Нановоло́кна, нанообъект, два характеристических размера которого находятся в нанодиапазоне (~ 1–100 нм) и существенно меньше 3-го характеристического размера (длина, протяжённость волокна). Под определение «нановоло́кна» попадают все нанообъекты, у которых два поперечных размера имеют одинаковый порядок, а 3-й значительно превышает первые два и выходит за пределы нанодиапазона. Нановолокнами являются нанотрубки, нанопроволоки, нановискеры, наностержни и волокна с диаметром ~ 1–100 нм, полученные разными методами (электропрядение, электроформование) из синтетических и природных полимеров.

Производство нановолокон из полимеров

Природные волокна растительного (хлопок, лён, пенька, рами, сизаль и др.) и животного (шерсть, натуральный шёлк) происхождения являются ярко выраженными нанообъектами как нанопористые материалы с сильно развитой внутренней поверхностью. Один грамм хлопка за счёт нанопористой структуры (~ 3–100 нм) имеет внутреннюю поверхность порядка ~ 100 м². Такими же нанообъектами являются и другие природные волокна. Нанопористая система природных волокон обеспечивает им уникальные сорбционные и теплоизоляционные свойства. В обычных условиях их поры заполнены воздухом (теплоизоляция); технологически возможно заполнение пор молекулами для сообщения волокну специфических свойств (окраска, лечебные свойства, электропроводимость, физико-механическая прочность, фотоактивность и др.).

Методы производства нановолокон (по диаметру ~ 1–100 нм)

Существует несколько методов получения нановолокон из полимеров. Вначале полимер растворяют в подходящем растворителе, поскольку природные и синтетические полимеры нерастворимы в воде. Большинство полимеров растворяются только в органических растворителях, что предъявляет повышенные требования к экологичности производства.

Плохо растворимые полимеры, обладающие термопластичностью, можно формовать в нановолокно из расплава, аналогично формованию классических волокон из полиамидов, полиэфиров, полипропилена и др.

Основные методы производства нановолокон: вытяжка, шаблонный синтез, разделение фаз, самосборка и электроформование. Из них широкое практическое использование нашёл только метод электроформования в разных вариантах аппаратурного оформления.

Метод электроформования нановолокон

Электроформование – процесс получения микро-, нановолокон путём воздействия на струю раствора или расплава полимера статического электрического поля, заряжающего струю полимера, выходящую из отверстия (сопла, фильеры) малого размера. Струя расплавленного полимера заряжается и диспергируется на струйки малого (вплоть до нанодиапазона) диаметра за счёт электростатического отталкивания. Отличие данного метода от классических состоит в воздействии электрического постоянного поля на струю раствора или расплава полимера.

Впервые действие статического электрического поля на жидкость наблюдал В. Джильберт ещё в 1628 г. Он обнаружил электрораспыление капель воды после образования на конце капли водяного конуса.

В 1934 г. А. Формхалс (A. Formhals) получил первый патент на использование электростатических сил для производства полимерных нитей.

В 1938 г. группа учёных (Н. Д. Розенблюм, И. В. Петрянов-Соколов, Н. А. Фукс) в аэрозольной лаборатории физико-химического института имени Л. Я. Карпова разработали технологии производства методов электропрядения микровоколон для противогазов и респираторов.

В 1946–1969-е гг. сэр Г. И. Тэйлор (G. I. Taylor) разработал теоретические основы электроформования и предложил математическую модель формирования конуса на конце капли (конус Тэйлора).

В 1990-е гг. эта технология доведена до широкого промышленного использования для производства нановолокон из природных и синтетических полимеров.

Для описания физики воздействия заряда на жидкость использовалась теория рэлеевской электростатической нестабильности. Применительно к электропроводящим жидкостям предлагается уравнение, связывающее диаметр ${d}$ образующейся нити с основными параметрами (условиями формования):

$\frac{e}{m} = \sqrt{ \frac{64 \delta \varepsilon _{0}}{d^{9} \rho^{2}}},$где ${e}$ – общий заряд жидкости, $\delta$ – поверхностное натяжение жидкости, $\varepsilon _{0}$ – диалектическая проницаемость жидкости, $\rho$ – давление в капле, ${m}$ – масса жидкости.

Рис. 1. Принципы диспергирования капель (слева) и волокон (справа) в электростатическом поле.Рис. 1. Принципы диспергирования капель (слева) и волокон (справа) в электростатическом поле.На рис. 1 показаны принципиальные схемы электрораспыления жидкости (ЭРЖ) (левая часть) и электроформования волокон (ЭФВ).

Метод роликового электроформования нановолокон [Nanospider (см. рис. 2)] был разработан Олдрихом Джирсаком (Oldřich Jirsak). Электрическое поле используется для создания заряженной струи жидкого полимера. При движении струи по воздуху растворитель испаряется, а заряженное волокно собирается на металлическом экране.

Рис. 2. Схемы машины для электроформования волокон барабанного типа.Рис. 2. Схемы машины для электроформования волокон барабанного типа.Схема работы машины Nanospider показана на рис. 2, а её внешний вид – на рис. 3.

Метод электроформования нановолокон используется практически для всех видов полимеров.

Другим типом нанообъектов являются обычные химические волокна диаметром порядка микрона при наполнении их на стадии производства наночастицами различной природы. Такие нанообъекты называются нанокомпозитами, в которых полимер является волокном-матрицей, а наночастицы – наполнителями композита.

Рис. 3. Презентация машины для электроформования нановолокон Nanospider производства компании ELMARCO. 2010. Либерец (Чехия).Рис. 3. Презентация машины для электроформования нановолокон Nanospider производства компании ELMARCO. 2010. Либерец (Чехия).В зависимости от химического состава, физической структуры, размера и формы наночастиц обеспечивается широкий спектр свойств композита (механическая прочность, электропроводимость, фотоактивность и др.).

Области использования нановолокон

Характерными параметрами нановолокон, независимо от химического строения, являются высокая суммарная внешняя поверхность, значительно превышающая массу ${S/M≥1},$ и объём ${S/V≥1}$. Эти параметры при всех прочих равных условиях обеспечивают супервысокую сорбционную способность материалов (ткань, нетканый материал) из нановолокон. Такие материалы успешно используются в качестве тонкой очистки воздуха, воды, в том числе от вредных бактерий и вирусов. Нановолокна широко используются в медицине (ранозаживление, биоинженерия), электронике, в армировании композитов.

Фильтры на основе материалов из нановолокон используются в средствах индивидуальной защиты и в организации «чистых комнат».

Перспективы применения нановолокон

Перспективные направления развития производства нановолокон: расширение спектра полимеров и низкомолекулярных веществ в качестве прекурсоров при производстве нановолокон для использования в новых областях науки и техники, совершенствование аппаратуры для производства нановолокон методом электроформования с целью повышения производительности и воспроизводимости свойств волокон.