NIKH[ZY M[RK LEVENTE SZAKDOLGOZAT NANOSZ[LAKKAL BEVONT FONALAK FEJLESZTÉSE ÉS

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDAS[GTUDOM[NYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK NIKH[ZY M[RK LEVENTE SZAKDOLGOZAT NANOSZ[LAKKAL BEVONT FONALAK FEJLESZTÉSE ÉS VIZSG[LATA Témavezető: Dr. Moln{r Kolos adjunktus Konzulens: Dr. Czél Gergely tudom{nyos munkat{rs BUDAPEST, 2016

2 NYILATKOZATOK Elfogad{si nyilatkozat Ez a szakdolgozat a Budapesti Műszaki és Gazdas{gtudom{nyi Egyetem Gépészmérnöki Kara {ltal a Diplomatervezési és Szakdolgozat feladatokra előírt tartalmi és formai követelménynek megfelelően készült. E szakdolgozatot a nyilv{nos bír{latra és nyilv{nos előad{sra alkalmasnak tartom. A bead{s időpontja: témavezető Nyilatkozat az ön{lló munk{ról Alulírott, Nikh{zy M{rk Levente (JC0YK5), a Budapesti Műszaki és Gazdas{gtudom{nyi Egyetem Gépészmérnöki Kar{nak hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudat{ban kijelentem és saj{tkezű al{ír{sommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saj{t magam készítettem, és dolgozatomban csak a megadott forr{sokat haszn{ltam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy azonos értelemben, de {tfogalmazva m{s forr{sból {tvettem, egyértelműen, a hat{lyos előír{soknak megfelelően, a forr{s megad{s{val megjelöltem. Budapest, szigorló hallgató ii

3 iii

4 KÖSZÖNETNYILV[NÍT[S Ezúton szeretnék köszönetet mondani konzulensemnek Dr. Moln{r Kolosnak a folyamatos segítségéért a gy{rt{s és a vizsg{latok alatt, valamint a szakdolgozatom alap ötletéért. Köszönöm Dr. Czél Gergelynek a szakdolgozatom ellenőrzését, és segítségét a javít{si javaslatokkal. Valamint külön szeretném megköszönni Endrődi Bal{zsnak a betanít{st a gépek kezelésére, valamint a rendszeres segítséget a próbatestek gy{rt{sa alatt. A szakdolgozat elkészítését t{mogatta a Nemzeti Kutat{si, Fejlesztési és Innov{ciós Hivatal - NKFIH, OTKA K és OTKA PD iv

5 TARTALOMJEGYZÉK Köszönetnyilv{nít{s... iv Jelölések jegyzéke... viii 1. Bevezetés Irodalomkutat{s... Hiba! A könyvjelző nem létezik Elektrosztatikus-sz{lképzés alapjai... Hiba! A könyvjelző nem létezik A polimer oldat tulajdons{gai, mint befoly{soló tényezők Sz{lképző szerkezet felépítése, mint befoly{soló tényező Különböző kialakít{sú sz{lképző fejek Különböző kialakít{sú katód kollektorok Gyakran alkalmazott polimer oldatok elektro-sz{lképzéshez Elektro-sz{lképzés alkalmaz{sa az iparban Nanosz{las kompozitok Sz{lképző szerkezet felépítése, mint befoly{soló tényező Elektrosztatikus-sz{lképzett sz{lak tulajdons{gainak vizsg{lata Elektro-sz{lképzés nehézségei F{zisv{ltó anyagok (PCM) jellemzői Hőenergia t{rol{sa F{zisv{ltó anyagok(pcm) típusai F{zisv{ltó nanokapszul{k F{zisv{ltó nanokapszul{k elő{llít{s{nak módjai F{zisv{ltó nanokapszul{k felhaszn{l{si lehetőségei Polietilén-glikol(PEG) mint f{zisv{ltó anyag Intelligens textíli{k Intelligens textíli{k fajt{i F{zisv{ltó hőt{roló anyagot tartalmazó intelligens textíli{k PCM ruh{ba integr{l{s{nak módjai Felhaszn{lt anyagok, alkalmazott berendezések Felhaszn{lt alapanyagok Poliakrilnitril (PAN) Dimetil-formamid (DMF) Poliakrilnitrilből készült fonal Polietilén-glikol (PEG) SPAN v

6 3.2. Alkalmazott berendezések Sz{lképző fej Katód kollektor Sz{lgyűjtő egység Oldat adagoló Sz{lképzéshez alkalmazott egyéb berendezések [llv{ny Fonal tekercselő Vizsg{lati módszerek P{szt{zó elektronmikroszkóp(sem) Differenci{lis p{szt{zó kalorimetria(dsc) Tömegmérés Kísérleti rész Alapanyagok előkészítése Egyszerű elő{llít{si elrendezés tervezése műsz{las fonalak nanosz{- lakkal történő bevonatol{s{ra Keret tervezése [ttétel tervezése Kész mérőberendezés Minta gy{rt{s, a kív{nt paraméterek be{llít{sa A gy{rt{s paraméterei Próbatest gy{rt{s menete Minta gy{rt{s, a kív{nt paraméterek be{llít{sa Morfológiai vizsg{lat Tömegméréses vizsg{lat Fellépő veszteségek DSC vizsg{lat kiértékelése ÖSSZEFOGLAL[S Felhaszn{lt forr{sok Summary vi

7 JELÖLÉSEK JEGYZÉKE A jegyzék a dolgozatban előforduló jelölések magyar és angol nyelvű elnevezését, valamint fizikai mennyiségek esetén azok mértékegységét tartalmazza. Az egyes mennyiségek jelölése ahol lehetséges megegyezik a hazai és a nemzetközi szakirodalomban elfogadott jelölésekkel. Latin betűk Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység d cséve {tmérő mm D szíjt{rcsa {tmérője mm i {ttétel L sz{lképző fej t{vols{ga a kollektortól m m fonal tömege mg n fordulatsz{m 1/s v fonal sebessége m/s V térfogat m 3 Görög betűk Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység ρ sűrűség kg/ m 3 ω szögsebesség 1/s Rövidítések Rövidítés AFM DMF DSC m/m% MEK MEPCM PA6 PAN PCM PE PEG PLA PMMA Megnevezés Atomerő mikroszkóp Dimetil-formamid Differenci{lis P{szt{zó Kalorimetria Tömegsz{zalék Metil-etil keton Mikrokapszul{zott f{zisv{ltó hőt{roló anyag Poliamid-6 Poliakrilnitril F{zisv{ltó hőt{roló anyag Polietilén Polietilén-glikol Politejsav Poli(metil-metakril{t) vii

8 PS PSU PU PVA SEM SHS SPAN80 v/v% Polisztirol Poliszulfon Poliuret{n Polivnil-alkohol P{szt{zó elektronmikroszkóp Érzékelhető hőt{rol{s Poliszorb{t-80 Térfogatar{ny viii

9

10 1. BEVEZETÉS Szakdolgozatom tém{ja poliakrilnitril nanosz{l bevonat készítése poliakrilnitrilből készült fonalra elektrosztatikus-sz{lképzés elj{r{s{val. Megvizsg{lom tov{bb{ milyen eredményt ad, ha az oldatból f{zisv{ltó hőt{roló anyag felhaszn{l{s{val emulziót készítek, és azzal vonom be a fonalat. B{r a mai értelemben vett elektrosztatikus sz{lképzés felfedezése a 20. sz{zad elejére tehető, a tém{hoz kapcsolódó első megfigyelés a 16. sz{zad végén történt. William Gilbert egy elektrosztatikusan feltöltött borosty{nt helyezett egy csepp víz közelébe, amely ettől kúp alakot form{lt, és apró vízcseppeket lövellt a kő ir{ny{ba[1]. Az első sz{lképzés leír{sa 1902-re tehető és J. F. Cooley nevéhez fűződik, aki m{r akkoriban polimer oldatot és nagyfeszültséget haszn{lt[1]. Az úgynevezett f{zisv{ltó anyagok alkalmaz{sa m{ra meglehetősen széleskörűnek mondható. Az energetik{ban, az építészetben és a textiliparban is egyre ink{bb kutatj{k a felhaszn{l{si lehetőségeiket. A f{zisv{ltó anyagok ahogy a nevük is mutatja, felhaszn{l{suk sor{n f{zis{talakul{son mennek keresztül, aminek hat{s{ra képesek a környezetüktől hőt elvonni vagy leadni a külső hőmérséklet v{ltoz{s hat{s{ra. Ezen anyagokat gyakran védőburkolattal l{tj{k el, hogy a belső, f{zis{talakul{son {teső maganyag ne érintkezhessen a környezettel. Ezen szerkezeteket nevezzük f{zisv{ltó kapszul{knak. A hétköznapi életben is tal{lkozhatunk ilyen f{zisv{ltó anyagokkal, péld{ul a hűtőt{ska hűtésére szolg{ló ún. jégakkuban. A két technológia keresztezésével olyan fonal készítése a cél, amelyből készült ruh{k javítj{k a hőérzetet az{ltal, hogy egyenletesebbé teszik a hirtelen külső hőmérsékletv{ltoz{sokat. Az ilyen anyaggal bélelt tűzoltóruha, képes lehet enyhíteni a l{ng magas hőmérsékletét. Egy hétköznapi pulóver anyagaként is alkalmazható, a hirtelen hőmérsékletv{ltoz{sok csillapít{s{ra. Ez azonban hosszabb kutat{st igényel, melynek első lépése a nanosz{lak elő{llít{sa, és fonal bevon{s{ra alkalmas berendezés készítése. A feladatom az volt, hogy megvizsg{ljam, milyen mennyiségben tudom nanosz{lakkal bevonni a fonalat. A nanosz{lak a f{zisv{ltó anyagot magukba z{rj{k, így alapvetően befoly{solj{k a hőt{rol{sra haszn{lt anyag mennyiségét. Tov{bb{ célom volt megvizsg{lni, hogy ez milyen módon befoly{solja a hordozó anyag morfológi{j{t. 2

11 2. IRODALOMKUTAT[S Mind a f{zisv{ltó anyagok hőenergia t{rol{si képességének és felhaszn{l{si módjainak vizsg{lata mind az elektro-sz{lképzés technológi{ja meglehetősen innovatív, így kevés szakirodalom tal{lható magyar nyelven. Éppen ezért a felhaszn{lt inform{ciók jelentős része angol nyelvű leír{sokból sz{rmaznak. Az al{bbi rész bemutatatja az elektrosztatikus-sz{lképzést, a f{zisv{ltó anyagokat, az intelligens textíli{kat és ezek együttes alkalmaz{s{nak módjait Elektrosztatikus-sz{lképzés alapjai Hab{r az elektro-sz{lképzés folyamat{t m{r több mint egy évsz{zada lejegyezték, a széleskörű kutat{sok csak az újévezreddel indultak el. Egy ei, kutat{s eredménye l{tható az 1. {br{n [2]. A Compendex and Inspec tudom{nyos adatb{zis,,electrospinning (elektrosztatikus-sz{lképzés) szóra megjelenő tal{latainak sz{m{t {br{zolt{k évenkénti feloszt{sban 1995 és 2008 között. 1. {bra Az,,electrospinning" kulcsszót tartalmazó ír{sok sz{ma évenkénti feloszt{sban[2] Az elj{r{s lényege, hogy polimer oldatból, vagy ömledékből nanométeres nagys{grendű {tmérővel rendelkező sz{l készül nagyfeszültség hat{s{ra. Hab{r az alapanyag megömlesztett polimer olvadék is lehet, az esetek túlnyomó többségében polimer oldatot alkalmaznak. Az elj{r{s egy egyszerűsített v{ltozat{t a 2. {bra szemlélteti, az elj{r{s végrehajt{s{hoz legszükségesebb egységekkel. 3

12 2. {bra A) Elektrosztatikus-sz{lképzett sz{l képződésének f{zisai *9] B) Sz{lképző berendezés főbb egységei [2] Az oldattal töltött fecskendő kis, egyenletes tömeg{rammal bocs{jt ki anyagot mag{ból. A végére szerelt elektromosan vezető kapill{risra elektromos nagyfeszültséget kapcsolnak, ami az oldatot elektrosztatikusan feltölti. A folyadék töltése, egy kritikus értéket meghaladva legyőzi a fluidum felületi feszültségét, a tű végén úgynevezett Taylor-kúpot form{l, majd apró cseppeket emitt{l mag{ból, ezt az elj{r{st elektrosztatikus porlaszt{nak (electrospraying) nevezik. Ha a tű végén megjelenő oldatcsepp és a vele szemben elhelyezett földelt lemez között kellően nagy a potenci{l különbség és megfelelő a t{vols{g, a cseppek összefüggő folyadék sugarat alkotnak, és úgynevezett ostorozó mozg{ssal az alacsonyabb töltöttségi szinten lévő lemez felé {ramlanak. Ha a két egység megfelelő L t{vols{gra van egym{stól, a folyadékból az oldószer elp{rolog, és szil{rd sz{lak form{j{ban tud lerakódni. A sz{lak orient{ciója alapesetben véletlenszerű, de léteznek megold{sok amikkel ezt befoly{solni lehet, és jelenleg is sz{mos kísérlet folyik a sz{lak ir{ny{nak szab{lyoz{s{ra. Gyakran egy hordozó anyagot is helyeznek a megszil{rduló folyadék útj{ba, amelyet fokozatosan adagolva, nagyobb mennyiségű sz{l begyűjtése is lehetővé v{lik A polimer oldat tulajdons{gai, mint befoly{soló tényezők Az elektro-sz{lképzés folyamat{nak minőségében az anyag tulajdons{gai, a szerkezet és a külső hat{sok egyar{nt szerepet j{tszanak. A folyamat első lépése, hogy a felhaszn{lni kív{nt polimert a megfelelő oldószerrel fel kell oldani. Az oldat elkészítéséhez szakirodalomi tapasztalatok alapj{n meg kell hat{roznunk az anyagra jellemző megfelelő koncentr{ciót. Ez azonban csak egy közelítő érték, érdemes kisebb v{ltoztat{sokkal ellenőrzést végezni, ugyanis a berendezés és a külső hat{sok a folyamatra megkövetelnek egy berendezés és környezet specifikus koncentr{ciót. Az anyag tulajdons{gai közül az egyik legfontosabb a viszkozit{s, amely első sorban a polimer molekula tömegétől és az oldószer ar{ny{tól függ. Ha a viszkozit{s 4

13 túl nagy, nagyobb erő szükséges az anyag kiszorít{s{ra a fecskendőből, és a tű végén megjelenő folyadékcsepp hamarabb szil{rdul meg, valamint kevésbé nyúlik a folyamat sor{n, így vastagabb sz{l{tmérőt eredményez. Ha viszont túl alacsony, a képződő sz{lak felületén anyagfölösleg halmozódik fel, gyöngyök form{j{ban(3. {bra), mert a felületi feszültség képes a sz{lat összer{ntani. A túl sok oldószert tartalmazó oldatból nem képződik sz{l, a folyadéksug{r tördelődik. 3. {bra SEM felvétel a nanosz{l gyöngyökről, a sz{lon elszórva tal{lható gyöngyökről, és az egyenletes {tmérőjű nanosz{lról[29] Ebből következik, hogy a megfelelő minőségű sz{lképzés érdekében, egy az anyagra jellemző optim{lis oldószer ar{ny szükséges. Ennek megtal{l{s{hoz érdemes kisebb viszkozit{sú oldat felől közelíteni, ugyanis a folyadék belső súrlód{s{nak növekedésével a képződő sz{lak {tmérője is növekedni fog [3]. B{r elektrosztatikus-sz{lképzéshez haszn{lhatunk megömlesztett polimert is, ezt viszonylag ritk{n alkalmazz{k. A legnagyobb probléma az ömledék nagyobb viszkozit{sa, ami vastagabb sz{lakat eredményez. Emellett a folyamat bonyolultabb is, hiszen az alapanyagot helyben kell megömleszteni és közel {llandó hőmérsékleten tartani a folytonos minőség és a reproduk{lhatós{g érdekében. Mivel az elj{r{s alapja, hogy nagy feszültséget vezetünk a folyadékba, természetesen befoly{soló tényező annak vezetőképessége is. A polimer ömledékek vezetőképessége is rosszabb mint az oldatoké, ami szintén magyar{zat az oldatok gyakoribb alkalmaz{s{ra. A nagyobb vezetőképességű folyadék kisebb sz{l{tmérőt eredményez.*4] Sz{lképző szerkezet felépítése, mint befoly{soló tényező A szerkezet legfontosabb paraméterei, az elektromos térerősség, valamint az {tfoly{si tényező. Ezek az értékek a képződő sz{l {tmérőjét, és alakj{t egyar{nt befoly{solj{k. Az elektromos térerősség szab{lyoz{s{ra alapvetően két lehetőség van. Az egyik az anódra kapcsolt elektromos feszültség megv{ltoztat{sa, aminek hat{s{ra a sz{lképzés mennyisége és a képződő sz{l alakja is v{ltozik. A sz{lképzéshez szükség van egy minim{lis feszültségre, amely leküzdi az oldat felületi feszültségét, de egy bizonyos értéken túl instabill{ teszi az elektrosztatikus-sz{lképzés műveletét. Ez a feszültség {ltal{ban kilovoltos nagys{grendű.[4,9] 5

14 A m{sik elektromos térerősséget befoly{soló tényező az anód és a katód t{vols{ga. Ezt a szerkezet tervezésekor figyelembe kell venni, ugyanis különböző anyagokhoz, különböző t{vols{gokra lehet szükség, így célszerű a könnyű és pontos {llíthatós{gra is gondolni. Az {tfoly{si tényező függ az adagol{s módj{tól, sebességétől és a kapill{ris {tmérőjétől. Elterjedt megold{s a fecskendő haszn{lata adagolóval, amely egyenletes anyag{ramot biztosít. A kapill{ris {tmérőjének hat{s{t több tanulm{ny is vizsg{lta Környezet mint befoly{soló tényező A környezeti hat{sok közül a hőmérséklet és a p{ratartalom a legink{bb jelentős tényezők. Csak a hőmérséklet hat{s{t az elj{r{sra nehéz lenne megmondani, de az biztos hogy a hőmérséklet növekedése exponenci{lisan csökkenti a viszkozit{st, így a reproduk{lhatós{g érdekében, igyekezni kell egy {llandó szinten tartani a szerkezet környezetét. A p{ratartalom hat{s{t a poliakrilnitril(pan) és a poliszulfon(psu) dimetilformamidos oldatra Liwei Huang és munkat{rsai vizsg{lt{k[5]. A vizsg{lat sor{n a relatív p{ratartalmat null{ról kezdve, 10%-os lépésekben emelték. Megfigyelték, hogy sz{raz levegő esetén szép, sima felületű sz{lak keletkeztek. A megnövekedett p{ratartalom esetén a v{ltoz{sra érzékenyebb PSU felületén mélyedések(pórusok) keletkezte, míg a PAN sz{laknak csak a felületi érdessége növekedett meg. Ezt azzal magyar{zt{k, hogy míg a PAN hidrofil, a PSU hidrofób, így a felületén vízcseppek alakulnak ki, ezek okozz{k a pórusokat. A vizsg{lat eredményeképpen meg{llapított{k, hogy a PSU oldat 50%-os a PAN oldat 60%-os p{ratartalomig alkalmas sz{l elő{llít{s{ra*5] Különböző kialakít{sú sz{lképző fejek Az elektrosztatikus-sz{lképzés legegyszerűbb esete, a fecskendő tűjének alkalmaz{sa jó példa a működési elv megértésére, ugyanakkor a sz{lhozama meglehetősen behat{rolt. A nanosz{lak alkalmazhatós{g{nak széles köre miatt, és a felhaszn{l{sukra megjelenő fokozott igény következtében sz{mottevő kutat{s folyik annak érdekében hogy a termelékenységet növelni tudj{k. Ezt alapvetően több p{rhuzamosan elhelyezett kapill{rissal, különböző geometri{jú anódokkal, vagy új ir{nyelvként úgynevezett tű nélküli elj{r{ssal valósítj{k meg. A kapill{ris elven működő elj{r{sokn{l, a kis {tmérőjű tű végén megjelenő folyadék csepp alkot kúp alakot az elektrosztatikus tér hat{s{ra, így egyszerre annyi folyamatos sz{lat hozhatnak létre, ah{ny ilyen egységet az anódfejbe beépítenek. 6

15 A tű nélküli elj{r{sokn{l egyszerűen egy folyadék filmet hoznak létre különböző geometri{jú anód testeken, ezzel lehetővé téve egyszerre nagys{grendekkel több folyamatos sz{l létrehoz{s{t. Ezen elj{r{sok h{tr{nya, hogy az oldat nagy felületen érintkezik a levegővel, így gyorsabban p{rolog ki belőle az oldószer, valamint nagyobb energia igény is jellemzi[6]. Egy ilyen megold{s, hogy a folyadék fürdőbe g{zt vezetnek, és a felszínen megjelenő buborékokból alakulnak ki a Taylor-kúpok. Ezen elj{r{s v{zlatos elrendezése l{tható az al{bbi {br{n. 4. {bra G{zbevezetéses tű nélküli elj{r{s működési {br{ja [6] Különböző kialakít{sú katód kollektorok A nanosz{l kollektorokat alapvetően két csoportra bonthatjuk: szab{lyozatlan, és szab{lyozott sz{lgyűjtőkre. A szab{lyozatlan sz{lgyűjtőkre érkező sz{lak rendszertelenül helyezkednek el. Felépítésüket tekintve rendszerint egyszerűbbek. Alakjuk különböző lehet, de rendszerint egyszerű fémlapot alkalmaznak. Előnye hogy olcsó, nem igényel sok be{llít{st és könnyedén elkészíthető. A szab{lyozott sz{lgyűjtés lényege, hogy a sz{lakat rendezetten, előre meghat{rozott orient{cióval készíthessék. Legegyszerűbb péld{ja az 5. {bra B pontj{ban l{tható, egy élével az anód felé fordított vékony korong, amely folyamatos, egyenes sz{lak létrehoz{s{t teszi lehetővé az{ltal, hogy a sz{lak kis felületre érkeznek, valamint a test forg{sa tov{bb nyújtja a sz{lakat, ez{ltal az {tmérőjük tov{bb csökken. H{tr{nya, hogy nagy mennyiségű termék elő{llít{s{ra nem alkalmas. Ennek megold{s{ra egy fémhuzalokból készített dobot alkalmaznak, mely hasonló elven működik (5. {bra B pontja). Itt a sz{lak egy huzalon prób{lnak lerakódni, de mire odaér m{r a következő huzal lesz közelebb az anódhoz, és így tov{bb. A berendezés lassú axi{lis mozg{sa lehetővé teszi nagyobb mennyiségű orient{lt sz{l elő{llít{s{t. Folyamatos gy{rt{st azonban, a dob véges hossza miatt ezzel az eszközzel sem lehet megvalósítani. A sz{lak orient{ciój{t m{gneses térrel, vagy 3D-s kollektor form{kkal is befoly{solj{k (5. {bra C pontja)[6]. 7

16 5. {bra A) Vékony t{rcsa alakú fém kollektor B) Fémhuzalokból készült dob alakú kollektor C) Egyenes sz{l képzésére haszn{lt szilícium katódok[6] Gyakran alkalmazott polimer oldatok elektro-sz{lképzéshez Miut{n az es években Dr. Darrell H. Reneker csapat{val népszerűsíteni kezdte az elj{r{st[5], sz{mtalan polimer oldattal kísérleteztek a kutatók. Azt tapasztalt{k, hogy gyakorlatilag b{rmely polimer oldat alkalmas lehet elektrosz{lképzésre ha a szükséges illékonys{g megv{lasztható, és a molekulatömeg a koncentr{ció mellett egy bizonyos tartom{nyba esik.*7] Az elj{r{shoz gyakran alkalmazott polimer a polisztirol(ps), polietilén(pe), a poli(metil-metakrill{t)(pmma), poliamid 6 (PA6), poliakrilnitril(pan) de előfordul a víz oldható poli(vinil-alkohol)(pva), vagy a természetes politejsav(pla) is. A legtöbb esetben azonban erős oldó hat{sú vegyületeket alkalmaznak az oldat elkészítéséhez mint a dimetil-formamid(dmf), a metil-etil keton(mek) vagy a hangyasav. [5,9] Az egyes anyagokból képezhető sz{l{tmérők a viszkozit{suk függvényében v{ltozik. Mivel az elj{r{s célja minél kisebb {tmérőjű sz{lak elő{llít{sa, sz{mtalan kísérlet folyik jelenleg is az egyes anyagok sz{l{tmérőjének legfontosabb tényezőinek felt{r{s{ra[9]. Egy ilyen összehasonlít{s l{tható a 6. {br{n. 8

17 6. {bra A) PMMA nanosz{lak {tmérője az oldat viszkozit{s{nak függvényében B) PA6 nanosz{lak {tmérője az oldat viszkozit{s{nak függvényében C) PAN nanosz{lak {tmérője az oldat viszkozit{s{nak függvényében *9] Elektro-sz{lképzés alkalmaz{sa az iparban Napjainkban a folyamat még nem terjedt el olyan mértékben, hogy az ipar széles körben alkalmazhassa, azonban egyre több v{llalat kezdi felfedezni a benne rejlő lehetőségeket. A 2008-ban alapított Elmarco v{llalat[28] m{r {rul kész elektrosz{lképző berendezést, amelyet Nanospider névre kereszteltek, valamint készítettek m{r programot is az elj{r{s szimul{l{s{ra, mely nyílt forr{skódú, a neve JETSPIN[27]. Az ipari mértékű termelés problém{ja az egy tűs rendszer alacsony sz{lhozama. Éppen ezért a legtöbb elj{r{s ma m{r a több sz{l egyidejű létrehoz{s{t célozza, amellyel jóval nagyobb termelékenység érhető el[6]. Jelenleg főként szűrőket, membr{nokat készítenek belőle, de alkalmazz{k napelemekhez, kompozit anyagok sz{lerősítéseként valamint az orvostudom{ny h{romdimenziós szövettenyésztésre (Tissue Engineering{TE})[8] Nanosz{las kompozitok A nanosz{las kompozit elő{llít{s többféle képpen is történhet. Egyik ilyen módszer amikor egy kapill{rist egy m{sikba helyeznek és rajtuk két különböző anyagot folyatnak keresztül. Amennyiben a belső anyag elt{volítható, a művelet eredménye cső alakú nanosz{l. Lehetőség van egy sz{lon belül több üreg 9

18 kialakít{s{ra is. Amennyiben a belső anyag a héjon belül marad, úgy két anyagból {lló nanokompozitot hozhatunk létre egyesítve azok tulajdons{gait. Tov{bb{ készíthetünk a két módszer együttes alkalmaz{s{val olyan sz{lakat is, ahol a két polimer közé elt{volítható anyag kerül, {ltal{ban valamilyen olaj, így nanosz{l a nanocsőben szerkezetű struktúr{kat hozhatunk létre.[10] 7. {bra A) H{rom kamr{s nanosz{l gy{rt{s{nak működési {br{ja B1-4) Több üreges nanosz{lak keresztmetszeti képei C) H{rom anyag réteges alkalmaz{sa nanosz{l gy{rt{shoz D) Sz{l a sz{lban típusú nanosz{l *10] Nanokompozit sz{l készítésére egy m{sik lehetőség a két oldat összefolyat{sa közvetlenül a kapill{ris végén két külön csőből. Így olyan sz{lakat készíthetünk, amelyek fele az egyik anyagból a fele a m{sik anyagból {ll, így egyesítve az anyagok tulajdons{gait. [10] Egy m{sik megold{si lehetőség, amellyel egy tűs berendezéssel {llíthatunk elő nanokompozitot, az emulzió készítés ban Xu [10] és t{rsai egy tűs elektrosztatikus-sz{lképzéssel készítettek víz az olajban típusú emulzióval PEO/PEG- PLA mag-héj szerkezetű sz{lakat. Megfigyelték, hogy a mag héj térfogat ar{ny jóval nagyobb mint a PEO-FITC tömeg ar{nya a PEG-PLA kopolimerrel. Ez azért van mert a képződött sz{lak héja tiszta PEG-PLA-t tartalmazott, a magban viszont a két anyag koncentr{lt diszperziója tal{lható. Tov{bb{ azt is észrevették, hogy a kloroform gyorsabb p{rolg{sa miatt és a fellépő nyújtó hat{s miatt a cseppek sz{l ir{nyban 10

19 nyújtott, elliptikus alakot vettek fel. Az elj{r{ssal kapott sz{l szerkezete, és kialakul{sa l{tható a 8. {br{n. 8. {bra Cseppek helyzetének v{ltoz{sa emulziós elektrosztatikus-sz{lképzés alatt[10] Elektrosztatikus-sz{lképzett sz{lak tulajdons{gainak vizsg{lata A képződött sz{lak ahogy a nevük is mutatj{k nanométeres nagys{grendűek. A 100 nm alatti {tmérővel rendelkező sz{lak vizsg{lata optikai mikroszkóppal körülményes, ugyanis itt fellép a fényelhajl{s(diffrakció) jelensége. Ezért a sz{lak {tmérőjét a gyakorlatban leggyakrabban p{szt{zó elektronmikroszkóppal(scanning Electron Microscpe {SEM}) mérik. A műszer segítségével a néh{ny 10 nm {tmérőjű sz{lak is könnyedén vizsg{lhatóak[5]. A differenci{lis p{szt{zó kalorimetria (Differential Scanning Calorimetry,DSC}) is megszokott vizsg{lati módszer a nanosz{lak tulajdons{gainak felt{r{s{ra. A termikus analitikai módszerekkel az anyag krist{lyosod{si tulajdons{gait vizsg{lj{k[4]. Az polimerek mechanikai tulajdons{gainak felt{r{s{ra gyakran alkalmazott módszer a szakítóvizsg{lat. Ez azonban a nanométeres nagys{grendű {tmérővel rendelkező sz{lak esetében meglehetősen nehézkes, különösen a szab{lyozatlan orient{cióval rendelkező, elektrosztatikus-sz{lképzett anyagok esetén. A probléma megold{s{ra több innov{ció is született, az egyik ilyen egy atomerő mikroszkóp(atomic Force Microscopy,AFM}) alkalmaz{sa SEM-el kombin{lva[4] Elektro-sz{lképzés nehézségei Az elj{r{s legnagyobb problém{ja az oldószer p{rolg{s és a nagyfeszültség. Az oldószer lehet környezetszennyező, mérgező, maró vagy gyúlékony. A gép mellett dolgozók így fokozott veszélynek vannak kitéve, hiszen az elp{rolgott anyagokat belélegzik, valamint a nagyfeszültség a legjobb szigetelés mellett is okozhat szikr{kat amelyek tűzveszélyessé tehetik az elj{r{st. Ezen veszélyek elkerülésére biztons{gi berendezések beépítése szükséges ami tov{bb bonyolítja és dr{gítja az elj{r{st. 11

20 Tov{bbi komplik{ciókat okoz a rendszer érzékenysége a környezetére. A végtermék minőségét és mennyiségét olyan sok hat{s befoly{solja, hogy nehézkes {llandó minőségű sz{l elő{llít{sa. A tapasztalataim is azt mutatj{k, hogy laboratóriumi körülmények között is nagyon v{ltozó az elő{llított anyag morfológi{ja. Ezért különösen fontosnak tartom feljegyezni minden mérésnél a környezet hőmérsékletét és a p{ratartalm{t F{zisv{ltó anyagok (PCM) jellemzői A f{zisv{ltó anyagok egyfajta megújuló energia t{rolók, így a napjainkban megnövekedett energia igény miatt nagyon fontos szerepet j{tszanak a tudom{nyos kutat{sokban. Erőforr{s t{rol{sra az úgy nevezett l{tens hője teszi képessé, ami nem m{s mint az anyag halmaz{llapot v{ltoz{sakor a környezet felé leadott vagy onnan felvett hőenergia. A leggyakoribb alkalmazott f{zisv{ltoz{s a folyadék-szil{rd és a szil{rdfolyadék*11+. Ebből következik hogy az alkalmaz{si hőmérséklethez érdemes kiv{lasztani a megfelelő hőt{roló anyagot, annak f{zisv{ltoz{si hőmérsékletének ismeretében. Ezen anyagok h{tr{nya, hogy meglehetősen dr{g{k, és kapszul{z{suk is meglehetősen bonyolult. Mikrokapszul{zott hőt{roló anyagok alkalmaz{s{ra és elő{llít{s{nak lehetőségére intenzív kutat{sok folynak vil{gszerte. Haz{nkban ez id{ig nem terjedt el alkalmaz{suk, és csak néh{ny alapkutat{s folyik ezen lehetőségekről Hőenergia t{rol{sa A hőenergia t{rol{s alapvetően h{romféleképpen valósul meg. Az anyag hője érzékelhető hő, l{tens hő és termokémiai hő útj{n rakt{rozható[12]. Az anyagok úgynevezett érzékelhető hőt{rol{sa(sensible heat storage,shs}) a mennyiségüktől a fajhőjüktől és a környezetük hőmérsékletétől függ[12]. Az anyag hőmérséklete f{zis{talakul{sa közben nem v{ltozik meg. A f{zis{talakul{sra fordított hőmennyiséget nevezzük l{tens hőnek, amit az anyag a környezetéből vesz fel, vagy oda adja le. Ez a hőenergia jóval nagyobb mint az érzékelhető hőmérsékletv{ltoz{s sor{n nyerhető[13,15]. Ezen tulajdons{gok teszik hőenergia t{rol{sra, valamint felhaszn{l{s{ra alkalmass{ közel {llandó hőmérsékleten a f{zisv{ltó kapszul{kat[12] F{zisv{ltó anyagok(pcm) típusai A f{zisv{ltó hőt{roló anyagok {ltal{ban parafin szénhidrogének, zsírsavak, zsíralkoholok, sók, sóhidr{tok, vagy sókeverékek*13+. Az al{bbi diagram az érzékelhető hőt és a l{tens hőt t{roló anyagok összehasonlít{s{t szemlélteti. 12

21 9. {bra Érzékelhető hőt{roló anyag és l{tens hőt t{roló anyag fajlagos hőtartalom v{ltoz{s{nak összehasonlít{sa [13] Az {br{n jól l{tható, hogy az érzékelhető hő t{rol{s{ra haszn{lható anyagok egységnyi hőmennyisége közel ar{nyos a hőmérséklet megv{ltoz{s{val. A l{tens hőt{roló anyagok esetében is megfigyelhető ez az ar{nyoss{g, azonban a f{zisv{lt{s hőmérsékletén ugr{sszerű v{ltoz{s figyelhető meg. Ez az ugr{s szerű fajlagos hőtartalom v{ltoz{s az anyag olvad{s és dermedés hőjével van összefüggésben. [14,15] Néh{ny gyakran alkalmazott f{zisv{ltó hőt{roló anyag tulajdons{gait t{bl{zatba szedtem össze (1. t{bl{zat). Anyag neve Olvad{si hőmérséklet ( C) Krist{lyosod{si hőmérséklet ( C) Hexadek{n (cet{n) 18,5 16,2 237 Heptadek{n 22,5 21,5 213 Oktadek{n 28,2 25,4 244 Nanodek{n 32,1 26,4 222 Eikoz{n 36,1 30,6 247 PEG ,3 29, t{bl{zat F{zisv{ltó hőt{roló anyagok hőmérséklet jellemzői [14,15] L{tens hő t{rol{si kapacit{s (kj/kg) 13

22 F{zisv{ltó nanokapszul{k A f{zisv{ltó kapszul{kat {tmérőjük alapj{n h{rom csoportba sorolhatjuk. Az 1 mm {tmérőnél nagyobb gömb alakú testeket makrokapszul{knak nevezzük. Az ettől kissebb de 1 mikrométernél nagyobbakat mikrokapszul{knak, és az ettől kisebbeket f{zisv{ltó nanokapszul{nak (microencapsulated phase change material {MEPCM}) hívjuk[14]. Mivel ezen anyagok felületükön adj{k le vagy veszik fel a hőt, a lehető legnagyobb felületet kell elérni az elő{llít{s sor{n. Ennek a legjobb módja ha nanoméretű gömböket készítenek belőle így elérve a mennyiségre vonatkoztatott legnagyobb hő {tadó felületet. A f{zisv{ltó anyagokat {ltal{ban burkolattal v{lasztj{k el a környezetüktől. Ezt a halmaz{llapot v{ltoz{suk fizikai megvalósíthatós{g{n túl az is indokolja, hogy a legtöbb l{tens hő t{rol{s{ra alkalmas anyag korrozív, toxikus, tűzveszélyes és k{ros lehet a környezetre*13]. 10. {bra Különböző alakú f{zisv{ltó kapszul{k *19] A fiziko-kémiai tulajdons{gai alapj{n 5 féle f{zisv{ltó nanokapszul{t különböztethetünk meg. Az egyszerű egy vékony fallal körbevett gömb alakú, a szokatlan egy szab{lytalan alakú maggal rendelkező, a több magos amely egynél több maggal rendelkezik, a m{trix ahol a héj anyaga be{gyazódik a magba és a többfalú amely két különböző anyagból készült héj vesz körül. [15] A maghéj szerkezet előnye, hogy ezekben a hőt{roló anyag tömegar{nya és ennek megfelelően a fajlagos hőt{roló képessége {ltal{ban nagyobb. [14] A m{trixszerkezet előnye lehet a jobb mechanikai és termikus stabilit{s, b{r ezek a tulajdons{gok a felhaszn{lt anyagoktól és módszerektől, végső soron a bevonat tulajdons{gaitól függenek F{zisv{ltó nanokapszul{k elő{llít{s{nak módjai Az elő{llít{si módokat alapvetően két csoportba sorolhatjuk. A fizikai módszerek közé sorolható a permetezve sz{rít{s, centrifug{l{s vagy a fluid {gyas folyamatok. A kémiai folyamatok leggyakoribb módszerei a hat{rfelületi polimeriz{ció, in situ 14

23 polimeriz{ció, a f{zis elkülönítés(f{zis szepar{ció), vagy a szuszpenziós polimeriz{ció. A kémiai elő{llít{s elterjedtebb annak felhaszn{lhatós{ga és tulajdons{gai miatt, mivel a fizikai folyamat sor{n csak nagyj{ból 100 nanométer {tmérőjű gömb készíthető. *14] 11. {bra n-oktadek{n in situ polimeriz{ciój{nak v{zlatos rajza *19] Folyadékf{zisú kapszul{z{si módszerek közé tartoznak az emulziós technik{k, a szuszpenziós polimeriz{ciós és koacerv{ciós módszerek. Utóbbi esetben péld{ul a bevonandó hőt{roló anyag kis részecskéit por vagy apró krist{lyok form{j{ban egy arra alkalmas folyadékban szuszpenzióba visszük, és a fo1yadékban oldott vagy kolloid {llapotban lévő kapszul{zó polimert megfelelő módon (pl. kicsap{ssal vagy f{zis szepar{ció révén) lev{lasztjuk a szuszpend{lt részecskék felületére.[19] A fizikai módszerekkel elő{llított magok külön lépésben is bevonhatók, amihez kémiai módszerek is alkalmazhatóak F{zisv{ltó nanokapszul{k felhaszn{l{si lehetőségei A f{zisv{ltó anyagokat napjainkban meglehetősen széles körben alkalmazz{k az iparban többek között úgynevezett inteligens textíli{k gy{rt{s{ra és az épületenergetik{ban. Alapvetően két célt szolg{lnak, hőt t{rolnak vagy a hő csillapít{s szerepét l{tj{k el. Az intelligens textíli{k olyan ruhadarabok, amelyek a hőérzet javít{s{nak célj{ból készülnek. Hirtelen hőmérsékletv{ltoz{sokat tesz egyenletessé egy előre meghat{rozott hőmérsékleten. Az épületenergetik{ban fűtésre haszn{lj{k, többek között olyan helyeken, ahol a nappalok és az éjszak{k között jelentős hőmérsékletkülönbség van. Egy f{zisv{ltó kapszul{kat tartalmazó zaggyal feltöltött csőh{lózatban a szabadba vezetik az anyagot, ahol a nap melegének hat{s{ra folyékony f{zisú lesz, ezt egy jól szigetelt tart{lyban estig t{rolj{k, majd az épületben keringetik, ahol fokozatosan leadja a l{tens hőjét, így tartva melegen azt. Emellett alkalmazz{k még hőszigetelésre így stabiliz{lva a belső hőmérsékletet. 15

24 Polietilén-glikol(PEG) mint f{zisv{ltó anyag Gyakran alkalmazott hőt{roló f{zisv{ltó anyag a PEG, főként az épületenergetik{ban. Ennek oka, hogy nem mérgező, a f{zisv{ltó hőmérsékletei megfelelnek a felhaszn{l{sra, nagy l{tens hő kapacit{ssal rendelkezik, valamint nagy a hő- és kémiai stabilit{sa, így hosszú t{vú alkalmaz{sra is megfelel. A PEG 1000 olvad{spontja 33,32 C, az ehhez tartozó l{tens hőtartalma pedig kj/kg. Fagy{spontja C. Ekkor kj energi{t ad le a környezetének kilogrammonként. [15] Egy tanulm{nyban PEG/kovaföld kompozitot készítettek v{kuumimpregn{l{ssal. A porózus kovaföldbe 60kPa v{kuumnyom{ssal juttatt{k be a f{zisv{ltó hőt{roló anyagot 50 m/m%-ban. A kompozit hővezető képességének javít{sa érdekében néh{ny sz{zalék expand{lt grafit adalékot adtak hozz{. 12. {bra PEG és PEG/kovaföld kompozit DSC vizsg{lat{nak eredménye *15] A DSC eredmények (12. {bra) azt mutatt{k, hogy a PEG jól alkalmazható hőt{roló f{zisv{ltó anyagként kompozitokban. Vizsg{lt{k tov{bb{, hogyan v{ltozik az anyag hőt{roló képessége 1000 melegítési és hűtési ciklussal később. Az eredmények azt mutatt{k, hogy az olvad{spont 1,94 C-al, míg a fagy{spont 0,41 C-al nőtt meg. A l{tens hő mennyisége olvad{skor 1,1%-al fagy{skor 3,52%-al v{ltozott meg 1000 ciklus alatt. [15] 2.3. Intelligens textíli{k Az anyagtudom{ny fejlődésével, és az egyes anyagok tulajdons{gainak megismerésével új felhaszn{l{si lehetőségek nyílnak meg a textil ipar sz{m{ra. Az első ruha darab elkészülése óta kísérletezik az ember a viseletek tulajdons{gainak javít{s{n. Azokat a ruhadarabokat nevezzük intelligensnek, amelyek az adott szerepükön kívül, valamilyen m{s hasznos tulajdons{ggal is rendelkezik.[16+ Az első ilyenek közé ilyen tal{lm{nyok közé tartozott az {llati zsírral bekent öltözet, amely védelmet biztosított viselőjének a vízzel szemben. Napjainkig a textil ipar rengeteget fejlődött. Az első nagy {ttörést az ipari forradalom idején megjelenő gőzgépek jelentették, amelyek lehetővé tették a sz{las 16

25 anyagokból készülő termékek tömeggy{rt{s{t. Az anyagok felhaszn{l{s{t tekintve azonban a legnagyobb {ttörés a szintetikus polimerek feltal{l{s{val kezdődik. Az olcsó, nagy mennyiségben rendelkezésre {lló, jó mechanikai tulajdons{gokkal rendelkező, könnyen elő{llítható anyagok tulajdons{gai széles körű felhaszn{l{st és nagy előrelépést jelentettek a ruhagy{rt{sban. Jó példa erre a poliamid megjelenése, melynek egy olcsóbb v{ltozat{t nejlon néven ismeri a köznyelv, és közismert alapanyaga sok hétköznapi viseletnek. Egy m{sik, jobb mechanikai tulajdons{gokkal rendelkező poliamid az aramid, melyet a köznyelvben kevl{rnak hívnak és a golyó{lló mellények alapanyagaként is haszn{lj{k Intelligens textíli{k fajt{i Az intelligens textíli{k fogalma rendkívül t{g, így mindet megemlíteni gyakorlatilag lehetetlen. A viseletként alkalmazott okos textíli{k leggyakoribb típusai a vízhatlan, az elektromosan vezető, a vegyszer{lló, a g{zz{ró és a nanokapszul{val ell{tott. A vízhatlan ruh{k elő{llít{s{val m{r évezredek óta foglalkozik az ember. A problém{t az okozza, hogy olyan viseletet kell készíteni amely nem csak kiz{rja a vizet, de megfelelő szellőzést is biztosít a test sz{m{ra. A víz z{ró ruhadarab elő{llít{sa napjainkban is kutatott terület, amely eredményének tesztelésére több, nemzetközileg elfogadott szabv{ny létezik. Egyik ilyen elj{r{s, hogy egy ember alakú b{but 22 db vezetőképességet vizsg{ló érzékelővel l{tnak el, erre 10 méter magasból esőhöz hasonló körülmények között vizet csepegtetnek, és vizsg{lj{k hol és mikor éri víz a testet[17]. A legtöbb hétköznapi viselet alapanyaga úgy, mint a gyapjú, pamut és poliészter nagy elektromos ellen{ll{ssal rendelkezik. Ezek az anyagok könnyen v{lnak elektrosztatikusan töltötté, amelyek kisülésekor szikra keletkezhet, amely balesetet idézhet elő. Ennek megelőzése érdekében, antisztatikuss{ kell tenni az anyagot úgy, hogy megnöveljük a vezetőképességét, ide{lis esetben egy olyan értékre, amely a vezető és a nem vezető közötti tartom{nyban tal{lható, így a töltések könnyebben eloszlanak a ruha felületén[18]. A f{zisv{ltó hőt{roló anyaggal ell{tott ruhadarabok igénye az 1980-as évek elején jelent meg a NASA-n{l. Olyan öltözeteket kellett készíteniük, amely megóvja viselőjét a vil{gűr hidegétől. Hab{r az űrprogramban végül nem alkalmazt{k az elj{r{st, felkeltette a kutatók érdeklődését a hőszab{lyzó ruha elképzelése. Ennek köszönhetően sz{mos értekezés született a tém{ban, és több v{llalat kísérletezik a PCM-el ell{tott ruh{k elő{llít{s{nak lehetőségeivel. 17

26 F{zisv{ltó hőt{roló anyagot tartalmazó intelligens textíli{k Ezek alapvetően két szerepet l{tnak el. A hővédő öltözetek péld{ul kesztyűk megvédik a testet a l{ng hőmérsékletétől az{ltal, hogy elnyeli a hő egy részét. Giraud[19] egy új koncepciót fejlesztett ki erre, foszf{tot vont be poliuret{n(pu) héjjal, égésg{tolt MEPCM-et létrehozva, mely elnyeli a l{ng hőmérsékletét. Az ilyen ruh{zatok a jövőben képesek lehetnek megmenteni szolg{latot teljesítő tűzoltók életét, testi épségét. M{sik felhaszn{l{si lehetősége a hőérzet javít{sa hétköznapi viseletnél. Egy ilyen anyagból font pulóver lehetővé tenné viselője sz{m{ra, hogy téli időben egy fűtött j{rműből besét{lhasson a h{zba anélkül, hogy megérezné a hideget, vagy megf{zna. Ugyancsak alkalmazható lehet meleg éghajlatú régiókban, hiszen a kapszul{k hőelvon{sra is képesek. Valamint alkalmazható több különféle f{zisv{ltó hőt{roló anyag egyidejűleg több f{zisv{ltó hőmérséklettel. Shin [19] M/F mikrokapszul{kat készített eikoz{nból a textilipar sz{m{ra, amely magas l{tens hővel rendelkezett és hőkapacit{s{nak 40%-{t megtartotta 5 mos{ssal később is. Magasabb mag héj ar{nyt alkalmazott a magasabb termo-szab{lyoz{s hatékonys{ga érdekében. A szövet 22,9% MEPCM elnyelésére volt képes és 4,44 kj/kg hőt vett fel egy olvad{si folyamat alatt. A vizsg{lt mag/héj kompozit sz{lak 4-24% mikrokapszul{zott n-oktadek{nt tartalmaztak. A sz{lak entalpi{ja {tlagosan 11 kj/kg volt, és a sz{lak mechanikai tulajdons{gai elfogadhatóak voltak egészen 20% MEPCM tartalomig[19]. A bevont szövet megóv{sa érdekében, jól alkalmazható megold{st jelenthet, ha a f{zisv{ltó hőt{roló anyagot tartalmazó szövet csak bélése a ruh{nak, amely egyszerűen elt{volíthatóv{ téve, hosszú t{vú alkalmaz{st tenne lehetővé, mivel nem érintkezik közvetlenül bőrfelülettel, és maga a mosható ruha mint egy héj védi a környezeti szennyeződésektől. Így a cseréje is könnyen, költséghatékonyan megoldható esetleges tönkremenetel esetén PCM ruh{ba integr{l{s{nak módjai Az okos textíli{k elkészítésének alapvetően két módja létezik. A sz{lak, vagy kész szövet bevon{sa m{s anyaggal, vagy előre elkészített lap r{lamin{l{sa a textilre. A bevon{s technológi{j{nak lényege, hogy a textíli{t valamilyen nedvesített PCMet tartalmazó keverékkel vonj{k be. A keverék tartalmazhat polimer kötőanyagot, felületaktív anyagot, diszperg{lószert, habz{sg{tlót és sűrítőanyagot.*20] Ezt a folyadékot juttatj{k a szövet vagy fonal felületére, ahol a jó kötés létrejöttéhez elengedhetetlen a folyadék jó nedvesítő képessége. A rossz nedvesítő képességű anyag és a szövet között nem tud jó adhéziós kapcsolat kialakulni, így nem lesz tartós a bevonat. Egy ilyen lehetséges megold{s a f{zisv{ltó hőt{roló anyag elkeverése polimer oldatban mint egy emulziót létrehozva, mely apró szigeteket képez, majd ebből elektrosztatikus sz{lképzéssel nanosz{l készül. Így nem szükséges előre kapszul{zni 18

27 az anyagot, hiszen maga a nanosz{l anyaga szolg{ltatja a mechanikai védelmet. Az elkészült nanosz{lat többféleképpen is feljuttathatjuk a fonalra, amelyből később a ruh{t készítjük. Ennek egy lehetséges módj{t a 13. {bra szemlélteti[21]. 13. {bra A) Folyamatos nanosz{l köteg készítésére alkalmas elektrosztatikus-sz{lképző berendezés elvi {br{ja B) Sz{lképző egység felépítése C) Nanosz{lak fon{lra tekerésére alkalmas berendezés működési {br{ja *21] Az elj{r{st alapvetően hibrid sz{lak készítésére alkalmazz{k, de véleményem szerint egy jó megold{st jelenthet a PCM-et tartalmazó nanosz{l fonalra juttat{s{hoz is. A művelet két lépésből {ll. Első lépésben egy nanosz{l köteget készítenek a 13. {bra A pontj{n l{tható módon. A 13. {bra B pontj{n l{tható forgó egységbe levegőt és polimer oldatot fecskendeznek, ami a szórófej végén buborékot form{l. A buborékot alkotó vékony filmréteg és a fém tölcsér közötti potenci{l különbség hat{s{ra több sz{l egyidejű képzésével indul el a folyamat. A sz{lak egy fordított kúp alakú üreges h{lót alkotnak egy szigetelő anyagból készült p{lca húz{s{nak hat{s{ra. Ezut{n sz{lköteget feltekercselik. A feltekercselt nanosz{l köteget és a bevonni kív{nt fonalat egyidejűleg egy sűrített levegővel működtetett úgynevezett csavaró kamr{ba vezetik, ahol a nanosz{l köteg a nagy sebességgel, spir{l alakban {ramló levegő hat{s{ra r{tekeredik a cérn{ra. Az elj{r{s 200 m/perces gy{rt{si sebességet tesz lehetővé, ami ak{r ipari alkalmaz{sra is megfelelhet. Az elkészült bevont fonalról készült SEM felvétel a 14. {br{n l{tható.[21] 19

28 14. {bra A 13. [br{n l{tható berendezéssel készült bevont sz{lak SEM képe *21] 20

29 3. FELHASZN[LT ANYAGOK, ALKALMAZOTT BERENDEZÉSEK Ebben a fejezetben a Budapesti Műszaki és Gazdas{gtudom{nyi Egyetem Polimertechnika tanszék {ltal biztosított berendezéseket és anyagokat mutatom be, melyeket a szakdolgozatom elkészítéséhez felhaszn{ltam Felhaszn{lt alapanyagok Az oldat elkészítéséhez szükséges anyagokat a Polimertechnika Tanszék biztosította Poliakrilnitril (PAN) Anyagv{laszt{s sor{n PAN-t v{lasztottunk, ugyanis a felhaszn{lt fonal is ebből készült, így jobb kapcsolat alakulhat ki a nanosz{lak és a fonal közt. A poliakrilnitril a tanszéken porózus granul{tumok form{j{ban {llt rendelkezésemre Dimetil-formamid (DMF) A DMF egy laboratóriumban gyakran alkalmazott oldószer, mely oldja a poliakrilnitrilt. Színtelen folyadék, mely bőrrel érintkezve és belélegezve is {rtalmas, valamint tűzveszélyes folyadék és gőz f{zisban is Poliakrilnitrilből készült fonal A tanszék {ltal biztosított fonal szintén poliakrilnitrilből készült ak{rcsak a nanosz{l, így jó adhéziós kapcsolat alakul ki köztük a bevonatol{s sor{n. A rendelkezésemre {lló fonal {tmérője 1 mm volt Polietilén-glikol (PEG) 600 A PEG 600 egy vízoldható poliészter oligomer, melyet szobahőmérséklet közeli olvad{s és fagy{s pontja, magas l{tens hőtartalma tesz gyakran alkalmazott f{zisv{ltó hőt{roló anyagg{. Mivel nem {rtalmas, alkalmas textilipari alkalmaz{sra. [22+ A név mögött {lló sz{m a molekulatömeget jelenti. *22] 21

30 SPAN 80 Az úgynevezett poliszorb{t 80 egy s{rg{s színű, olajszerű emulge{lószer mely emberi fogyaszt{sra is alkalmas[23]. Az élelmiszer iparban az E433-as jelzés tartozik hozz{ Alkalmazott berendezések Az elektrosztatikus-sz{lképzést Dr. Moln{r Kolos {ltal elkészített berendezést [MK doktori] haszn{ltam. Az irodalomkutat{sban felépített rendszer alapj{n a berendezés paraméterei könnyen behat{rolhatóak Sz{lképző fej A gép különlegessége abban rejlik, hogy b{r anódja úgynevezett tű nélküli egység, az oldat nem érintkezik nagy felületen a levegővel, így nem köt meg mielőtt sz{l képződhetne belőle, valamint kialakít{sa miatt a tisztít{sa is jóval egyszerűbb a fedél elt{volíthatós{ga miatt. Működése a csúcshat{s jelenségével magyar{zható. Az alumínium t{nyér kiélezett szélén az erővonalak sokkal sűrűbbek, itt több töltés halmozódik fel, így növelve a sz{lképzés hatékonys{g{t. Az egység sz{lképzés közben tengelye körül forog {llítható sebességgel így a képződő sz{lak stabilabb{ v{lnak. Az egység felépítését a 15. {bra A pontja szemlélteti Katód kollektor Az eszköz egy egyszerű négyszög alakú fémlemez katód kollektorral rendelkezik. Különlegessége, hogy h{rom any{val ell{tott menetes sz{rral {llítható a t{vols{ga a sz{lképző fejhez képest, így kiszélesítve felhaszn{l{s{nak lehetőségeit. 15. {bra A) A gy{rt{shoz haszn{lt anód modellje B) Gy{rt{shoz haszn{lt katód modellje Sz{lgyűjtő egység A sz{lképző fej és a kollektor közt {llítható sebességgel adagolható antisztatiz{lható polipropilén nem szőtt textíli{val gyűjthetjük a képződött sz{lakat. 22

31 Ennek jelentősége a munk{m sor{n h{ttérbe került, ugyanis egy sz{lfelfogó egységet kellett terveznem a célom elérése érdekében. Azonban a fonalak között esetlegesen elhaladó sz{lak felfog{s{val a gép tisztít{s{t nagyban leegyszerűsítette Oldat adagoló Az oldat folyamatos, {llandó sebességű és nyom{sú ell{t{s{ról egy szab{lyozható térfogat{ramú fecskendő pumpa gondoskodott Típusa: Aitecs SEP-10S Plus(18. {bra A). Az adagol{s sebessége ml/h-ben adható meg. A rendszer érzékenységét mutatja, hogy a berendezés érzékeny az erős elektrosztatikus térre, ezért gyakran okozott gondot a n{lam alkalmazott 55 kv-os potenci{lkülönbség. Ilyenkor a berendezés hib{t jelez, kikapcsol, ami az eszköz kijelzőjének {llandó figyelmét követeli meg Sz{lképzéshez alkalmazott egyéb berendezések A gép működését egy M2000 NT-75P típusú v{ltoztatható feszültségű t{pegység(16. {bra B) biztosítja, amelynek működési tartom{nya 0-60 kv. A sz{lképző fejet forgató és a sz{lfogó textíli{t adagoló motorok fordulatsz{m{t egy szab{lyzó biztosítja. A két potenciométerrel szerelt egységet végig {llandó értéken működtettem, így ez nem befoly{solta a mérést. Az anód forgató motor, egy témavezetőm {ltal meghat{rozott fordulaton működött, a textíli{t tekercselő motort nem működtettem. Azért, hogy elkerüljem a gépen belüli oldószer feldúsul{s{t, ventill{tort is alkalmaztam, amelyet a képződő sz{lak útj{ba ir{nyítottam. 16. {bra A) Oldat adagol{s{ra haszn{lt gyógyszeradagoló modellje B) Gy{rt{s sor{n haszn{lt t{pegység modellje Állv{ny A berendezéseket egy mozgatható szekrényben helyezték el, így jól vari{lható, és könnyedén {thelyezhető szükség esetén. 23

32 Fonal tekercselő A fonal {llandó sebességű tekercselését egy IKA típusú, {llítható fordulatsz{mú, fúrótokm{nnyal ell{tott laboratóriumi keverővel oldottam meg. B{r a fordulatsz{ma széles hat{rokon belül {llítható, a gy{rt{s sor{n önmag{ban nem volt alkalmazható, ugyanis a potenciométer holtj{téka és hirtelen növekvő fordulatsz{ma miatt csak {ttételezéssel volt alkalmazható. A berendezés össze{llít{sa a 17. {br{n l{tható. A modelleket és az össze{llít{st SolidWorks2010 programmal készítettem. 17. {bra Sz{lképző berendezés modellje 3.3. Vizsg{lati módszerek P{szt{zó elektronmikroszkóp (SEM) A képződött sz{lak morfológi{j{t egy JEOL JSM-6380LA típusú p{szt{zó elektronmikroszkóppal vizsg{ltam (18. {bra A). Az elj{r{s lényege, hogy jól fókusz{lt elektronnyal{b p{szt{zza végig a vizsg{landó test felületét. Ennek hat{s{ra elektronok lépnek ki a felszín közeli rétegekből, aminek ar{ny{ban egy m{sik, az előzővel szinkronban működő elektronnyal{b egy katódsug{rcső képernyőjét p{szt{zza. Ennek hat{s{ra a minta képe kirajzolódik a képernyőn. A két p{szt{z{s méretar{nya adja a nagyít{s mértékét. A műszer ak{r szeres nagyít{st is lehetővé tesz és h{romdimenziós hat{sú képet alkot[24]. Ehhez azonban jól vezető mint{ra van szükség, ami ez esetben nem adott. Ezért a mint{t jól vezető anyaggal kell bevonni vizsg{lat előtt. Ezt egy JFC-1200 típusú aranyozó berendezéssel(18. {bra B) végeztük. 24

33 18. {bra A) P{szt{zó elektronmikroszkóp (SEM) B) Aranyozó berendezés Differenci{lis p{szt{zó kalorimetria (DSC) A vizsg{lati módszer sor{n a gépbe egy üres (referencia) és egy mint{val töltött tégelyt helyezünk. Ezeket a műszer ak{r több ciklusban is fűti és hűti, miközben méri a tégelyek közti hő{ram-különbséget. Ez a mint{ban lej{tszódó {talakul{sok és a hőmérséklet v{ltoz{s{val bekövetkező hőkapacit{s módosul{sa miatt lehetséges. A kapott értékeket a gép folyamatosan jegyzi, és {br{zolja a hő{ram v{ltoz{st az idő függvényében. A kapott diagramokat TA Universal Analysis nevű programmal értékeltem ki. A vizsg{latot TA Instruments DSC Q2000 típusú műszerrel(19. {bra) végeztem. 19. {bra A) TA Instruments DSC Q2000 típusú differenci{lis p{szt{zó kalorimetria B) DSC vizsg{lathoz haszn{lt mérleg 25

34 Tömegmérés A feladat megkezdésekor, lemértem 5 méter referencia fonalat a laboratóriumban lévő mérleggel. Azonban ennek a felbont{sa csak 0,1 g volt, így tudtam hogy nem lesz alkalmas a mérésre. A fonalak tömegét ezut{n analitikai mérleggel (20. {bra) mértem. A műszer felbont{sa 0,1 mg, így alkalmas volt 1 m fonal mérésére, ugyanis ezek körülbelül 70 mg-osak. Valamint a tekercselés nélküli 10 cm-es mint{k lemérésére is alkalmas, ugyanis ezeknek 7 mg körüli értékeket kellett adniuk. 20. {bra Explorer típusú analitikai mérleg 26

35 4. KÍSÉRLETI RÉSZ Ebben a fejezetben a félév sor{n végzett ön{lló munk{mat mutatom be. Ez kiterjed egy fonal vezető keret és egy {ttétel tervezésére és elkészítésükre, valamint felhaszn{l{sukra fonalak nanosz{llal történő bevon{s{ra. Végül az eredményeket különböző vizsg{lati elj{r{sokkal teszteltem. Mivel a sz{lképző berendezés helyes haszn{lata meglehetősen összetett, m{r az első hetektől bej{rtam a laboratóriumba megfigyelni, m{sok hogyan működtetik, milyen nehézségek adódnak és ezeket hogyan lehet kezelni. Ez a későbbiekben hasznosnak bizonyult, ugyanis a gy{rt{s sor{n egyszerre több gépet is kezelnem kellett, amihez nélkülözhetetlen volt a működésük alapos ismerete Alapanyagok előkészítése A gy{rt{s megkezdése előtt oldatot készítettem, ami a későbbiekben az elj{r{s alapanyag{ul szolg{l. Ehhez a m{r többször tesztelt és jól bev{lt receptet alkalmaztam. Eszerint 12 m/m%-os oldatra van szükség, aminek kimérését a kompozit labor mérlegén végeztem. Mivel az anyagot 60 ml-es fecskendőből adagoltam, úgy becsültem nagyj{ból 300 gramm oldatra van szükségem. B{r tudtam, hogy szükség lehet még alapanyagra, nem akartam egyszerre nagyobb mennyiségű oldatot készíteni, ugyanis a levegő víztartalma és az oldószer kip{rolg{sa miatt a viszkozit{s idővel megv{ltozik, így nem tudn{m biztosítani az {llandó minőséget. Egy jól z{rható polietilénből készült dobozba 264 gramm DMF-et mértem ki, majd 36 gramm porr{ tört poliakrilnitrilt adtam hozz{. B{r néh{ny tized gramm eltérés adódott az értékekben, ez nem befoly{solja jelentősen a mérést. A mérés ut{n jól megkevertem a folyadékot majd egy napig {llni hagytam, hogy a polimer biztosan feloldódjon. A gy{rt{s első szakasz{ban ezzel az alapanyaggal dolgoztam, amíg a fonalon megfelelő mennyiségű anyagot nem mértem, ugyanis nem akartam a PEG-et pazarolni. A gy{rt{s m{sodik f{zis{ban új alapanyagra volt szükségem. Ehhez az előzőekben ismertetett recepttel készült oldatot haszn{ltam, de mivel az első keverés a tesztek alatt elfogyott, és mivel egyébként is jó minőségű, friss anyagot akartam, új keveréket készítettem. Ennél is v{rtam egy napot a jó keveredés érdekében. Ezut{n a témavezetőm {ltal biztosított recept alapj{n, melyet egy kor{bbi kutat{s alatt haszn{ltak elkészítettem a f{zisv{ltó hőt{roló anyagot tartalmazó oldatot. A recept szerint 12 gramm oldathoz kellett 0,1 gramm PEG-et és 0,1 gramm SPAN80-at adni, majd 30 percig nagy fordulatsz{mon keverni. Ez alapj{n az oldatomhoz 0,82m/m% PEG-et és ugyanennyi SPAN80-at adtam, ami egyenként körülbelül 2,5 grammot jelent. Az elvégzett DSC vizsg{lat ezzel a keverékkel nem adott egyértelmű 27

36 eredményt. Úgy gondoltam ez azért van mert kevés a PCM benne, ezért később készítettem egy 100 grammos, 1,5 m/m% PEG-et és SPAN80-at tartalmazó alapanyagot is, amellyel szintén bizonytalan eredményt kaptam Egyszerű elő{llít{si elrendezés tervezése műsz{las fonalak nanosz{- lakkal történő bevonatol{s{ra Keret tervezése A fonalvezető keret megtervezése előtt, megmértem mekkora területen és milyen alakban szór a berendezés. Ehhez elindítottam a sz{lgy{rt{st néh{ny percre, majd kikapcsoltam a berendezést és levettem a sz{lgyűjtő textíli{t. Mivel a szövet s{rga színű, a képződött sz{lak pedig fehérek, jól kivehető a szóród{s form{ja. A gyűjtött sz{lköteg alakja és méretei 21. {bra A pontj{n l{thatóak. A képződő sz{lak útj{nak alakj{t pontosan nem lehet megmérni, csak annyi l{tszik a fénnyel megvil{gított sz{lakon, hogy nagyj{ból parabolikus alakú, ezt szemléltetem a 21. {bra B pontja. 21. {bra A) A gyűjtő szöveten megjelenő sz{lköteg képe B) Sz{lképződés közelítő alakja Ezut{n felmértem a rendelkezésemre {lló helyet a fon{lvezető keret beépítésére, majd megvizsg{ltam, hogyan tudn{m úgy rögzíteni a keretet, hogy az könnyen leszerelhető, és {llítható legyen. Ugyanis m{sok is dolgoztak a gépen a félév sor{n, így minden mérés elején fel kellett szerelnem, a mérés végeztével pedig el kellett t{volítanom onnan. Ezut{n a keret alakj{n kezdtem gondolkozni. Azt viszonylag kor{n eldöntöttem, hogy a fonal vezetésére acél gyűrűt szeretnék alkalmazni, hiszen az olcsó és könnyen szerelhető megold{st nyújt. Mivel fontos szempont volt, hogy a befűzést valamint az anódtól mért t{vols{got v{ltoztatni tudjam, így első elképzelésem miszerint gyűrű alakú vezetőkeretet készítek nem tűnt alkalmasnak. Hiszen a keret anódtól mért t{vols{g{nak v{ltoztat{s{val a sz{lak eltérő {tmérőn képződnek. Így maradt az egyszerű téglalap alakú keret. Annak érdekében, hogy a befűzést vari{lni tudjam, darab gyűrűt helyeztem el a rövidebb oldalakon. 28

37 A magass{g {llíthatós{ga érdekében tov{bbi két sz{rat kapott a keret, amiket 20 cm-esre terveztem, hogy a magass{g kellő mértékben {llítható legyen. Mivel a m{r jól bev{lt anód-katód t{vols{got nem szerettem volna el{llítani így a keret rögzítését a kollektort tartó kerethez erősítettem. A gyors szerelhetőség és {llíthatós{g érdekében ezt két darab csavaros szorítóval oldottam meg. Ez a későbbiekben jó megold{snak bizonyult, ugyanis nem igényelt plusz alkatrészt a keret készítésekor, valamint néh{ny m{sodperc alatt le és felszerelhetővé tette a keretet. Miut{n minden paraméter adott volt, elkezdtem megtervezni a keretet először papíron, majd mikor m{r tudtam, hogy fog pontosan kinézni, modelleztem SolidWorks2010 programmal. Az össze{llít{si modellt és a fonal útj{t a 22. {bra szemlélteti. 22. {bra A tervezett fon{lvezető keret modellje a fon{l halad{si ir{ny{val feltüntetve Összeírtam milyen alapanyagokra, és mennyire van szükség, majd beszereztem a közeli bark{csboltban. Végül a keret elkészítéséhez felhaszn{lt alapanyagok: 2 db 2000x15x20 mm-es fenyő léc 6 db 3x30 mm-es facsavar 25 db menetes gyűrű Miut{n elkészült a keret, teszteket végeztem, h{nyszor fordíthatom vissza a fonalat úgy, hogy ne lépjen fel jelentős terhelés rajta, ugyanis a gyűrűkön való súrlód{s miatt nem vezethetem tetszőlegesen. Először 2 visszafordít{ssal teszteltem, ez azt mutatta, hogy a sz{lak többet is elbírnak. A 3 és 4-szeres visszafordít{s is kielégítő eredményt adott. Az 5-szörös visszafordít{sn{l 1 perc alatt elszakadt a sz{l, így meg{llapítottam, hogy a méréseket 4 visszafordít{ssal(23. {bra) fogom végezni. A keret össze{llít{si {br{j{t a melléklet tartalmazza. 29

38 23. {bra PAN fonal 4 visszafordít{sos befűzésének módja Tov{bb{ a gyűrűket rézdróttal összekötöttem, és leföldeltem biztons{gi okokból, ugyanis ezek is az elektrosztatikus térben vannak Áttétel tervezése Miut{n elkészült a keret elkezdtem a próbatestek gy{rt{s{t. A marokkóiak {ltal megadott cél a fonal tömegének 10%-{val történő növelése volt nanosz{lakkal. A fonalak tömegmérésénél kiderült, hogy ez egyik fordulatsz{m esetén sem történt meg. Mivel több fonal visszafordít{st nem alkalmazhattam, így egy megold{s maradt, a tekercselés fordulatsz{m{nak csökkentése. Ez azonban a tekercseléshez haszn{lt, {llítható fordulatsz{mú keverővel nem volt megvalósítható, ugyanis a legkisebb fordulatsz{ma 70 1/perc, ami mint a mérésekből majd kiderül, csak 3%-al növelte a tömeget. Ha azt feltételezzük, hogy a sz{lak tömege fordított ar{nyban nő a fordulatsz{mmal, akkor 7-szeres lassító {ttételt kell készíteni a mérés sikerességéhez. Én azonban a biztons{g kedvéért ennél egy kicsivel nagyobbat, 8-szoros {ttételt készítettem. Mivel azt tapasztaltam, fogaskereket szerezni kissé nehézkes, egy egyszerűbb megold{st kerestem, amit azonnal el tudok készíteni. Így esett a v{laszt{som a szíjhajt{sra. Mivel a tekercseléskor nem lépnek fel nagy erők, nem kellett attól tartanom, hogy a szíj majd esetleg megcsúszik, ezt a későbbi tesztjeim igazolt{k is. Szíjhajt{sn{l az {ttétel az al{bbi formul{val sz{molható: ahol, D 1 - a hajtó tengely {tmérője, D 2 - a hajtott tengely {tmérője, ω 1 - a hajtó tengely szögsebessége, ω 2 - a hajtott tengely szögsebessége, n 1 - a hajtó tengely fordulatsz{ma, n 2 - a hajtott tengely fordulatsz{ma. i = D 2 D 1 = ω 2 ω 1 = n 2 n 1 (1) 30

39 Mivel volt egy alkalmas fém szíjt{rcs{m amelynek az {tmérője 80 mm, ezért a formul{val könnyedén kisz{mítható, hogy a hajtó tengelyre egy 10 mm {tmérőjű t{rcs{t kell szereznem. Ezut{n először papíron, majd SolidWorks2010-ben készítettem terveket. Mivel minél gyorsabban szerettem volna elkészíteni, a lehető legegyszerűbb rendelkezésre {lló anyagokból készítettem el a szerkezetet. A sz{mítógépes modellezésem eredménye a 24. {br{n l{tható. 24. {bra Az {ltalam tervezett szíjhajt{sos {ttétel modellje Miut{n elkészült a terv, összeírtam a szükséges alapanyagokat, melyeket a közeli bark{csboltból szereztem be: 2 db M6x120-as hatlapfejű csavar, 12 db M6-os hatlapfejű csavaranya, 12 db M6-os lapos csavaral{tét, 360 mm hosszú 5 mm széles befőttes gumi, 4x100x1000 mm-es balsafa t{bla, 4 db 3x30 mm-es facsavar. A gy{rt{s sor{n felhaszn{ltam a megmaradt fenyőléc egy részét merevítésként, amint az a modellen is l{tszik. Szükség volt még egy keretre, amit a keverőre tudok tenni, és megakad{lyozza az {ttétel elfordul{s{t. Azért így oldottam meg, mert könnyen oldható alakkal z{ró kötést tudok létrehozni, így nincs szükség ragaszt{sra, vagy a keverő burkolat{nak roncsol{s{ra. Az elkészült fonalat egy csévére tekercseltem. A cséve belső {tmérője 6 külső {tmérője 8 mm. Azért ekkor{t v{lasztottam, hogy a tekercselés alatt közel 10 mm legyen az {tmérője, így biztosítva az {ttételben sz{molt értéket. Mivel a minta készítés sor{n először olyan fonalat tekercsel a gép ami az előző mérésből bentmaradt fonalat tartalmazza, így mire a vizsg{lható fonalrész érkezik a gépből a csévére, m{r közel 10 mm az {tmérője. Az így elkészült tekercselő berendezés felépítését a 25. {bra szemlélteti. 31

40 25. {bra Tekercselő berendezés össze{llít{si modellje Mivel a sz{lakat 1 m-es darabokra kellett v{gnom a minta készítés utolsó lépéseként, az azonos hosszon történő értékelhetőség miatt, ezért készítettem egy egyszerű eszközt annak érdekében hogy ezt a mérést a lehető leggyorsabban el tudjam végezni. Az eszköz egy egyszerű fenyőléc amelybe egym{stól 1,1 m t{vols{gban facsavarokat rögzítettem. Tőlük 5 cm re egy-egy vonalat húztam, így a mérés sor{n elkészült feltekercselt mint{t egyszerűen r{tekertem a két csavarra, majd a vonalak mentén elv{gtam a mint{kat. Ezzel jelentősen meggyorsítottam a v{g{st Kész mérőberendezés Az eszközöket a Polimertechnika Tanszék Laboratórium{ban készítettem el. Miut{n minden berendezés rendelkezésemre {llt, összeszereltem a 26. {br{n l{tható módon, és próba gy{rt{st végeztem. Ezut{n több rendellenességet az {ltalam készített gépek működésében nem tapasztaltam. 26. {bra Gy{rt{shoz alkalmazott elrendezés modellje 32

41 4.3. Minta gy{rt{s, a kív{nt paraméterek be{llít{sa A gy{rt{s célja, a fonal tömegének 10%-{nak megfelelő mennyiségű nanosz{llal bevont mint{k elő{llít{sa különböző paraméterek {llít{s{val A gy{rt{s paraméterei A gy{rt{shoz a rendelkezésre {lló 60 ml es fecskendőket haszn{ltam, valamint az adagoló anyag{ram{n sem v{ltoztattam. A gépet előttem haszn{lók tapasztalatai azt mutatt{k, a legjobb működéshez 40 ml/ór{s tömeg{ramra van szükség. A kív{ncsis{g kedvéért kiprób{ltam 30 és 50 ml/ór{s tömeg{ram alkalmaz{s{t is. Előbbivel l{thatóan kevesebb sz{l képződött, utóbbival pedig folyni kezdett a sz{lképző fej fal{n az oldat, így jobbnak l{ttam a bev{lt mennyiség alkalmaz{s{t. Ez nagyj{ból 1 ór{s gy{rt{st tett lehetővé megszakít{s nélkül. Azért csak ennyit, ugyanis fecskendő végére szerelt műanyagcsövet, valamint az anód t{lc{j{t is meg kell töltenie az oldatnak. Új {ttételem segítségével el tudtam érni a 7 fordulatot percenként az {ttételből sz{molható 8,75 helyett. Ez azzal magyar{zható, hogy a tengelyeket nem csap{gyaztam, így nagyobb súrlód{s lép fel, ami lassítja a keverőt. Maxim{lis fordulatot nem mértem, ugyanis 100 percenkénti fordulatn{l nagyobb sebességre nem volt szükségem, ugyanis m{r ekkor is alig rakódott le nanosz{l a fonalon. Az anódtól mért t{vols{got a keret függőleges sz{r{nak segítségével {llítottam. Először 5 cm-es magass{got {llítottam be, majd megjelöltem a lécet a t{maszkodó z{rtszelvény fölött, ahogy az a 27. {br{n is l{tható. 27. {bra Fonalvezető keret felerősítésének módja a kollektort tartó z{rtszelvényre Ezut{n besk{l{ztam a lécet mm-ig. Így ezt a paramétert is gyorsan {llítani tudtam a menetes szorító kilazít{s{val. A többi paraméter vari{l{s{t nem tartottam relev{nsnak, és mint később bebizonyosodott, a fordulatsz{mon kívül, a többi v{ltózó nem befoly{solja nagy mértékben a bevonat képzést. 33

42 Próbatest gy{rt{s menete A mérés megkezdése előtt, lépésenként felírtam a folyamatot, és memoriz{ltam a rendszer összetettsége miatt, nehogy kimaradjon egy lépés. A mérés megkezdése előtt feltöltöttem a gépet oldattal, befűztem a fonalat a keretbe és r{tekertem a csévére. A mérés menete az al{bbi ciklusokból épült fel: 1. Sz{lképzés megkezdése az adagoló és a t{pegység bekapcsol{s{val, 2. Miut{n a sz{lképzés stabiliz{lódott, megjelöltem a fonalat filctollal a fonal és a keret közötti szakaszon(innentől haszn{lható a minta), 3. Tekercselő berendezés elindít{sa a kív{nt fordulatsz{mon, 4. Stopperrel mérek 3 percet, közben figyelem a sz{lképződést, 5. Lekapcsolom a t{pegységet majd az adagolót, 6. Elv{gom a fonalat a keret és a tekercselő között, 7. A csévéről a fonalat a mérő lécre tekerem, majd méretre v{gom, 8. Az előre besz{mozott légmentesen z{rható zacskóba teszem a mint{t, 9. R{tekerem a fonalat a csévére. A mérés legnagyobb hib{ja, hogy a sz{lképződés nem egyenletes, ezért az összetartozó méréseket igyekeztem egy nap alatt elvégezni, így biztosítva a közel {llandó környezeti hat{sokat. A m{sik gondot az jelentette, hogy a ciklusokat nagy gyorsas{ggal kellett végeznem, hogy az oldat ne tudjon besz{radni a sz{lképző fejbe. Ennek érdekében minden ciklus végén letakartam aa sz{lképzőt, és a ventill{tort is kikapcsoltam. Minden ciklus végén valamelyik paramétert megv{ltoztattam, egy előre meghat{rozott rendszer szerint. A vizsg{lt paraméterek a fordulatsz{m és az anódkeret t{vols{g. Az első gy{rt{s az al{bbi t{bl{zat alapj{n történt: Mérés sorsz{ma Fordulatsz{m [1/perc] Fonal sebessége [m/s] T{vols{g [mm] , , , , , , , , , t{bl{zat Első gy{rt{s sor{n mért mennyiségek t{bl{zata 34

43 Ekkor még nem volt {ttételem, így nagyobb fordulatsz{mokkal dolgoztam. Ezek kiértékelésekor tapasztaltam, hogy szükséges a tov{bbi lassít{s. Azt tapasztaltam, hogy az 50 mm-es magass{g adja a legjobb eredményt, így ezut{n minden mérést ezen a magass{gon végeztem. A mérés elején vezettem be a ventill{tor haszn{lat{t, a képen l{tható úgynevezett,,szak{llasod{s'' miatt. Egyrészt kifújta az elp{rolgott oldószert a gépből, így nem tudott felgyűlni, m{srészt a légmozg{s r{fektette a nanosz{lakat a fon{l felületére. 28. {bra Szak{llasod{s a gy{rt{s sor{n Tov{bb{ megfigyeltem, hogy a keret alkalmaz{sakor megv{ltozik az elektromos térerősség, ugyanis megnő a sz{lak pontban ismertetett szór{sgyűrűjének {tmérője. Nagyobb keret készítése nem szükséges, ugyanis több visszafordít{st nem alkalmazhatok, hiszen a súrlód{si erő exponenci{lisan nő a az {tfog{si szög növelésével, és a fonalak közötti t{vols{g növelése szintén veszteséget okoz, ugyanis a sz{lak nagyobb t{vols{g esetén megjelennek a keret fölötti sz{lgyűjtőn. Így h{t a következő mérést ugyan ezzel a kerettel végeztem, de m{r az {ttétel alkalmaz{s{val. Első lépésben meghat{roztam egy maxim{lis mennyiséget, amit a fonalra az elj{r{ssal fel tudok vinni. Mivel ez a mennyiség gyakorlatilag b{rmennyi lehetne, úgy döntöttem, mivel ruha készítésre szeretnénk felhaszn{lni az alapanyagot, amihez relatíve sok anyag szükséges, így ez a maxim{lis mennyiség az 1 perc alatt a sz{lon összegyűlő anyag lesz. Azonban, mivel a tekercselés nélküli gy{rt{skor csak kevesebb mint 20 cm összefüggő nanosz{llal bevont fonal készíthető, így ezeket a mint{kat 10 cm-e hosszús{gban mértem. Az {ttétel alkalmaz{s{val végzett mérés az al{bbi t{bl{zat alapj{n történt: Mérés sorsz{ma Fordulatsz{m [1/perc] 35 Fonal sebessége [m/s] , , , , t{bl{zat [ttétel alkalmaz{s{val mért mennyiség t{bl{zata

44 Az {ttétel alkalmaz{s{val készült bevont fonalak szemmel l{thatóan több nanosz{lat tartalmaznak. A nagy pontoss{gú mérleges vizsg{lat is megerősítette ezt Mért eredmények értékelése A kapott eredmények értékelését a mintagy{rt{ssal p{rhuzamosan végeztem, ugyanis folyamatosan tudnom kellett, min v{ltoztassak, és mikor érem el a kív{nt bevon{si értéket Morfológiai vizsg{lat A morfológia meghat{roz{s{t SEM-el végeztem. A nagyfelbont{sú képeken jól l{tható a sz{lak mérete, és hogyan tekeredett a nanosz{l a fonal felületére. A képek egy nagy fordulatsz{mú gy{rt{s eredményét {br{zolj{k, így viszonylag kevés sz{lat tartalmaz, de így jobban l{tható hogyan gyűlik a sz{l a fonalon. Jól l{tható, hogy egyes szakaszokon nagyon sok sz{l gyűlt össze, m{shol pedig egy{ltal{n nem tapadt meg sz{l, vagy a gyűrű leszedte. Először is azt vizsg{lom sikerült-e nanométeres nagys{grendű sz{l{tmérőket készíteni. A 26. {br{n egy szeres és egy 5000-szeres közelítéssel készült SEMképet l{thatunk a nanosz{lak méretéről. 29. {bra A) szeres közelítéssel készült SEM felvétel B) 5000-szeres közelítéssel készült SEM felvétel A képek alapj{n l{tszik, hogy b{r nagy szór{sa van a képződött sz{lak {tmérőjének, mégis mindegyik kisebb mint 1 µm. B{r a feladat szempontj{ból a sz{lak {tmérője nem relev{ns, de bizonyítja, hogy a sz{lképzési pereméterek megfelelőek. A 27. {br{n a fonal bevonat jellege l{tható, egy 500-as és egy 100-as közelítéssel készült képen. 36

45 30. {bra A) 500-szoros közelítéssel készült SEM felvétel B) 100-szoros közelítéssel készült SEM felvétel Megfigyelhető, hogy a nanosz{lak jól r{tekerednek a fonalat alkotó sz{lakra, így erős kapcsolat alakul ki köztük (27. {bra A). A 27. {bra B képén megfigyelhető a különbség a tiszt{n lerakódott nanosz{l és a nanosz{l köteg utólagos letapad{sa között. Az is észrevehető, hogy nem alakultak ki gyöngyök a sz{lak felületén, ez is a megfelelő paramétereket bizonyítja. A nanosz{lak nagyobb tömeg részét a fonalon feltapadt sz{lkötegek adj{k. Ezek úgy alakultak ki a gy{rt{s sor{n, hogy a képződő sz{lak ostorozó szakasz{ban útjukat {llta a fonal, amely ennek hat{s{ra nem tud a kollektorra feltapadni, ezért a fonalon szil{rdul meg egy V alakot alkotva rajta a 28. {br{n l{tható módon. 31. {bra A) Képződő nanosz{l útj{nak megszakít{s{ról készült modell B) Képződő nanosz{l útj{nak megszakít{sa a gyakorlatban. Ezek a fonalra feltapadt nanosz{l kötegek a gyűrűkön való {thalad{s sor{n r{simulnak a fonal felületére, vagy amennyiben nem alakult ki megfelelő kapcsolat a gyűrűn maradnak. Ennek meg van az a pozitív hat{sa, hogy gyakorlatilag előszelekt{lja a nem megfelelően feltapadt sz{lakat, amelyek a későbbiekben valószínűleg m{r a felhaszn{l{s sor{n leperegnének. Egy ilyen feltapadt sz{lköteget szemléltet a 29. {bra A) 50-szeres és B) 100-szoros nagyít{sban. 37

46 32. {bra A) 50-szeres közelítéssel készült SEM kép fon{lra feltapadt nanosz{l kötegről B) 100- szoros közelítéssel készült SEM kép fon{lra tapadt nanosz{l kötegről Tömegméréses vizsg{lat A tömegmérés eredményeit Microsoft Office Excel 2007 nevű programmal értékeltem ki. T{bl{zatba szedtem az eredményeket, majd diagramokon {br{zoltam hogyan v{ltozik a fon{l tömege a fordulatsz{m függvényében. Első lépésben meghat{rozom a bevonat nélküli referencia fonal tömegének {tlag{t, szór{s{t, legkisebb és legnagyobb elemét. Az eredményt az al{bbi t{bl{zat tartalmazza. A méréseket 1 m fon{lon végeztem minden esetben, a tekercselés alkalmaz{sa nélkül gy{rtott mint{t kivéve amit 10 cm-es mint{nkként vizsg{ltam. Tömeg (mg) 71,1 70,2 68,5 70,5 72,1 71,5 72,1 72,4 70,9 70,5 71,9 70,4 Átlag 71,0 Szórás 1,1 Legkisebb érték 68,5 Legnagyobb érték 72,4 4. t{bl{zat Referencia fonalakból mért eredmények t{bl{zata Ez alapj{n meg{llapítható, hogy a bevonat nélküli fonalak tömege 71±1,1 gramm. Ez alapj{n a tov{bbi mérésnél ezen tartom{nyba eső értékeket nem tekintem relev{nsnak, valamint biztosan nem felelnek meg a 10%-os tömegnövekedésnek. Mivel a fordulatsz{m nem összehasonlítható mennyiség, csak azonos {tmérő esetén, így {tv{ltom kerületi sebességre. Mivel az {tmérő az időben v{ltozott, így egy közepes {tmérővel sz{molok. 38