Stanovení a m odelování struktury polymerních nanovláknitých membrán

Abstract

V dnešním stavebnictví se stále více používají nové kompozitní materiály, mezi které patří nanovláknitá textilie. Tento netkaný materiál se vyrábí z polymerních roztoků pomocí elektrostatického zvlákňování a disponuje řadou vlastností, které jej činí vhodným kandidátem pro širokou škálu aplikací. Vlastnosti materiálu závisí především na mikroskopické struktuře, proto její studium je velmi důležité pro úspěšné použití nanotextilií nejenom ve stavebnictví, ale i v jiných oborech. Tato práce se zabývá analýzou a modelováním struktury polymerních nanotextilií. V prvních dvou kapitolách jsou popsány vývoj technologie výroby nanotextilií a současný stav problematiky. Jádro práce je tvořeno kapitolou č. 3, kde se popisují experimentální výsledky a teoretické modely. Pro výzkum byly zvoleny nanotextilie vyrobené z pěti polymerů: polyvinylalkohol, polyvinyldenfluorid, polyuretan, polyakrylonitril a polyvinylbutyral. Polyvinylalkohol (PVA) byl vybrán z toho důvodu, že manipulace s ním je velmi snadná, protože nanotextilie je vyráběná z vodního roztoku. Tato rozpustnost ve vodě ale činí PVA oproti ostatním polymerům nepoužitelným ve stavebnictví bez dodatečné stabilizace. To je důvod, proč jsou v této práci uvažovány různé možnosti stabilizace textilií vyrobených z PVA. Struktura membrán byla analyzována pomocí elektronového mikroskopu. Na mikrofotografiích byly určeny průměr vláken, distribuce děr a další parametry důležité pro vytvoření numerického modelu nanotextilií. Významným přínosem této práce je to, že se neomezila pouze na studium povrchu, ale zaměřila se také na vnitřní strukturu materiálu. Pro tyto účely byly vytvořeny a analyzovány příčné řezy textilie a byl vyvinut matematický model, umožňující vypočet parametrů, nutných pro numerickou simulaci. Dále byl určen vliv nastavení technologického procesu na strukturní parametry výsledné textilie. Nakonec, byl napsán program, vytvářející 3D strukturní model. Výstup tohoto programu může být použit pro simulaci fyzikálních procesů, probíhajících v nanotextilii, ve specializovaném softwaru. Všechny výše zmíněné úkoly jsou důležité proto, aby v budoucnu bylo možné vytvářet nanotextilie s předem zadanými vlastnostmi.

New composite materials find ever growing application in modern civil engineering. Nanotextiles is a new promising type of composite materials. Such textiles are produced from polymer solutions by electrospinning and possess a number of properties, which make them at attractive candidate for a wide spectrum of applications. These properties depend on microscopic structure of the material, which makes the study of the inner structure crucial for their successful application in civil engineering and other branches of industry. This thesis deals with analysis and modeling of structure of polymer nanotextiles. In the first two chapters the development of technology of nanotextile production and its current state are described. Chapter 3 makes the body of the thesis and describes the conducted experiments and theoretical models. Nanotextiles made of five polymers have been studied in the thesis: polyvinyl alcohol, polyvinyldelfluoride, polyurethane, polyacrilonitrile, and polyvinyl butyral. Polyvinyl alcohol (PVA) has been chosen because of it does not require complex manipulations and nanotextile can be produced from a water solution. However, the solubility of PVA in water makes the polymer less favorable for civil engineering applications than other polymers. This is also the reason, why different stabilization methods for PVA nanotextiles are discussed in the thesis. The structure of nanotextiles has be analyzed by means of electron microscopy. Fibers diameter, distribution function of pores and other parameters important for numerical modeling have been determined. An analysis of an inner structure of the textiles is a prominent contribution of the thesis. To perform this task, cross sections of the textiles have been made and studied. Additionally, a mathematical model, allowing to estimate parameters important for numerical simulation, has been proposed. Furthermore, it has been determined how the technological process setup influences the structural parameters of the textiles. Last but not least, a computer program for modeling of 3D structure of a nanotextile has been written. Output of the program can be used for further simulation of physical process in the material by means of a specialized software. The completion of all of the abovementioned tasks is important for production of nanotextiles with predetermined properties in the future.