Reologická charakterizace polymerních roztoků s ohledem na kvalitu elektrostatického zvlákňování

Ing. Petra Peer

Doctoral thesis

Rheological Characterization of Polymer Solutions with Respect to Quality of Electrospinning Process

Abstract:

V dnešní době je výroba nanovlákenných vrstev velmi žádoucí pro své unikátní vlastnosti a jejich potenciální aplikace. Například v lékařství tkáňové inženýrství využívá vlákna jako nosiče buněk. Předností takové nanovlákenné vrstvy je její vysoký specifický povrch spolu s vysokou porézností a průměry vláken dosahujících maximálně stovek nanometrů. Pro výrobu nanovláken existuje řada výrobních procesů, mezi které se řadí i elektrostatické zvlákňování z polymerních roztoků či tavenin. Při něm je polymerní roztok vystaven vnějšímu vysokému napětí a vlivem elektrostatických sil je z povrchové vrstvy roztoku emitováno vlákno, které se přenese ke sběrnému kolektoru dloužením. Reologické chování polymerních roztoků je významným faktorem ovlivňujícím elektrostatické zvlákňování i morfologii vznikajících nanovláken. Tokové chování polymerních roztoků je podmíněno např. druhem užitého polymeru či rozpouštědla, koncentrací roztoku, aditivy a dále mechanickým namáháním či teplotou. Pro charakterizaci tokových vlastností tekutin existuje řada moderních technologií včetně těch, umožňujících měření reologických vlastností v elektrickém poli. Prvořadá pozornost je tudíž v této práci věnována vlivu elektrického pole na reologii polymerních roztoků. V první části práce jsou porovnávána zařízení na měření reologických charakteristik v elektrickém poli. Druhá část práce se pak zabývá vlivem elektrostatického pole na viskozitu polymerního roztoku, stabilitou polymerního roztoku v čase a vlivem přípravy polymerního roztoku na reologické vlastnosti v souvislosti s elektrostatickým zvlákňováním. Prvořadá pozornost je tudíž v této práci věnována vlivu elektrického pole na reologii polymerních roztoků. V první části práce jsou porovnávána zařízení na měření reologických charakteristik v elektrickém poli. Druhá část práce se pak zabývá vlivem elektrostatického pole na viskozitu polymerního roztoku, časovou stabilitou polymerního roztoku v souvislosti s elektrostatickým zvlákňováním. Posledním příspěvkem práce bylo zkoumání magnetoreologii polymerního roztoku s obsahem magnetických nanočástic a vláknotvornost této tekutiny.

Abstract:

Nowadays, nanofibrous layers are intensively studied for their unique properties and potential applications. For instance medical applications like tissue engineering use fibres as a carrier of the cells. The advantage of the nanofibrous layers is a high specific surface area together with high porosity and fibre diameters reaching at most hundreds of nanometres. There are many production processes of nanofibres to which we can include an electrostatic spinning from polymer solutions or melts. If a polymer solution is exposed to external high voltage evoking electrostatic forces, the fibres are emitted from the surface layer of polymer solution and finally collected in drawing state. Rheological characterization of polymer solutions represents a crucial factor influencing electrostatic spinning and thus morphology of nanofibres. Flow behaviour of polymer solutions is influenced by polymer, solvent, concentration of solution, additives and mechanical stress or temperature, to mention a few. Large amount of the modern methods exists for the characterisation of the rheological properties of fluid including those enabling measurements under an electric field. Primary attention in this work is paid to an influence of an electric field on rheological characteristics of polymer solutions. In the first part, the devices enabling measurements in presence of electric field are compared. The second part is devoted to the influence of electric field on shear viscosity of polymer solutions, to the stability of polymer solutions in time and to the influence of polymer solutions preparation on rheological characteristics in connection with a process of electrospinning. Primary attention in this work is paid to an influence of an electric field on rheological characteristics of polymer solutions. In the first part, the devices enabling measurements in presence of electric field are compared. The second part is devoted to the influence of electric field on shear viscosity of polymer solutions, to the stability of polymer solutions in time in connection with a process of electrospinning. Finally, the magnetorheology of polymer solution with magnetic nanoparticles and the spinnability of this fluid were investigated.

Keywords

Elektrostatické zvlákňování, Nanovlákenná vrstva, Polymerní roztok, Tokové vlastnosti, Elektroreologie, Smyková viskozita, Elengační viskozita.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 5. 2015

Accessible from:: 6. 5. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2015

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds