DE10106913A1 - Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren zum Erhalt von Nano- und/oder Mikrofasern II - Google Patents
Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren zum Erhalt von Nano- und/oder Mikrofasern IIInfo
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren und zum Erhalt von Nano- und/oder Mikrofasern, wobei einer zu verspinnenden Polymerschmelze oder Polymerlösung vor dem Verspinnen wenigstens eine Substanz zur Veränderung der Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder Polymerlösung zur Steuerung des Faserdurchmessers der herzustellenden Nano- und/oder Mikrofasern und des Polymerdurchsatzes zugegeben wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrostatischen Spinnen
von Polymeren zum Erhalt von Nano- und/oder Mikrofasern. Bei einem derartigen,
grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird ein Polymer
in Form einer Polymerschmelze oder in Form einer Lösung in ein elektrisches Feld
eingerbacht und durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes zu Fasern
versponnen. Eine Elektrode bildet dabei gewöhnlich eine Aufnahmeeinrichtung für
die versponnenen Fasern, während die Gegenelektrode häufig als Spritzdüse
ausgelegt ist. Die letztgenannte Elektrode kann jedoch auch als ein mit einem
bestimmten Potential aufladbares und erwärmbares Förderband ausgebildet sein,
um feste Polymere in eine Schmelze zu überführen und aus dieser Schmelze
Fasern zu verspinnen.
Als Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden
Faserprodukts aus einer Polymerschmelze ist z. B. das US-Patent 4,230,650 zu
nennen.
Weiterhin können z. B. schlauchförmige Produkte in einem elektrostatischen
Spinnverfahren hergestellt werden, die sich z. B. auch als Gefäßersatz eignen. Ein
derartiges Verfahren ist Gegenstand der US 4,323,525.
Ein weiterer Anmeldungsbereich ist z. B. die Herstellung von Filtermedien, wobei
die erzeugten Nano- und/oder Mikrofasern im allgemeinen nicht isoliert, sondern
gleich als Vlies abgelegt werden. Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus der US 4,144,553
bekannt.
Bisher wurde allgemein davon ausgegangen, daß die zu verspinnende
Polymerlösung oder Polymerschmelze grundsätzlich nur eine Viskosität aufweisen
muß, die einerseits ein Verspinnen ermöglicht und andererseits für eine
gleichmäßige Verteilung der Lösung oder der Schmelze in der Vorrichtung sorgt,
wie es z. B. in der US 4,144,553 beschrieben ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zumindest ein weiteres Verfahren zum
elektrostatischen Spinnen von Polymeren zum Erhalt von Nano- und/oder
Mikrofasern anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses
Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die Viskosität der zu
verspinnenden Polymerlösung bzw. Polymerschmelze und deren
Oberflächenspannung der auf sie im elektrostatischen Feld wirkenden Kraft
entgegenwirken. Nur wenn die elektrische Kraft die Oberflächenspannung
überwindet, können Fäden aus der Lösung oder der Schmelze gezogen werden.
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß sich die Oberflächenspannung
von zu verspinnenden Polymerlösungen oder Polymerschmelzen gezielt durch die
Zugabe zusätzlicher Substanzen verändern und hierdurch der Faserdurchmesser
der herzustellenden Nano- und/oder Mikrofasern und der Polymerdurchsatz des
Verfahrens steuern läßt.
Hierbei läßt sich die Oberflächenspannung z. B. durch Tenside regeln,
insbesondere herabsetzen. Eine besonders starke Reduktion der
Oberflächenspannung ist mit teil- oder perfluorierten Tensiden möglich, wie z. B.
perfluorierten Alkoholen, Alkansäuren und dergl.. Selbstverständlich sind auch
kommerziell erhältliche Produkte wie Bayowet® und Fluowet OTN® hierfür
geeignet. Auch der Zusatz von polaren oder unpolaren Lösungsmitteln oder von
thermoplastischen Polymeren zu der Polymerlösung oder Polymerschmelze ist zur
Steuerung der Oberflächenspannung möglich. Da die Oberflächenspannung
unmittelbaren Einfluß auf den Faserdurchmesser der herzustellenden Nano-
und/oder Mikrofasern besitzt, weil der Faserdurchmesser mit der Zunahme der
Oberflächenspannung der Polymerlösung oder Polymerschmelze abnimmt.
Als Beispiel ist z. B. eine unpolare Lösung die von Polystyrol in Dichlormethan zu
nennen, deren Oberflächenspannung durch einen geeigneten Zusatz, wie z. B.
eines polaren Lösungsmittels mit einer hohen Oberflächenspannung, wie DMF,
Alkohol, Fettsäuren und dergl., erhöht werden kann. Hierdurch läßt sich durch eine
entsprechende Dosierung einer solchen Substanz zur Veränderung der
Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder Polymerlösung der
Faserdurchmesser und auch der Polymerdurchsatz wirkungsvoll steuern. Der
größte Effekt zeigt sich dabei bei Lösungen mit sehr hoher Oberflächenspannung,
wie z. B. bei Polyamid in Ameisensäure, Polyvinylalkohol in Wasser und
Polyacrylnitril in Dimethylformamid.
Im Bereich der Polymerschmelzen läßt sich eine Variation der
Oberflächenspannung durch Zumischen anderer Polymere zu der Schmelze
erzielen, was bei Lösungen meist an der Inkompatibilität der Polymere mit dem
Lösungsgemisch scheitert. Um nur ein Beispiel zu nennen, können z. B.
Polystyrolschmelzen genannt werden, deren Oberflächenspannung sich durch
Zumischen von Nylon erhöht werden kann. Umgekehrt gilt entsprechend, daß das
Zumischen von Polystyrol zu Nylonschmelzen zu einer Erniedrigung der
Oberflächenspannung führt, wodurch ein größerer Polymerdurchsatz und größere
Faserdurchmesser realisierbar sind.
Selbstverständlich kann der Polymerlösung oder der Polymerschmelze auch eine
Mischung aus zwei oder mehreren Substanzen zur Veränderung der
Oberflächenspannung zugegeben werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die
wenigstens eine Substanz der Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder
Polymerlösung in einer Menge von 0,001 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die
Polymerschmelze oder Polymerlösung, zugegeben, insbesondere in einer Menge
von 0,01 bis 20 Gew.-%. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß eine Zugabe
unterhalb von 0,001 Gew.-% der Polymerlösung oder Polymerschmelze einen
kaum wahrnehmbaren Einfluß hinsichtlich der Veränderung der
Oberflächenspannung hat und dadurch auch nicht zur Steuerung des
Faserdurchmessers und des Polymerdurchsatzes beitragen kann. Bei einem
Anteil von mehr als 30 Gew.-% der Polymerlösung oder Polymerschmelze können
sich Nachteile auf die Faserbildung ergeben, was die Qualität der Fasern
beeinträchtigen kann.
Bevorzugt werden Tenside, insbesondere teil- oder perfluorierte Tenside, polare
oder unpolare Lösungsmittel oder thermoplastische Polymere einzeln oder in
Kombination von zwei oder mehreren als Substanz zur Veränderung der
Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder Polymerlösung verwenden,
wobei auch beliebige andere Substanzen Verwendung finden können, die zur
Veränderung der Oberflächenspannung der Lösung oder Schmelze dienen
können ohne die Eigenschaften der in dem elektrostatischen Spinnverfahren
hergestellten Nano- und/oder Mikrofasern nachteilig zu beeinflussen.
Als besondere Beispiele für teil- oder perfluorierte Verbindungen, die als Tenside
eingesetzt werden können sind insbesondere Trifluoressigsäure,
Perfluorpropionsäure, Pentafluorbenzoesäure, Perfluoroctansäure, Trifluorethanol,
Hexafluorpropanol, Heptafluorbutanol und Octafluorpentanol zu nennen, wobei die
Erfindung nicht auf den Einsatz dieser Verbindungen beschränkt ist.
Obwohl grundsätzlich alle in einem elektrischen Spinnverfahren verarbeitbaren
Polymere zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind, ist es
jedoch bevorzugt, wenn die Polymerschmelze oder Polymerlösung Polyacrylnitril,
Polyvinylalkohol, Polyamid, Polystyrol, Polycarbonat, Polymethyl(meth)acrylat,
Polyethersulfon, Polylactide, Cellulosetriacetat und/oder Polyvinylchlorid einzeln
oder in Kombination von wenigstens zwei der genannten Polymere enthält.
Außer den vorgenannten Polymeren sind als wasserlösliche Polymere bspw.
Polyvinylpyrrolidin, Polyethylenoxid und dessen Copolymere, Cellulosederivate,
Stärke sowie Mischungen dieser Polymere als besondere Beispiele zum Einsatz in
dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erwähnen. Als Beispiele für in organischen
Lösungsmittel lösliche Polymere können weiterhin Polyacrylat, Poly(meth)acrylat,
Polyvinylacetat, Polyvinylacetal, Polyvinylether, Polyurethan, Polyamid,
Polysulfon, Polyethersulfon, Cellulosederivate sowie Mischungen dieser Polymere
genannt werden.
Aus der Schmelze sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren z. B. Polyolefine,
Polyester, Polyoxymethylen, Polychlortrifluorethylen, Polyphenylensulfid,
Polyaryletherketon, Polyvinylidenfluorid sowie Mischungen dieser Polymere
verspinnbar.
Allgemein erfolgt das Verspinnen von Polymeren, egal ob aus Lösung oder aus
der Schmelze, bei einer Potentialdifferenz im Bereich von 5 kV bis 1000 kV,
bevorzugt in einem Feld von 10 kV bis 100 kV und am stärksten bevorzugt in
einem Feld von 10 kV bis 50 kV.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben, die ausschließlich der näheren Erläuterung der Erfindung dienen und
nicht zu deren Beschränkung.
Die nachfolgenden Beispiele wurden auf einer Laboranlage gefahren, bei der die
Polymerlösungen sehr langsam aus einer 5 ml Kolbenspritze durch eine
Stahlnadel gedrückt wird. Die Hochspannung von ca. 30 bis 60 kV liegt zum einen
an der Stahlnadel und zum anderen an der ca. 25 cm entfernten Gegenelektrode.
Einer 7% Polyvinylalkohollösung wird 1 g/l Tensid (Bayowet®) zugesetzt. Bei
einer Potentialdifferenz von 37 kV werden Fasern mit einem Durchmesser von 200
bis 1500 nm erhalten, deren Maximum bei ca. 600 nm liegt. Dies erfolgt bei einem
Durchsatz von 3,3 ml Polymerlösung/Std..
Einer 7% Polyvinylalkohollösung wird 1 g/l, 2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluorpentanol als
Tensid zugesetzt. Bei einer Spannung von 35 kV werden Fasern mit einem
Durchmesser von ca. 200 bis 1500 nm, Maximum bei ca. 600 nm bei einem
deutlich erhöhten Durchsatz von 8 ml Polymerlösung/Std. dargestellt werden.
Zu 10-%igen Polyamidlösungen in Ameisensäure wird bei einer Potentialdifferenz
von 60 kV und einem Abstand Düse-Gegenelektrode von 25 cm durch Zusatz von
Alkansäuren, insbesondere von Octansäuren, die Flußrate von 1,5 auf 3 mm/Std.
gesteigert.
Eine 7-%ige Polyvinylalkohollösung (Moviol 56/98 ® von Clariant) in Wasser kann
nach dem Stand der Technik mit einer Nadeldüse bei 50 kV Potentialdifferenz mit
einem Abstand Düse-Gegenelektrode von 25 cm mit einer Flußrate von 1,5 ml
Polymerlösung/Std. versponnen werden. Erhöht man die Flußrate über 1,5 ml/Std.
so tropft die meiste Polymerlösung einfach von der Nadel ab.
Bei den in den Beispielen 1 bis 2, und Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel) eingesetzten
Polyvinylalkohollösungen handelt es sich jeweils um Moviol 56/98 ® von Clariant,
das in einer wässrigen Lösung eingesetzt wurde.
Claims (6)
1. Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren zum Erhalt
von Nano- und/oder Mikrofasern,
dadurch gekennzeichnet,
daß einer zu verspinnenden Polymerschmelze oder Polymerlösung vor
dem Verspinnen wenigstens eine Substanz zur Veränderung der
Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder Polymerlösung zur
Steuerung des Faserdurchmessers der herzustellenden Nano-
und/oder Mikrofasern und des Polymerdurchsatzes zugegeben wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Substanz zur Veränderung der Oberflächenspannung der
Polymerschmelze oder Polymerlösung in einer Menge von 0,001 bis 30 Gew.-%,
bezogen auf die Polymerschmelze oder Polymerlösung,
zugegeben wird, insbesondere in einer Menge von 0,01 bis 20 Gew.-%.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens eine Substanz zur Veränderung der
Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder Polymerlösung
ausgewählt ist aus einem oder mehreren Mitgliedern der Gruppe der
Tenside, insbesondere der teil- oder perfluorierten Tenside, der polaren
oder unpolaren Lösungsmittel oder der thermoplastischen Polymere.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Polymerschmelze oder Polymerlösung Polyacrylnitril,
Polyvinylalkohol, Polyamid, Polystyrol, Polycarbonat,
Polymethyl(meth)acrylat, Polyethersulfon, Polylactid, Cellulosetriacetat
und/oder Polyvinylchlorid einzeln oder in Kombination von wenigstens
zwei der genannten Polymere enthält.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Spinnen in einem elektrostatischen Feld mit einer
Potentialdifferenz von 5 kV bis 1000 kV erfolgt, bevorzugt in einem Feld
von 10 kV bis 100 kV und am stärksten bevorzugt in einem Feld von 10
bis 50 kV.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchsatz an Polymerlösung oder Polymerschmelze beim
Verspinnen durch den Zusatz von wenigstens einer Substanz zur
Veränderung der Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder
Polymerlösung in wenigstens 50 bis 100% steigerbar ist.
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|---|---|---|---|
| DE2001106913 DE10106913C5 (de) | 2001-02-15 | 2001-02-15 | Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren zum Erhalt von Nano- und/oder Mikrofasern |
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|---|---|---|---|
| DE2001106913 DE10106913C5 (de) | 2001-02-15 | 2001-02-15 | Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren zum Erhalt von Nano- und/oder Mikrofasern |
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| DE10106913B4 DE10106913B4 (de) | 2004-05-06 |
| DE10106913C5 DE10106913C5 (de) | 2009-10-29 |
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
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- 2001-02-15 DE DE2001106913 patent/DE10106913C5/de not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE10106913B4 (de) | 2004-05-06 |
| DE10106913C5 (de) | 2009-10-29 |
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