Electrospinning - Technologie und Möglichkeiten -

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Alwin Ziegler
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1 Dipl.-Ing. Chem. (FH) Johanna Spranger (STFI e.v.) Dipl.- Ing. Andy Schuffenhauer (Norafin Industries (Germany) GmbH)

2 1. Historie 2. Electrospinning Arten Zentrifugenspinnen Nozzle Electrospinning Nozzle-less Electrospinning 3. Vorstellung Nanospider NS LAB 500 Technische Daten Verspinnbare Polymere Wichtige Einflussgrößen 4. Potentielle Anwendungsgebiete

3 1. Historie 1902 Prozess des Electrospinnens von John F. Cooley patentiert 1934 Zahlreiche Patente von A. Formhals (U.S. Patent ) (U.S. Patent 2,349,950) für die Herstellung textiler Garne 1990 s Wiederbelebung des Interesses am Elektrospinnen, mehrere Forscher zeigten, dass viele org. Polymere verspinnbar sind 2000 s Einige Firmen beabsichtigen elektrogesponnene Materialien zu vermarkten 2005 Elmarco kommerzialisiert die erste Elektrospinnausrüstung

4 Zentrifugentechnologie Pilotanlage mit 1 m Arbeitsbreite 3 Spinnköpfe; U/min; 20 m/min Faserdurchmesser ca. 80 nm bis 500 nm Flächenmasse 0,1 g/m² bis 30 g/m² je Passage Nicht wasserlösliche Polymere wie Polyamide, PAN, PES, PVA, PUR, m/p-aramide 2. Electrospinning Arten

5 Nozzle Electrospinning Spinndüse / Nadel / Pipette verbunden mit einem HV- Netzteil Polymerlösung oder Schmelze wird konstant aus der Nadelspitze gefördert und am Kollektor abgelegt Höherer Durchsatz durch Verwendung einer Düsenreihe

Nozzle-less Electrospinning Polymermoleküle in spezifischem Lösungsmittel gelöst Anlegen von Hochspannung zwischen zwei Elektroden Polymerlösung wird aufgeladenen

6 Nozzle-less Electrospinning Polymermoleküle in spezifischem Lösungsmittel gelöst Anlegen von Hochspannung zwischen zwei Elektroden Polymerlösung wird aufgeladenen Elektrostatische Kräfte überwinden die Oberflächenspannung Am kritischen Punkt bricht aus der Oberfläche ein geladener Flüssigkeitsstrom Nanofasern legen sich auf Substrat ab Quelle:Elmarco

7 3.Vorstellung des Nanospider NS LAB 500

8 Technische Daten NS LAB 500 Zahl der Spinnelektroden 1 Spinnelektroden Breite Max. Breite des Substrats Liniengeschwindigkeit Elektrodendrehzahl Füllmenge Laufzeit pro Füllung Hochspannung Elektrodenabstand Externe Belüftung 500 mm 600 mm 0,13-1,5 m / min 1-16 U/ min ml bis zu 20 min bis 80 kv mm 150 m³ / h

9 Verspinnbare Polymere Organische Anorganische Metallische Biopolymere PA6 TiO2 Pt Gelatine PA6/12 SiO2 Cu Chitosan PAI (Polyamidimid) Al2O3 Mn Collagen PAA (Polyaramid) ZnO PLA (Polymilchsäure) PUR (Polyurethan) Li4Ti5O12 PCL (Polycaprolactam) PES (Polyethersulfon) ZrO2 PVA (Polyvinylalkohol) PAN (Polyacrylnitril) PEO (Polyethylenoxid) PS (Polystyrol) PVDF (Polyvinylidenfluorid)

10 Prozessvariablen Spinnlösung Substrat Equipment Parameter Umgebung Polymerart Material Feldstärke Temperatur Lösungsmittel Zusammensetzung Elektrodenabstand Luftfeuchte Viskosität Dicke Lösungsdurchsatz Luftstrom Konzentration Struktur Substratgeschwindigkeit Oberflächenspannung Leitfähigkeit Flüchtigkeit Additive Leitfähigkeit Veredlung Elektrodendrehzahl

11 Verwendbare Elektroden

12 Video

13 grundlegende Anforderungen an die Spinnlösung: Typische Polymerkonzentration: 5-25 % Oberflächenspannung: Dynamische Viskosität: Leitfähigkeit: < 0,05 N/m mpa*s 0,01 µs/cm - 10 ms/cm

14 Abhängigkeit der Faserfeinheit von der Lösungskonzentration Lösungskonzentration (wt %)

15 Abhängigkeit der Bedeckung von der Lösungskonzentration Nanofaserdeckung (m 2 ) Konzentration/Viskostät

16 Einfluss der relativen Luftfeuchte Faserdurchmesser Durchsatz / anwendbare Feldstärke Porengrößenverteilung Anlösen der Fasern (wasserlösl. Polymere, PVA) Wet spots (wasserlösl. Polymere, PVA) Electrospinning (einige Polymerlösungen bilden im elektr. Feld erst Fasern unter einem bestimmten RF Wert aus) Die Bedeutung der RF ist nicht für alle Polymere gleich, da sie nicht alle die gleichen triboelektrischen Eigenschaften und Hydrophilie / Hydrophobie aufweisen

17 Auswirkungen der RF Polymer RF RT Auswirkung PA * PVDF 20 50* PAN/PES Faserdruchmesser werden mit steigender RF kleiner Faserdurchmesser werden mit steigender RF größer Über 30% RF kein Electrospinning möglich, keine Faserausbildung In der Regel sind 60% RF obere Grenze für viele Polymere

18 PA6 auf Aramid PAN auf Aramid/Viskose

19 PA6 auf Kermel PVA auf PET

20 5000x PVA auf feuchtem Substrat 5000x PVA auf trocknem Substrat

21 Eigenschaften eines PA6 Nanofaservlieses auf Filterpapiersubstrat Polymer Mittlere Faserdurchmesser ca. Flächengewicht Druckverlust (5m/min flow speed) 12% PA6 100 ± 50 nm 0,08-0,1 g/m² 130 Pa Abscheidegrad (0,3 mm NaCl) 82%

22 PA6 5000x PA x Feinheitsmessung an 30 Fasern ø 100nm

23 Vergleich der Spinntechnologien Spinnvlies Meltblown Elektrospinnen Faserdurchmesser nm nm nm Polymerdurchsatz cm³/(h*m) cm³/(h*m) 1 cm³/(h*m)

24 NanospiderTM Produktionslinie NS 8S1600U Anzahl der Spinning-Einheiten: 2 Anzahl der Spinnköpfen: 8 Arbeitsbreite: 1,6 m Liniengeschwindigkeit: bis 20 m/min Faserdurchmesser: 50 nm bis 150 nm Flächenmasse: 0,03 g/m² Quelle:Elmarco

25 4. Potentielle Anwendungsgebiete Akkustikvliesstoff Filtermedien Schutzbekleidung Medizintextilien Tissue Engineering Membranen

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Sächsisches Textil- Telefon: forschungsinstitut e.v. Telefax: Postfach D Chemnitz Geschäftsführender Direktor: Dipl.-Ing.-Ök. Andreas Berthel stfi@stfi.de Internet:

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