Nanovlákenná membrána do oken: řešení pro čistý vzduch v interiéru

4. května 2017

Partneři sekce:

Zatímco odborníci na kvalitu životního prostředí často diskutují o smogu v ulicích, znečištěný vzduch v interiéru patří k opomíjeným tématům. A to i přesto, že dle statistik ročně stojí život až 4,3 miliónu lidí a mnoha dalším způsobí zdravotní komplikace. Zdravé větrání i za smogových situací donedávna znamenalo takřka neřešitelný problém.

Smog: nebezpečí nejen na ulici

Znečištění venkovního ovzduší pevnými částicemi, jejichž zdrojem je lokální vytápění nekvalitními topivy, těžký průmysl a automobilový provoz, se v 21. století týká stále většího počtu lidí. Donedávna jsme o smogových situacích slýchali především v souvislosti se zeměmi jihovýchodní Asie v čele s čínskými velkoměsty. Avšak letos v zimě zasáhla smogová kalamita taktéž Českou republiku, a ještě ve větší míře sousední Polsko.

Varování před smogem se dotklo téměř všech českých a moravských krajů, přičemž za smogovou situaci se považuje stav, kdy dvanáctihodinový průměr koncentrace polétavých částic PM10 (pevné částice o průměru 10 mikrometrů) překročí hranici 100 mikrogramů na metr krychlový.

O nebezpečí pobytu – a zejména aktivního pohybu – v takových podmínkách není pochyb. Vdechování smogu, sazí a popela v krátkodobém horizontu vyvolává nevolnost, bolesti hlavy a zvracení, při dlouhodobé expozici prokazatelně přispívá ke vzniku rakoviny, leukémie, selhání plic či zánětům kůže. Způsobuje též poškození nervů, jater a žaludku. Jedním z nejčastějších doporučení, jak se znečištěnému vzduchu vyhnout, je nevycházet ven a uzavřít se v interiéru.

Ovšem ani v místnosti nelze udržet čerstvý vzduch bez větrání. A výzkumy ukazují, že znečištěné prostředí v interiéru je pro lidský organismus podobně nebezpečné jako smog venku. Světová zdravotnická organizace WHO (World Health Organization) kupříkladu uvádí, že v nedostatečně větraných domácnostech může koncentrace jemných částic překračovat bezpečné limity až stonásobně.

Dle odhadů v důsledku vdechování znečištěného vzduchu v domě či bytě zemře každý rok asi 4,3 milionu lidí. Ne náhodou tak WHO klasifikovala jemný prach jako karcinogen kategorie 1.

Foto nanovláken z elektronového mikroskopu – zvětšeno 600x

Běžné sítě do oken nestačí

Problém kvality vzduchu doma či v kanceláři se přitom jeví jako ještě důležitější než znečištěné ovzduší venku, neboť – například dle výzkumu University od Cyprus z roku 2015 – lidé žijící ve městech tráví v interiéru každý den v průměru 85 % času. Od vlastního bytu přes kancelář, nákupní centra, podzemní garáže či restaurace. Mnoho domácností i firem volí při smogové situaci zdánlivě rozumné řešení – krátké a intenzivní větrání.

Avšak už za několik minut může koncentrace částic smogu v interiéru řádově narůst a po zavření oken ohrožovat lidské zdraví. Jako logické řešení se jeví instalovat do oken, jimiž se větrá, síť zachycující nebezpečné částice, která by i při delším větrání interiér ochránila před průnikem smogu a prachu. Taková membrána by všem musela splňovat dvě základní kritéria:

disponovat tak malými póry, aby smogové částice zadržela,
zachovat si přitom dostatečnou prodyšnost, aby docházelo ke komfortní výměně vzduchu mezi vnějším a vnitřním prostředím.

Detail membrány

Jak zastavit ultrajemné částice

Produkt fungující na uvedeném principu si lze představit podobně jako síť proti hmyzu. Pro oka těchto běžných sítí výrobci volí takový průměr, aby jimi drtivá většina druhů hmyzu vyskytujícího se v dané lokalitě nepronikla. Při snaze zachytit částice smogu ale nastává zjevná potíž – s jejich velikostí, či spíše „malostí“. Platí totiž nepřímá úměra: čím menší částice, tím větší nebezpečí pro lidské zdraví. Ultrajemné částečky prachu pronikají nejhlouběji do plic a usazují se trvale v plicních sklípcích.

Nejmenší částice pak dokonce dokáží penetrovat skrze cévní stěny do krevního oběhu. Avšak zatímco oka v síti proti hmyzu zpravidla mají průměr 500 – 600 mikrometrů, částice jemného prachu dosahují průměru jen 10 mikrometrů (PM10) a nejnebezpečnější ultrajemný prach má průměr menší než 2,5 mikrometru (PM2,5). Ještě drobnější pak jsou částice tvořící majoritní část výfukových zplodin – asi 1 mikrometr (PM1,0).

Nanovlákno: proti smogu, prachu i pylu

Je zjevné, že síť proti hmyzu s póry o jeden až dva řády většími než škodliviny nemůže být schopna interiér proti smogu ochránit. Ve snaze poskytnout osobám v domácnostech a kancelářích alespoň nějakou ochranu během větrání přicházejí výrobci sítí či stínicích zařízení s tzv. protipylovými (anti-pollen) sítěmi. Velikost pórů u těchto produktů je již dimenzována tak, aby zachytila běžná pylová zrna o velikosti cca od 10 do 100 mikrometrů. Pro osoby alergické na pyl jde o výrazný posun k lepšímu, avšak proti smogu toto řešení stále nedostačuje.

Běžné technologie a materiály ovšem velikost pórů dále zmenšovat nedovolují. Proto řádovou kvalitativní změnu umožnil v posledních letech až rozvoj nanovlákennných technologií. Membrána do oken (hovořit zde o „síti“ již de facto nevystihuje vlastnosti produktu) RESPILON AIR® vytvořená z nanovláken totiž disponuje póry o průměru 1 mikrometru, díky čemuž nebezpečné jemné částice spolehlivě zastavuje. A současně samozřejmě i ty větší, včetně pylových zrn.

Schéma třívrstvého sendviče – nanovlákenná membrána

Jak funguje nanovlákno

Pro pochopení funkčnosti nanovlákenné membrány je nezbytné nejprve vysvětlit samotný pojem nanovlákno a jeho vlastnosti. Jedná se o extrémně tenké vlákno o průměru menším než 500 nanometrů (tedy 0,5 mikrometru). Pro srovnání, nejjemnější ovčí vlna je asi padesátkrát silnější než nanovlákno a běžný lidský vlas dokonce tisíckrát.

Vlákno o nanoprůměru se přitom dá vyrábět z různých polymerů – například polyamidů či polyvinylidenfluoridu – v závislosti na tom, k čemu má výsledný materiál sloužit. Kromě antismogové membrány do oken může jít například o nanovlákenný filtr pro chirurgické ústenky.

Ve srovnání s ostatními textiliemi a membránami se nanovlákna vyznačují řádově kvalitnějšími filtračními schopnostmi. Základ nanovlákenné filtrace tvoří mechanický záchyt – drtivá většina škodlivých částic má větší průměr než póry v membráně. Nanovlákna jsou ovšem schopna zachytit i částice či mikroorganismy menší, než je průměr póru. A to díky náboji, jenž membrána získává během výroby metodou elektrostatického zvlákňování (tzv. electrospinningu).

Částice, jež se membrány dotknou, jsou k nanovláknu přitažlivou silou přichyceny a neproniknou do interiéru. Kromě pylu, prachu či smogu tak membrána RESPILON AIR® napnutá v okně zachytí kupříkladu i většinu bakterií (viz infografika). Molekuly plynů tvořících vzduch naopak mají takovou velikost, že skrz póry v membráně bez problémů proniknou, což v praxi – zejména při proudění vzduchu vyvolaném průvanem – přináší více než dostatečnou prodyšnost.

Účinnost prokázaná testy

Filtrační vlastnosti produktu RESPILON AIR® prověřilo mj. nezávislé testování na brněnském Strojírenském zkušebním ústavu. Měření provedli odborníci ze zkušebny tepelných a ekologických zařízení prostřednictvím testovací lavice složené z anemometru, měřiče tlaku a čítače částic. Výsledky testu prokázaly, že i ve srovnání s nejlepšími protipylovými sítěmi vykazuje nanovlákenná membrána několikanásobně vyšší účinnost (viz tabulka).

Zátěžové porovnávací testy

Protismogová membrána podstoupila též zátěžové porovnávací testy. V prostředí s konstantní koncentrací smogových částic byly v oknech po dobu jednoho měsíce v tutéž dobu nainstalovány tyto produkty: RESPILON AIR®, dvojice protipylových membrán a běžná hliníková síť proti hmyzu. Po uplynutí 30 dnů prošly testované vzorky porovnáním pod mikroskopem.

Zatímco běžná síť a protipylové výrobky nevykazovaly takřka žádné zachycené částice (tzn., že téměř veškerý smog pronikl skrz ně), snímek nanovlákenné membrány z mikroskopu ukazuje množství zachycených prachových částic. Z tohoto výsledku vyplývá i další přínos nanovlákenné membrány – díky záchytu prachu z vnějšího prostředí se v interiéru nehromadí nečistoty, což snižuje nároky na četnost i intenzitu úklidu těchto prostor.

Hromadění částic zachycených membránou přitom neznamená nižší životnost. RESPILON AIR® má podobu třívrstvého sendviče, kdy nanovlákno z vnější strany (namířené do exteriéru) chrání prodyšná síť z polypropylenu, zatímco z vnitřní strany (namířené do interiéru) vrstva z polyesteru.

Společně jde o velmi odolný kompozit, stabilní vůči UV záření i mechanickému namáhání. V oblastech s intenzivním slunečním zářením plní nanovlákenná membrána v oknech též stínicí funkci, větrat s ní lze i při dešti – voda po kompozitu stéká a neproniká do interiéru.

Pevnost membrány v ploše dále zvyšuje ultrasonické svařování. Uvedené vlastnosti umožňují uživatelům produkt po zanesení smogovými částicemi čistit nekomplikovanými metodami – kupříkladu opatrným omytím ve vlažné vodě (ponořením vyjímatelného rámu s vypnutou membránou do vany nebo postříkáním zahradní hadicí). Celková životnost nanovlákenné membrány pak závisí především na znečištění konkrétního prostředí, v němž je používána. V podmínkách střední Evropy se zpravidla jedná o tři roky.



Srovnání účinnosti čtyř sítí po 30 dnech, foto z mikroskopu a) běžná síť proti hmyzu, b) protipylová síť č. 1, c) protipylová šíť č. 2, d) nanovlákenná membrána se zachyceným smogem

Řešení pro nejohroženější skupiny

Nanovlákenná membrána do oken RESPILON AIR® díky záchytu nebezpečných částic představuje účinnou ochranu zdraví a prevenci vzniku mnoha chorob. Lékaři doporučují její užívaní zejména rodinám s malými dětmi, seniorům, alergikům a astmatikům, těhotným ženám či osobám s oslabenou imunitou – například po absolvování chemoterapie.

V oblastech s častým výskytem smogových situací jde o řešení vhodné pro kteroukoliv domácnost či kancelář. Další informace k nanovláknům i membráně do oken lze nalézt na webových stránkách www.respilon.com a www.respilon.cz.

Srovnání záchytu

Dlouhá cesta k výrobě

Vytvořit větší množství nanovlákna není snadné. Svědčí o tom dlouhá doba, která uplynula od prvních pokusů do zahájení průmyslové produkce. Vědci už v 17. století předpokládali, že teoreticky lze vyrobit velmi tenká vlákna s vlastnostmi, o kterých se jim dosud ani nesnilo. Avšak netušili, jak na to.

Nanovlákenná membrána – pohled zevnitř

Nejstarší laboratorní experimenty v této oblasti bývají připisovány siru Charlesi V. Boysovi, jenž v 80. letech 19. století stvořil první nanovlákna víceméně náhodou. Posun přinesla v letech 1934 – 1944 práce Antona Formhalse, který se zaměřil na tvorbu polymerových vláken pomocí elektrostatické síly.

Laboratoře po celém světě bádaly dále a časem se nejrůznějšími zvlákňovacími metodami naučily vytvářet malé množství přelomového materiálu. Prolomit tajemství masovější výroby se ale dlouho nedařilo. Uspěl až tým profesora Oldřicha Jirsáka z Technické univerzity v Liberci. Mezinárodně uznávaný expert na textilie v roce 2003 se svým týmem vyvinul tzv. electrospinning – patentovanou metodu elektrostatického zvlákňování.