DE102004009887A1

DE102004009887A1 - Verfahren zum elektrostatischen Verspinnen oder Versprühen von Polymeren

Info

Publication number: DE102004009887A1
Application number: DE102004009887A
Authority: DE
Inventors: Arnold Dr. Schneller; Frank Reil; Thomas Dr. Reisinger; Andreas Prof. Dr. Greiner
Original assignee: Ticona GmbH
Current assignee: Philipps-Universitaet Marburg 35037 Marburg De
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-07-21

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von Fasern oder Pulvern mit einem Durchmesser < 50 mum durch elektrostatisches Verspinnen oder Versprühen einer Schmelze von mindestens einem thermoplastischen Polymeren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrofasern oder Pulvern durch elektrostatisches Verspinnen oder Versprühen einer Schmelze von Polymeren und deren Verwendung.
Die Herstellung von Mikrofasern durch elektrostatisches Verspinnen von Polymeren wie Polystyrol, PVC oder Polycarbonat aus der Lösung ist bekannt ( EP-A-0047795 , DE-A-10063518 ).
Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass die Polymere zum Verspinnen zunächst gelöst werden müssen, so dass schlecht lösliche thermoplastische Polymere nur bedingt eingesetzt werden können. Der zusätzliche Schritt des Lösens ist darüber hinaus zeitaufwendig und teuer, sowie eine nicht zu unterschätzende Fehlerquelle.
Aufgabe ist es daher ein alternatives Verfahren zum Verspinnen von thermoplastischen Polymeren zu entwickeln. Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, dass die Polymere als Schmelze eingesetzt und so elektrostatisch versponnen werden können.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Fasern oder Pulvern mit einem Durchmesser < 50 μm durch elektrostatisches Verspinnen (Elektrospinning) oder Versprühen einer Schmelze von mindestens einem thermoplastischen Polymeren.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Apparatur verwendet (1), mit der unter Standardbedingungen, im Vakuum oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auch unter Inertgas gearbeitet werden kann.
Die Apparatur besteht aus einer zylinderförmigen Probenkammer, die nach oben offen und nach unten von einer Düse abgeschlossen wird. Es können verschiedene Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden, der Düsendurchmesser beträgt im allgemeinen 0,2–1,0 mm. Die Probenkammer wird von einem beheizbaren Ofen umschlossen. Nach Befüllung der Probenkammer mit dem Polymer wird dieses auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur gebracht und dadurch aufgeschmolzen.
Es kann darüber hinaus auf das Polymer durch Auflegen eines geeigneten Stempels definierter Masse Druck ausgeübt und somit der Schmelzevorschub und dadurch die Homogenität der Fasern beeinflusst werden.
An der Düse liegt gegen Erde ein elektrisches Feld mit Spannungen von 1 bis 100 kV an, bevorzugt 5 bis 60 kV, besonders bevorzugt 10 bis 55 kV.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer Kammer unter Schutzgas, vorzugsweise Stickstoff, ausgeführt, was dadurch gewährleistet ist, dass die gesamte Apparatur mit entsprechenden Gasanschlüssen versehen und eingekapselt wird. Unter Gleichstrombedingungen wird die Polymerschmelze im elektrischen Feld beschleunigt und streckt sich zu einem Faden oder reißt ab zu Tropfen, die dann Pulverpartikel bilden.
Der Durchmesser der erhaltenen Fasern beträgt im allgemeinen < 50 μm, vorzugsweise < 20 μm, bevorzugt < 10 μm, ganz besonders bevorzugt < 5 μm, insbesondere < 1 μm.
Besonders geeignete thermoplastische Polymere für das erfindungsgemäße Verfahren sind Polyester, Polyarylsulfide, Polyacetale und/oder Cycloolefincopolymere.
Unter Polyestern sind thermoplastische Polymere mit sich wiederholenden Estergruppen in der Hauptkette zu verstehen. Beispiele sind Polykondenssationsprodukte der Terephthalsäure, der Isophthalsäure, der Naphthalindicarbonsäure, der Adipinsäure oder ihrer Ester mit zweiwertigen Alkoholen wie Ethylenglykol, Butandiol usw.
Besonders bevorzugt verwendet wird Polybutylenterephthalat (PBT).
Unter Polyarylsulfiden sind thermoplastische Polymere mit sich wiederholenden Schwefelgruppen in der weitgehend aromatischen Hauptkette zu verstehen. Sie umfassen sowohl Homo- als auch Copolymere.
Besonders bevorzugt ist Polyphenylensulfid (PPS).
Unter Polyacetalen sind Polymere, die als Wiederholeinheit hauptsächlich Oxymethlen-Gruppen (CH₂O-) aufweisen. Sie umfassen Polyoxymethylen- (POM) Homopolymere, -Copolymere, -Terpolymere und -Blockpolymere.
Unter Cycloolefincopolymeren sind Copolymere auf der Basis von cyclischen und linearen Olefinen, beispielsweise Norbornen, Ethylidennorbornen und unverzweigten α-Olefinen, zu verstehen. Besonders bevorzugt sind Copolymere aus Norbornen und Ethylen (COC).
Es können auch Mischungen der vorgenannten Polymere untereinander oder mit anderen thermoplastischen Polymeren verwendet werden.
Die vorgenannten thermoplastischen Polymere und ihre Herstellung sind in der Fachliteratur, wie beispielsweise in James M. Margolis, 1985, Engineering Thermoplastics, New York: Dekker, beschrieben, worauf Bezug genommen wird.
Darüber hinaus sind PBT, PPS, POM und COC beispielsweise als Celanex^®, Fortron^®, Hostaform^® oder Topas^® im Handel erhältlich.
Bevorzugt sind die eingesetzten Polymere additiviert mit üblichen Zusätzen, die beispielsweise in H. Zweifel: Plastics Additives Handbook, 5^th edition, Hanser Verlag 2000, beschrieben sind, worauf ausdrücklich Bezug genommen wird.
Bevorzugt werden für das erfindungsgemäße Verfahren PBT, PPS, POM und/oder COC, ganz besonders bevorzugt PPS, POM und/oder COC, eingesetzt.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fasern mit einem Durchmesser < 50 μm können zur Herstellung eines Vliesmaterials verwendet werden, welches beispielsweise zur Aufbereitung von Wasser aus Kraftstoff, zum Beispiel Flugbenzin, eingesetzt werden kann.
Darüber hinaus können die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fasern mit einem Durchmesser < 50 μm zur Herstellung von mikrofeinen Pulvern verwendet werden. Besonders bevorzugt werden die Fasern hierzu fein gemahlen. Auch können mit dem beschriebenen Verfahren direkt Pulver hergestellt werden. Pulver aus den genannten Polymeren können beispielsweise zur Beschichtung oder als Additive in Farben und Lacken oder zur Mischung mit anderen Polymeren eingesetzt werden.
1 erläutert das Verfahren des Elektrospinnings. Die Probenkammer wird durch den sie umgebenden Ofen beheizt, so dass das in ihr befindliche Polymer schmilzt. An der Düse wird eine Spannung angelegt, wodurch das aus der Düse austretende Polymer beschleunigt wird und sich zu einer Faser streckt oder Pulverpartikel bildet.
Darüber hinaus erläutern die nachfolgenden Beispiele die Erfindung ohne diese darauf zu begrenzen.
Für die in Tab. 1 aufgeführten Beispiele 1–4 wurde unter Stickstoffatmosphäre Elektrospinning von POM (Hostaform FG45U01) aus der Schmelze unter den in der Tabelle angegebenen Bedingungen durchgeführt.
Tabelle 1
Es zeigt sich, dass der mittlere Faserdurchmesser der Beispiele 1–4 nur 1,50–8,00 μm beträgt.
In den Beispielen 5–11 (Tabelle 2) wurde Elektrospinning von PPS (Fortron 0203) aus der Schmelze in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Tabelle 2
Es zeigt sich, dass der mittlere Durchmesser der erhaltenen PPS-Fasern teilweise sogar kleiner als 1 μm ist.
In den Beispielen 12–16 (Tabelle 3) wurde Elektrospinning von COC (Topas TM CM 600384) aus der Schmelze unter den angegebenen Bedingungen (kein Inertgas) durchgeführt.
Tabelle 3
Es zeigt sich, dass der mittlere Faserdurchmesser bimodal verteilt ist und Faserdicken mit ca. 0,5 μm und ca. 3 μm enthält.
In den Beispielen 17–19 (Tabelle 4) wurde Elektrospinning von 2 verschiedenen PPS-Typen (Fortron-Typ 0203 und 0205) aus der Schmelze unter den angegebenen Bedingungen (kein Inertgas) durchgeführt.
Tabelle 4
Es zeigt sich dass, der mittlere Faserdurchmesser 3–20 μm beträgt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Fasern oder Pulvern mit einem Durchmesser < 50 μm durch elektrostatisches Verspinnen oder Versprühen einer Schmelze von mindestens einem thermoplastischen Polymeren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter Inertgas gearbeitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Stickstoffatmosphäre gearbeitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Polyarylsulfiden, Polyacetalen und Cycloolefincopolymeren.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastisches Polymer PBT, PPS, POM und/oder COC eingesetzt wird.
Verwendung von Fasern aus thermoplastischen Polymeren mit einem Durchmesser < 50 μm für ein Vliesmaterial.
Verwendung des Vliesmaterials gemäß Anspruch 6 zur Aufbereitung von Wasser aus Kraftstoff.
Verwendung von Fasern aus thermoplastischen Polymeren mit einem Durchmesser < 50 μm zur Herstellung von mikrofeinen Pulvern.