do elektroprzędzenia to: zasilacz wysokiego napięcia, dysza przędzalnicza i uziemiony kolektor (element odbiorczy). W większości przypadków metalowa igła iniekcyjna jest używana jako dysza przędząca, a podstawa z folii aluminiowej stanowi kolektor. Aby uzyskać stałą prędkość dozowania roztworu, roztwór przędzalniczy umieszcza się w plastikowej strzykawce podłączonej do pompy dozującej. Na wyjściu ze strzykawki umieszczona zostaje wcześniej wspomniana metalowa igłę, która działała jak elektroda. Po przyłożeniu napięcia elektrycznego w roztworze polimeru indukowane są ładunki elektryczne. W wyniku oddziaływania tych sił elektrostatycznych kropla cieczy przyjmuje kształt stożka, zwanego stożkiem Taylora[5]. Następnie strumień naładowany elektrycznie poddawany jest procesom rozciągania i przędzenia, co prowadzi do utworzenia długiego i ciągłego pasma. Należy wspomnieć, że procesom tym towarzyszy odparowanie rozpuszczalnika ze strumienia w przypadku elektroprzędzenia z roztworu. To właśnie ten proces, a także równoczesne rozciąganie, powoduje znaczne zmniejszenie średnicy strumienia i tworzenie się włókna. Włókno jest przymocowane do uziemionego kolektora, a po pewnym czasie maty włókninowej, składającej się z losowo uporządkowanych nanowłókien.

Parametry mające wpływ na proces elektroprzędzenia

  • Masa cząsteczkowa polimeru, jej rozkład oraz architektura polimeru (rozgałęziona, liniowa itp.)
  • Właściwości roztworu (lepkość, przewodność i napięcie powierzchniowe)
  • Potencjał elektryczny, natężenie przepływu i stężenie
  • Odległość pomiędzy między igłą i kolektorem
  • Parametry otoczenia (temperatura, wilgotność i przepływ powietrza w komorze)
  • Ruch i rozmiar kolektora
  • Rozstaw igieł

Zastosowanie

Materiały filtracyjne

Materiały włókninowe stanowią znane rozwiązanie w przypadku materiałów filtracyjnych. Polimerowe nanowłókna są stosowane w filtracji powietrza od ponad siedmiu dekad[6][1]. Ze względu na słabe właściwości mechaniczne cienkich nanowybów są one zazwyczaj umieszczane na podłożu odpowiednim do przekształcenia takowego materiału w medium filtracyjne. Małe średnice włókien powodują ślizg przepływowy na ich powierzchni, powodując wzrost wydajności zatrzymywania oraz efektywności uderzeń bezwładnościowych[7] tych kompozytowych mediów filtracyjnych[8].

Produkcja tekstyliów

Większość pierwszych patentów dotyczących elektroprzędzenia dotyczyła tekstyliów, jednakże wyprodukowano niewielką ilość materiałów tekstylnych, prawdopodobnie związane było to z trudnością w przetwórstwie cienkich włókien (nono- i mikrometrycznych). Jednak elektroprzędzenie może znaleźć zastosowanie w przypadku wytwarzania bezszwowej odzieży włókninowej[9].

Zastosowania medyczne

Elektroprzędzone struktury może być również wykorzystywane do celów medycznych[10]. Elektroprzędzone rusztowania wykonane do zastosowań inżynierii tkankowej. W strukturach takich miałyby znajdować się komórki w celu leczenia, bądź zastępowania celów biologicznych[10]. Nanowłókniste opatrunki na rany mają doskonałą zdolność izolowania rany od zakażeń bakteryjnych[11]. Inne medyczne materiały tekstylne, takie jak szwy, są również wytwarzane w procesie elektroprzędzenia[12].

Kataliza

Włóknina elektroprzędzona może zostać potencjalnie zastosowana jako powierzchnia do immobilizacji enzymów. Enzymy te można wykorzystać między innymi do rozkładania toksycznych substancji chemicznych w środowisku[13].

Jest to metoda, która może być stosowana w przemyśle w celu zachowania powtarzalności oraz w celu kontroli średnicy otrzymywanych włókien. Aktualnie w co najmniej ośmiu krajach na świecie działają firmy dostarczające elektroprzędzarki na skalę przemysłową i laboratoryjną: trzy firmy we Włoszech i Czechach[14], dwie w Iranie, Japonii i Hiszpanii oraz po jednej w Holandii, Nowej Zelandii[15] i Turcji[16].

Przypisy

  1. ↑ ThandavamoorthyT. Subbiah ThandavamoorthyT. i inni, Electrospinning of nanofibers, „Journal of Applied Polymer Science”, 96 (2), 2005, s. 557–569, DOI: 10.1002/app.21481, ISSN 1097-4628 [dostęp 2019-10-22]  (ang.).
  2. ↑ Nagarajan MuthuramanN.M. Thoppey Nagarajan MuthuramanN.M. i inni, Unconfined fluid electrospun into high quality nanofibers from a plate edge, „Polymer”, 51 (21), 2010, s. 4928–4936, DOI: 10.1016/j.polymer.2010.07.046, ISSN 0032-3861 [dostęp 2019-10-22] .
  3. ↑ Zsombor KristófZ.K. Nagy Zsombor KristófZ.K. i inni, Solvent-Free Melt Electrospinning for Preparation of Fast Dissolving Drug Delivery System and Comparison with Solvent-Based Electrospun and Melt Extruded Systems, „Journal of Pharmaceutical Sciences”, 102 (2), 2013, s. 508–517, DOI: 10.1002/jps.23374, ISSN 0022-3549 [dostęp 2019-10-22] .
  4. ↑ AttilaA. Balogh AttilaA. i inni, Electroblowing and electrospinning of fibrous diclofenac sodium-cyclodextrin complex-based reconstitution injection, „Journal of Drug Delivery Science and Technology”, 26, 2015, s. 28–34, DOI: 10.1016/j.jddst.2015.02.003, ISSN 1773-2247 [dostęp 2019-10-22] .
  5. ↑ Electrospinning. Taylor cone: Hinestroza Research Laboratory. [dostęp 2019-10-22].
  6. ↑ Budyka i inni, Electrospinning of micro-and nanofibers. Fundamentals and applications in separation and filtration processes, New York: Begell House, 2007, ISBN 978-1-56700-241-6, OCLC 137325285 [dostęp 2019-11-02] .
  7. ↑ J.A.J.A. Harrop J.A.J.A., J.I.T.J.I.T. Stenhouse J.I.T.J.I.T., The theoretical prediction of inertial impaction efficiencies in fibrous filters, „Chemical Engineering Science”, 24 (9), 1969, s. 1475–1481, DOI: 10.1016/0009-2509(69)85076-1, ISSN 0009-2509 [dostęp 2019-11-02] .
  8. ↑ ThandavamoorthyT. Subbiah ThandavamoorthyT. i inni, Electrospinning of nanofibers, „Journal of Applied Polymer Science”, 96 (2), 2005, s. 557–569, DOI: 10.1002/app.21481, ISSN 1097-4628 [dostęp 2019-11-02]  (ang.).
  9. ↑ SeungsinS. Lee SeungsinS., S. KayS.K. Obendorf S. KayS.K., Use of Electrospun Nanofiber Web for Protective Textile Materials as Barriers to Liquid Penetration, „Textile Research Journal”, 77 (9), 2007, s. 696–702, DOI: 10.1177/0040517507080284, ISSN 0040-5175 [dostęp 2019-11-02]  (ang.).
  10. ↑ a b Travis J.T.J. Sill Travis J.T.J., Horst A. vonH.A. Recum Horst A. vonH.A., Electrospinning: Applications in drug delivery and tissue engineering, „Biomaterials”, 29 (13), 2008, s. 1989–2006, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2008.01.011 [dostęp 2019-11-02]  (ang.).
  11. ↑ Myung-SeobM.S. Khil Myung-SeobM.S. i inni, Electrospun nanofibrous polyurethane membrane as wound dressing, „Journal of Biomedical Materials Research”, 67B (2), 2003, s. 675–679, DOI: 10.1002/jbm.b.10058, ISSN 0021-9304 [dostęp 2019-11-02]  (ang.).
  12. ↑ Christopher B.Ch.B. Weldon Christopher B.Ch.B. i inni, Electrospun drug-eluting sutures for local anesthesia, „Journal of Controlled Release”, 161 (3), 2012, s. 903–909, DOI: 10.1016/j.jconrel.2012.05.021, PMID: 22609349, PMCID: PMC3412890 [dostęp 2019-11-02]  (ang.).
  13. ↑ D.D. Li D.D., Y.Y. Xia Y.Y., Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?, „Advanced Materials”, 16 (14), 2004, s. 1151–1170, DOI: 10.1002/adma.200400719, ISSN 0935-9648 [dostęp 2019-11-02]  (ang.).
  14. ↑ Nanospider™ electrospinning equipment [online], Elmarco [dostęp 2019-10-22]  (cz.).
  15. ↑ Revolution Fibres is manufacturing to the sun and back [online], techweek.co.nz [dostęp 2019-10-22]  (ang.).
  16. ↑ Electrospinning Mass Production Machine Providers [online], electrospintech.com [dostęp 2019-10-22] .