Sborník konference

Transkript

Sborník konference

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
Fakulta stavební
NANOMATERIÁLY A NANOTECHNOLOGIE
VE STAVEBNICTVÍ 2012
NaNS 2012
Sborník konference
Praha 2012
EDITOŘI
11. září 2012, Praha, Česká Republika Zuzana Rácová, Pavel Tesárek, Václav Nežerka,
Pavla Ryparová
NÁZEV DÍLA
Sborník
konference
Nanomateriály
a
nanotechnologie
ve stavebnictví 2012
VYDALO
České vysoké učení technické v Praze
ZPRACOVALA FAKULTA
stavební
KONTAKTNÍ ADRESA
ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Thákurova 7, 166 29 Praha 6
TEL.
(+420) 22435 4332
VYTISKLA
Česká technika – nakladatelství ČVUT/výroba
ADRESA TISKÁRNY
CTN / Zikova 4, 166 36 Praha 6 / B3-108
POČET STRAN
60
NÁKLAD
50
VYDÁNÍ
1
ISBN 978-80-01-05132-0
2
11. září 2012, Praha, Česká Republika Poděkování
Tato publikace je vydána jako sborník prvního ročníku studentské vědecké konference
Nanotechnologie a nanomateriály ve stavebnictví NaNS 2012 pořádané na Fakultě stavební
Českého vysokého učení technického v Praze dne 11. září 2012. Konference se uskutečnila za
finanční podpory ČVUT v Praze pod číslem SVK 03/12/F1.
Konference byla organizována Katedrou konstrukcí pozemních staveb a Centrem pro
nanotechnologie ve stavebnictví na Fakultě stavební ČVUT v Praze.
3
11. září 2012, Praha, Česká Republika 4
11. září 2012, Praha, Česká Republika Obsah
Ryparová P., Wasserbauer R., Tesárek P.
Antibakteriální vlastnosti nanotextilií připravených z polyvinyl alkoholu s přídavkem stříbrných
a měděných iontů...............................................................................................................................6
Klicmanová I., Rácová Z.
Elektrostatické zvlákňování a pasportizace nanotextilií na základě PVA ........................................13
Rácová, Z, Wasserbauer R., Ryparová P.
Výskyt, prevence mikroskopických vláknitých hub ve stavebních konstrukcích a jejich sanace
pomocí nanovláken ..........................................................................................................................18
Králík V., Němeček J.
Studie hetoregenních strukturálních materiálů pomocí nanoindentace ...........................................24
Okénka J.
Seznámení se samohojivým betonem ...........................................................................................30
Domonkos M., Ižák T., Proška J., Kromka A.
Structuring of diamond films by reactive ion plasma etching .........................................................35
Nežerka V., Rácová Z., Klicmanová I., Ryparová P., Tesárek P.
Závislost mechanických vlastností na plošné hmotnosti nanotextilie na bázi Poly(vinyl alkoholu) ..41
Břežanský J.
Možnost využití nanovláken v klimatizačních jednotkách dopravních letadel ................................46
Voráček M.
Současné využití alternativních paliv v letecké dopravě ..................................................................52
POZNÁMKY ....................................................................................................................................57
5
11. září 2012, Praha, Česká Republika ANTIBAKTERIÁLNÍ VLASTNOSTI NANOTEXTILIÍ PŘIPRAVENÝCH
Z POLYVINYL ALKOHOLU S PŘÍDAVKEM STŘÍBRNÝCH A MĚDĚNÝCH IONTŮ
ANTIBACTERIAL PROPERTIES OF NANOFIBER TEXTILES PREPARED
FROM POLY-VINYL ALCOHOL WITH ADDITION OF SILVER AND COPPER IONS
Pavla Ryparová1, Richard Wasserbauer2, Pavel Tesárek3
1
2
Fakulta stavební, ČVUT v Praze, Thákurova 7, 166 29 Praha, [email protected]
3
Abstrakt
Nanotextilie byly připravovány pomocí technologie elektrostatického zvlákňování na přístroji Nanospider
(Elmarco, Česká republika). Nanotextilie byly vyrobeny pomocí 60 cm dlouhé rotační válcové elektrody
z polymeru polyvinyl alkoholu s přídavkem kovových iontů. Vzorky průměru 10 cm pro antibakteriální studie
byly vystřiženy z nanotextilie, která byla teplotně stabilizována při 140 °C po dobu 10 minut. Antibakteriální
vlastnosti se zkoumaly v závislosti na typu a množství použitého přídavku. Pro antibakteriální studii byl
použit jako modelový organismus bakterie E. Coli, tato studie byla provedena kontaktní přímou metodou
v tekutém médiu.
Klíčová slova: antibakteriální vlastnosti, roztoky kovových iontů, nanovlákna, polyvinyl alkohol,
elektrostatické zvlákňování.
Abstract
Nanofiber textiles were prepared using electrospinning technology using a Nanospider device (Elmarco,
Czech Republic). The textiles were made using 60 cm long rotating electrode from poly-vinil alcohol fibers
with addition of metal ions. The nanofiber textile samples having a diameter 10 cm were stabilized
in temperature 140°C for 10 minutes and used for study of antibacterial action. The antibacterial properties
were investigated in dependence on the type and amount of the used agent. The model organism E.Coli
bacteria was used for the study, which was performed using direct method in a liquid medium.
Key words: Antibacterial Properties, Metal Ions in Aqueous Solution, Nanofibers, Poly-vinyl Alcohol,
Electrospinning
6
11. září 2012, Praha, Česká Republika 1. ÚVOD
Polyvinyl alkohol (PVA) je bezbarvá a ve vodě rozpustná netoxická sloučenina, která je rozpustná
i v dalších polárních rozpouštědlech. Zajímavé chemické a fyzikální vlastnosti PVA spolu s dobrou odolností
například vůči chemikáliím a snadnou tvarovatelností vláken tuto látku předurčují k praktickému využití
např. v medicíně, kosmetickém, farmaceutickém, potravinářském a obalovém průmyslu [1]. V poslední době
se v této oblasti vyvíjí stále nové aplikace, např. se testuje využití v inženýrství jako tenkovrstvé nosné nebo
ochranné materiály nebo v lékařství jako nosiče, např. pro cílené dávkování léků [2-6]. Ultra jemná vlákna
PVA, která jsou využívána pro mnoho aplikací, nelze připravit běžnými zvlákňovacími postupy [1].
V poslední době proces nazývaný elektrostatické zvlákňování, získává stále větší pozornost, protože
umožňuje efektivně vyrábět ultra jemná vlákna nebo vláknité struktury jako jsou např. nanotextilie na bázi
mnoha polymerů. Velikost vláken se pohybuje od několika nanometrů až po mikrometry. Velkoplošné
nanovláknité textilie se mohou vyrábět pomocí přístroje Nanospider (Elmarco, Česká republika). Protože
membrány připravené z PVA jsou rozpustné ve vodě, je potřeba tyto textilie následně stabilizovat. Tato
stabilizace je možná buď chemickou cestou, tzn. chemickým zasíťováním za pomoci metanolu nebo
glutaralaldehydu [7], nebo metodou fyzikální stabilizace pomocí teploty v rozmezí 140 až 150 °C.
V současné době se zvětšuje atraktivita textilií z ultra tenkých vláken, jejich užitné vlastnosti jako je
vysoký měrný povrch, vysoká porosita a také samotné nanoměřítko zvyšují přitažlivost pro vědce i nové
průmyslové aplikace. Další cesta k novým aplikacím vede přes inkorporaci nanočástic, které buď samy
funkcionalizují nanotextilie nebo jsou nanotextilie samy funkcionalizovány přes vazby na tyto částice. Kovy
se jako jedny z mnoha částic používají jako funkční přídavky do nanotextilií, do kterých vnášení potenciální
antibakteriální vlastnosti. Metalové ionty jsou známy svými antimikrobiálními vlastnostmi a proto se
např. stříbro a měď běžně přidávají jako doplňky do sanitárních a hygienických prostředků. V literatuře se
uvádí, že tyto kovy, resp. jejich ionty, působí na mnoho typů bakterií [8].
2. MATERIÁLY A EXPERIMENTÁLNÍ METODIKA
Vzorky byly připraveny pomocí elektrostatického zvlákňování přístrojem Nanospider LB 500 z roztoku
PVA a vody, podíl PVA v roztoku je 12 hmotnostních %, s přídavkem zesíťovacích činidel (0,88 hm. %
glyoxalu a 0,6 hm. % kyseliny fosforečné). Během výrobního procesu jsou vlákna nanesena na nosnou
polypropylenovou netkanou textilii (tzv. spunbond), která byla antistaticky ošetřena. Při zvlákňování byla
vzdálenost mezi elektrodami 140 mm a elektrické napětí bylo 78 kV.
Vzorky s antibakteriální úpravou byly připraveny přidáním kovových iontů do základního PVA roztoku.
Stříbrné ionty byly přidávány ve formě AgNO3 do finální koncentrace 0,5 nebo 1 % (hmotnost/objem), tyto
vzorky byly označeny jako „A“, a měděné ionty byly přidávána ve formě CuSO4·H2O ve stejné koncentraci
s označením „C“. Příprava vzorků je popsána v tabulce 1. Jako PVA je označován kontrolní (referenční)
vzorek, ve kterém nebyly antibakteriální přídavky použity. Membrány z PVA měly plošnou hmotnost
9,11 g/m2, PVA/A od 5,89 do 10,78 g/m2 a vzorek PVA/C od 6,21 do 14,65 g/m2. Plošná hmotnost byla
měřena s přesností na 10-4.
7
11. září 2012, Praha, Česká Republika Z vyrobených nanotextilií byly připraveny kruhové vzorky o průměru 10 cm. Antibakteriální studie byla
prováděna s Gram negativní bakterií E. Coli v tekutém kvasničně glukózovém médiu (Total medium,
Bi-media SY-LAB VGMPH, Rakousko). Koncentrace bakterií byla měřena jako optická hustota při 640 nm
(OD640) na přístroji (Spectroquant Pharo 300, Merck). Vzorky byly přidávány do bakteriální kultury o objemu
20 ml, tak aby počáteční OD640 byla kolem 0,1. Nanomembrána byla ponořena do média a následně
inkubována při 25 °C za vertikálního třepání 300 otáček za minutu. Růst bakterií byl měřen jako OD640
v časové závislosti, jednotlivé časové úseky byly 30 minut.
Tabulka 1 Specifikace vzorků – nastavení přístroje Nanospider při přípravě jednotlivých vzorků, rotace
elektrody, pohyb spunbondu a napětí při zvlákňování pro jednotlivé vrstvy (první/druhá vrstva) a koncentrace
iontů v membráně
Jméno
vzorku
Rotace
elektrody [Hz]
Pohyb spunbondu
[Hz]
Napětí
[kV]
Koncentrace iontů
v membráně [hm. %]
AI
5/0
10,87/0
76/0
20,8
5/10
10,87/10,87
76/76
20,8
5/5
10,87/10,87
76/76
20,8
5/0
10,87/0
80/0
41,7
5/5
10,87/10,87
80/80
41,7
5/10
10,87/10,87
80/80
41,7
5/0
10,87/0
76/0
20,8
5/10
10,87/10,87
76/76
20,8
5/5
10,87/10,76
76/76
20,8
5/0
10,87/0
76/0
41,7
5/5
10,87/10,76
76/76
41,7
5/10
10,87/10,76
76/76
41,7
5/10
10,87/10,87
76/80
-
A II
A III
A IV
AV
A VI
CI
C II
C III
C IV
CV
C VI
PVA
8
11. září 2012, Praha, Česká Republika 3. VÝSLEDKY
Počáteční bakteriální kultura měla OD640 0,089. Růst bakteriální kultury na obrázku 1 ukazuje omezení
růstu bakterií ve vzorcích s přídavkem stříbra. Tento antibakteriální charakter je patrný minimálně po dobu
180 minut. U vzorku A VI s gramáží kolem 10 g/m2 účinnost trvá až 10 hodin. Samotná PVA membrána
nemá žádný antibakteriální charakter. Samotná bakteriální kultura, která není ovlivněna přídavkem
materiálu, ukazuje standardní růst bakterií za daných podmínek. Nanotextilie, které byly připraveny
s přídavkem měděných iontů, nevykazují antibakteriálních charakter. Jejich účinek je srovnatelný
s membránou PVA bez přídavku. Výsledky jsou prezentovány na obrázku 2.
1,2
Optická hustota [-]
1
Bakterie
0,8
PVA
AI
0,6
A II
0,4
A III
AV
0,2
AVI
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Čas [min]
Obrázek 1: Růstová křivka bakterií E. Coli v závislosti na typu nanotextilie a koncentraci přídavku stříbrných
iontů. Jako negativní kontrola je použita nanomembrána bez přídavku iontů. Standardní křivka je
reprezentována křivkou označenou Bakterie. Jedná se o růstovou křivku nezatíženou přídavkem materiálu.
9
11. září 2012, Praha, Česká Republika 0,6
Optická hustota [-]
0,5
Bakterie
0,4
C II
C III
0,3
C IV
0,2
CV
C VI
0,1
PVA
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Čas [min]
Obrázek 2: Růstová křivka bakterií E. Coli v závislosti na typu nanotextilie a koncentraci přídavku měděných
iontů. Jako negativní kontrola je použita nanomembrána bez přídavku iontů. Standardní křivka je
reprezentována křivkou označenou Bakterie. Jedná se o růstovou křivku nezatíženou přídavkem materiálu.
4. DISKUZE
Charakter nárůstu růstových křivek u testovaných vzorků s přídavkem stříbra odpovídá výsledkům
publikovaných v literatuře [8-10]. Stříbrné částice jsou dispergované v celém objemu nanovláken, kde PVA
vlákno slouží jako nosič daných částic, aktivita stříbra souvisí s „aktivním“ měrným povrchem. Stříbrné
částice jsou navázané nejen ve vláknech, ale i na jejich povrch. Samotná nanomembrána z PVA funguje
jako nosič antibakteriálních činidel, ale sama o sobě nemá antibakteriální charakter [11-13]. Efektivita
a trvanlivost antimikrobiálního efektu PVA/A je závislá na koncentraci přidaného bakteriálního činidla. Vzorky
AI až AV omezují růst bakterií během prvních 180 minut, po této době už je pravděpodobně antibakteriální
efekt omezen z důvodu adheze bakterií na povrch membrány a zmenšením aktivního měrného povrchu
stříbra. Antibakteriální vlastnosti stříbra jsou vázány na volnou difúzi a v případě jejího omezení ztrácí tyto
materiály účinnost. V případě vzorku (A VI) s nejvyšší koncentrací stříbra i gramáže nanotextilie výsledky
ukazují omezení růstu bakterií po dobu vyšší jak 10 hodin. V tomto případě je pravděpodobné, že vyšší
koncentrace stříbrných iontů už v počátečním stádiu pokusu zabije většinu bakterií.
Výsledky růstových křivek membrán PVA/C s ionty mědi ukazují jiné výsledky. Přestože měď a její
sloučeniny se běžně (v makroměřítku) používají jako antibakteriální činidlo. Sloučeniny mědi se váží na
bakteriální membránu, kterou následně porušují, čímž způsobují smrt buňkám [8, 14, 15]. V případě iontů
mědi vnesených do nanotextilie ve formě modré skalice a dispergované v PVA se ukazuje
(je pravděpodobné), že měď ztrácí možnost volné difúze a prostý kontakt s bakteriemi postačuje pouze
k částečnému omezení růstu v počátečních stádiích pokusu, během prvních 20 minut. Po této době
10
11. září 2012, Praha, Česká Republika je nanotextilie (membrána) pokryta bakteriálními zbytky a měď není v přímém kontaktu s dalšími jedinci,
čímž dojde k zastavení antibakteriálního působení.
5. ZÁVĚR
Z provedených experimentů a získaných výsledků je patrno, že je možno připravit nanotextilie na základě
zvlákňování PVA s potencionálními antibakteriálními činidly (stříbro ve formě Ag+ a měď ve formě Cu2+)
V tomto případě byly membrány připraveny jako jednovrstvé a dvouvrstvé, jejich gramáž se pohybovala od
6 do 11 g/m2. Kovové ionty byly přidávány přímo do zvlákňovaného roztoku a to ve finální koncentraci 0,5
a 1 % (hm.). Koncentrace v připravených membránách byla kolem 21 nebo 42 hm %. Přesnou hmotnost
(hm. koncentraci) přídavku na vzorek nelze stanovit, z důvodu nízké hmotnosti vzorku, která je kolem,
0,253 g. U nevyšší koncentrace a gramáže se tako hodnota pohybuje kolem 0,03 g. Membrány PVA/A
ukazují antibakteriální účinek po dobu minimálně 180 minut, u membrán s přídavkem mědi (PVA/C) tato
účinnost nebyla prokázána. Nanotextilie připravená ze samotného PVA vykazovala stejné vlastnosti jako
nanotextilie PVA/C.
PODĚKOVÁNÍ
Tento výzkum byl financován z prostředků Českého vysokého učení technického v Praze –
SGS12/110/OHK1/2T/11. Speciální poděkování patří Ivaně Loušové za pomoc při přípravě vzorků.
LITERATURA
[1]
Kim H.G., Kim J.H. Preparation and properties of antibacterial poly(vinyl alcohol) nanofibers by nanoparticles.
Fibers and Polymers 2011, 12 (5), pp. 602-609.
[2]
Shao C., Yang X., Guan H., Liu Y., Gong J.: Electrospun nanofibers of NiO/ZnO composite. Inorganic
Chemistry Communications 2004, 7 (5), pp. 625-627.
[3]
Liao H., Qi R., Shen M., Cao X., Guo R., Zhang Y., Shi X. Improved cellular response on multiwalled carbon
nanotube-incorporated electrospun polyvinyl alcohol/chitosan nanofibrous scaffolds. Colloids and Surfaces B:
Biointerfaces 2011, 6/1, 84 (2), pp. 528-535.
[4]
Yang D., Li Y., Nie J.: Preparation of gelatin/PVA nanofibers and their potential application in controlled release
of drugs. Carbohydr Polym 2007, 6/25, 69 (3), pp. 538-543.
[5]
Yang E., Qin X., Wang S.: Electrospun crosslinked polyvinyl alcohol membrane. Mater Lett 2008, 7/31, 62 (20),
pp. 3555-3557.
[6] Kenawy E, Abdel-Hay F.I., El-Newehy MH, Wnek G.E. Controlled release of ketoprofen from electrospun
poly(vinyl alcohol) nanofibers. Materials Science and Engineering: A 2007, 6/25, 459 (1–2), pp. 390-396.
[7]
Franco R.A., Min Y., Yang H., Lee B. On stabilization of PVPA/PVA electrospun nanofiber membrane and its
effect on material properties and biocompatibility. Journal of Nanomaterials 2012, 393042.
[8] de Paiva R.G., de Moraes M.A., de Godoi F.C., Beppu M.M. Multilayer biopolymer membranes containing
copper for antibacterial applications. J Appl Polym Sci 2012, 25 (126), pp. E17-E24.
[9]
Asavavisithchai S, Oonpraderm A, Ruktanonchai UR. The antimicrobial effect of open-cell silver foams. Journal
of Materials Science-Materials in Medicine 2010, 21 (4), pp. 1329-1334.
[10] Park J.H., Karim M.R., Kim I.K., Cheong I.W., Kim J.W., Bae D.G., Cho J.W., Yeum J.H. Electrospinning
fabrication and characterization of poly(vinyl alcohol)/montmorillonite/silver hybrid nanofibers for antibacterial
applications. Colloid Polym Sci, 2010, 288 (1), pp. 115-121.
[11] Sun T., Seff K. Silver clusters and chemistry in zeolites. Chem Rev 1994, 94 (4), pp. 857-870.
11
11. září 2012, Praha, Česká Republika [12] Glaus S., Calzaferri G., Hoffmann R. Electronic properties of the silver-silver chloride cluster interface.
Chemistry-a European Journal 2002, 8 (8), pp. 1785-1794.
[13] Rujitanaroj P., Pimpha N., Supaphol P. Wound-dressing materials with antibacterial activity from electrospun
gelatin fiber mats containing silver nanoparticles. Polymer 2008, 49 (21), pp. 4723-4732.
[14] Longano D., Ditaranto N., Cioffi N., Di Niso F., Sibillano T., Ancona A., Conte A., Del Nobile M.A., Sabbatini L.,
Torsi L. Analytical characterization of laser-generated copper nanoparticles for antibacterial composite food
packaging. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2012, 403 (4), pp. 1179-1186.
[15] Zhang W., Zhang Y., Ji J., Yan Q., Huang A., Chul P.K. Antimicrobial polyethylene with controlled copper
release. Journal of Biomedical Materials Research Part a 2007, 83A (3). Pp. 838-844.
12
11. září 2012, Praha, Česká Republika ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ A PASPORTIZACE NANOTEXTILIÍ NA BÁZI PVA
ELECTROSPINNING AND PASSPORTIZATION OF PVA NANOFIBER TEXTILES
Iveta KLICMANOVÁ1, Zuzana RÁCOVÁ2
1
2
Abstrakt
Cílem této práce bylo vytvoření pohledu na téma elektrostatické zvlákňování. Je zde popsána podstata
procesu elektrostatického zvlákňování. Především je zde rozebrána technologie Nanospider, která byla
využita při experimentech. V další části tohoto článku jsou popsány jednotlivé vlastnosti polymerů využitých
při výrobě nanotextilií. V našem případě se jedná o polypropylen (PP) a polyvinylalkohol (PVA). Je zde
popsán přesný postup při výrobě nanotextilií, tj. příprava roztoku určeného ke zvlákňování, následná výroba
nanotextilie pomocí technologie Nanospider a závěrečná stabilizace nanotextilií.
Klíčová
slova:
elektrostatické
zvlákňování,
technologie
Nanospider,
nanotextilie,
polypropylen,
polyvinylalkohol
Abstract
The goal of this paper was to create an overview of a process of electrospinning, which described in very
detail. Special attention is paid to the Nanospider technology used for production of the nanofiber textiles.
Second part of this paper is devoted to a description of the various properties of polymers used for the
production of nanofiber textiles, in particular polypropylene (PP) and poly-vinyl alcohol (PVA). Also the
production of the textiles is described in detail from a preparation of the solution for the spinning, subsequent
manufacture of the textiles using Nanospider technology and their final stabilization.
Key words: Electrospinning, Nanospider Technology, Nanofiber Textile, Poly-propylene, Poly-vinyl Alcohol
13
11. září 2012, Praha, Česká Republika 1. ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ
Pojem “nanovlákna” nemá přesnou definici. Popisují se, jako vlákna o průměru, který se pohybuje
v submikronové oblasti (rozsah do 1000 nm). Nanovlákna se vyznačují několika výjimečnými vlastnostmi,
mezi které patří velký měrný povrch vláken, velká pórovitost vlákenné vrstvy a malý rozměr pórů. Díky těmto
vlastnostem mohou být využívány v mnoha důležitých aplikacích. Elektrostatickým zvlákňováním se
připravují ultra jemná (0,1 μm) vlákna z polymerního roztoku nebo polymerní taveniny pomocí
elektrostatických sil. Nejčastěji se zvlákňují polymery ve formě roztoku, jelikož viskozita polymerních tavenin
dosahuje vyšších hodnot, nedovoluje utváření jemných vláken. Pomocí této metody byly již zvlákněny různé
druhy polymerů přírodních i syntetických.
Elektrostaticky zvlákněná nanovlákna mají řadu významných vlastností. Tyto vlastnosti je činí výbornými
kandidáty pro širokou škálu aplikací. Lze je využít ve formě vysoce účinných filtrů, separačních membrán,
výztuh pro kompozitní materiály, biologických aplikací, v tkáňovém inženýrství, ale také jako nanoelektrická
zařízení a vodíkové nádrže pro palivové články.
1.1
Podstata procesu
Při procesu elektrostatického zvlákňování se využívá vysokého napětí. Toto napětí slouží k vytvoření
elektricky nabitého proudu polymerního roztoku nebo taveniny. Elektroda, na které je vysoké napětí, je přímo
spojena s polymerním roztokem. Tento roztok je následně zvlákněn kapilárou (zvlákňovací tryskou).
V prostředí mezi špičkou kapiláry a uzemněným kolektorem je vysoké napětí a díky tomu vzniká
tzv. Taylorův kužel (obrázek 1) na špičce kapiláry, z kterého jsou produkována submikronová vlákna.
Taylorův kužel je následkem retaxace indukovaného náboje k volnému povrchu kapaliny na výstupu ze
zvlákňovací trysky. Po vzniku Taylorova kuželu následuje vytlačování nabité kapaliny. Po odpaření
rozpouštědla vlákna ztuhnou a vytvoří jakousi vlákennou vrstvu na povrchu kolektoru. Nabitý proud se
zrychluje a ztenčuje v elektrickém poli, nakonec narazí na uzemněnou elektrodu kolektoru, na které se
usadí. Při určitých podmínkách se kapalinový proud stává nestabilním před dosažením kolektoru. U kapaliny
s nižší molekulární hmotnosti vzniká tzv. elektrostatické rozprašování, což je proces, při kterém vzniká
sprška malých nabitých kapiček, což je následkem počátku nestability. Kapaliny, mezi něž patří i polymerní
kapaliny, s vyšší viskozitou mají viskoelastické síly, které stabilizují proud. Toto dovoluje formování vláken,
která ztuhnou a na kolektoru se uloží ve formě netkané textilie. Schéma elektrostatického zvlákňování je
znázorněno na obrázku 2 [1].
14
Obr. 1: Taylorův kužel [2]
1.2.
11. září 2012, Praha, Česká Republika Obr. 2: Schéma principu elektrostatického
zvlákňování [3].
Technologie Nanospider
Vlákna lze tvořit z roztoků nebo tavenin. Metoda, která tyto vlákna vytváří, se nazývá elektrospinning. Při
této metodě jsou za přítomnosti silného elektrostatického pole tvořena nanovlákna. Tento princip je již znám
od roku 1910. Jednou z modifikací tohoto principu je metoda Nanospider. Na obrázku 3 je tento princip
znázorněn. Tato metoda byla vyvinuta profesorem O. Jirsákem na Katedře netkaných textilií Technické
univerzity v Liberci [3].
Obr. 3: Technologie Nanospider [3]
Tato metoda má však i své nevýhody. Je to hlavně nestejnoměrnost vzniklé vrstvy a také neschopnost
zvlákňovacího zařízení vyrobit velké množství látky. Z tohoto důvodu byla vyvinuta metoda Nanospider.
S jejím vývojem se začalo roku 2001 [3].
Pro metodu Nanospider je charakteristická elektroda ve tvaru válce, která je částečně ponořena do
polymeru a rotuje. Rotující elektroda vynáší polymer blíže k opačné elektrodě.
Načež se na hladině
polymeru začnou vytvářet skupiny Taylorových kuželů. Na obrázku 4 je znázorněna válcová elektroda.
Hlavním principem této metody je poznatek, že na tenké vrstvě polymeru lze vytvořit Taylorovy kužely. Dále
je metoda stejná jako u elektrostatického zvlákňování. Vlákna jsou opět formována pomocí elektrostatického
pole a následně uspořádána ve formě textilie na kolektoru. Jelikož je touto formou vyráběna netkaná textilie,
musí být na kolektoru umístěná nějaká nosná vrstva [3, 4].
15
11. září 2012, Praha, Česká Republika Obr. 4: Válcová elektroda, na které se tvoří Taylorovy kužely [4]
2. PASPORTIZACE NANOTEXTILIÍ NA ZÁKLADĚ PVA
K výrobě nanotextilie byly použity dva polymery, tj. polypropylen (nosná textilie) a polyvinylalkohol
(zvlákňovaný roztok). Polypropylen patří mezi krystalické polymery. Jeho stupeň krystalinity se pohybuje
od 60 do 75%. Je to látka neprůhledná. Čistý polypropylen má bod tání 176 °C a nízkou hustotu (0,90 až
0,92 g/cm3). Polypropylen má v podstatě nepolární strukturu, takže má výborné elektroizolační vlastnosti. Co
se týká jeho chemické odolnosti, tak bobtná v ketonech, uhlovodících a esterech. Při teplotě 90 °C se
rozpouští v chlorovaných a aromatických uhlovodících. Dobře odolává vroucí vodě a sterilizaci vodní párou.
Jeho teplená použitelnost je krátkodobě do 135 °C, dlouhodobě do 100 °C [5]. Polyvinylalkohol je bílá
práškovitá hmota zřetelně krystalického charakteru. Jeho fyzikální vlastnosti ovlivňují především dvě veličiny,
tj. polymerační stupeň a stupeň hydrolýzy (reesterifikace). Zcela hydrolyzovaný polyvinylalkohol má bod tání
228 °C a teplotu skelného přechodu 85 °C [5]. Polyvinylalkohol je použitelný při teplotách od -50 °C
do 130 °C. Nad 200 °C se rozkládá [6].
Nosná textilie (tzv. spunbond) byla koupena od společnosti PEGAS. Tato textilie musí mít antistatickou
úpravu. Zvláknitelný roztok polyvinylalkoholu (PVA) je připravován v objemu 500 ml. Pro tento objem se
použije:
375 g PVA Sloviol 16 %
117g demineralizované vody
4,4 g glyoxalu
3 g kyseliny fosforečné 75%
Nejprve se odváží 16% roztok PVA, do nějž se postupně přidávají další látky. Tento proces probíhá za
stálého důkladného míchání. Glyoxal a kyselina fosforečná jsou zde použity jako síťovací činidla. V roztoku
jsou důležitá kvůli následné stabilizaci nanotextilie teplotou [7].
Na nosnou textilii vyrobenou z polypropylenu byla nanesena vrstva zvlákněného polyvinylalkoholu
pomocí technologie Nanospider. Výška uzemněné elektrody byla nastavena na 140 cm, napětí mezi
elektrodami bylo asi 75 kV, teplota v laboratoři byla okolo 25 °C a relativní vlhkost prostředí byla okolo 50 %.
Relativní vlhkost je velmi důležitý parametr při výrobě textilií. Pokud je totiž relativní vlhkost příliš vysoká, tak
16
11. září 2012, Praha, Česká Republika přístroj, buď nezvlákňuje, nebo se na nosné textilii tvoří chuchvalce nanotextilie. Vyrobená textilie byla
následně stabilizována v sušárně při teplotě 140 °C po dobu 10 minut.
3. ZÁVĚR
Účelem toho článku bylo představení elektrostatického zvlákňování jako metody pro výrobu nanotextilií.
Podrobněji zde byla rozebrána technologie Nanospider. Pomocí této technologie jsou totiž vyráběny
nanotextilie na Fakultě stavební ČVUT v Praze. Vyráběny jsou textilie na základě polyvinylalkoholu (PVA).
Tento polymer byl vybrán z hlediska jeho nízké ceny. V dalších letech bychom se rádi věnovali zvláknění
i jiných polymerů. Nejprve je však nutné nadefinovat vlastnosti nanotextilií na základě PVA.
PODĚKOVÁNÍ
Ráda bych poděkovala Ing. Pavlu Tesárkovi, Ph. D., Mgr. Pavle Ryparové a Mgr. Alexeyovi
Shveshnikovi, Ph. D. za podporu a cenné rady při zpracování tohoto tématu. Tento výzkum byl
financován z prostředků Českého vysokého učení technického v Praze – SGS12/110/OHK1/2T/11
LITERATURA
[1] Rutledge G.C., Warner S. B. Electrostatic Spinning and Properties of Ultrafine fibers. In: National Textile Center
[online]. 2002 [cit. 2011-10-05]. Dostupné z: http://www.ntcresearch.org/pdf-rpts/AnRp02/M01-MD22-A2.pdf
[2] YFLOW. Technology. In: Yflow: Nanotechnology solutions [online]. 2002 [cit. 2012-05-07]. Dostupné z:
http://www.yflow.com/?q=node/3
[3] Hrůza J. Nanovlákenné filtry a jejich použití v sanačních technologiích. In: Výzkumné centrum: Pokročilé
sanační
technologie
a
procesy
[online].
2009
[cit.
2012-02-15].
Dostupné
z:
http://artec.tul.cz/?content=upload/ARTEC-kapitola6-sidlof-hruza.pdf&lang=cs
[4] ELMARCO. Technologie Nanospider™ společnosti Elmarco. In: Zelená úsporám [online]. 2010 [cit. 2012-0215].
Dostupné
z:
http://japtech.zelenausporam.cz/gallery/0/305_technologie_nanospider_spolecnosti_elamrco_stanislav_petrik.pdf
[5] Mleziva J., Šňupárek J. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. 2. přepracované vydání. Praha:
Sobotáles, 2000. ISBN 80-8592-072-7
[6] Ducháček V. Polymery – výroba, vlastnosti, zpracování, použití. 2. přepracované vydání. Praha: Vydavatelství
VŠCHT, 2006. ISBN 80-7080-617-6
[7] Krňanský J., Tesárek P., Mukařovská J. Pasportizace nanotextilií na bázi PVA vyrobených na přístroji NS LAB
500S a ověření jejich základních vlastností. Praha, 2010.
17
11. září 2012, Praha, Česká Republika VÝSKYT, PREVENCE MIKROSKOPICKÝCH VLÁKNITÝCH HUB VE STAVEBNÍCH
KONSTRUKCÍCH A JEJICH SANACE POMOCÍ NANOVLÁKEN
OCCURRENCE AND PREVENTION OF MICROSCOPIC FILAMENTOUS FUNGI IN BUILDING
CONSTRUCTION, AND REMEDY USING NANOFIBERS
Zuzana Rácová
1
2
1
, Richard Wasserbauer2, Pavla Ryparová3
3
Abstrakt
Tento příspěvek je zaměřen na prevenci výskytu a sanaci vláknitých hub ve stavebních konstrukcích.
Sanace těchto hub může být provedena pomocí klasických metod (spreje, barvy apod.) nebo nových metod.
Mezi nové metody lze zařadit využití nanotechnologií, konkrétně použití nanovláken. Vlastnosti nanovláken
se liší v mnoha vlastnostech od běžných materiálů, např. mají velký specifický povrch, vlastnosti jsou závislé
na způsobu jejich výroby. Bylo zjištěno, že nanovlákna lze využít pro sanaci a prevenci výskytu
mikroskopických vláknitých hub. Tento efekt může být podpořen přidáním nanočástic nebo jiných
antimikrobních činidel do zvlákňovaného polymeru. V článku jsou publikována data z měření, využitelná
v pro praxi při sanaci míst s výskytem plísní, nebo na místech kde by k jejich výskytu mohlo dojít.
Klíčová slova: bakterie, biodegradace, plíseň, relativní vzdušná vlhkost, odvětrávání, nanovlákna
Abstract
The article is focused on prevention and remediation of the occurrence of microscopic filamentous fungi
in buildings. The remediation of these fungi can be performed using classical methods (spray, paint, etc.)
or use new methods – which include use of nanotechnology, e.g. nanofibers. The nanofibers have specific
functional characteristics (e.g. large surface area, etc) according to their production and it can be used
for remediation and prevention of occurrence of microscopic filamentous fungi. The effect of nanofibers can
be increased by adding nanoparticles or another antimicrobial substance into the spun polymer. The article
presents the first experimental results with the nanofibers, which could be applied on place with
the occurrence of microscopic filamentous fungi, or on place where their occurrence is expected in future.
Key words: Bacteria, Bio-corrosion, Mold, Relative Air Humidity, Ventilation, Nanofibers
18
Mikroskopické vláknité houby obývají naši planetu přibližně 300 milionů let. Člověk se je během své
existence naučil využívat ve svůj prospěch především v potravinářství a medicíně [1, 2]. Na druhé straně
zapříčinili lidé zvýšený výskyt plísní (mikroskopické vláknité houby) narušením biologické rovnováhy
v přírodě. Problematika vnitřního prostředí budov bývá v souvislosti s plísněmi často podceňována a to nejen
v případě novostaveb, ale především u stávajících budov. Mikroskopické vláknité houby ve stavebních
objektech představují zdravotní rizika pro uživatele domů, ale jsou v neposlední řadě nebezpečnými
biodeteriogeny stavebních materiálů [3].
Sanace míst s výskytem plísní a hledání preventivních opatření jejich výskytu jsou v současné době,
kdy e vyvíjen tlak na rychlost výstavby a snaha zlepšovat vnitřní prostředí budov, aktuální problematikou.
Cílem našeho výzkumu bylo zjistit, zda by takovýmto opatřením mohla být kromě klasických metod (nástřiky,
nátěry, atd.) aplikace nanovláken ve formě textilií. Testování byla podrobena nanovlákna vyrobená na bázi
polymerního roztoku PVA (polyvinyl alkohol) a poté roztoku PVA s kationty mědi a stříbra.
2. MIKROSKOPICKÉ VLÁKNITÉ HOUBY
Mikroskopické vláknité houby jsou eukaryotické (buněčné) organismy. Základem jejich těla je vláknitý
útvar hyfa. Hyfy se opakovaně větví a vytváří značně složitou spleť vláken mycelium (podhoubí). Plísně jsou
polymorfní organismy, mohou se tedy rozmnožovat pohlavně, ale také nepohlavně (sporami plísní,
rozrůstáním hyf a jejich úlomků). Ke svému životu potřebují organické uhlíkaté látky. Pomocí enzymů
rozkládají nejrůznější materiál např. potraviny, krmiva, kůži, papír, plasty, stavební a dekorační kámen, beton
atd. na jednoduché sloučeniny, které jsou pro ně zdrojem energie. Vedle enzymů dochází k produkci
těkavých látek a mykotoxinů, tyto látky mohou negativně ovlivňovat lidské zdraví např. způsobovat astma,
kožní problémy aj. [3, 4]. Vedle uhlíkatých látek potřebují plísně k životu kyslík, optimální relativní vlhkost
vzduchu je vyšší než 80 %, ale některým druhům postačuje vlhkost kolem 65 %. Pro většinu kmenů jsou
optimální podmínky: teplota 18 až 28 °C, pH 5 až 7.
3. BĚŽNĚ POUŽÍVANÉ ZPŮSOBY PREVENCE A SANACE
Nejdůležitějším preventivním a zároveň sanačním opatřením pro zamezení výskytu plísní je odvedení
přebytečné vlhkosti z objektu a její regulace společně s teplotou vzduchu. Cílem opatření není snížit vlhkost
vzduchu na dosažitelné minimum, ale upravit ho tak, aby byly parametry vnitřního vzduchu nevhodné pro
rozvoj plísní. Hodnota relativní vlhkosti vzduchu by se měla pohybovat kolem 50 %. Nižší hodnota relativní
vlhkosti by totiž představovala jiná zdravotní rizika např. ve formě vysychání sliznic [5]. Stavbu je nutné
navrhnout, sanovat a především provést tak, aby na vnitřním povrchu nedocházelo během celého roku ke
kondenzaci vodních par. Dále je důležité jakékoliv havárie např. porušení instalací řešit okamžitě
a důsledně. Základními běžně aplikovanými sanačními opatřeními jsou úpravy konstrukcí: provádění
zateplování objektů, rekonstrukce střešních plášťů, výměna dešťových svodů, výměna stávajících oken.
V uvedených případech je nutné zajistit nuceným větráním nebo větrací štěrbinou instalovanou v rámu okna
19
11. září 2012, Praha, Česká Republika cestu pro vlhkost odváděnou z objektu. Doplňkové řešení představuje dezinfekce zasažených povrchů
(postřiky biocidy) a prostor (například fumigace v prostorech sklepů).
4. NANOVLÁKNA
Nanovlákna jako prostředek antimikrobiální ochrany jsou dnes již hojně využívána v různých oborech
jako je medicína k prodyšnému krytí ran při chirurgických zákrocích, dále při rekonstrukci kůže, kostí, cév,
svalů ale i nervové tkáně, transport a řízené uvolňování léčiv či buněk. Nanovlákna nalezla své uplatnění
také v textilním průmyslu, elektronice, při čištění vody apod. [6].
Ve všech výše zmíněných případech bývá k docílení antimikrobiálního efektu použito nanočástic stříbra
inkorporovaných do nanotextilie vytvořené pomocí elektrostatického pole. Problémem těchto nanočástic je
však jejich vymývání z nanotextilie při praní a v důsledku toho pak snížení antimikrobiálních vlastností
materiálu [7].
Výrobní technologie pro přípravu nanovláken nazvaná Nanospider je založena na principu zvlákňování
roztoků polymerů v elektrostatickém poli. Uvedeným způsobem se dají vyrábět lehké, tenké, a současně
pevné textilie, které jsou porézní (otvory vzniklé vrstvením různě orientovaných vláken) [8].
Zvlákněný polymer je použit jako nosná textilie a antimikrobiálního účinku bývá dosaženo až přidáním
nanočástic. Kromě nanočástic stříbra se používá například nanočástic diamantu, mědi, titanu a zinku nebo
kationty, nejčastěji stříbra nebo mědi [9]. Mezi výhody nanotextilií patří relativně nízká cena a také snadná
aplikace daná tvarovou variabilitou tohoto materiálu.
5. NOVÁ EXPERIMENTÁLNÍ METODA PRO SANACI STAVEBNÍCH OBJEKTŮ NAPADENÝCH
PLÍSNĚMI
Experiment sestával ze dvou hlavních částí. Nejprve byla provedena identifikace vyskytujících se
mikroskopických vláknitých hub v konkrétním objektu a pak byly testovány antimikrobiální vlastnosti několika
druhů nanotextilií v souvislosti s identifikovanými druhy hub.
Zkoumaným objektem byl bytový dům systému T02B v Litvínově. Nejrozsáhlejší výskyt plísní byl
zaznamenán ve 4. nadzemním (nejvyšším) podlaží a v oblasti obvodových zdí, prostorech spížních skříní,
na ostěních a nadpražích oken. Obě použité průzkumné metody, stěrová (Obr. 1) a otisková, potvrdily výskyt
plísní rodů Alternaria, Aspergilus, Aureobasidium, Cladosporium, Culvularia, Epiccocum, Penicillium
a Pithomyces. Souvislost mezi chorobami, kterými trpí uživatelé bytů, s těmi, které způsobují nalezení
zástupci hub, je více než zjevná. Pro zkoumání antimikrobiálních vlastností nanotextilií byly použity plísně
s nejvyšší četností výskytu: Penicillium, Aspergilus niger, Alternaria a jejich kombinace. Testu byly
podrobeny nanotextiile vyrobené zvlákněním polymerního roztoku PVA a PVA s přídavkem mědi a stříbra.
Základní zvlákňovací roztok PVA měl následující složení: 10 % PVA, 0,74 % glyoxal a 0,3 % H3PO4 (SigmaAldrich, USA). Roztoky s přídavkem stříbra byly připraveny ze základního roztoku přidáním AgNO3 (CuSO4)
do finální koncentrace 0,5 % a 1 %. Pro zvlákňování byla použita rotační válcová elektroda šířky 500 mm.
Vzdálenost mezi elektrodami byla 140 mm, napětí při zvlákňování bylo 80 kV. Zvlákňování bylo prováděno
na nosnou podkladní textilii (spunbond) vyrobené z polypropylenu o plošné hmotnosti 18 g/m2 s antistatickou
20
11. září 2012, Praha, Česká Republika úpravou. Laboratorní podmínky při zvlákňování byly teplota 26 °C a relativní vlhkost vzduchu 41 %. Částice
stříbra i mědi byly přidány do vodného roztoku PVA před zvlákňováním a bylo použito ultrazvukové lázně
1 minutu. Zvlákňování bylo provedeno na přístroji Nanospider v Centru pro nanotechnologie ve stavebnictví
na Fakultě stavební ČVUT v Praze.
Obrázek 1: Petriho misky se vzorky po 4 dnech po odběru (vlevo) a snímek z mikroskopu Aspergilus niger
(vpravo).
Bylo připraveno 6 typů vzorků (onačení I až VI) pro každý typ polymeru s příměsí. Vzorky I až III byly
připraveny za přidáním 5 % AgNO3 (CuSO4) do PVA. Vzorek I byla jednovrstvá nanotextilie připravená při
frekvenci posunu nosné textilie 5 Hz. Vzorek 2 byla dvouvrstvá nanotextilie s posunem při výrobě první
vrstvy 5 Hz a druhé 10 Hz. Vzorek 3 byla dvouvrstvá nanotextilie, obě vrstvy byly vyrobeny při posunu nosné
textilie 5 Hz. Jako kontrola byla použita textilie PVA bez příměsi připravená stejně jako vzorek II. Vzorky byly
při experimentu aplikovány i s nosnou textilií.
Vlastní experiment byl proveden na Petriho miskách se živnou půdou – agar připravený podle CzapkaDoxe (Imuna, Slovensko), na něž byl rovnoměrně v celé ploše nanesen vodný roztok s plísněmi (Penicillium,
Aspergilus niger, Alternaria).
6. VÝSLEDKY A DISKUZE
Bez jakéhokoliv opatření by docházelo k rozvoji plísní a vznikal by tak souvislý povrch v celé ploše misky.
Cílem experimentu bylo zjistit, jak se tato situace změní, pokud na povrch živné půdy přiložíme zkoumané
nanotextilie ihned po nanesení vodního roztoku s plísněmi. Dále zjistit velikost vzniklé antimikrobiální zóny
a závislost její velikosti na typu použité nanotextilie, konkrétně na typu kationtů inkorporovaných
do nanotextilie (stříbro a měď) a zároveň na jejich koncentraci ve zvlákňovaném vodném polymerním
roztoku.
Experimentem bylo dokázáno, že nanotextilie připravená na bázi PVA bez příměsí v porovnání
s nanotextiliemi s příměsemi má zanedbatelný antimikrobiální účinek. Pokud se ale budou porovnávat
antimikrobiální vlastnosti nanotextilií se stříbrem a mědí, dospějeme k závěru, že v první fázi (2 dny po
21
11. září 2012, Praha, Česká Republika aplikaci) byl zaznamenán vyšší antimikrobiální efekt u stříbra, ale v další fázi (4 dny po aplikaci) byly
výsledky u obou iontů takřka totožné.
Závislost antimikrobiálního efektu na koncentraci iontů mědi (Obr. 2) a stříbra (Obr. 3) je zřejmá při
pohledu na misku s nanotextiliemi s přídavkem iontů mědi aplikovaných na plíseň Aspergilus terreus. Je zde
dobře patrný počáteční rozvoj zón (halo efekt) bez růstu plísní. Vzhledem k tomu, že se při aplikaci
nanotextilií na Petriho misky neodstraňovala podkladní textilie (spunbond), je potřeba uvážit i její vliv na celý
experiment.
Obrázek 2: Plíseň Aspergilus terreus s aplikovanými nanotextiliemi po dvou (vlevo) a čtyřech (vpravo)
dnech po aplikaci; PVA, I až VI nanotextilie s ointy mědi.
Obrázek 3: Plísně Aspergilus niger (vlevo), Aspergilus niger a Penicillium (uprostřed), Aspergilus niger
a Alternaria alternata (vpravo) s aplikovanými nanotextiliemi po čtyřech dnech po aplikaci; PVA, I až VI
nanotextilie s ointy stříbra.
7. ZÁVĚR
Byly připraveny vzorky nanotextilií PVA s různou koncentrací iontů stříbra a mědi. Jejich působení proti
rozvoji plísní v laboratorních podmínkách bylo prokázáno na Petriho miskách s agarem (Czapek-Dox).
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek vznikl za podpory grantu SGS12/110/OHK1/2T/11.
22
11. září 2012, Praha, Česká Republika LITERATURA
[1] Lu X., Huang Z., Zhang W., Rao P., Ni, L. Identification and characterization of filamentous fungi isolated from
fermentation starters for Hong Qu glutinous rice wine brewing, J.Gen.Appl.Microbiol. 2012, 58, pp. 33-42.
[2] Garcia-Agudo L., Aznar-Marin P., Galan-Sanchez F., Garcia-Martos P., Marin-Casanova P., Rodriguez-Iglesias,
M. Otomycosis due to Filamentous Fungi, Mycopathologia 2011, 172, pp. 307-310.
[3] Paříková J., Kučerová I. Jak likvidovat plísně. Grada publishing, spol. s r.o., Praha 2001, ISBN 80-86-364-54-2.
[4] Shoemaker R.C., House D.E. Sick building syndrome (SBS) and exposure to water-damaged buildings: Time
series study, clinical trial and mechanism. Neurotoxicology and Teratology 2006, 28 (5), pp. 573-588.
[5] Parizek M., Douglas T.E.L, Novotna K., Kromka A., Brady M.A., Renzing, A. et al. Nanofibrous poly(lactide-coglycolide) membranes loaded with diamond nanoparticles as promising substrates for bone tissue engineering,
Int.J.Nanomed. 2012, 7, pp. 1931-1951.
[6] Ashby, M.F., Ferreira, P.J., Schodek, D L. Chapter 11 - Nanomaterials and Nanotechnologies in Health and the
Environment, Nanomaterials, Nanotechnologies and Design, Butterworth-Heinemann, Boston, 2009,
pp. 467-500.
[7] Geranio, L., Heuberger, M., Nowack, B.. The Behavior of Silver Nanotextiles during Washing,
Environ.Sci.Technol., 2009, 43, pp. 8113-8118.
[8] Faggio G., Modafferi V., Panzera G., Alfieri D., Santangelo S. Micro-Raman and photoluminescence analysis
of composite vanadium oxide/poly-vinyl acetate fibres synthesised by electro-spinning, J.Raman Spectrosc.
2012, 43, pp. 761-768.
[9] Wang Y., Zhang Q., Zhang C., Li P. Characterisation and cooperative antimicrobial properties of chitosan/nanoZnO composite nanofibrous membranes, Food Chem. 2012, 132, pp. 419-427.
23
11. září 2012, Praha, Česká Republika STUDIE HETEROGENNÍCH STRUKTURÁLNÍCH MATERÁLŮ POMOCÍ NANOINDENTACE
STUDY OF HETEROGENEOUS STRUCTURAL MATERIALS USING NANOINDENTATION
Vlastimil KRÁLÍK1, Jiří NĚMEČEK2
1
2
Abstrakt
Nanoindent je efektivní experimentální technika, která je široce využívána pro zjišťování mikromechanických
vlastností materiálů z velmi malých objemů v řádu nano a mikrometrů. Princip nanoindentace je založen na
vtlačování velmi malého, většinou diamantového hrotu do materiálu. Výstupem je pak závislost kontaktní
hloubky vpichu na zatěžovací síle. Z experimentálních dat je možné získat množství elastických vlastností
materiálu jako například Youngův modul pružnosti a tvrdost a dále i plastické a viskózní parametry. Vedle
běžného kvazistatického testování je nanoindentace využitelná pro SPM mapování povrchů, testování
dynamických vlastností nebo oděru. Tyto široké možnosti společně s limity této metody jsou ukázány na
příkladech heterogenních konstrukčních materiálů.
Kíčová slova: Nanoindentace, mikromechanické vlastnosti, heterogenní materiály, dekonvoluce
Abstract
Nanoindentation is a powerful experimental technique. It is widely used for accessing of mechanical
properties of small material volumes at nano and micrometer range. It is based on the measurement of the
load versus penetration relationship using very small diamond tip pressed into the material. With this
method, it is possible to access bulk elastic properties, such as Young’s modulus, hardness and viscosity of
material volumes. Besides standard quasi-static testing it is capable of in-situ SPM imaging, dynamic testing
and scratch test. These wide possibilities of nanoindentation together with the limits of this experimental
method are shown on the examples of heterogeneous construction materials.
Key words: Nanoindentation, Micromechanical Properties, Heterogeneous Materials, Deconvolution
24
11. září 2012, Praha, Česká Republika 1. ÚVOD – MIKROMECHANICKÁ ANALÝZA HETEROGENNÍCH MATERIÁLŮ
Konstrukční materiály vykazují v mikroměřítku několik typů heterogenity např. mísením jednotlivých
složek nebo heterogenita vycházející z chemických reakcí po smísení komponentů. V důsledku těchto reakcí
vznikají nové fáze a je obtížné definovat jejich objem a distribuci. Konstrukční materiály jako je hliníková
pěna, která se používá např. jako sendvičové panely ve vnitřní architektuře obsahuje heterogenitu
v důsledku nerovnoměrného smísení příměsí, které jsou přidávány v průběhu výrobního procesu. Detail
mikrostruktury stěny hliníkové pěny pořízený pomocí ESEM je vidět na obr. 1, kde lze jasně odlišit dvě fáze.
Většina objemu (tmavá místa) je složena z hliníku Al a oxidu hliníku Al2O3. Světlá místa navíc obsahují
nezanedbatelný podíl vápníku Ca a titanu Ti. Dalším příkladem konstrukčního materiálu může být uhlíkový
kompozit (uhlíková vlákna v pryskyřici), jehož struktura je vidět na obr. 2, který byl pořízen metodou „SPM
imaging”.
Obr. 1 Detailní snímek mikrostruktury stěny
hliníkové pěny pomocí ESEM
Obr. 2 Detailní snímek struktury uhlíkového
kompozitu pomocí ”SPM imaging”
Z tohoto důvodu se mikromechanická analýza jakéhokoli heterogenního materiálu skládá z několika
kroků [1]. První krok zahrnuje pozorování mikrostruktury a určení počtu materiálových fází a jejich
zastoupení. Nejběžnější techniky, které jsou používány pro tato pozorování je elektronová mikroskopie
(ESEM) a mikroskopie atomárních sil (AFM). Druhý krok zahrnuje měření skutečných vlastností jednotlivých
materiálových fázi. Tento krok může být uskutečněn výhradně experimentální metodou nanoindentace, která
jako jediná může přímo hodnotit mechanické vlastnosti v malém objemu materiálu v rozsahu nano
a mikrometrů (v závislosti na vzorku a použitém hrotu). Posledním krokem je tzv. homogenizace vlastností
z mikroměřítka na vyšší úroveň. Pro tento krok je k dispozici několik analytických nebo numerických schémat
homogenizace, které umožňují spočítat tzv. efektivní hodnotu dané mechanické vlastnosti pro celý materiál.
2. NANOINDENTACE
2.1
Princip nanoindentace
Nanoindentace
je
široce
používaná
experimentální
technika
používaná
pro
hodnocení
mikromechanických vlastností materiálů. Metodou nanoindentace je možné získat množství elastických
vlastností materiálu jako např. Youngův modul pružnosti a tvrdost materiálu a dále plastické a viskózní
parametry v mikroměřítku. Princip nanoindentace spočívá ve vtlačování velmi malého, většinou
diamantového hrotu (obr. 3) do materiálu, přičemž jsou měřeny dva základní parametry: zatěžovací síla
25
11. září 2012, Praha, Česká Republika a deformace materiálu. Použitá síla se pohybuje v řádu mili až mikronewtonů a běžně dosahovaná hloubka
při těchto silách v řádu desítek až stovek nanometrů. Výstupem je pak závislost kontaktní hloubky vpichu
resp. deformace materiálu na zatěžovací síle. Zatěžovací diagram je odlišný pro různé materiály. Obvykle se
zatěžovací diagram skládá ze tří intervalů – zatížení, držení konstantní síly a odtížení. Druhý interval držení
konstantní síly po určitou dobu se používá především pro časově závislé materiály pro měření např. creepu.
Typický zatěžovací diagram je vidět na obr. 4 pro elasto-plastický materiál hliníkové pěny [2] a na obr. 5 pro
silně elastický materiál vlákna uhlíkového kompozitu, které byly změřeny na indentoru Hysitron Tribolab®.
Obr. 3 Diamantový
nanoindentační hrot typu
Berkowich
Obr. 4 Příklad zatěžovacích
diagramů pro 2 fáze stěny
hliníkové pěny
Obr. 5 Zatěžovací diagram pro
vlákno uhlíkového kompozitu
Z experimentálních dat jsou při statické analýze obvykle odvozeny 2 elastické parametry: redukovaný
modul pružnosti a tvrdost. Tvrdost je definována jako podíl maximální síly a kontaktní plochy při této síle:
H 
Pmax
,
Ahc 
(1)
kde H je tvrdost, Pmax je maximální síla, A je kontaktní plocha při Pmax a hc je kontaktní hloubka. Redukovaný
modul pružnosti stejně jako kontaktní hloubka je stanoven podle metodologie Oliver-Pharr [3]. Kontaktní
hloubku stanovíme ze vztahu:
hc  hmax  0,75
Pmax
,
dP
(2)
dh
kde hc je kontaktní hloubka, hmax je maximální hloubka vpichu, Pmax je maximální síla a 0,75 je konstanta
odvozená pro námi použitý hrot Berkovich [3]. Vztah mezi kontaktní hloubkou hc a kontaktní plochou A je
kalibrován pro použitý hrot a je implementován v softwaru indentoru. Redukovaný modul je pak dán rovnicí:
Er 
dP
1
dh 2 * 1.034

,
(3)
A
26
11. září 2012, Praha, Česká Republika kde Er je redukovaný modul pružnosti, A je kontaktní plocha při max. síle a 1,034 je konstanta odvozená pro
námi použitý hrot Berkovich [3]. Pro přepočet redukovaného modulu na Youngův modul pružnosti lze použít
vztahu pro pružný kontakt [3]. Tato analytická řešení jsou obvykle použitelná pro homogenní a izotropní
poloprostor s hladkým povrchem. Kompozitní konstrukční materiály jsou vícefázové materiály, ve kterých
odlišné fáze jsou smíšené prostorově a chemicky. Materiálové vlastnosti získané z indentace heterogenního
materiálu jsou tedy průměrné velikosti a závisí na indentační hloubce resp. velikosti indentu. Vzhledem
k heterogenitě mikrostruktury lze definovat v podstatě tři testovací strategie [1] k získání mechanické
vlastnosti kompozitu nebo jeho fáze:

Průměrnou (efektivní) vlastnost kompozitu můžeme získat v případě, že velikost indentu je značně větší
než charakteristický rozměr jednotlivých fází. Tato strategie neumožňuje získat informace
o vlastnostech jednotlivých fází ani jejich objemových podílů.

Další možností je provést cílenou indentaci jednotlivých fází materiálu, kde velikost vpichu by měla být
značně menší než charakteristický rozměr testované fáze. V tomto případě lze získat vlastnosti
odlišných fází, ale nezískáme informace o objemovém podílu fáze.

Pro konstrukční materiály pravděpodobně nejsilnější technika je založena na statistické indentaci, při
níž jsou vpichy rozmístěny na dostatečně velké ploše k zachycení heterogenity vzorku. Velikost
jednotlivých vpichů je menší než charakteristický rozměr jednotlivých fází. V tomto případě získáme
informace o vlastnostech všech fází a zároveň i o jejich objemovém zastoupení. Tyto informace mohou
být vyhodnoceny pomocí histogramů a techniky dekonvoluce [1, 4].
Tab 1. Elastický modul (GPa) získaný z dekonvoluce
Obr. 6 Vyhodnocení dekonvoluce elastického
modulu pro 2 fázový materiál Al-pěny
Fáze
Střední
hodnota
St. dev.
odchylka
Objemová
frakce
Al oblast
61,8
4,6
0,638
Ca/Ti oblast
87,3
16,6
0,362
Nanoindentace nám tedy poskytuje soubor lokálně homogenních dat (v nanoměřítku). Soubor
naměřených dat z nanoindentace stěny hliníkové pěny je v podobě histogramu na obr. 6, kde je vidět velký
rozptyl dat v důsledku heterogenity materiálu. Takto získaná data jsou dále zpracována dekonvoluční
technikou, pomocí které získáme průměrné hodnoty měřené vlastnosti pro jednotlivé fáze. V tab. 1 jsou
uvedeny hodnoty Youngova modulu pružnosti a objemového zastoupení jednotlivých fází pro stěnu hliníkové
pěny. Použitím teorie homogenizace lze pak pro daný materiál sestavit jeho matematický model
27
11. září 2012, Praha, Česká Republika a promítnout vlastnosti z mikroúrovně na makroúroveň. Hlavní výhodou oproti klasickým mechanickým
zkouškám je, že pomocí hrotu indentoru lze vyhodnotit vlastnosti materiálu z velmi malého objemu.
2.2
Dynamický režim
Nanoindentaci lze provádět ve statickém režimu, kdy indentační hrot během měření nekmitá nebo ve
stále populárnějším dynamickém režimu, kdy je na hrot během indentace vkládána periodická oscilační síla.
Touto metou lze získat hodnoty tuhosti a tlumení materiálu a komplexní modul pružnosti. Tato technika
(někdy nazývaná nanoDMA) je ideální pro testování viskoelastických materiálů nebo pro charakterizaci velmi
tenkých filmů. Výhodou dynamické metody je možnost získaní většího množství dat z jediného indentu.
2.3
Příprava vzorku pro nanoindentaci
Klíčovou otázkou každé experimentální techniky je příprava vzorku. Kvalitní data získaná měřením
nanoindentací jsou velmi závislá na drsnosti povrchu a rovnoběžnosti ploch vzorku. Parametry drsnosti se
odvozují od očekávaných maximálních hloubek vpichu. Podle zkušeností by střední kvadratická odchylka
drsnosti povrchu [5] neměla být větší než 1/10 hloubky vpichu. Drsnost vzorků se měří přímo na indentoru
metodou ”SPM imaging”, kdy se pomocí diamantového hrotu fyzicky mapuje povrch vzorku při držení
konstantní síly mezi hrotem a povrchem vzorku. Existují ale i další zobrazovací techniky pro měření drsnosti
povrchů např. pomocí mikroskopie atomárních sil (AFM). Příklad naskenovaného povrchu kompozitu
metodou ”SPM imaging” je na obr. 2. Vhodné podmínky lze dosáhnout pouze pomocí pečlivých
mechanických postupů. Nejdříve jsou vzorky nařezány pomocí přesné diamantové pily, pak broušeny
a leštěny jemnými SiC papíry a nakonec vyčištěny v ultrazvukové lázni.
3. ZÁVĚR
Na několika příkladech konstrukčních materiálů je představena experimentální metoda nanoindentace,
která hraje nezastupitelnou roli v mikromechanickém testování heterogenních materiálů. V příspěvku je
popsán princip metody včetně analytického řešení a představeny dílčí měření na hliníkových pěnách
a uhlíkovém kompozitu s cílem ukázat principy a výsledky experimentální techniky nanoindentace. Jsou zde
uvedeny průměrné hodnoty elastických parametrů pro materiál hliníkové pěny získané s použitím techniky
dekonvoluce. Byla zde také stručně popsána kritéria, která jsou nezbytná pro přípravu kvalitních vzorků.
PODĚKOVÁNÍ
Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS12/116/OHK1/2T/11.
28
11. září 2012, Praha, Česká Republika LITERATURA
[1]
Němeček J., Nanoindentation of Heterogenous Structural Materials, Habilitační práce, CTU Reports 1/2010, vol. 14
ČVUT v Praze, 99 s.
[2] Němeček J., Králík V., Vondřejc J., Němečková J. Identification of micromechanical properties on metal foams using
nanoindentation, in: Proceedings of the Thirteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental
Engineering Computing. Edinburgh: Civil-Comp. Press, 2011, pp. 1-12.
[3] Fischer-Cripps A.C., Nanoindentation. Springer Verlag, 2002. ISBN 0-387-95394-9.
[4] Constantinides G.: Grid indentation analysis of composite microstructure and mechanics: Principles and validation,
Mat. Sci. and Eng., 2006, vol. 430, No.1-2, pp. 189-202, ISSN 0921-5093.
[5] ISO 4287-1997, “Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Terms, definitions
and surface texture parameters”, 1997.
29
11. září 2012, Praha, Česká Republika SEZNÁMENÍ SE SAMOHOJIVÝM BETONEM
INTRODUCTION TO SELF-HEALING CONCRETE
Jakub OKÉNKA
Abstrakt:
Trhliny v betonu jsou jedním z největších omezeních pro provozuschopnost podle Eurokódu 2. Trhliny
způsobují to, že kapaliny pronikají do materiálů a dostávají se do kontaktu s výztuží, což vede ke snížení
trvanlivosti konstrukce. Z tohoto důvodu je zde velká motivace vyvinout tzv. inteligentní materiály, které mají
schopnost se samy zahojit. Tento systémem je navržen tak, že se chová stejně jako některé tkáně v lidském
těle, například kosti. V případě poškození, jsou schopny se zahojit bez vnější pomoci a využití této vlastnosti
by bylo výhodné i v materiálech používaných ve stavebnictví, jako je například beton. Tři rozdílné způsoby
hojení betonu jsou krátce představeny v tomto článku.
Klíčová slova: hojení betonu, trhliny, bakterie
Abstract
Cracks in reinforced concrete are one of limitation for serviceability limit state in Eurocode 2. The cracks
cause that fluids may get into a contact with reinforcements and it leads to decrease durability of structure.
Therefore, here is a great motivation to develop so called intelligent materials which having self-healing
ability. These materials are not just single materials, but they are system such as tissues in human body –
good example is a bone. When it is broken, it heals itself without any external help. And this process of
autonomic healing would be really helpful in structural material such as concrete. Three different ways of
self-healing of concrete are briefly introduced in this paper.
Key words: Self-healing Concrete, Cracks, Bacteria
30
Železobeton je pro své užitné materiálové vlastnosti a trvanlivost jedním z nejpoužívanějších materiálů
ve stavebnictví. Využívá se nejen při stavbách mostů, výškových budov ale také při stavbách základových
desek menších domů. Své využití má také v interiérech jako pohledový beton. Železobeton je kompozitní
materiál, který má, díky samotnému betonu, dobré vlastnosti v tlaku a jeho tahové vlastnosti jsou zajištěny
ocelovou výztuží. Trvanlivost železobetonu je limitována životností výztuže, kterou je proto potřeba chránit
před kontaktem s vodou nebo jinými agresivními tekutinami a plyny. Tito degradační činitelé se mohou
dostat k výztuži trhlinami, které v betonu vznikají po vnesení velmi malého tahového napětí (Obr. 1). Vzniku
trhlin nejde zcela zamezit, ale můžeme odhadnout jejich velikost a v případě zájmu velikost trhliny
minimalizovat [1].
Oprava a údržba železobetonových staveb je v současné době poměrně finančně náročná. Proto se
vyvíjejí různé alternativy, jak tyto náklady snížit. Jednou z možností je nový druh betonu – tzv. samohojivý
beton, který bude mít až o 30 % delší životnost a náklady na opravy budov budou minimální [2]. Jednou
z mnoha dalších motivací používání samohojivého betonu je snížení spotřeby cementu, při jehož výrobě
vzniká velké množství emisí CO2. Z dlouhodobějšího finančního hlediska bude samohojivý beton výhodnější.
1. HOJENÍ BETONU
Beton je schopný zacelit trhliny vlastní silou, takzvanou autogenní druhotnou hydratací cementu.
Samohojivé vlastnosti se mohou ještě podstatně zesílit přimícháním takzvaných léčících agentů. Mohou
to být bakterie nebo umělí činitelé na bázi polyuretanu, epoxidu a dalších chemikálií. Zhruba před 20 lety
bylo známo, že se u betonů děje autogenní hojení. V roce 1994 Dry představil první samo hojení betonu na
bázi polymeru [3]. V tuto chvíli se pracuje na mnoho způsobech samo hojení jak na bázi bakteriální, tak i na
bázi umělých hmot.
1.1. Autogenní hojení
Autogenní hojení betonu je takové hojení, které není zapříčiněno žádnými příměsemi nebo přísadami.
Jde o chemickou reakci nehydratovaného cementu s vodou a oxidem uhličitým:
CaO  CO2  CaCO3
(1)
Voda a vzduch se k nehydratovanému cementu dostanou poté, co vznikne v betonu trhlina. Během této
reakce se na obou površích trhliny začne tvořit uhličitan vápenatý, což je velmi pevný materiál, který je
schopný udržet trhlinu zacelenou. Tato reakce má ovšem velmi omezený rozsah. Zásoba nehydratovaného
cementu je na povrchu trhliny velmi omezená a expanzní potencionál oxidu vápenatého je také malý.
Důsledkem těchto vlastností je omezená schopnost hojení pouze do 50 – 60 μm. Opravdu efektivně se hojí
trhliny pouze do rozměru 10 – 20 μm [4], viz obr. 2 a 3.
Současným trendem při výrobě betonu je využití co nejmenšího množství cementu, to ovšem
nekoresponduje s možností samohojení, kde je naopak větší množství cementu žádané. Další problém při
31
11. září 2012, Praha, Česká Republika využití většího množství cementu je smršťování, které je větší. Smršťování vyvolává na staticky neurčité
konstrukci dodatečné namáhání, které způsobí popraskání betonu. Lze také pohlížet na spotřebu cementu
z ekologického hlediska. Při výrobě cementu vzniká celosvětově 8% z emisí CO2. Z toho vyplývá, že větší
množství cementu v betonu je také neekologické [3].
V laboratorních testech byla pozorována závislost schopnosti hojení na teplotě, stáří betonu a případně
na velikosti vnější síly, která uzavře trhlinu. S větším stářím betonu dochází ke ztrátě samohojivé schopnosti.
Pokud je trhlina uzavřena silou, tak její zacelení je mnohem vyšší, než je tomu u trhlin, které nejsou
uzavřeny [5].
Obr. 2 Trhliny po vytvoření [4]
Obr. 3 Trhliny po autogenním zahojení [4]
1.2. Hojení betonu s využitím bakterií
K hojení trhlin v betonu lze s výhodou využít některých bakterií, které při metabolickém cyklu vytvářejí
uhličitan vápenatý. Při výběru vhodných bakterií se výzkum zaměřil na bakterie rodu Bacillus
(B.Pseudofirmus, B.Cohnii, B.pasteurii a další). Tyto bakterie mají jedinečnou schopnost přežít ve vysoce
zásaditém prostředí. Běžné organismy přežívají v prostředí do pH 10. A vzhledem k tomu, že u betonu
je žádané pH 9 a vyšší, kvůli ochraně výztuže proti korozi, bylo nutné najít velmi odolné bakterie. Ty byly
nalezeny ve velmi zásaditých jezerech v Rusku a Egyptě [1].
Princip využití bakterií pro hojení trhlin v betonu je velmi jednoduchý. Při výrobě betonové směsi se do ní
přimíchají nosiče bakterií, které mohou být ve vegetativním stavu nebo ve stavu sporulujícím, a nosiče
potravy pro bakterie. Jako nosič se mohou využít různé plastické obaly nebo například naimpregnovaný
keramzit. Při vzniku trhliny v betonu dojde k porušení nosičů. V tu chvíli bakterie začnou konzumovat
potravu, nejčastěji se používá laktát vápenatý, a při jejím metabolickém cyklu se začne produkovat uhličitan
vápenatý:
CaC 6 H 10 O6  6O2  CaCO3  5 H 2 O  5CO2
32
(2)
11. září 2012, Praha, Česká Republika Při této reakci dojde k produkci vody a oxidu uhličitého, které se využijí k druhotné hydrataci cementu
v betonové směsi. A také zde dochází ke spotřebovávání kyslíku při metabolismu buněk, což vede
k ochraně výztuže před korozí [6]. Využití bakterií pro hojení mikro a makro trhlin v betonu je velmi výhodné.
Zvýší se životnost konstrukce až o 30% [1]. Zacelením trhlin až do šířky 1 mm, se velmi efektivně zabrání
pronikání vody a plynů do betonu, a tím jeho narušování (obr. 4 a 5). Schematicky je tento proces znázorněn
na obr. 6. Nevýhodou tohoto způsobu samohojení je snížená pevnost betonu, protože asi 20% objemu
nahradí nosiče bakterií a krmiva, které mají menší nebo žádné pojivové vlastnosti, než čistá betonová směs.
A také zatím vysoká cena.
Obr. 4 Otevřená trhlina [6]
Obr. 5 Zacelená trhlina [6]
Obr. 6 Princip zacelení trhliny [7]
1.3. Hojení betonu s využitím chemických pojiv
Princip je velmi podobný, jako u bakterií. Do betonu se přimíchají nosiče dvou chemikálií, které po
porušení trhlinou vytečou. Tento způsob zacelení ran je také velmi efektivní a nabízí mnoho prostoru pro
výzkum. Jako základní chemické pojivo se používají epoxidy nebo polymery. Ty mají větší expanzní
potenciál, a proto jsou vhodnější pro zacelení trhlin. Epoxidy mají zase velmi dobré materiálové vlastnosti
[8]. Značná část výzkumu se soustřeďuje na vývoj nosičů. Začalo se u obyčejných kulatých kapslí. Dále se
zkoušely různá dutá vlákna (skelná nebo uhlíkatá). Zajímavé jsou sdružené nosiče, které jsou složeny ze
dvou dutých vláken, která jsou napevno spojená. Na nosiče se kladou velmi velké nároky, protože je třeba,
aby byly natolik spolehlivé, aby vydržely samotné míšení s betonovou směsí a zároveň se porušily při vzniku
mikrotrhlin.
Obr. 7. Vliv typu nosiče na zacelení trhliny [9]
33
11. září 2012, Praha, Česká Republika 2. ZÁVĚR
Ze všech tří zmíněných metod je dle mého názoru nejlepší metoda s využitím bakterií. Autogenní metoda
je založená na větším, než potřebném, množství cementu v betonové záměsi. To znamená, že neklesne
spotřeba cementu a tudíž neklesne produkce CO2, což je obecně tížený cíl. Zároveň tato metoda nemá
dostatečný potenciál k hojení větších trhlin. Metoda založená na přidání chemických pojiv je velmi zajímavá.
Nabízí se zde výzkum velikosti a tvaru nosičů. Její využití si jistě najde své místo.
Metoda s využitím bakterií se mi zdá jako nejvhodnější. Jeví se mi jako ekologicky nejčistší a přitom
velice účinná. Její schopnost hojit trhliny až do šířky 1 mm ji posunuje z využití hojení mikro trhlin na hojení
makro trhlin. Má i další sekundární účinky – odčerpání kyslíku z trhliny a vypuštěním oxidu uhličitého. Tím se
ochrání výztuž proti korozi a podpoří autogenní hojení. Proto bych tuto metodu rád zkoumal v příštích
měsících a zjistil, jestli jsme schopni nějaký vzorek otestovat s pozitivním výsledkem. Dlouhodobým cílem by
mohlo být posunout tuto metodu z laboratoře, přes testy s reálnými vzorky, do praxe.
PODĚKOVÁNÍ
Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS12/110/OHK1/2T/11.
LITERATURA
[1]
Camille I. Eperimental study of epoxy repairing of cracks in concrete. Construction and Buildings
Materials, 2004, 21, pp. 157-163.
[2]
Damian A. Self-Healing Concrete. INGENIA, Issue 46, 3/2011, pp. 39-43.
[3]
Dunn
S.
Self
Healing
Concrete
–
A
sustainable
http://www.swieet2007.org.uk/files/SelfHealingConcrete.pdf, pp. 1-2.
[4]
Yingzi Y. Autogenous healing of engineered cementitious
Cement and Concrete Research, 2009, 39, pp. 382-390.
[5]
Wenhui Z. Influence of damage degree on self-healing of concrete, Construction and Building
Materials, 2008, pp. 1137-1142.
[6]
Virginie W. Quantification of crack-healing in novel bacteria-based self-healing concrete
Cement and Concrete Composites, 2011, 33 (7), pp. 763-770.
[7]
Jonkers H.M. Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable
concrete, Ecological Engineering, 2010, 36 (2), pp. 230-235.
[8]
Hager
M.D.
pp. 5424-5430.
[9]
Tittelboom K. Self-healing efficiency of cementitious materials containing tubular capsules filled with
healing agent, Cement and Concrete Composites, 2011, 33 (4), pp. 497-505.
Self-healing
Materials,
34
Advanced
Future,
dostupné
na:
composites under wet–dry cycles,
Materials,
2010,
22
(47)
11. září 2012, Praha, Česká Republika STRUCTURING OF DIAMOND FILMS BY REACTIVE ION PLASMA ETCHING
STRUCTURING OF DIAMOND FILMS BY REACTIVE ION PLASMA ETCHING
Mária DOMONKOSa,b, Tibor IŽÁKb, Jan PROŠKAa and Alexander KROMKAb
a
Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University, B ř e h o v á 7 ,
1 1 5 1 9 Praha, Czech Republic
b
Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic v.v.i., Cukrovarnická 10/112,
162 53 Praha, Czech Republic
[email protected]
Abstract
In this study, two common strategies of diamond film structuring are described. Main focus is on the
comparison of top-down and the bottom-up strategies. The top-down strategy is primary related to dry
reactive ion etching through masking materials (or even without mask), while bottom-up strategy is based on
selective area deposition of diamond film. Several methods of both strategies are demonstrated in details in
the article, regarding to their properties and basic principles.
Key words: Nanostructuring, Diamond Thin Films, Reactive Ion Etching, Scanning Electron Microscopy.
35
11. září 2012, Praha, Česká Republika 1. INTRODUCTION TO DIAMOND FILMS
CVD diamond due to its unique properties (such as extreme hardness, high thermal conductivity, wide
band gap, negative electron affinity, high mechanical strength, chemical inertness, and biocompatibility, etc.)
is a promising material for applications in various fields in electronics, bioelectronics, sensorics [1]. The
potential application of materials depends not only on their intrinsic physical and chemical properties, but
also on the surface geometries in which they appear. Surface modification, i.e. structuring of films, allows
wider application of materials, enhances the surface-to-volume ratio and therefore increases the sensitivity
and some other properties of devices. Fig. 1. shows several diamond structures, which differ in surface
morphology.
Fig. 1. Schematic diagram of diamond structuring and their potential applications [2-5]
Due to high-temperature stability, high hardness and chemical inertness, it is hard to structurize
diamond. Wet chemical etching, which is commonly used in semiconductor industry, is not applicable for
diamond; only dry reactive ion plasma etching can be used. According to fabrication or structuring methods,
two groups can be defined: a) the top-down and b) the bottom-up strategy. The top-down approach means
dry reactive ion plasma etching (RIE), while the bottom-up strategy is in principle a selective area deposition
of diamond structures. These two strategies are described in details below.
2. STRUCTURING: TOP-DOWN AND BOTTOM-UP STRATEGY
Figure 2. shows the schematic diagram of top-down strategies used for diamond structuring. In general,
the fabrication of nanostructures requires a masking material to make a desired pattern. The most commonly
used masking materials are metals (Au, Ni, Al, etc.), polymers, oxides or nitrides. To achieve the desired
structure implementations several methods can be used, i.e. lithography, imprinting, etc.
36
11. září 2012, Praha, Česká Republika Fig. 2. Schematic diagram of selected top-down strategies of diamond structuring
Lithography is a relatively complicated technological process, consisting of multiple steps: covering of the
sample with polymer coating (negative or positive photoresist), UV light exposition through pre-fabricated
mechanical mask, then development. In the case of etching, additional step, the evaporation of metal film is
needed. The minimal size of the structures fabricated by lithography depends on the type of lithography and
the wavelength of radiation used. Depending on the source of radiation it can be: photolithography (or optical
lithography), X-ray lithography, electron beam lithography (EBL), focused ion beam lithography (FIB) etc.
Photolithography does not have the resolution to produce nanometer-scale patterns. X-rays lithography
allows high aspect ratio, high penetration and high resolution, but is very expensive compared to
photolithography (special masks and resists). Moreover, EBL is very time consuming. Another type of
lithography is nanoimprinting lithography (NIL), which is a cost-effective manufacturing technology.
Compared with conventional lithography, it is a far simpler process - it does not use any beams thus it does
not require complex optical equipment.
Diamond nanocones and nanotip arrays can be fabricated also without any lithography and any mask. In
this case, the nanostructures are formed due to different etching rate of sp2 and sp3 carbon bonds [6]. Sp3
carbon bonds represent diamond crystals, while sp2 carbon bonds are characteristic for amorphous carbon
or graphitic phases, which are present at grain boundaries or as defects in diamond crystals.
Another simple and easy method of diamond structuring without lithography is based on using a selforganized metal nanoparticles as the mask. In this case, a few nm thick metal layers are evaporated onto the
substrate and thermally treated to achieve formation of nanoparticles [7]. However, deep etching of diamond
using these self-organized masks is not a trivial task and requires a complex study. The aim is to minimalize
the cost, time and complexity of diamond nanostructuring.
37
11. září 2012, Praha, Česká Republika 2.2 Bottom-up strategy
Another feasible technique of diamond film structuring is the direct growth method, also known as
selected-area deposition (SAD). A key benefit of the bottom-up strategy is that it does not require any aftergrowth processing (i.e. reactive ion etching, structuring, etc.). Many different SAD methods have been
invented, from which several are shown in Fig. 3.
Fig. 3. Schematic diagram of the bottom-up strategies of diamond structuring
Selective area nucleation (SAN) is a novel and perspective method. Combining photoresist, lithography
and diamond growth leads to structured diamond film growth without any post-processing. Moreover, it was
shown that substrates patterned by polymer stripes (as nucleation layers) play an important role in
enhancing diamond nucleation and accelerates homogenous CVD growth at low substrate temperature. In
selective area nucleation the homogeneous coating of photoresist is achieved by spin-coating. Then the
substrate is dried and photolithographically treated to realize requested polymer structure (formation of an
amorphous-carbon (a-C) layer), which acts as a carbon source. During the CVD growth some carbon atoms
diffuse from the a-C layer to the diamond nanograins where they “feed” their enlargement and continued
growth. The implementation of seeding polymer results in the growth of a fully closed diamond layer [8]. It is
supposed that the proper combination of the primary polymer with UDD seeding technique can result in a
very high seeding density over any substrate material. [7]
Another very promising method is the transformation of polymer composite into diamond. In this method
the substrates are pre-treated with non-woven composite nanofiber textile composed of poly(vinyl alcohol)
matrix and ultra-dispersed diamond (UDD) nanoparticles prepared by needle-less electrospinning method.
High concentration of UDD in the PVA fibers leads to the formation of diamond wires due to the combined
effect of UDD particles used as seeding and high pressure difference across the fibers interface. Thus, the
primary polymer spunbond fibers results in the growth of nanocrystalline diamond structures [9]. Further
optimization and improvement of this method should allow nucleation of various 3D substrates over large
areas.
38
11. září 2012, Praha, Česká Republika 3. STRUCTURED DIAMOND FILMS
Several experiments were carried out to make structured diamond surfaces. In follows, we briefly
demonstrate diamond nanorods array prepared by reactive ion etching using self-organized metal
nanodroplets mask, and diamond nanowhiskers arrays prepared without mask. This second technology is
based on different etching rate of sp2 and sp3 carbon bonds. Diamond films were deposited on Si substrates
(10x10 mm2) in focused microwave CVD plasma system [8]. The thickness of diamond films was 1-1.5 µm
and surface roughness of ~100-150 nm. The etching was carried out in capacitively coupled RF plasma
(CCP-RIE) system in pure O2 plasma.
Fig. 4 shows the surface morphology of
samples after etching taken by scanning
electron microscopy under 45° view.
The morfology of sample etched without
mask
(Fig.
4b)
shows
roughened
surface with short diamond tips. On the
other
hand,
with
nanosized
metal
droplets, diamond nanorods arrays with
Fig. 4. Structured diamond films:(a) diamond nanorods etched
using self-organized metal nanodroplets mask, (b) diamond
nanowhiskers etched without mask in pure oxygen plasma
high aspect ratio requested for many
applications can be achieved
(Fig. 4a).
4. CONCLUSION
We demonstrated two common strategies of diamond film structuring: (i) the top-down and (ii) the
bottom-up strategy. The top-down strategy is based on dry reactive ion etching through masking materials
(or even without mask). The bottom-up strategy is connected to selective area deposition of diamond film.
Several methods of top-down and bottom up strategies were discussed such as EBL, nanoimprinting, or
inkjet printing, selective area nucleation. Also we showed some nanostructured diamond films: diamond
nanorod arrays prepared using reactive ion etching through self-organized nanosized metal droplets mask,
and diamond nanowhiskers array prepared without any mask, only through different etching rate of sp2 and
sp3 carbon bonds.
ACKNOWLEDGEMENT
This work was supported by GAAV project IAAX00100902 and GACR projects P108/11/0794 and
P108/12/0910. We would like to gratefully appreciate to K. Hruska for SEM measurements and
O. Rezek for technical support. This work was carried out in frame of the LNSM infrastructure.
REFERENCES:
[1] Koizumi S., Nebel Ch., Nesladek M. Physics and Applications of CVD Diamond. Weinheim: Wiley-VCH Verlag
GmbH & Co. KGaA, 2008, ISBN: 978-3-527-40801-6
[2] Meng L., Zhang J, Zhu X.D., Carbon cone arrays by double-bias assisted hot filament plasma chemical vapor
deposition, Thin Solid Films, 2008, 516, pp. 2981-2986.
39
11. září 2012, Praha, Česká Republika [3] Zou Y.S., Yang Y., Zhang W.J., Chong Y.M., He B., Bello I., Lee S.T. Fabrication of diamond nanopillars and
their arrays, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 053105.
[4] Kalbacova M., Rezek B., Baresova V., Wolf-Brandstetter C., Kromka A., Nanoscale topography of
nanocrystalline diamonds promotes diﬀerentiation of osteoblasts, Acta Biomaterialia 5, 2009, pp. 3076-3085.
[5] Lee C.L., Choi H.W., Gu E., Dawson M.D., Murphy H., Fabrication and characterization of diamid micro-optics,
Diamond & Related Materials 2006, 15, pp. 725-728.
[6] Wang Q., Qu S.L., Fu S.Y., Liu W.J., Chemical gases sensing properties of diamond nanocone arrays formed
by plasma etching, Journal of applied physics 102, 2007, 103714.
[7] Babchenko O., Izak T., Ukraintsev E., Hruska K., Rezek B., Kromka A., Toward surface-friendly treatment of
seeding layer and selected-area diamond growth, physica status solidi (b) 2010, 247, pp. 3026-3029.
[8] Kromka A., Babchenko O., Kozak H., Hruska K., Rezek B., Ledinsky M., Potmesil J., Michalka M., Vanecek M.,
Diam. Rel. Mater. 2009, 18, pp. 734-739.
[9] Potocký S., Ižák T., Kromka A., Rezek B., Tesárek P., Demo P., Transformation of polymer composite
nanofibers to diamond fibers and layers by linear antenna microwaveplasma CVD process, 22nd European
Conference of Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes and Nitrides, September 4-8, 2011,
Garmisch-Partenkirchen, German.
40
11. září 2012, Praha, Česká Republika ZÁVISLOST MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ NA PLOŠNÉ HMOTNOSTI NANOTEXTILIE
NA BÁZI POLY(VINYL ALKOHOLU)
DEPENDENCE OF MECHANICAL PROPERTIES ON WEIGHT OF NANOFIBER TEXTILES
BASED ON POLY (VINYL ALCOHOL)
Václav NEŽERKA1, Zuzana RÁCOVÁ2, Iveta KLICMANOVÁ3, Pavla RYPAROVÁ4,
Pavel TESÁREK5
1
2
3
4
5
Abstrakt
Článek prezentuje výsledky makromechanického testování nanotextilií na bázi poly vinyl alkoholu (PVA),
konkrétně závislost tuhosti a tahové pevnosti těchto textilií na jejich plošné hmotnosti. Mnoho autorů se
pokoušelo o podobnou studii, avšak se jim nepodařilo úspěšně realizovat tahovou zkoušku na textiliích
o nízkých plošných hmotnostech. Z výsledků je patrné, že vazba mezi jednotlivými vrstavami nanotextilií
vyrobených pomocí zvlákňování je po stabilizaci perfektní a tuhost i pevnost textilií jsou přímo úměrné jejich
plošné hmotnosti. Tyto poznatky mohou být využiti při návrhu textilií vhodných pro jejich využití v praxi.
Klíčová slova: nanotextilie, pevnost v tahu, tuhost, poly vinyl alkohol
Abstract
The paper presents results of macromechanical testing of nanofiber textiles based on poly(vinyl-alcohol), in
particular the dependence of tensile strength and stiffness on the weight per unit area. Many authors have
tried to make such study, however, they failed to carry out the tensile testing of the nanofiber textiles having
low weight per unit area. It is obvious from the results that the bond between individual layers of the textiles
prepared using electrospinning is perfect after the stabilization, and the strength and stiffness are
proportional to the weight per unit area. These findings can be used in design of textiles suitable for their
utilization in practice.
Key words: Nanofiber Textile, Tensile Strength, Stiffness, Poly(vinyl-alcohol)
41
V dnešní době se s nanomateriály setkáváme téměř na každém kroku. Avšak ve stavebnictví jsou
nanomateriály využívání jen v malé míře. Důvodem může být i neznalost vlastností nanomateriálů na
makroúrovni, abychom je mohli využít ve stavebních konstrukcích. Na Fakultě stavební ČVUT v Praze bylo
z tohoto důvodu založeno Centrum nanotechnologií ve stavebnictví. V nanocentru jsou vyráběny textilie
pomocí elektrostatického zvlákňování. U těchto textilií je snaha určit jejich makrocharakteristiky. Ty totiž
souvisejí s tím, jak půjde s nano textiliemi manipulovat v praxi. Základními parametry, které obvykle se
stanovují, jsou pevnost v tahu, modul pružnosti, průtažnost a další. Tento článek se bude zabývat
stanovením pevnosti nanotextilií v tahu.
2.
METODIKA A TESTOVANÉ MATERIÁLY
Testování nanotextilií bylo dle dostupné literatury testováno na obdélníkových vzorcích [1] nebo na
vzorcích tvaru „Y“, tedy podobně jako se testují např. plasty [2]. Zkouška spočívala v uložení vzorků
zkušebního lisu, aby bylo možné získat mechanické vlastnosti – modul pružnosti, pevnost v tahu, případně
průtažnost. Wang a jeho kolegové ve své práci stanovili mechanické vlastnosti nanovlákenných textilií
o tloušťce 100 μm vyrobených z polyvinylalkoholu (PVA) [3]. Ding a kol. dospěl k závěrům, že s vyšším
obsahem PVA v textilii se zvyšuje modul pružnosti [1]. Problémem však bylo stanovení mechanických
vlastností nanotextilií o menších tloušťkách. S těmito vzorky se totiž obtížně manipuluje, je zde riziko
poničení či úplného zničení zkušebních vzorků. Tento problém vyřešil Ramakrishna se svými kolegy. Přišli
s poměrně jednoduchým principem přípravy a manipulace se vzorky. Vzali pás určité šířky a délky a přelepily
ho páskou. To vyřešilo problém upnutí vzorku do tahového přístroje, aniž by byl vzorek zničen ještě před
provedením zkoušky. Následně byl tento pás rozdělen na vzorky příslušné délky a šířky. Poté byly tyto
vzorky upnuty do tahového přístroje, kde byly zjištěny jejich mechanické vlastnosti [4]. Na obrázku 1 je
znázorněn postup při výrobě vzorků pro tahovou zkoušku. Ramakrishna a kol. přišel také na to, že
mechanické vlastnosti závisí na rozložení vláken a pórů v testované nanotextilii. Proto je důležité provést
před pokusy i optickou analýzu, aby byly vybrány vzorky s téměř homogenním rozložením vláken a pórů [5].
Obr. 1: Příprava zkušebních vzorků [6]
42
11. září 2012, Praha, Česká Republika V Centru pro nanotechnologie ve stavebnictví na Fakultě stavební Českého vysokého učení technického
v Praze se nanotextilie vyrábějí pomocí technologie Nanospider, tj. přístrojem NS Lab 500 S. Nanotextilie
jsou vyráběny z Polyvinyl alkoholu (PVA), tedy jednoho z nejznámějších a nejdostupnějších polymerů. Mezi
jeho velké výhody patří především to, že je rozpustný ve vodě.
Roztok PVA určený ke zvlákňování byl připraven z 16-ti % PVA (Sloviol), demineralizované vody,
glyoxalu a kyseliny fosforečné. V tomto roztoku plní glyoxal a kyselina fosforečná funkci síťovacího činidla,
které musí být v roztoku přítomno kvůli následně stabilizaci nanotextilií proti působení vlhkosti [7]. Roztok
o tomto složení byl následně zvlákněn pomocí technologie nanospider a stabilizován v sušárně při teplotě
140 °C po dobu 10-ti minut [8]. Příprava zvlákněného PVA probíhala za teploty 25 °C a relativní vlhkosti
45 %. Na vyrobených nanotextiliích byla zkoušena pevnost v tahu pomocí přístroje LabTest 4.100SP1.
Vlastní měření probíhalo v rozsahu do 50 N, v kterém je garantována přesnost přístroje 0.1 % pro sílu 2 N.
Z nanotextilií vyrobených z PVA byly nejdříve nastřihány obdélníky o rozměrech 130 mm × 25 mm. Tyto
vzorky byly na koncích přelepeny páskou tak, že čistý rozměr mezi konci lepící pásky byl 100 mm. Lepicí
páska byla použita z důvodů dobrého uchycení vzorků do tahového stroje, aniž by došlo k poškození
samotné textilie před započetím zkoušky. Před upevněním vzorku do přístroje z něj byla oddělena nosná
vrstva tzv. spunbond, který do té boby chránil vzorek před jeho předčasným poškozením. Testování bylo
provedeno u několika druhů vzorků. Tyto vzorky se lišily plošnou hmotností, průměrné hodnoty pro jednotlivé
sady vzorků byly: 4,8 g/m2, 3,1 g/m2, 1,4 g/m2 a 0,7 g/m2.
3. EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY
Získané výsledky jdou prezentované na Obr. 1 a 2. Na obr. 1 je vykreslena závislost tuhosti PVA
stabilizované nanotextilie v jednotkách N/mm na plošné hmotnosti. Z těchto výsledků je patrno, že tato
závislost je téměř lineální. Obdobně lineární charakter má závislost pevnosti v tahu na plošné hmotnosti, viz
obr. 2. V obou závislostech se tedy projevil předpoklad, že s rostoucí plošnou hmotností se budou zvyšovat
i mechanické vlastnosti nanotextilií [8-9]. Vyšší rozptyl stanovených hodnot u nejvyšší gramáže, by bylo
vhodné eliminovat větším počtem vzorků. Pravděpodobně zde jde o větším nehomogenitty, které vznikly při
vlastní výrobě, což dokazuje i rozdílná hodnota plošné hmotnosti jednotlivých vzorků. Tyto získané výsledky
je možno v budoucnu použít při pasportizaci vyrobených nanotextilií, protože se jedná o zkoušku, která není
nijak náročná na přípravu ani vybavení [10].
43
11. září 2012, Praha, Česká Republika Obr. 1: Závislost tuhosti na plošné hmotnosti studovaných PVA nanotextilií
Obr. 2: Závislost pevnosti v tahu na plošné hmotnosti studovaných PVA nanotextilií
4. ZÁVĚR
Získané výsledky je možno použít napři při navrhování nanotextilií na bázi jiných polymerů [11].
S využitím získaných dat je možno předpovídat mechanické charakteristiky nanotextilií na bázi PVA při
podobném nastavené (teplota, relativní vlhkost atd.). V další fázi experimentů bychom rádi zkoumali
mechanismus porušení testovaných vzorků, např. pomocí optické nebo elektronové mikroskopie
a mikroskopu atomových sil (AFM).
44
11. září 2012, Praha, Česká Republika PODĚKOVÁNÍ
This outcome has been achieved with the financial support of the Czech Technical University
in Prague – SGS 12/110/OHK1/2T/11. Special thanks belong to the Center for Nanotechnology in Civil
Engineering at Faculty of Civil Engineering of Czech Technical University in Prague where the
nanofibers production and testing was carried out.
LITERATURA
[1]
Andrady L.A. Science and technology of polymer nanofibers, New Jersey, 2008, pp. 213-215.
[2]
Pedicini A, Farris, R.J. Mechanical behavior of electrospun polyuretane. Polymer, 2003, 44 (22), pp. 6857-6862.
[3]
Ding B., Kim J.H., Miyazaki Y., Shiraton S.M. Electrospun nanofibrous membranes coated quartz crystal
microbalance as gas sensor for NH3 detection. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 101 (3), pp. 373-380.
[4]
Wabgang X.F, Chen, X.M., Yoon, K.H., Fang D.F, Hsiao, B.S., Chu, B. High flux filtration medium based on
nanofibrous substráte with hydrophilic nanocomposite coating. Enviromental Science & Technology 2005, 39
(19), pp. 7684-7691.
[5]
Ramakrisha S., Huang, Z. M., Zhang Y. Z., Lim C.T. Electrospinning and mechanical characterization of gelatin
nanofibers. Polymer, 2004, 45 (15), pp. 5361-5368.
[6]
Ramakrisha S., Fujihara K., Teo W.E., Lim T.C., Ma, Z.W. An Introduction to Electrospinning and Nanofibers.
Singapore: World Scientific Publishing, 2005, 250 p.
[7]
Franco R.A., Min Y., Yang H., Lee, B. On Stabilization of PVPA/PVA Electrospun Nanofiber Membrane and Its
Effect on Material Properties and Biocompatibility, J. Nanomater., 2012, pp. 1-9.
[8]
Li W.J., Laurencin C.T., Catersone E.J., Tuan R.S., Ko, F.K. Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold
for tissue engineering. J Biomed Mater Res, 2002, 60 (4), pp. 613–621.
[9]
Ayutsede J., Gandhi M., Sikigara S., Micklus M., Chen H. E., Ko, F. Regeneration of Bombyx mori silk by
electrospinning. Part 3: Charakterization of electrospun mat. Polymer, 2005, 45 (5), pp. 1625-1634.
[10]
Krňanský J., Tesárek P., Mukařovský J., Ryparová, P. Verification of basic properties of PVA based nanofibres
spun on NS LAB 500S device, Research report 2011, Prague: Cideas, 2011, pp. 147-148.
[11]
Pařízek M., Douglas T.E.L., Novotná K., Kromka A., Brady M.A., Renzing, A., Voss E., Jarošová M., Palatinus L.,
Tesárek P., Ryparová P., Lisa, V., Dos Santos A., Bačáková, L: Nanofibrous poly(lactide-co-glycolide)
membranes loaded with diamond nanoparticles as promising substrates for bone tissue engineering, International
Journal of Nanomedicine, 2012, 7, pp. 1931-1951.
45
11. září 2012, Praha, Česká Republika MOŽNOST VYUŽITÍ NANOVLÁKEN V KLIMATIZAČNÍCH JEDNOTKÁCH DOPRAVNÍCH
LETADEL
POSSIBILITIES OF USING NANOFIBERS WITHIN AIR CONDITIONERS IN AIRLINERS
Jan BŘEŽANSKÝ
Fakulta dopravní, Ústav letecké dopravy, ČVUT v Praze, Konviktská 20, 110 00 Praha; [email protected]
Abstrakt
V článku jsou stručně představeny znečišťující látky, které obsahuje vzduch v klimatizovaném prostředí, filtry
používané pro jejich zachycení a možné využití nanomateriálů v klimatizačních jednotkách moderních
dopravních letadel.
Klíčová slova: klimatizace, znečišťující látky, filtry, nanotextilie
Abstract
The article provides a brief introduction to pollutants contained in the conditioned air, the filters used for their
capture and the possible use of nanomaterials in air-conditioning units of modern airliners.
Key words: Air-Conditioning, Pollutants, Filters, Nanotextiles
46
Kabina letadla je ve své podstatě velice podobná vnitřnímu prostředí jakýchkoliv jiných prostor, jako jsou
např. kanceláře, ve kterých jsou lidé vystaveni směsi vnějšího a recirkulovaného vzduchu. Nicméně jsou zde
jisté odlišnosti, jako je vysoká hustota lidí (cestujících) na malém prostoru, nemožnost tento prostor libovolně
opustit a potřeba přetlakování. Za letu je cestující vystaven kombinaci environmentálních faktorů, jako jsou
nízká vlhkost a redukovaný tlak vzduchu. Dále může být vystaven pevným částicím obsaženým ve vzduchu,
ozonu (O3), kysličníku uhelnatému (CO), různým organickým chemikáliím a biologickým činitelům [1].
2.
ROZVOD VZDUCHU PRO ÚČELY KLIMATIZOVÁNÍ LETOUNU BOEING 737
Vzduch pro účely přetlakování a klimatizování letounu B737 je odebírán od 5. a 9. stupně vysokotlakého
kompresoru. Protože je tento vzduch příliš horký, v řádech stovek stupňu celsia, je zapotřebí jej patřičně
upravit pro potřeby klimatizování. Z tohoto důvodu je v každé jeho klimatizační jednotce tzv. “AirConditioning Pack” toto vedení rozděleno na horkou a studenou větev, kde horký vzduch studené větve
prochází tepelným výměníkem. Pro účely ochlazení horkého vzduchu v tepelném výměníku slouží náporový
vzduch odebíraný z vnějšku letadla za letu. Tento vzduch může dosahovat teploty řádově desítky stupňů
celsia pod bodem mrazu. Poté již předchlazený vzduch putuje do tzv. “Air Cycle Machine”, což je druhý
výměník s kompresorem a expanzní turbínou. Takto zchlazený vzduch putuje do separátoru, kde je zbaven
přebytečné vlhkosti. Dále postupující studený vzduch je poté smícháván se horkým vzduchem ve směšovací
komoře. Upravený vzduch jak z pravé tak levé klimatizační jednotky se mísí v tzv. “Mix Manifold” a dále
pokračuje do distribučního systému kde může dosahovat teploty 18 °C až 30 °C v závislosti na poloze voliče
teploty.
Klimatizační systém letounu je vybaven recirkulačním ventilačním systémem, v jehož větvi se nachází
HEPA (High Efficiency Particulate Air) filtr. Snižuje zátížení klimatizační jednotky a nároky na odběr vzduchu
od kompresorů.
47
11. září 2012, Praha, Česká Republika Obr. 1: Schéma vedení vzduchu od stupňů
kompresoru [2]
Obr. 2: Schéma klimatizační jednotky [2]
Obr. 4: HEPA filtr [3]
Obr. 3: Schéma distribučního systému [2]
48
11. září 2012, Praha, Česká Republika 3. POLUTANTY OBSAŽENÉ V KLIMATIZOVANÉM VZDUCHU
Protože se jedná o stroj se spalovacími proudovými motory, který je naplněn provozními kapalinami, jako
jsou například různé druhy syntetických olejů či kerosin, je jasné že při spojení s lidským faktorem může dojít
k netěsnostem a následnému průsaku. Při následném ohřátí motorových částí dochází k odpařování
takovýchto tekutin, jež se mohou dostat až do klimatizačního vedení. V proudu vzduchu, který je odebírán ze
stupňů kompresoru, se mohou vyskytnout i pevné částice nasáté z vnějšku jako je např. sopečný prach,
který je velice jemný, tvrdý a ostrý a tím pádem nebezpečný jak pro techniku, tak pro člověka.
Největším zdrojem nečistot je ale paradoxně sám člověk. Aniž by o tom sám věděl, do svého okolí
uvolňuje mnoho vlhkosti, vlasů, kožních buněk, virů, bakterií, hub a plísní. Na svém oblečení může také
přenášet různé druhy pylů, prach, písek či chlupy svých domácích mazlíčků. Takovéto nečistoty ulpívají na
filtru a vytvářejí tak ideální “živnou půdu“ pro vznik a rozvoj různých druhů hub, plísní, bakterií či virů [1].
4.
FILTRY POUŽITÉ PŘI RECIRKULACI KLIMATIZOVANÉHO VZDUCHU
V současné praxi se používají filtry pevných částic pouze u recirkulovaného vzduchu. Účinnost
takovýchto filtrů je větší než 93%. Většina moderních dopravních letadel používá HEPA filtry, které se mění
při plánované kontrole všeobecně jednou za 4000 až 12000 letových hodin. HEPA filtry odstraňují většinu
poletujících patogenů a jiných částic poletujících v proudu vzduchu, který prochází přes ně s údajnou
účinností 99,97 % pro částice s velikostí do 0,3 mikronu. Ačkoliv jsou účinné při zachycování pevných částic,
bakterií a virů z recirkulovaného vzduchu, nejsou schopny zabránit šíření plynných kontaminantů. K tomu
slouží tzv. uhlíkové filtry, které se na moderních dopravních letadlech vyskytují pouze jako volitelná výbava
[3].
Obr. 5: Alergeny a bakterie na HEPA filtru po 3 měsících užívání [4]
Pokud se zaměříme pouze na filtry pevných částí, mohlo by se zdát, že účinnost 99,97% udávaná
výrobcem je na výborné úrovni a tím pádem jim nemusí být věnována do doby pravidelné výměny žádná
větší pozornost. Nicméně, jak již bylo zmíněno v předchozím odstavci, takovýto filtr se může za určitých
podmínek stát “živnou půdou“ např. pro bakterie Legionelly, které mohou filtrem “prosakovat” a putovat dále
do kabiny s cestujícími.
49
11. září 2012, Praha, Česká Republika Legionella je bakterie, která se přenáší vdechnutím do plic. Počáteční symptomy připomínají chřipku, poté
se objeví horečka, pacient začíná pociťovat závratě a zakouší bolesti břicha. Mohou nastat dvě závažné
komplikace: selhání dýchacího systému a akutní selhání ledvin. V 10 % případů je Legionella smrtelná,
v ostatních případech se mohou projevit její pozdní následky do pěti let od nákazy. Je známo 40 druhů
těchto bakterií, z nichž 20 je nebezpečných. Často se vyskytují ve špatně udržovaných klimatizacích
a k jejich rozmnožování přispívají tři faktory:

rozsah teplot 25 až 45 °C;

přítomnost organických příměsí a sedimentů;

stagnace vody vlhkosti.
Obr. 6: Bakterie Legionelly [5]
Rozmnožovací perioda Legionelly je 4 hodiny. Za tuto dobu se každá bakterie rozdělí na dvě nové.
Znamená to, že pokud by v 1 ml byla 1 bakterie, po čtyřech hodinách tam budou bakterie dvě, a po
72 hodinách tam bude již 262 144 bakterií atd. Možnost jak se vypořádat s takovými nezvanými hosty je
použití nanotextilie do vzduchotechnických zařízení s nutnou baktericidní příměsí (např. Cu, Ag, či diamant)
a malými póry. Baktericidní a mechanické vlastnosti mědi objasňují, proč je běžně využívána na výrobu
trubek, mincí, dveřních klik a za zmínku stojí také její použití u kuchyňských zařízení a u medicínských
přístrojů. Další nedávné studie provedené rozdílnými mikrobiologickými výzkumy objasnily její pozitivní roli
v boji proti Listerii, Escherichia coli a Staphylococcu, třem dalším nebezpečným (patogenním) bakteriím [5].
Obr. 7: Bakterie Escherichia coli zachycena na nanotextilii z PUR (zvětšeno 2500x) [6]
50
11. září 2012, Praha, Česká Republika 5. ZÁVĚR
Americká Federal Aviation Administration (FAA) ve spolupráci s Národní radou pro výzkum (NRC) se již
několik let zabývá výzkumem vlivu polutantů vyskytujících se na palubě dopravního letadla na zdraví
cestujících a posádky. Na základě dosavadních výsledků vznikl např. zákaz kouření na palubách letadel.
V tomto směru Evropa za USA zaostává. Pro letecké společnosti není důležité to, co se možná “schovává“
uvnitř filtrů, ale pouze čas jejich příští výměny. Svůj budoucí výzkum bych tak chtěl zaměřit na rozbor obsahu
takovýchto filtrů a navržení optimální baktericidní příměsi v použité nanotextilií.
LITERATURA
[1]
Committee on Air Quality in Passenger Cabins of Commercial Aircraft, Board on Environmental Studies and
Toxicology, National Research Council., The Airliner Cabin Environment and the Health of Passengers and
Crew, Washington, DC, USA: National Academies Press, 2002, ISBN 0-309-08289-7
[2]
http://www.smartcockpit.com/aircraft-ressources/B737E-Air_Systems.html, dostupné dne 7. října 2012
[3]
http://www.purolator-facet.com/cabinair.htm, dostupné dne 7. října 2012
[4]
http://www.rabbitair.com/bioengineered-hepa-filtration.aspx, dostupné dne 7. října 2012
[5]
http://www.medportal.cz/zdravi/ochrana-proti-legionelam, dostupné dne 7. října 2012
[6]
http://voda.tzb-info.cz/vlastnosti-a-zdroje-vody/6311-filtrace-vody-nanotextilii, dostupné dne 7. října 2012
51
11. září 2012, Praha, Česká Republika SOUČASNÉ VYUŽITÍ ALTERNATIVNÍCH PALIV V LETECKÉ DOPRAVĚ
CONTEMPORARY USE OF ALTERNATIVE FUELS IN AIR TRANSPORT
Martin VORÁČEK
Fakulta dopravní, Ústav letecké dopravy, ČVUT v Praze, Konviktská 20, 110 00 Praha; [email protected]
Abstrakt:
Podle prognózy IEO (International Energy Outlook) bude v roce 2020 světová spotřeba energie o 50 % vyšší
než v roce 2000. Pokud se týká ropy, odhaduje se, že její světová těžba by měla kolem roku 2020 vrcholit
a potom nastane období, ve kterém již bude trvale klesat. Předpokládané zvětšování celosvětové spotřeby
energie, stav světových zásob zdrojů fosilního uhlíku a snaha o zlepšení kvality ovzduší jsou příčinou
hledání alternativních energetických zdrojů, které by mohly alespoň částečně fosilní zdroje energie nahradit
a současně i určitou měrou přispět ke snížení emisní zátěže, především pak snížení emisí skleníkových
plynů. I v dopravě se hledá alternativa ke klasickým pohonným hmotám, benzinu a motorové naftě,
vyráběným na bázi ropy.
Klíčová slova: Alternativní paliva, bionafta, biokerosen, bioethanol, bioplyn, zemní plyn, filtry
Abstract:
According to the IEO forecast (International Energy Outlook), World energy consumption in 2020 will be 50%
higher than in 2000. With regard to oil, we estimate that its global production should peak around 2020 and
will be followed by a calm period, when the consumption will be already going down steadily. The expected
increase of global energy consumption, the situation of world reserves of fossil carbon resources and efforts
to improve air quality are the main reasons for finding alternative energy sources, that could at least partly
replace fossil energy sources and also reduce the emissions, especially greenhouse gases. Even the traffic
is looking for an alternative option to conventional fuels produced on the basis of oil.
Key words: Alternative Fel, Biodiesel, Biokerosen, Bioethanol, Biogas, Natural Gas, Filters
52
11. září 2012, Praha, Česká Republika 1. DEFINICE ALTERNATIVNÍCH PALIV
Na celkovém objemu emisí CO2 způsobených spalováním ropných paliv se dopravní sektor podílí asi
23%, celkově pak má na emisích skleníkových plynů podíl asi 15% přičemž hodnoty vypouštěných
škodlivých látek rostou v dopravě nejrychleji. Nadto je doprava z 98% závislá na ropě, jejíž zásoby se stále
zmenšují. Je proto nutné hledat možnosti, jak tato čísla co nejrychleji a nejefektivněji snížit. Do popředí
zájmu se tak dostávají takzvaná alternativní paliva. Ta se od paliv na bázi ropy mohou lišit:
- Původem suroviny pro jejich výrobu (uhlí, zemní plyn, obnovitelné zdroje)
- Skupenstvím (plynná paliva)
- Použití zcela nových technologií (vodík, elektrická energie, jaderná energie, …)
Mezi alternativní paliva řadíme v současné době již používaná biopaliva (bionafta, bioplyn), plynná paliva
(propan-butan (LPG), zemní plyn (CNG, LNG)), elektrickou energii a také například syntetická paliva. Do
budoucnosti se vkládají velké naděje do využití vodíku.
1.1 Bionafta, biokerosen
Odlišnosti bionafty od konvenční nafty (obsah kyslíku a různá délka uhlíkatých řetězců dle použité
suroviny) mají negativní vliv na charakteristiky kritické pro použitelnost v letectví – vyšší bod krystalizace,
horší teplotní stabilita, nižší energie obsažená v jednotce objemu a hmotnosti.
Jako biokerosen označujeme bionaftu s kratšími uhlíkatými řetězci. Jak bylo řečeno, délka řetězců závisí
na surovině použité při výrobě. Pro výrobu biokerosenu jsou vhodné především palmové oleje (palma
Babassu z Brazílie, kokosový olej, …) s délkou řetězce 12 až 14 (u ostatních surovin jako je řepka, sója
a další se pohybuje okolo 16 až 18). Biokerosen se používá ve směsích s konvenčním palivem a to většinou
do 20%. Důvodem je jeho vysoká teplota krystalizace, kdy hrozí nebezpečí zamrznutí paliva při delších
letech ve vyšších hladinách (bod tuhnutí čisté bionafty se pohybuje mezi -3° až 12°C).
Palivo zajišťuje mimo jiné také tepelnou výměnu mezi motory a dalšími systémy v letadle, což přináší
neustálé změny teploty. Změny teploty mohou v případě použití biokerosenu vést k jeho rozkladu a vzniku
úsad nejen v palivovém systému, ale také v pozemních palivových zařízeních. 20% směs biokerosenu
s konvenčním leteckým palivem obsahuje o 4% méně energie na jednotku váhy (38 MJ/kg) a o 3% energie
na jednotku objemu, což s sebou přináší omezení pro dlouhé lety, kde je váha paliva limitujícím faktorem,
a obecně nárůst spotřeby o 0.6% způsobený vyšší hmotností paliva.
Ačkoliv společnost Virgin Atlantic v roce 2008 úspěšně provedla testovací let Boeingu 747 z Londýna do
Amsterdamu, kdy jeden z motorů byl poháněn směsí 20% biokerosenu (relativně malé procentuální
zastoupení bylo zvoleno z důvodu dodržení stanovených limitů pro bod krystalizace) vyrobeného z oleje
z kokosové palmy a palmy Babassu s palivem Jet A-1, biodiesel a biokerosen jsou nadále kvůli svým
vlastnostem při nízkých teplotách, špatné teplotní stabilitě a nižší energetické hustotě považovány za palivo
nevhodné pro komerční leteckou dopravu. Jejich uplatnění nacházíme především v pozemních aplikacích
a v oblasti všeobecného letectví, kde jejich vlastnosti nejsou kritické. Pokud bychom tato paliva chtěli do
budoucna v letectví využívat, bylo by nutné provést změny v konstrukci letadel, například vyhřívání nádrží
a všech palivových systémů.
53
11. září 2012, Praha, Česká Republika 1.2 Bioethanol
Chemické složení a vlastnosti ethanolu a butanolu se natolik odlišují od konvenčních paliv, že jejich
použití v letectví je z bezpečnostních i provozních důvodů velmi komplikované a to zejména kvůli jejich
nízkému obsahu energie na jednotku objemu a hmotnosti (28,9MJ/kg, což přináší až o 60% vyšší spotřebu
než u konvenčních paliv), velké těkavosti (bod varu 78°C, hrozí ztráty paliva za letu, zablokování palivového
systému výpary), schopnosti vázat vodu (ve vyšších
výškách mrzne) a nízkému bodu vzplanutí, který
představuje velké bezpečnostní riziko. Použití paliv na bázi alkoholu jako příměsi se současnými palivy
nepřichází z výše uvedených důvodů v potaz. Pokud bychom chtěli tato paliva využít, musíme provést řadu
konstrukčních změn.
Ethanol se používá jako náhrada za letecký benzín (AVGAS) v Brazílii a to v menších, speciálně
upravených letadlech všeobecného letectví (C152, …), kde uvedené nevýhody nepředstavují takové riziko
anebo se vůbec neprojevují. Buthanol má výhřevnost vyšší než ethanol (33 MJ/kg), ani tak nedosahuje
hodnot požadovaných pro palivo JET A-1 (42,8 MJ/kg). S jeho použitím jako paliva v letectví zatím nemáme
zkušenosti.
1.3 Bioplyn
Aby se dal bioplyn využít podobně jako zemní plyn, je třeba ho vyčistit. To znamená odstranit vodu (která
je příčinou koroze zásobníků a potrubí), CO2 (čímž se zvyšuje obsah methanu, aby bylo možné bioplyn
využívat pro pohon automobilů, musí být obsah CH4 minimálně 95%), H2S, vyšší a halogenové uhlovodíky,
kyslík, dusík a organokřemičité sloučeniny. Po vyčištění lze bioplyn přivádět do běžné distribuční sítě
zemního plynu.
Bioplyn se používá k vaření, absorpčnímu chlazení a především ke kombinované výrobě elektrické
energie a tepla v kogeneračních jednotkách, kde je zavedeným palivem. V dopravě našel uplatnění ve
Švédsku, Švýcarsku, Francii a na Islandu a to jako palivo pro autobusy městské dopravy. Vzhledem
k omezenému množství bioplynu, vysokým nákladům na jeho čištění, poměrně velké energii nutné k jeho
stlačení a lokální výrobě (bioplynové stanice se nacházejí daleko od míst spotřeby – měst) a dostatečným
zásobám zemního plynu se prozatím nepočítá s větším využitím bioplynu v dopravě.
1.4 LPG
Z technického hlediska je pohon letadel plynovou turbínou poháněnou LPG možný. V mnoha rafinériích se
používají stacionární plynové turbíny s pohonem na LPG pro pohon generátorů elektrického proudu, kterým
se pokrývá energetická spotřeba provozu. Hlavním důvodem, proč se LPG jako palivo v letectví nevyužívá,
ačkoliv má v mnoha ohledech stejné, ne-li lepší vlastnosti než konvenční paliva, je nutnost uchovávat ho
v těžkých tlakových nádobách o velkém objemu. Tyto nádrže by za letu musely odolávat velkým změnám
tlaku, proto by musely být dostatečně masivní.
Navíc v současných letadlech je většina paliva standardně uchovávána v křídlech, kam není možné
z prostorových, hmotnostních a pevnostních důvodů takové tlakové nádoby o dostatečném objemu umístit.
Jejich umístění do trupu by znamenalo kvůli jejich velkým rozměrům a hmotnosti zásadní snížení kapacity
letadla, jak z hlediska jeho objemu, tak obchodního zatížení. Problematická by v tomto případě byla také
54
11. září 2012, Praha, Česká Republika otázka bezpečnosti takového uspořádání. Jak již bylo výše zmíněno, LPG tvoří se vzduchem výbušnou
směs a v případě úniku by snadno mohlo dojít k požáru nebo explozi paliva. Problém by tak mohl vzniknout
například při přistání se zataženým podvozkem, kdy mimo poškození nádrže může snadno dojít ke vzniku
jiskry a iniciaci požáru či výbuchu. Výhody samotného spalování LPG jsou zastíněny jeho problematickým
uchováváním v letadlech. U pístových motorů poháněných na LPG byl navíc zaznamenán poměrně výrazný
pokles výkonu (až o 15%). Vzhledem k vysokým nákladům a existenci vhodnějších a perspektivnějších paliv
se s vývojem letadel poháněných LPG do budoucna nepočítá a autor se tomuto tématu nebude v práci dále
věnovat.
1.5 Zemní plyn
Případné použití LNG jako paliva v letectví může přinést řadu výhod:
- Snížení emisí – o 33% méně emisí CO2, nižší emise NOx
- Snížení váhy paliva asi o 15%
- Nižší náklady – cena ekvivalentního množství energie je u LNG v porovnání s konvenčními palivy asi
o 40% nižší
- Dostupnost a existující infrastruktura
Změny v konstrukci letadel jsou v podstatě shodné jako u vodíku (úpravy palivových nádrží – použití
kryogenních zásobníků, změny v palivovém systému a v konstrukci motorů). První let na zkapalněný zemní
plyn provedl v roce 1989 letoun TU-155, který následně vykonal řadu zkušebních letů a to i do zahraničí.
V březnu 2012 oznámil Boeing ve spolupráci s NASA zahájení projektu letadla poháněného zkapalněným
zemním plynem pod názvem SUGAR Freeze (Subsonic Ultra Green Aircraft Research), které by mělo
spotřebovat o 64% méně paliva než současný model Boeing 737- 800. Jeho uvedení do provozu se
předpokládá v letech 2040-2050.
2. SOUČASNÉ PALIVOVÉ FILTRY PRO LETECKÉ PALIVO
2.1 Projektování a konstrukce filtrů-separátorů leteckého paliva
Tělesa filtrů-separátorů leteckého paliva musí být navrhována a konstruována v souladu s požadavky
normy ASME Boiler and Pressure Vessel Code, část 8, nebo s požadavky příslušných národních předpisů.
V podmínkách ČR musí výrobce nebo dodavatel zařízení spadajících do výrobků uvedených v zákoně
č. 22/1997 Sb. a návazných nařízení vlády ČR doložit jejich soulad s příslušnými normami (předpisy)
„Prohlášením o shodě“.
2.2 Materiálové požadavky
Pro konstrukci filtrů-separátorů leteckého paliva musí být použit materiál odolný působení vody, leteckého
paliva nebo leteckého paliva obsahující rozpuštěné přísady z leteckého paliva, použitý materiál nesmí mít
negativní vliv na jakost leteckého paliva. Jednotlivé ocelové nebo slitinové části filtrů-separátorů leteckého
55
11. září 2012, Praha, Česká Republika paliva včetně příslušenství musí být odolné proti působení koroze nebo opatřeny předepsaným ochranným
nátěrem.
Tělesa filtrů-separátorů leteckého paliva vyrobená z uhlíkové oceli musí být zbavena nečistot, mastnoty,
produktů koroze a okují a následně opatřena vnitřním a vnějším epoxidovým nátěrem. Tělesa vyrobená
z hliníkové slitiny nebo nerezové oceli nemusí být těmito nátěry chráněna. Pro výrobu komponentů, které
přicházejí do styku s filtrovaným leteckým palivem, se nesmí použít měď, slitiny mědi, slitiny lehkých kovů
obsahující více než 4 % mědi, zinek nebo zinkové slitiny, kadmium, olovo nebo slitiny olova. Pokud není
stanoveno jinak, příslušenství, armatury (tvarovky) a soustava potrubí musí vyhovovat také tomuto omezení.
Pokud nejsou zadány jiné požadavky, musí být veškerá potrubní spojení řešena přírubovými spoji
konstruovanými pro stejný nebo vyšší provozní tlak, než je předepsaný provozní tlak. K zajištění správného
směru proudění leteckého paliva musí být vstupní a výstupní přírubová hrdla trvale označena.
2.3 Konstrukční požadavky
Filtr-separátor leteckého paliva musí být vybaven diferenciálním manometrem pístového typu, přímo
udávajícím tlakový rozdíl měřený snímači tlaku umístěnými na vstupu a výstupu. Dále musí být vybaven
automatickým odlučovačem vzduchu, vyrobeným obvykle z nerezové oceli, umístěným v nejvyšším místě.
V návaznosti na tepelnou roztažnost leteckého paliva musí být těleso k případnému snížení vnitřního tlaku
opatřeno regulačním přetlakovým ventilem. Regulační přetlakový ventil musí být nastavený tak, aby k jeho
otevření došlo při tlaku převyšujícím minimálně o 10 % provozní tlak systému, nastavení ventilu však nesmí
překročit hodnotu tlaku, na který je systém konstruován. Připojovací spoje ventilu musí být navrženy tak, aby
jejich úplné dotažení nenarušilo jeho správnou funkci. Těleso ventilu může být vyrobeno z uhlíkové oceli,
jeho vnitřní části musí být vyrobeny z nerezové oceli. K odběru vzorků přečerpávaného leteckého paliva
musí být na vstupním i výstupním potrubí instalován kohout pro odběr vzorků. K odkalování tělesa filtruseparátoru leteckého paliva musí být v nejnižším místě pod odkalovací jímkou tělesa namontován ručně
ovládaný kulový kohout z nerezové oceli o vnitřním průměru minimálně 19 mm. Na kulový kohout musí být
přivařeno odkalovací potrubí stejné dimenze ukončené spojkou se záslepkou.
Ve filtru-separátoru leteckého paliva musí být instalován automatický uzavírací ventil, který musí
v případě nadměrného množství vody v odkalovací jímce detekovaného vnitřním řídicím ovládacím
plovákovým ventilem (případně jiným detekčním zařízením) automaticky uzavřít průtok. Pokud instalován
automatický odvodňovací systém, musí automatický uzavírací ventil při překročení kapacity automatického
odvodňovacího systému rovněž zastavit průtok paliva.
Automatický uzavírací ventil musí umožnit
automatické obnovení činnosti filtru-separátoru leteckého paliva po odstranění vody z odkalovací jímky.
Přístup k filtračním vložkám musí být zajištěn pomocí výkyvného víka tělesa filtru. Instalace filtruseparátoru leteckého paliva se obvykle provádí pomocí čtyř nosných ocelových úhelníků (podpěr)
přivařených k tělesu filtru a uchycených k základové desce - podlaze. Ke sledování množství odloučené
vody v odkalovací jímce musí být těleso vybaveno skleněným uzavřeným průhledítkem chráněným kovovým
obalem, napojeným pokud možno co nejníž ke dnu odkalovací jímky. Pro snazší stanovení úrovně hladiny
56
11. září 2012, Praha, Česká Republika odloučené vody resp. směsi vody s leteckým palivem musí být uvnitř průhledítka umístěna barevná plovoucí
kulička, vyrobená z materiálu odolného působení leteckého paliva.
ZÁVĚR
Přístup k filtračním vložkám musí být zajištěn pomocí výkyvného víka tělesa filtru. Instalace filtruseparátoru leteckého paliva se obvykle provádí pomocí čtyř nosných ocelových úhelníků (podpěr)
přivařených k tělesu filtru a uchycených k základové desce - podlaze. Ke sledování množství odloučené
vody v odkalovací jímce musí být těleso vybaveno skleněným uzavřeným průhledítkem chráněným kovovým
obalem, napojeným pokud možno co nejníž ke dnu odkalovací jímky. Pro snazší stanovení úrovně hladiny
odloučené vody resp. směsi vody s leteckým palivem musí být uvnitř průhledítka umístěna barevná plovoucí
kulička, vyrobená z materiálu odolného působení leteckého paliva.
LITERATURA
[1] Šebor G., Pospíšil M, Žákovec J. Technicko-ekonomická analýza vhodných alternativních paliv v dopravě, Praha:
VŠCHT, Fakulta technologie ochrany prostředí, 2006.
[2] Bionafta – alternativní palivo dieselových motorů. Česká zemědělská univerzita Praha, Fakulta agrobiologie,
potravinových a přírodních zdrojů.
[3] ČSN EN 590 +A1 Motorová paliva - Motorové nafty - Technické požadavky a metody zkoušení. Praha: ÚNMZ, 2010.
[4] Ninger, J. Alternativní paliva. Bakalářská práce.
[5] Úřad pro obrannou standardizaci, katalogizaci a státní ověřování jakosti, Agentura vojenských informací a služeb
Praha, 2005
57
11. září 2012, Praha, Česká Republika POZNÁMKY:
58

Sborník konference

Transkript

Podobné dokumenty

to get the file

Biodeteriorace nanotextilií z polyvinylalkoholu půdními bakteriemi

nanotechnologie

Korozní monitoring v rukách restaurátorů a konzervátorů Corrosion

1 Úvod - VMProceedings

Nekonvenční a přesné obrábění

Dřevohostický zpravodaj 4-2012

journal 1/2010

FINAL_KAN400480701_Zprava 2010

Programy a projekty - NK ČR - Národní knihovna České republiky

Číslo 28 - Genetická společnost Gregora Mendela

radost z perfektního zdraví

výroční zpráva 2014 - Brněnské vodárny a kanalizace, as

5/2013

Zpráva o činnosti za rok 2004

Regionální rozvoj mezi teorií a praxí 2016/01