„Testujeme, jak naše úprava filtrů z nanovláken obstojí v průmyslovém využití,“ říká David Pavliňák

Naši odborníci vymysleli řešení, které usnadňuje výrobu nanovlákenných filtrů do roušek. Nyní s pomocí grantu od TAČR ověřují, jak plazmatem ošetřený povrch filtrů zvládá výkyvy teplot, skladování a další „nástrahy“ komerční výroby. Více v rozhovoru s dr. Davidem Pavliňákem, výzkumným a vývojovým pracovníkem centra CEPLANT.

20. 10. 2020 Zuzana Jayasundera

Zařízení pro přípravu nanovláken. Foto: Helena Brunnerová.

Při nástupu epidemie onemocnění způsobeného virem COVID-19 jste se zapojili do výroby nanofiltrů do dobrovolnicky šitých roušek, jak jsme psali zde. Na jaký jste tehdy narazili problém?

Nanovlákna se nanáší na podkladový materiál metodou elektrospinningu. Tato technologie je založena na principu zvlákňování roztoku polymeru pomocí vysokého elektrického napětí. Na pracovní elektrodě se nejdříve vytvoří primární vlákna, která pak vlivem elektrického pole „vystřelí“ velkou rychlostí k protielektrodě neboli kolektoru. Napětí mezi elektrodami může dosáhnout až 60 000 V. Původní primární vlákno se v elektrickém poli pohybuje po poměrně složité trajektorii, přičemž se z něj vypařují rozpouštědla, vlákno se prodlužuje a ztenčuje, až nakonec ke kolektoru doputuje výsledný produkt – nanovlákno. Oproti původnímu primárnímu vláknu, které je vidět i lidským okem, mají nanovlákna v průměru desítky až stovky nanometrů. Právě tato vlastnost materiálu (malý průměr vláken způsobí, že daný materiál má i malý průměr pórů, a přitom obrovský aktivní povrch) je velmi zajímavá pro filtrační aplikace. Nanovlákna svým vzhledem připomínají netkanou textilii (jedná se o bílou textilii, kterou na jaře přikrýváte zeleninu před škůdci a mrazem), oproti ní jsou ale mnohem tenčí, a tak se dá snadno roztrhnout nebo jinak mechanicky poškodit. Často se tedy nanovlákna nanášejí na ochranný substrát, např. na zmiňovanou geotextilii, který pak usnadňuje manipulaci s nanomateriálem. Nanovlákna bohužel na substrátu dobře nedrží (mají k němu špatnou adhezi), a mají tendenci se sloupávat. Navíc jejich svrchní strana není ničím chráněná, a tak jsou více náchylná k mechanickému poškození.

Komerční zařízení na úpravu flexibilních materialů pomocí plazmatu. Foto: Helena Brunnerová.

DAVID PAVLIŇÁK vystudoval na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity obor Chemie se zaměřením na Materiálovou chemii. Na Ústavu fyzikální elektroniky pak pokračoval v doktorském studiu v oboru Fyzika plazmatu. V současnosti pak působí v Centru výzkumu a vývoje plazmatu a nanotechnologických povrchových úprav (CEPLANT), které je součástí ÚFE PřF MU. Zaměřuje se především na aplikovaný výzkum fyziky plazmatu a materiálové inženýrství. Je mu 35 let, je ženatý a má dvě děti. 

Jak se tento problém tehdy na jaře při výrobě řešil?

Nanovlákna jsme nanášeli na netkanou textilii na role o šířce 50 cm a délce 800 m. Tento materiál jsme pak předali kolegům z Ústavu chemie, kteří pak zajistili další zpracování (laminaci, design, stříhání profilu atd.). Finální kompletaci roušek a distribuci pak zajišťovali spolu s dobrovolníky z www.sijemerousky.cz. Z tohoto pohledu se podařilo kolegům z chemie v rekordně krátkém čase vyvinout plně funkční nanovlákennou roušku, která si v ničem nezadá s těmi komerčně dostupnými. Z mého pohledu vidím jako kritický krok laminace. Jde o postup, kdy se na nanovlákna nanese (přilepí nebo přivaří) další ochranná vrstva. To zahrnuje ve výrobě další technologický krok, který sice zlepší celkové mechanické vlastnosti, ale zároveň také sníží prodyšnost materiálu. Rozhodli jsme se tedy, že se pokusíme navázat na náš předchozí výzkum a krok laminace z výrobního procesu vypustit. Inspirací pro nás byly výboje plazmatu generované při atmosférickém tlaku, jež dlouhodobě studujeme pro úpravu povrchů a zlepšení adhezních vlastností materiálů. V březnu se pak objevila výzva COVID-19 Proof of concept z Technologické agentury ČR. S pomocí Centra pro transfer technologií (CTT-MU) jsme pak na tuto ideu napsali projekt, který jsme nakonec získali.

Co je to vlastně plazma a jak může upravit povrch materiálu?

Plazma je obecně známo jako čtvrté skupenství hmoty, ionizovaný plyn, které v přírodě nacházíme například ve formě blesku nebo ve sluneční koróně. Částice v tomto typu plazmatu obvykle vykazují velmi vysoké teploty (až milióny stupňů Celsia). Plazma, které generujeme u nás v laboratořích, je ale jiné, nízkoteplotní (odborně neizotermické, s nízkým stupněm ionizace). Zjednodušeně lze říct, že náš typ plazmatu se liší především v rozdílné teplotě elektronů (až desítky tisíc °C) a těžších částic (ionty a molekuly plynu), které mají řádově teplotu okolí. Elektrony sice mají vysokou teplotu (a tedy i energii), avšak díky své nízké hmotnosti nejsou schopné efektivně „ohřát“ opracovávaný materiál. V laboratoři jsme tak schopni vyrobit vysoce energetické a reaktivní prostředí plazmatu o teplotě 50 – 70 °C. Tímto způsobem jsme schopni opracovávat i teplotně citlivé materiály jako jsou například polymerní nanovlákna. Plazma je ionizovaný plyn, a tedy jeho chemický účinek se bude odvíjet od složení pracovního plynu. V našem případě generujeme plazma ve vzduchu, a tedy kromě energetických elektronů můžeme očekávat i reaktivní částice kyslíku, oxidy dusíku, ozón a různé radikály mající především oxidační účinky. Plazma tedy neohřívá materiál, ale obsahuje částice, které mohou „bombardovat“ povrch materiálu a měnit tak jeho fyzikálně-chemické vlastnosti.

Zakřivená elektroda pro opracování textilií a folií plazmatem. Zařízení bylo vyvinuto v laboratořích na Ústavu fyzikální elektroniky MU. Foto: Helena Brunnerová.

Jak opracování nanovlákenných filtrů do roušek pomocí plazmatu vypadá ve vaší laboratorní praxi?

Když podkladovou textilii před elektrospinningem opracujeme plazmatem, změní se její chemicko-fyzikální vlastnosti natolik, že nanovlákna se na substrát „lépe přichytí“ a tím se zlepší i jejich adheze k substrátu. Podobné opracování samotných nanovláken vede k jejich vzájemnému pospojování, což zlepšuje jejich mechanickou odolnost. Měníme rovněž velikost pórů, povrchovou strukturu a také chemické složení nanovláken. Věříme, že tyto efekty by mohly vzájemně zvýšit efektivitu filtrace a zároveň zachovat prodyšnost materiálu. K tomuto účelu používáme zdroje plazmatu vyvinuté na našem pracovišti. Především nedávné inovace v oblasti zakřivených plošných elektrod vedly k možnostem bezkontaktního opracování materiálů citlivých na mechanické poškození.

Jak jste tedy zařízení Nanospider pro výrobu inovovali?

Původní zařízení na elektrostatické zvlákňování bylo uzavřené a bylo určeno jen pro laboratorní testování. My jsme jej v minulosti otevřeli a nechali vybavit plně řízeným externím převíječem pro podkladovou textilii. Dalo by se říct, že jsme tím získali jednotku s vyšší výrobní kapacitou, ke které můžeme připojit další technologie (například plazmové) a můžeme zde demonstrovat i případnou průmyslovou aplikaci. Plný potenciál zařízení jsme si ověřili ale až s příchodem pandemie COVID-19. Tehdy ve čtyřčlenném týmu jsme byli schopni zajistit dvousměnný provoz a během několika dní vyrobit kilometry nanomateriálu.

Na jaře 2020 jste si podali žádost o grant z Technologické agentury ČR v rámci mimořádné výzvy Proof of Concept (PoC) projektů připravené Centrem pro transfer technologií MU. Jak to dopadlo?

Grant jsme dostali, a to za účelem ověřit, jak by fungovalo zapojení plazmových technologií pro přípravu nanovláken nejen v laboratoři, ale i v průmyslovém provozu. První laboratorní experimenty byly úspěšně ověřené už v roce 2017 a publikovali jsme o nich v odborném časopisu (odkaz zde https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2018.07.010), musím ale podotknout, že v té době se o to skoro nikdo nezajímal. Představa, že by relativně „drahé“ nanotechnologie pronikly do výroby jednorázových zdravotnických prostředků, byla čisté ekonomické sci-fi. Situace, kdy si lidé roušky budou šít doma na šicích strojích, by nenapadla nikoho. Pak přišel COVID-19 a všechno bylo jinak. Oslovili nás naši standardní průmysloví partneři s tím, že nyní dává ekonomický smysl takové filtry do roušek vyrábět a prodávat. A když vypustíme laminační krok, máme výhodu oproti konkurenci. Už se nás neptali, jestli je to možné vyrobit, ale jak bude vypadat zapojení technologie do in-line provozu a jak se bude opracovaný materiál chovat při dlouhodobém skladování. Na tento typ výzkumu běžně finanční prostředky neseženete, a proto je dobře, že vznikla mimořádná výzva PoC, do které jsme se mohli zapojit. Tuto výzkumnou aktivitu zaštítí Centrum výzkumu a vývoje plazmatu a nanotechnologických povrchových úprav CEPLANT, které je součástí Ústavu fyzikální elektroniky PřF MU.

Jaké nové otázky případné využití technologie v komerčním procesu přináší? Co budete přesně zkoumat?

Průmyslový provoz, oproti našemu laboratornímu, přináší praktické otázky, jako: Když materiál pomocí plazmatu opracujeme, nezmění se tím vlastnosti samotných nanovláken? Nezkřehne? Vydrží ve skladu, a jak dlouho? Grant jsme dostali na to, abychom ověřili náš nápad v praxi a zjistili, zda je vhodný pro průmyslové využití. Zkoumáme například vliv UV záření a také vliv dlouhodobého uskladnění. Společností se zájmem o různé výsledky je víc, a výzkumných úkolů tak máme na rok dopředu.

Má tato metoda potenciál pro použití u dalších výrobků?

Rouškami to začalo, ale podle mého názoru je potřeba se soustředit na produkty a aplikace s vyšší přidanou hodnotou. Tady je potenciál uplatnění plazmových technologií vyšší. Pokud se budeme držet jen oblasti nanovláken a filtrace, například výroba filtru s aktivní antivirotickou bariérou s životností 1 až 2 roky, tak tato metoda by také mohla najít potenciál pro použití např. v klimatizacích aut či letadel. V první řadě jde ale o ověření technologie.

Jak jsou do tohoto projektu zapojení studenti?

Potřebujeme především odborníky na fyziku plazmatu a nanovlákenné technologie. Téma je však dostatečně otevřené i pro studenty, a tak teď na něm pracuje i 1 doktorský a 1 magisterský student. Do budoucna určitě budeme vypisovat témata k bakalářským a magisterským pracím a rádi bychom navázali spolupráci s Mikrobiologickým ústavem Lékařské fakulty MU a Ústavem experimentální biologie naší fakulty. Ve spolupráci s Laboratoří syntézy nanočástic Ústavu chemie PřF MU chceme vypsat i téma na Středoškolskou odbornou činnost (SOČ), na které se může středoškolák se zájmem o fyziku a chemii přihlásit.

A otázka na závěr: Věnujete se popularizaci činností CEPLANT i jinak?

Střední školy i další zájemci k nám mohou přijít na exkurze, máme pro ně připravený zajímavý a bohatý program v rámci akcí jako je Noc vědců, Den otevřených dveří a jiných akcí pro veřejnost. Dále úzce spolupracujeme s Ústavem chemie, kde pro konzervátory a restaurátory z VOŠ Brno pořádáme mezinárodní exkurze a provádíme analýzy jejich vzorků.

Děkuji za rozhovor.
Zuzana Jayasundera.

Autoři: David Pavliňák, Zuzana Jayasundera

Více článků

Přehled všech článků