A nanoszálak a szintetikus szálasanyagok körében folyó fejlesztések legújabb termékei. Átmérőjük legfeljebb néhány száz nanométer (nm). (1 nm = 10^–9 m, azaz 1 milliomod milliméter. Ez már az atomok mérettartománya.) Előállításuk nanotechnológiai eljárással történik.

A nanotechnológia alapjait Richard Feynman fizikus rakta le és 1959-ben publikálta ez irányú kutatásainak első eredményeit.^[1] A nanotechnológia alapját az képezi, hogy egy anyag tulajdonságai nagymértékben megváltoznak, ha méretei a nanométeres tartományba kerülnek. Ha egy nagyobb méretű anyagot egy vagy több dimenziójában (szélességében, hosszúságában vagy vastagságában) kisebb részekre, a nanométeres vagy annál is kisebb tartományba darabolunk, az anyag egyes darabjai váratlan tulajdonságokat mutatnak, olyanokat, amelyek eltérnek az eredeti anyagétól. Az atomok és a molekulák tökéletesen más viselkedést tanúsítanak, mint a nagyobb anyagdarabok. Míg az előbbiek tulajdonságait a kvantummechanika írja le, az utóbbiakét a klasszikus mechanika. E két eltérő tartomány között az anyagtulajdonságok viselkedését illetően a nanométer jelenti a küszöbértéket az átmenet számára.

A nanotechnológia már megjelent a textiliparban is. Sokat ígérők azok a kutatások, amelyek a nanotechnológia alkalmazásával a textilanyag tulajdonságait kívánják megjavítani vagy újszerű tulajdonságokat akarnak adni a textíliáknak. Ezek a kutatások főleg a nanoméretű anyagokra és azoknak a gyártásban és a kikészítésben való felhasználására irányulnak. Ezek körébe tartozik a nanoszálak előállítása is.

A nanoszálak előállítására leggyakrabban az elektromos szálképzést használják.^[2] A kiinduló anyag valamilyen, erre a célra alkalmas polimer. A folyékony (olvadt vagy oldott) polimert nagyfeszültségű (30 kV-ot meghaladó elektromossággal töltik fel és amikor ennek nagysága elég nagy ahhoz, hogy legyőzze a felületi feszültséget (az elektromos térerősség 100 V/cm körüli értéket vesz fel), egy 0,1–1 mm átmérőjű tű nyílásán megindul egy csepp formájában a folyadék kiáramlása egy földelt fémlemezre. A töltéssel bíró folyadékáram instabil ostorozó mozgást végez, aminek következtében a sugár meghosszabbodik és elvékonyodik, miközben megszilárdul (lehűl ill. elpárolog belőle az oldószer). Vastagsága a 3 nm és 1 μm közötti tartományban áll be. Folytonos nanoszál (filament) úgy lenne készíthető, ha a polimerfolyadék-sugár nem szakadna meg.

Jóllehet az elektromos szálképzés már évtizedek óta ismert eljárás, és nanoszálakat – jelenlegi ismereteink szerint – csakis ezzel a módszerrel lehet előállítani, a kivitelezés gyakorlati lehetősége még mindig meglehetősen korlátozott. Nem minden polimer alkalmas arra, hogy belőle nanoszálakat lehessen húzni, és a siker nagy mértékben függ a polimerkoncentrációtól (a polimer és az oldószer arányától). Nagyon kevés ismeretünk van egyelőre arról, hogy hogyan lehet befolyásolni a polimersugár és ezzel a nanoszál vastagságát és annak egyenletességét. Az erre vonatkozó kutatások azt mutatták, hogy ebben főleg a töltés nagysága, a polimerkoncentráció és az oldat hőmérséklete játssza a főszerepet.

Egyelőre nanoszálakból csak nemszőtt kelméket állítanak elő, amelyekben véletlenszerű a nanoszálak elhelyezkedése.^[3]) A sűrűn, egy vonalban elhelyezett elektromos szálképző fejek alkotják a nanoszálas nemszőtt kelmét előállító berendezést (Nanospider)^[4]

Egy másik lehetőség a nanoszálak előállítására az ún. „szigetek a tengerben” elven készült bikomponens szálakon alapul (az ábrán ez a c) változat).^[5] A szálképzéskor olyan szálhúzó fejet alkalmaznak, amelynek apró nyílásaiból egyidejűleg kétféle anyag jön ki: a később kioldható mátrix (ez a „tenger”), és a belsejében elhelyezkedő, valamilyen szintetikus polimerből készült (poliészter, poliamid, polipropilén stb.) „szigetek”. Így, amikor a befoglaló mátrixot kioldják, a fennmaradó „szigetek” mint nanoszálak jelennek meg. Az utóbbiak átmérője 300 nm körül van, de készítettek ezzel a módszerrel olyan bikomponens szálat is, amelyben több mint 600 „sziget” helyezkedett el és ezekből egyenként 50 nm átmérőjű nanoszál keletkezett.^[5] Ezzel az eljárással finomabb és egyenletesebb vastagságú nanoszálakat lehet előállítani, mint az elektromos szálképzéssel.

Ugyancsak a bikomponens szálak elvén készülnek nanoszálak oly módon, hogy az egyik komponens a szál keresztmetszetében csillag alakot mutat, a másik komponens pedig a csillag szárai között helyezkedik el (d) változat).^[5] A csillag alakú keresztmetszettel rendelkező komponens itt is oldással eltávolítható és a megmaradó másik komponens külön-külön szálakká esik szét, amelyek vastagsága ebben az esetben is a nanométeres tartományba esik.

Cellulózból (azaz természetes polimerből) is előállítható nanoszál. Erre példa a lyocell szál, amelynek fibrilláiból 50–500 nm vastagságú nanoszálak nyerhetők.^[6][7]

A gyakorlatban alkalmazott nanoszálak vastagsága a 200–800 nm közötti tartományban van, általában 500 nm körüli.^[8]

A nanoszálakat ez idő szerint főként nemszőtt kelmék készítésére használják, ahol a szálak elhelyezkedése véletlenszerű. Ez az alkalmazás azonban viszonylag korlátozott. A nanoszálak jelentősége igen nagy mértékben megnőne, ha sikerülne folytonos szálakat (filamenteket) előállítani.

Amikor a polimer szálasanyag átmérője a mikrométeres nagyságrendről a nanométeres nagyságrendre zsugorodik, számos jellemzője megváltozik. Ezek közül kettőnek van igen nagy jelentősége: 1) felülete nagymértékben megnő a térfogatához képest, és 2) merevsége és szakítószilárdsága nagyobb lesz, mint bármelyik másik ismert szálé. Ezek a figyelemreméltó tulajdonságok teszik a nanoszálakat különösen alkalmassá különféle felhasználásokra.

A nanoszálak szakítószilárdsága nagyobb, mint a mikroszálaké.^{[Jegyz. 1]} A tömegükhöz képest különlegesen nagy húzóellenállást tanúsító szálak halmaza a kelme szerkezetében nagyszámú parányi (néhány nanométer méretű) pórust tartalmaz. Ezeken a levegő és a vízmolekulák áthatolhatnak, de például a mikroorganizmusok már nem férnek át. Ez alkalmassá teszi ezeket a kelméket nagy hatású szűrők készítésére. A nanoszálakból készült textília igen nagy szálfelülete alkalmas fontos vegyületek optimális elhelyezésére, például kötszerek esetében a szálakra rakódott ellenanyagok azonnal elpusztíthatják a rabul ejtett baktériumokat, vagy a sebgyógyulást segítő készítmények hatásosan elállíthatják a vérzést és serkenthetik a hámosodást. A nanoszálakból készült, a vírusokra nézve káros tulajdonságú ezüstadalékokkal kiegészített maszkok is előnyösen alkalmazhatók a kórokozók elleni küzdelemben is. A biológiailag lebontható polimerekből készült nanoszálak lehetővé teszik olyan implantátumok készítését, amit nem kell utólag eltávolítani a testből, ugyanakkor jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint az e célra ma használatos szokványos anyagok.

A polimer nanoszálak lehetséges és fejlesztés alatt álló alkalmazásai:^[8]

Gyógyászat:

• gyógyszer bevitelére alkalmas hordozók^[9]
• vérzéscsillapító eszközök
• kötszerek
• félig áteresztő hártyák (porózus membránok) a bőrgyógyászat számára
• mesterséges véredények
• térbeli tartószerkezetek a csontok megtámasztására

Szűrők:

• folyadékszűrők
• gázszűrők
• molekulaszűrők

Kozmetikai eszközök:

• bőrtisztítók
• bőrmelegítők
• gyógyszerrel telített bőrgyógyászati eszközök

Védőruhák:

• légzáró öltözékek
• aerosolok elleni védőruhák
• gázvédő és biokémiai védőöltözékek

Nanoszenzorok:

• hőérzékelők
• piezoelektromos érzékelők
• biokémiai érzékelők
• fluoreszcenciás optikai vegyszerérzékelők

Egyéb ipari alkalmazások:

• mikro-/nanoméretű elektronikus eszközök
• elektrosztatikus töltést szétoszlató eszközök
• elektromágneses sugárzás elleni árnyékoló eszközök
• LCD eszközök
• ultrakönnyű űrhajó-felszerelések
• nagy hatású katalizátorok

Egyes kutatások szerint a nanoszálak és azok törmelékeinek belélegzése az azbeszthez hasonló egészségkárosító hatású. Egereken végzett kísérletek szerint az 5 ezredmilliméter hosszúságú ezüst nanoszálak légzési problémákat okoztak, ugyanakkor az ezeknél rövidebb nikkel-nanoszálak és szén-nanocsövek esetében ilyen hatás nem lépett fel. Ebből arra következtetnek, hogy a rövidebb nanoszál-részecskék kevésbé károsak, a veszély inkább a hosszabb szálaknak a tüdőben való lerakódása esetében áll fenn.^[10] Az ilyen irányú kísérletek és a nanoszálak belélegzésével járó egészségkárosító hatás részletes vizsgálatai tovább folynak.

1. ↑ Mikroszálaknak a textiliparban az elvileg 1, gyakorlatilag az 1,3 dtex-nél nem vastagabb szálakat nevezik.

• A magyar textil- és ruhaipar kutatás-fejlesztési és innovációs stratégiája. Textilipari Műszaki és Tudományos Egyesület, 2009
• Top 5 Reasons a Nanofiber Performance Layer Filter is Worth It

• Nanotechnológia a textiliparban