18.05.2015

Магнитоспиннинг резко упрощает и удешевляет производство полимерных нановолокон

Американские и английские ученые разработали новый метод получения ультратонких полимерных нановолокон. Результаты исследований были опубликованы в журнале Advanced Materials. Новый метод, получивший название магнитоспининг, очень прост в использовании и позволяет получить большие объемы нановолокон с разными характеристиками, которые могут быть использованы для создания новых материалов, а также в медицине для большого круга задач.

Одно из направлений современного материаловедения — разработка методов эффективного производства сверхтонких волокон с настраиваемыми характеристиками. Речь идет о нановолокнах субмикронной толщины, но макроскопической длины, вплоть до многих метров, обладающих по всей своей длине однородными свойствами. Такие нановолокна служат основой для создания новых композитных материалов, покрытий, мембран, «умной одежды», сенсоров, электродов. Двумерные и трехмерные структуры из нановолокон, благодаря своей высокой пористости и способности волокон нести наночастицы, позволяют повысить эффективность каталитических процессов. Они также используются в биомедицинских технологиях: помогают выращивать новые органы, защищают раны от бактерий и позволяют доставлять лекарства непосредственно к очагам инфекций в теле человека.

В настоящее время самый популярный метод получения нановолокон — это электроспиннинг (electrospinning), то есть вытягивание волокна из раствора полимера при помощи высокого напряжения (обзор метода и его приложений см. в статье D. Li, Y. Xia, 2004. Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?). Электроспиннинг хорош тем, что, в отличие от обычного, механического вытягивания волокон из раствора, он не предъявляет высоких требований к химии процесса, не требует больших температур для затвердевания волокна, а значит, позволяет создавать волокна из длинных и сложных молекул. В результате борьбы капиллярных и электростатических сил, а также процессов внутри раствора заряженная капля сама удлиняется, утоньшается и высыхает в полете. У этого метода, однако, есть существенные недостатки. Он не позволяет работать с растворами полимеров с малой диэлектрической константой, например с раствором тефлона. Кроме того, он использует высоковольтное оборудование, которое, во-первых, достаточно дорого (стоимость типичной установки — больше 10 тысяч долларов), а во-вторых, предъявляет серьезные требования к безопасности работы.

В статье Magnetospinning of Nano- and Microfibers, вышедшей на днях в журнале Advanced Materials, описывается новая методика получения нановолокон, которая лишена этих недостатков. Поскольку в ней для вытягивания волокна используются магнитные поля, авторы назвали ее магнитоспиннинг (magnetospinning). Выглядит она проще, а ее реализация обходится не в пример дешевле электроспиннинга. Авторы подчеркивают, что установку для магнитоспиннинга можно собрать из дешевого магнитика, простого электромотора и шприца. Этот метод позволяет не только радикально удешевить производство волокон, но и открывает университетам, промышленным предприятиям, биотехнологическим компаниям и даже обычным школам широкие возможности для экспериментов с нановолокнами без больших затрат на исследования.

Принцип действия метода магнитоспиннинга показан на рис. 1. На вращающемся диске закреплен постоянный магнит. Рядом с диском, на строго контролируемом расстоянии от него, находится остриё шприца, а на его конце висит капелька феррожидкости — полимерного раствора с магнитными наночастицами. Скорость вращения диска регулируется в широких пределах вплоть до нескольких тысяч оборотов в минуту. Магнит притягивает капельку, и когда он проходит в непосредственной близости от острия иглы, капелька срывается и прилипает к магниту. При подходящей вязкости раствора между иглой и магнитом возникает мостик-перетяжка. Диск продолжает вращаться, расстояние между магнитом и иглой увеличивается, перетяжка вытягивается, утоньшается, но не рвется. Растворитель при этом испаряется, нить еще сильнее утоньшается и затвердевает, и в результате образуется нановолокно. Шпулька, закрепленная на противоположной стороне диска, обеспечивает непрерывную намотку волокна.

Конечно, для того, чтобы процесс пошел и перетяжка не рвалась, требуется правильно подобрать параметры установки: вязкость жидкости, расстояние от капли до магнита, скорость вращения и т. д. Авторы изучили, как результат зависит от всех этих параметров, и нашли диапазоны их значений, при которых процесс производства волокна идет эффективно и без остановок. Например, на рис. 2 показан результат непрерывной работы устройства на скорости 500 об/мин в течение пяти минут: получилась этакая «пряжа» из 2500 полимерных волокон с толщиной около микрона. При некотором снижении вязкости раствора толщину нановолокна можно уменьшить еще на порядок. Впрочем, здесь есть свой предел — при слишком маленькой вязкости капля просто перепрыгнет на магнит, и перетяжка не образуется.

Объемы производства нановолокон можно без труда увеличить на пару порядков: достаточно лишь разместить вокруг вращающегося диска сотню иголок, по которым феррожидкость может подаваться независимо из общего резервуара.

Что касается материалов, из которых можно изготавливать волокна, а также характеристик самих волокон, то тут открывается широкая свобода маневра. Весь процесс управляется магнитными наночастицами и магнитным полем, а сам раствор играет роль пассивного буфера. Однако после высыхания именно этот буфер определяет свойства волокна, и вкрапления магнитных частиц не имеют определяющего значения. Например, таким способом авторы получили нановолокна из тефлона, известного сверхгидрофобного материала (рис. 3а).

При необходимости концентрация магнитных наночастиц может быть уменьшена до 1% без ущерба для технологии. Есть и иной вариант — последующая химическая обработка волокон, которая позволит полностью избавиться от наночастиц и получить пористые волокна (рис. 3b). Добавляя другие материалы в форме наночастиц в исходный раствор, можно получать нановолокна со специальными свойствами, например серебряный нанопровод, покрытый полимерной оболочкой (рис. 3c), или волокна с большой концентрацией углеродных нанотрубок (рис. 3d). Наконец, поскольку наночастицы из оксида железа биоразлагаемы, полученные волокна будут вполне биосовместимы и могут использоваться в медицинских технологиях. Спектр приложений нановолокон ограничен лишь фантазией разработчиков, поскольку технология магнитоспиннинга сделала этот материал доступным практически каждому.

Источник: Alexander Tokarev, Oleksandr Trotsenko, Ian M. Griffiths, Howard A. Stone and Sergiy Minko. Magnetospinning of Nano- and Microfibers // Advanced Materials. Published online 8 May 2015. DOI: 10.1002/adma.201500374.

Игорь Иванов, Александр Токарев

Источники:

1. elementy.ru