Nanostruktury vstupují do průmyslového vstřikování plastů

Chování plastů je obvykle spojené s tím, co se děje uvnitř materiálu: jeho pevností, pružností, tepelnou stálostí nebo odolností vůči chemickým látkám. U řady využití ale záleží i na tom, co se děje na povrchu.

Úprava povrchu polymeru dokonce i na nanoúrovni totiž může změnit jeho vlastnosti, aniž by měnila celkové vlastnosti materiálu jako takového. Vytvořením nanostruktur na povrchu lze přidávat nebo zlepšovat takové vlastnosti, jako jsou tvrdost, odolnost proti opotřebení, vodivost, smáčivost a odolnost vůči chemickým látkám. To umožňuje stávajícím polymerům získávat nové funkce a možnosti použití i tam, kde běžné polymery nejsou vhodné.

Co je to nanotechnologie?

Pojmem nanoměřítko označujeme rozměry mezi cca 1 a 100 nanometry, což je mnohem méně, než vidíme pouhým okem. Jeden nanometr je miliontina milimetru, což znamená, že průměr lidského vlasu je zhruba 50 000 až 100 000 nanometrů. V takto drobném měřítku se materiály mohou chovat jinak než tytéž materiály ve větších rozměrech, což otevírá zcela nové možnosti využití.

Posun v oblasti nanoúprav

Práce v takto drobném měřítku je vysoce technicky náročná a při stávající technologii zabere spoustu času. To výrobcům plastů dosud omezovalo možnosti provádět úpravy v nanoměřítku.

Objev českých specialistů v oblasti nanotechnologií však nyní může pomoci zavést nanoúpravy povrchů plastů do každodenní praxe. Průlom se týká laserové technologie, která umožní vytvářet ve formách pro vstřikování plastů požadované mikrostruktury a nanostruktury vhodné pro průmyslovou výrobu.

Tento průlomový výzkum, který v srpnu publikovala platforma arXiv, vznikl v Centru HiLASE Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky, Českého vysokého učení technického v Praze, Technické univerzity v Liberci a Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně. Dotyčná studie převedla možnost změny měřítka, v jakém lze dávat vstřikovaným plastům nové vlastnosti, například antibakteriální úpravu, vodoodpudivost a lepší přilnavost.

Výsledku bylo dosaženo kombinací velmi krátkých laserových pulzů, čímž na povrchu forem vznikají nanostruktury. Hotové polymerové díly si po dokončení procesu vstřikování zachovají nanoúpravu povrchu z formy, čímž je dosaženo vlastností vytvořených přesně na míru bez nutnosti další povrchové či chemické úpravy.

Například testováním polypropylenu a neoptimalizovaného pojiva bylo zjištěno, že strukturování povrchu laserem vedlo k 30krát vyšší pevnosti ve střihu oproti materiálu bez této úpravy.

Výzkumný tým zatím novou technologii testoval na třech běžně používaných termoplastech: polypropylenu (PP), polyamidu 66 (PA66) a akrylonitrilbutadienstyrenu (ABS), přičemž polypropylen prokázal nejvyšší přesnost replikace.

Tento přístup má obrovský investiční potenciál, protože vstřikování se dnes běžně používá při výrobě velkého množství plastových součástí. Pakliže půjdou nanoúpravy povrchu spolehlivě přenést z formy na vstřikovaný polymer, může se rozšiřování funkčnosti materiálů jednoduše stát součástí výrobního procesu.

Zrychlení tvorby nanostruktur

Stávající technologie sloužící k vytváření vysoce přesných struktur pomocí laseru mohou být poměrně pomalé. To dosud omezovalo rozšíření procesů nanoúprav, protože výroba plastů vstřikováním musí probíhat v průmyslovém měřítku. Nová studie tento problém řeší použitím různých strategií urychlení pro různé typy struktur.

Pro hlubší mikrostruktury výzkumníci použili vláknový laser s velmi krátkými pulzy, který pracuje s rychlostí opakování do 1 MHz. Tím se rychlost mikrovrtání zvýšila až 20krát.

Pro tvorbu nanostruktur tým použil prostorový modulátor světla, který změní laserový paprsek na linii, takže není nutné zpracování povrchu bod po bodu. Tím se produktivita tvorby opakovaných povrchových struktur laserem zvýšila asi 35krát a rychlost zpracování přesáhla 100 cm² za minutu.

Co umí plasty s nanostrukturami?

Vědci poté zkoumali, jestli struktury přenesené z formy na polymer skutečně vedly k užitečným změnám v chování povrchu. Zjistili přitom, že strukturované polypropylenové povrchy mají lepší vodoodpudivost než neupravený polypropylen.

Ještě pozoruhodnější byly antibakteriální vlastnosti, které získal strukturovaný PA66. Zachování bakteriálních kultur u jednotlivých struktur povrchu oproti nestrukturovanému povrchu kleslo až o 99,8 % v případě E. coli a přibližně o 90 % u S. aureus.

To má pro průmysl velký význam, protože antibakteriální účinky zde nezávisí na přidané antibakteriální látce nebo speciálním povlaku. Místo toho se změnila samotná fyzikální struktura povrchu, takže takový povrch je ideální pro použití tam, kde záleží na dlouhodobých vlastnostech povrchu, například u zdravotnické techniky. Nanoúpravy by kromě toho mohly prospět i polymerům používaným na obaly a spotřební výrobky, protože mohou vynikat vyšší pevností, elektrickou vodivostí nebo povrchovou přilnavostí.

České přispění k budoucnosti nanotechnologií

Tento nejnovější výzkum znovu potvrzuje, jak silný je výzkum v oblasti nanotechnologií v Česku. Studie v sobě spojuje odbornost předních českých výzkumných ústavů a také dokazuje, jak lze špičkové nanotechnologie převádět na praktická řešení pro průmyslovou výrobu plastů a polymerů.

Tento průlom je podobný výzkumu probíhajícímu v Polymer Nano Centru, který se také zaměřuje na využití potenciálu nanotechnologií pro praktická průmyslová řešení.

Polymer Nano Centrum spolu s výrobci vyvíjí a uplatňuje techniky nanoúprav, jež mohou stávajícím polymerům dát lepší mechanické, tepelné, elektrické a povrchové vlastnosti. K jeho činnostem patří výběr vhodných nanomateriálů i vývoj praktických možností jejich využití ve výrobcích z polymerů a při jejich výrobě.

Cílem není pouze předvést, co je možné v laboratoři, ale pomoci výrobcům chápat, jak lze nanotechnologie uplatnit ve skutečných výrobcích z polymerů. Společnost díky špičkovému výzkumnému zařízení pomáhá výrobcům posouvat se od prvotního konceptu přes teoretické modelování a výrobu prototypů až k odzkoušeným materiálům s nanoúpravami.

Možnosti využití polymerů s nanoúpravami díky zrychlování technologie úpravy struktury povrchů laserem a jejího zavádění do průmyslové výroby zřejmě porostou. Český výzkum v oblasti nanotechnologií si přitom drží vedoucí postavení v tvorbě polymerů, jež jsou funkčnější, udržitelnější a vhodnější pro potřeby moderní výroby.

Chcete-li se dozvědět více o výzkumu centra Polymer Nano Centrum a možnostech investování, navštivte: https://www.polymernanocentrum.cz/dluhopisy

Photo credit: Pexels, Pexels, Magnific, & Polymer Nano Centrum