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WO2006089529A1 - Invention concerning dimensioning of meso-and nanostructures - Google Patents

Invention concerning dimensioning of meso-and nanostructures Download PDF

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WO2006089529A1
WO2006089529A1 PCT/DE2006/000324 DE2006000324W WO2006089529A1 WO 2006089529 A1 WO2006089529 A1 WO 2006089529A1 DE 2006000324 W DE2006000324 W DE 2006000324W WO 2006089529 A1 WO2006089529 A1 WO 2006089529A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fibers
cut
structures
meso
cutting
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE2006/000324
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Greiner
Mathias Becker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Philipps Universitaet Marburg
Original Assignee
Philipps Universitaet Marburg
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Publication date
Application filed by Philipps Universitaet Marburg filed Critical Philipps Universitaet Marburg
Publication of WO2006089529A1 publication Critical patent/WO2006089529A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/26Formation of staple fibres

Definitions

  • the invention relates to the field of sizing of meso- and nanostructures.
  • Electrospinning certainly constitutes one of the currently most important methods in science and technology for the production of meso- and nanostructures, in particular polymers, i.
  • a polymer melt or polymer solution is exposed to a high electric field on a cannula or tip serving as an electrode.
  • electrostatic charging of the polymer melt or polymer solution a flow of material directed at the counter electrode is formed, which solidifies on the way to the counter electrode.
  • nonwovens or ensembles of ordered fibers are obtained.
  • polymer melts so far only fibers with diameters significantly greater than 1 micron are obtained, one can produce from polymer solutions fibers with diameters down to 5 nm.
  • fibers with diameters smaller than 1 ⁇ m are particularly technical interest, e.g. for filtration applications.
  • FIGS. A and B show the results of cutting tests on structures in the range of 0.3 to 3 ⁇ m, the structures consisting of polyamide 6 (FIG. 1A) and polylactide (FIG. 1B, PLA). The cutting experiments were carried out with a scalpel at room temperature.
  • the object is to provide a method with which it is possible to dimension meso or nanostructures consisting of one or more materials, preferably including at least one polymer so that a deformation of the structures and / or connection of the structures with other structures at the points of intervention for sizing - usually for shortening or reduction - as completely as possible avoided.
  • Electrospun cut fibers of defined length after or during the manufacturing process are produced. A filming of the cut fiber ends should not occur, otherwise the properties of isolated cut fibers is lost.
  • Fibers of particularly uniform length have been coated with already, i. see, inter alia, Hou et al; DE 0010053263A1, 08.05.2002; Dersch et al., J. Polym., Part: Polym., Chem., Ed., 41, 545 (2003) In principle, however, unoriented fibers can also be cut as described.
  • Preparation and cutting of oriented electrospun fibers Polyamide 6 fibers, polylactide fibers, and poly (methyl methacrylate) fibers were first prepared by electrospinning the polymer solutions onto paper. Sufficient parallel orientation was achieved by using a fast rotating metal roller as the counter electrode.
  • Another method for producing a parallel orientation of the fibers is to wind the fibers on a substantially rectangular structure, which by the Electrospinning used at least one electrode in the region of the exit opening of the thread or the later fiber, is polarizable. That is, the structure then acts as a counter electrode and the two longer sides of the substantially rectangular structures provide an orientation of the fibers.
  • a rectangular and rotating metal frame is used, which can be filled in hollow or with a non-polarizable medium.
  • the paper thus coated with polymer fibers was then cooled in a metal bowl in a cold bath with liquid nitrogen to - 196 ° C and cut with a likewise cooled metal blade (see Fig. 2 C, D, E).
  • the figures show from left to right with a scalpel under liquid nitrogen cut fiber mats of polyamide 6 (C), polylactide (D), poly (methyl methacrylate) (E, PMMA). In all structures, no significant deformations or even sticking of the fiber ends were found.
  • Chopped fibers of defined length When cutting with a scalpel initially no chopped fibers of uniform length were produced. Only cutting with blade blocks, consisting of several mutually parallel blades of disposable razors, led to cut fibers of defined length (see Fig. 3 F, G). Fig. 3 shows 80 ⁇ m short cut fibers of PLA (F) and PMMA (G) by cutting with a blade block.
  • H, J shows about 50 (H) to about 80 (J) microns short cut fibers of PLA between the blades in the blade block.
  • K, L shows about 50 (K) to about 80 (L) microns short cut PMMA fibers between the blades in the blade block.
  • Nano and meso tubes or multi-layer nano and meso ribbons or cables, or nanostructured surface (e.g., apertured) nano and meso tubes e.g. Nano and meso tubes or multi-layer nano and meso ribbons or cables, or nanostructured surface (e.g., apertured) nano and meso tubes.
  • an electrospinning apparatus with a metal tip acting as a nozzle to which a first high potential was applied (and to which a chamber under pressure with the polymer mixture to be spun connected) equipped with a rectangular metal frame as a counter electrode.
  • a substantially unpolarisierbares material was attached, which then attached to a cutting edge provided with cutting device as a mating surface. That The fibers oriented between the edges of the metal frame, substantially parallel to the longer metal edges, were then reduced by pressing the cutting edges against the surface of the unpolarizable material.
  • the cutting device was matched in its movement to the movement of the rotating metal frame, that the cut was always carried out when a surface of the unpolarisierbaren material was on the, the nozzle side facing away. The cut was carried out while performing a relative to the cut edges rolling movement.
  • the self-rotating cutting device had to two surfaces
  • the washout was then performed on the surface, which was not in cutting interaction with the metal frame.
  • Liquid surface are collected.
  • a cutting device which consists of a plurality of cutting edges, which lie on a
  • Fig. 1 cut with a scalpel at room temperature electrospun
  • Fig. 2 cut with a scalpel under liquid nitrogen fiber mat
  • Fig. 3 80 micron short cut fibers of PLA (F) and PMMA (G) by cutting with a blade block
  • Fig. 5 Overview (K) and detail (L) of 80 micron short cut fibers of PMMA between the blades in the blade block
  • Fig. 6 blade block with and without spacer (M) and 600 microns long

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)
  • Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)

Abstract

The invention concerns the field of dimensioning or making meso- and nanostructures having a dimension ranging between 1 nm and 1000 µm using a cutting edge and a suitable cooling process.

Description

Erfindung betreffend die Dimensionierung von Meso- und NanostrukturenInvention relating to the dimensioning of meso- and nanostructures

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Dimensionierung von Meso- und Nanostrukturen. Darunter wird im Folgenden das Zerkleinern oder Verkürzen von Strukturen mit typischen Abmessungen (Durchmesser, Querschnitte etc.) von unter 1000 μm verstanden.The invention relates to the field of sizing of meso- and nanostructures. In the following, this means the comminution or shortening of structures with typical dimensions (diameter, cross sections, etc.) of less than 1000 μm.

Stand der Technik:State of the art:

Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Meso- und Nano-Strukturen bekannt. Dazu zählen z.B. die Extrusionsverfahren.Numerous methods for the production of meso and nano structures are known in the prior art. These include e.g. the extrusion processes.

Elektrospinnen stellt sicherlich eine der derzeit wichtigsten Methoden in Wissenschaft und Technik zur Herstellung von Meso- und Nanostrukturen, insbesondere polymerer, d.h. mindestens ein Polymer enthaltende oder aus einer Lösung mit einem Polymer entstehende Meso- oder/und Nanostrukturen und insbesondere Nanofasern dar. Im Wesentlichen wird beim Elektrospinnen eine Polymerschmelze oder Polymerlösung an einer als Elektrode dienenden Kanüle oder Spitze einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt. Durch elektrostatische Aufladung der Polymerschmelze oder Polymerlösung wird ein auf die Gegenelektrode gerichteter Materialstrom gebildet, der sich auf dem Wege zur Gegenelektrode verfestigt. Es werden je nach Elektrodengeometrien sogenannte Nonwovens oder Ensambles geordneter Fasern erhalten. Während mit Polymerschmelzen bisher nur Fasern mit Durchmessern deutlich größer als 1 μm erhalten werden, kann man aus Polymerlösungen Fasern mit Durchmessern hinab bis zu 5 nm herstellen. Technisch besonders interessant, z.B. für Filtrationsanwendungen, sind Fasern mit Durchmessern kleiner 1 μm.Electrospinning certainly constitutes one of the currently most important methods in science and technology for the production of meso- and nanostructures, in particular polymers, i. Essentially, in electrospinning, a polymer melt or polymer solution is exposed to a high electric field on a cannula or tip serving as an electrode. By electrostatic charging of the polymer melt or polymer solution, a flow of material directed at the counter electrode is formed, which solidifies on the way to the counter electrode. Depending on the electrode geometries, so-called nonwovens or ensembles of ordered fibers are obtained. While with polymer melts so far only fibers with diameters significantly greater than 1 micron are obtained, one can produce from polymer solutions fibers with diameters down to 5 nm. Of particular technical interest, e.g. for filtration applications, fibers with diameters smaller than 1 μm.

Beim Elektrospinnen und bei vielen anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Meso- oder Nanostrukturen, wie z.B. dem Extrusionsverfahren entstehen fast ausschließlich Endlosfasern oder andere Gebilde, welche in ihrer Dimension - entweder direkt bei der Herstellung oder danach verkleinert werden müssen, um die Strukturen einer sinnvollen Verwendung zu zuführen.In electrospinning and in many other known processes for the production of meso or nanostructures, such as the extrusion process arise almost exclusively continuous fibers or other structures, which in their dimension - either directly during manufacture or afterwards must be scaled down in order to put the structures to a meaningful use.

Nachteile im Stand der Technik:Disadvantages in the prior art:

Nach unserem Wissen wurden beim Elektrospinnen bislang noch beide Enden ein und derselben Faser beobachtet. Es wurden von uns eine Reihe von Modifikationen des Elektrospinnprozesses zur Präparation kurzer Fasern erfolglos durchgeführt. Es wurde ebenfalls versucht, durch einfaches Schneiden der Fasern mit scharfen Klingen kurze Faserstücke herzustellen, was jedoch nicht gelang. Immer wieder wurde beobachtet, dass die Fasern zwar geschnitten werden, jedoch an den Faserenden miteinander verschweißen oder in anderer Art und weise deformiert werden (s. Fig. 1 A und B). Die Figuren A und B zeigen die Ergebnisse von Schnittversuchen an Strukuren im Berich von 0,3 bis 3 μm, wobei die Strukturen aus Polyamid 6 ( Fig. 1 A) bzw. Polylaktid (Fig. 1 B, PLA) bestanden. Die Schnittversuche wurden mit einem Skalpell bei Raumtemperatur durchgeführt.To our knowledge, in electrospinning, both ends of one and the same fiber have been observed so far. We have made a number of modifications to the electrospinning process for the preparation of short fibers unsuccessfully. Attempts have also been made to produce short pieces of fiber by simply cutting the fibers with sharp blades, but this did not work. Again and again, it has been observed that the fibers are cut but welded together at the fiber ends or otherwise deformed (see Figures 1A and B). FIGS. A and B show the results of cutting tests on structures in the range of 0.3 to 3 μm, the structures consisting of polyamide 6 (FIG. 1A) and polylactide (FIG. 1B, PLA). The cutting experiments were carried out with a scalpel at room temperature.

Gleiche oder ähnliche Ergebnisse wurden mit Strukturen im Bereich von einigen Nanometem bis hin zu einigen 100 μm beobachtet.Similar or similar results were observed with structures ranging from a few nanometers to several 100 μm.

Trotz dieser Schwierigkeiten wäre es technologisch äußerst interessant, auch kurze elektrogesponnene oder anderweitig hergestellte Fasern oder andere kleine Meso- Nanostrukturen herstellen zu können, weil damit der Zugang zu einer Reihe potentieller Anwendungen eröffnet wird. Dabei muss immer bedacht werden, dass Elektrospinnen soweit der einzige technisch realisierte Prozess ist, der im kontinuierlichen Prozess die Herstellung von Fasern mit Durchmessern unterhalb 1 μm nahezu beliebiger Polymere erlaubt. Z. B. sind Fasen unter 1000 μm Länge von Interesse für Inhalationsapplikationen oder als Kurzschnittfasern in Filtrationsapplikationen. Kurze elektrogesponnene Fasern können jedoch auch zur Herstellung kurzer TUFT-Röhren (siehe DE 100 234 56 A1) oder zur Herstellung neuartiger Membranen dienen. Weitere neue Applikationsgebiete könnten in der Galenik oder Kosmetik sein. Auch als Kompositfasern, z. B. zur Verstärkung von Materialien (z. B. Polymeren) oder zur Erzielung spezieller Effekte, z. B. optischer Effekte, oder Variation des elektrostatischen Verhaltens könnten derartige Fasern oder Strukturen eingesetzt werden. Gerade im Bereich der Modifizierung der elektrischen Leitfähigkeit können derartige Fasern oder Strukturen eine besondere Rolle spielen. Es ist sehr wohl bekannt, dass die sogenannte Perkolationschwelle (bei ca. 40% Anteil) bei Mischungen leitfähiger und nichtleitfähiger Materialien deutlich unterlaufen werden kann, wenn man anisotrope Materialien einsetzt. So wurde z. B. elektrische Leitfähigkeit an sich isolierender Materialien durch Zusatz von weniger als 1 % Kohlenstoffnanofasern erreicht. Der technologische Fortschritt, der mit kurzen elektrogesponnenen Fasern möglich wäre, ist also offensichtlich. Es noch bemerkt, dass natürlich nicht nur kurze Polymerfasern aus Homopolymeren, Copolymeren, Blends und Kompositen von Interesse sind, sondern auch andere elektrogesponnene Fasern, die über einen Polymerprecursor durch eine Nachbehandlung in ein anderes Material überführt werden, z. B. elektrogesponnene Polyacrylnitrilfasem in Kohlenstofffasern, Metallfasern, Keramikfasern, etc..Despite these difficulties, it would be technologically very interesting to be able to produce short electrospun or otherwise made fibers or other small meso nanostructures, as this opens up access to a number of potential applications. It must always be kept in mind that electrospinning is the only technically realized process to date that allows the continuous production of fibers with diameters below 1 μm of almost any polymer. For example, chamfers less than 1000 μm in length are of interest for inhalation applications or as short cut fibers in filtration applications. However, short electrospun fibers can also be used for the production of short TUFT tubes (see DE 100 234 56 A1) or for the preparation of novel membranes. Other new areas of application could be in galenics or cosmetics. Also as composite fibers, z. B. to reinforce materials (eg., Polymers) or to achieve special effects, eg. As optical effects, or variation of the electrostatic behavior such fibers or structures could be used. Especially in the field of modification of the electrical conductivity of such fibers or structures can play a special role. It is well known that the so-called percolation threshold (at about 40% content) can be significantly undermined for mixtures of conductive and nonconductive materials if anisotropic materials are used. So z. B. electrical conductivity of insulating materials by addition of less than 1% carbon nanofibers achieved. The technological advances that would be possible with short electrospun fibers is obvious. It should also be noted that of course not only short polymer fibers of homopolymers, copolymers, blends and composites are of interest, but also other electrospun fibers which are converted via a polymer precursor by a post-treatment to another material, e.g. As electrospun polyacrylonitrile fibers in carbon fibers, metal fibers, ceramic fibers, etc ..

Aufgabenstellungtask

Aufgabenstellung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, Meso- oder Nanostrukturen bestehend aus einem oder mehreren Materialien, vorzugsweise unter Einschluss mindestens eines Polymers so dimensionieren zu können, dass eine Verformung der Strukturen oder/und Verbindung der Strukturen mit anderen Strukturen an den Stellen des Eingriffs zur Dimensionierung -in der Regel zur Verkürzung oder Verkleinerung- möglichst vollkommen vermieden wird.The object is to provide a method with which it is possible to dimension meso or nanostructures consisting of one or more materials, preferably including at least one polymer so that a deformation of the structures and / or connection of the structures with other structures at the points of intervention for sizing - usually for shortening or reduction - as completely as possible avoided.

Damit könnten dann z.B. elektrogesponnene Schnittfasern definierter Länge nach oder währende dem Herstellungsprozess erzeugt werden. Ein Verfilmen der geschnittenen Faserenden darf würden dabei nicht auftreten, da ansonsten die Eigenschaften isolierter Schnittfasern verloren geht.This could then be used e.g. Electrospun cut fibers of defined length after or during the manufacturing process are produced. A filming of the cut fiber ends should not occur, otherwise the properties of isolated cut fibers is lost.

Problemlösung und technischer FortschrittProblem solving and technical progress

Es wurde überraschenderweise gefunden, dass mit scharfen Klingen oder anderen scharfkantigen Gegenständen bei anfänglicher oder periodischer oder permanenter Kühlung der Strukturen oder/und der Schnittkanten auf tiefe Temperaturen, z. B. unter flüssigem Stickstoff, elektrogesponnene Fasern so geschnitten werden können, ohne dass sich die Schnittenden wesentlich verformen oder/und sich miteinander verkleben. Es gelang so, Schnittfasern mit Längen zwischen 80 und mehreren hundert Mikrometern Länge herzustellen. Eine wesentliche Steigerung der Schnitteffizienz wurde durch Verwendung von Arrays paralleler Klingen verwendet (vergl. Fig. 2). Der Abstand zwischen den Klingen bestimmt dabei die Länge der Fasern nach dem Schnitt.It has surprisingly been found that with sharp blades or other sharp-edged objects with initial or periodic or permanent cooling of the structures and / or the cutting edges to low temperatures, eg. B. under liquid nitrogen, electrospun fibers can be cut without the cut ends significantly deform or / and stick together. So succeeded, cut fibers with lengths between 80 and several make a hundred micrometers in length. A significant increase in slicing efficiency was achieved by using parallel blade arrays (see Fig. 2). The distance between the blades determines the length of the fibers after the cut.

Fasern besonders gleichmäßiger Länge wurden mit bereits, d.h. vor dem Schnitt, orientierten elektrogesponnenen Fasern erhalten (siehe u. a. Hou et al; DE 0010053263A1, 08.05.2002; Dersch et al. J. Polym. Sei.: Part A: Polym. Chem. Ed. 41, 545 (2003). Es können prinzipiell jedoch auch unorientierte Fasern wie beschrieben geschnitten werden.Fibers of particularly uniform length have been coated with already, i. see, inter alia, Hou et al; DE 0010053263A1, 08.05.2002; Dersch et al., J. Polym., Part: Polym., Chem., Ed., 41, 545 (2003) In principle, however, unoriented fibers can also be cut as described.

In weiteren Versuchen konnte gefunden werden, dass es -wie oben bereits kurz beschrieben- auch ausreicht die Strukturen vor dem Schnitt soweit abzukühlen, dass durch den Schnitt keine Verformung auftritt.In further experiments it could be found that, as already briefly described above, it is also sufficient to cool the structures before the cut to such an extent that no deformation occurs due to the cut.

Eine alternative dazu stellte die Kühlung der Schnittvorrichtung, d.h. der Schneidkanten vor dem eigentlichen Schnitt dar. Alternativ konnten die Strukturen und/oder die Schnittkante natürlich auch während dem Schnitts gekühlt werden, um die Verformung der Strukturen zu vermeiden.An alternative to this was the cooling of the cutting device, i. Of course, the structures and / or the cut edge could of course also be cooled during the cut in order to avoid the deformation of the structures.

In Bezug auf die meist untersuchten polymeren Strukturen wurde gefunden, dass es ausreichend ist die Schneidkanten vor dem Schneidvorgang auf eine Temperatur zu bringen, welche im wesentlichen im Bereich der Glastemperatur des Polymers liegt, welches (bei einem Gemisch aus mehreren Polymeren) den größten Gewichtsanteil an der polymeren Struktur aufweist.With regard to the most studied polymeric structures, it has been found that it is sufficient to bring the cutting edges before the cutting process to a temperature which is substantially in the range of the glass transition temperature of the polymer, which (in the case of a mixture of several polymers) the largest weight fraction having the polymeric structure.

Ausführungsbeispieleembodiments

Herstellung und Schneiden orientierter elektrogesponnener Fasern: Polyamid 6- Fasern, Polylaktid-Fasern und Poly(methylmethacrylat)-Fasem wurden zunächst durch Elektrospinnen der Polymerlösungen auf Papier hergestellt. Eine hinreichende parallele Orientierung wurde durch den Einsatz einer schnell drehenden Metallrolle als Gegenelektrode erreicht. Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer parallelen Orientierung der Fasern ist das aufwickeln der Fasern auf einer im wesentlichen rechteckigen Struktur, welche durch die beim Elektrospinnen verwendete mindestens eine Elektrode im Bereich der Austrittsöffnung des Fadens oder der späteren Faser, polarisierbar ist. D.h. die Struktur wirkt dann als Gegenelektrode und die beiden längeren Seiten der im wesentlichen rechteckigen Strukturen sorgen für eine Orientierung der Fasern. Vorzugsweise wird dazu ein rechteckiger und rotierender Metallrahmen eingesetzt, welcher in hohl oder mit einem nicht polarisierbaren Medium gefüllt sein kann.Preparation and cutting of oriented electrospun fibers: Polyamide 6 fibers, polylactide fibers, and poly (methyl methacrylate) fibers were first prepared by electrospinning the polymer solutions onto paper. Sufficient parallel orientation was achieved by using a fast rotating metal roller as the counter electrode. Another method for producing a parallel orientation of the fibers is to wind the fibers on a substantially rectangular structure, which by the Electrospinning used at least one electrode in the region of the exit opening of the thread or the later fiber, is polarizable. That is, the structure then acts as a counter electrode and the two longer sides of the substantially rectangular structures provide an orientation of the fibers. Preferably, a rectangular and rotating metal frame is used, which can be filled in hollow or with a non-polarizable medium.

Das auf diese Weise mit Polymerfasern beschichtete Papier (über der Metallrolle) wurde dann in einer Metallschale in einem Kältebad mit flüssigem Stickstoff auf - 196°C gekühlt und mit einer ebenfalls gekühlten Metallklinge geschnitten (siehe dazu Fig. 2 C, D, E). Die Figuren zeigen von links nach rechts mit einem Skalpell unter flüssigem Stickstoff geschnittene Fasermatten aus Polyamid 6 (C), Polylaktid (D), Poly(methylmethacrylat) (E, PMMA). Bei allen Strukturen wurden keine wesentlichen Deformationen oder gar Verklebungen der Faserenden fest gestellt.The paper thus coated with polymer fibers (over the metal roll) was then cooled in a metal bowl in a cold bath with liquid nitrogen to - 196 ° C and cut with a likewise cooled metal blade (see Fig. 2 C, D, E). The figures show from left to right with a scalpel under liquid nitrogen cut fiber mats of polyamide 6 (C), polylactide (D), poly (methyl methacrylate) (E, PMMA). In all structures, no significant deformations or even sticking of the fiber ends were found.

Schnittfasern definierter Länge: Beim Schneiden mit dem Skalpell entstanden zunächst keine Schnittfasern einheitlicher Länge. Erst das Schneiden mit Klingenblöcken, bestehend aus mehreren parallel zueinander angeordneten Klingen aus Einmalrasierern, führte zu Schnittfasern definierter Länge ( siehe Fig. 3 F, G). Fig. 3 zeigt 80 μm kurze Schnittfasern aus PLA (F) und PMMA (G) durch Schneiden mit einem Klingenblock.Chopped fibers of defined length: When cutting with a scalpel initially no chopped fibers of uniform length were produced. Only cutting with blade blocks, consisting of several mutually parallel blades of disposable razors, led to cut fibers of defined length (see Fig. 3 F, G). Fig. 3 shows 80 μm short cut fibers of PLA (F) and PMMA (G) by cutting with a blade block.

Ein Großteil der Schnittfasern blieb nach dem Schneiden zwischen den Klingen zurück, ( siehe Fig. 4, 5) was eine vorteilhafte Möglichkeit bietet, die Schnittfasern aus dem Kältebad getrennt vom Trägermaterial (Substrat) Papier zu entfernen.A majority of the cut fibers remained after cutting between the blades, (see Fig. 4, 5) which offers an advantageous possibility to remove the cut fibers from the cold bath separated from the substrate (substrate) paper.

Fig. 4, H, J zeigt dabei ca. 50 (H) bis ca. 80 (J) μm kurze Schnittfasern aus PLA zwischen den Klingen im Klingenblock.Fig. 4, H, J shows about 50 (H) to about 80 (J) microns short cut fibers of PLA between the blades in the blade block.

Fig. 5, K, L zeigt dabei ca. 50 (K) bis ca. 80 (L) μm kurze Schnittfasern aus PMMA zwischen den Klingen im Klingenblock.Fig. 5, K, L shows about 50 (K) to about 80 (L) microns short cut PMMA fibers between the blades in the blade block.

Beim Schneiden war es ebenfalls wichtig, die Klinge nicht gegenüber den Fasern zu bewegen, also nicht mit einem Zugschnitt, sondern mit einem Abroll- bzw. Druckschnitt zu schneiden. Die Mindestlänge der Schnittfasern war lediglich technisch durch die Breite der Klingenkörper bestimmt, längere Fasern wurden durch die Verwendung von Abstandshaltern zwischen den Klingen erhalten (s. Fig. 6). Fig. 6, M, N zeigt dazu einen Klingenblock mit und ohne Abstandshalter (M) und damit erzeugte 600 μm lange Schnittfasern aus PLA (N)When cutting, it was also important not to move the blade against the fibers, so not with a draft cut, but to cut with a roll or pressure cut. The minimum length of the cut fibers was determined only technically by the width of the blade body, longer fibers were through the use of spacers between the blades (see Fig. 6). 6, M, N show a blade block with and without spacers (M) and thus produced 600 μm long cut fibers made of PLA (N)

- Suspendieren der Schnittfasern: Beim Eintauchen des Klingenblocks in Ethanol lösten sich die Schnittfasern problemlos von den Klingen ab und es gelang ein Suspendieren, das zu voneinander isolierten Schnittfasern führte. Dies konnte durch Auftropfen der Suspension auf einen Papierfilter eindeutig gezeigt werden (s. Fig. 7). Fig. 7 zeigt dazu suspendierte und auf einem Papierfilter abgeschiedene PMMA- Schnittfasem (P1Q)- Suspending the cut fibers: When the blade block was immersed in ethanol, the cut fibers easily detached from the blades and succeeded in suspending, resulting in mutually isolated cut fibers. This could be clearly demonstrated by dripping the suspension onto a paper filter (see Fig. 7). 7 shows PMMA cut fibers (P 1 Q) suspended and deposited on a paper filter for this purpose.

Damit wurde dann auch ein Verfahren gefunden, welches das geordnete Auslösen der wunderbar zwischen den Kanten der Schneidvorrichtung orientierten Strukturen ermöglicht.Thus, a method was also found which allows the orderly release of the wonderfully oriented between the edges of the cutting device structures.

Auch bei anderen Materialien und Strukturen konnte ähnlich gute Ergebnisse hinsichtlich der im wesentlichen ausbleibenden Deformierung der Schnittenden, der Fixierung zwischen den Kanten der Schnittvorrichtung und des hinsichtlich Auslösens der geordneten geschnittenen Strukturen aus der Schnittvorrichtung durch Flüssigkeiten, wie Ethanol etc. erzielt werden.In other materials and structures similarly good results could be achieved with respect to the substantially lacking deformation of the cut ends, the fixation between the edges of the cutting device and with respect to triggering the ordered cut structures from the cutting device by liquids such as ethanol.

Als weitere Strukturen wurden z.B. Nano- und Mesoröhren oder durch mehrere Schichten gekennzeichnete Nano- und Mesobänder oder -kabel oder mit nanostrukturierten Oberflächen versehene (z.B. Öffnungen aufweisende) Nano- und Mesoröhren.As further structures, e.g. Nano and meso tubes or multi-layer nano and meso ribbons or cables, or nanostructured surface (e.g., apertured) nano and meso tubes.

In weiteren Versuchen wurde ein Verfahren entwickelt, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Dimensionierung, angewendet auf den Fall von Meso-/Nanofaserm, so weiter zu entwickeln, dass damit kontinuierlich Meso-/Nanostrukturierte Fasern definierter Länge hergestellt werden können.In further experiments, a method was developed in order to further develop the method according to the invention for dimensioning, applied to the case of meso / nanofibers, so that meso / nanostructured fibers of defined length can be continuously produced therewith.

Dazu wurde eine Elektrospinning-Apparatur mit einer als Düse wirkende Metallspitze an welche ein erstes hohes Potential angelegt wurde (und an welche eine unter Druck befindliche Kammer mit dem zu verspinnenden Polymergemisch angeschlossen ist) mit einem rechteckigen Metallrahmen als Gegenelektrode ausgestattet.For this purpose, an electrospinning apparatus with a metal tip acting as a nozzle to which a first high potential was applied (and to which a chamber under pressure with the polymer mixture to be spun connected) equipped with a rectangular metal frame as a counter electrode.

In dem Metallrahmen wurde ein im wesentlichen unpolarisierbares Material angebracht, welches dann einer mit Schneidkanten versehenen Schnittvorrichtung als Gegenfläche angebracht. D.h. die zwischen den Kanten des Metallrahmen, im wesentlichen parallel zu den längeren Metallkanten orientierten Faser wurden dann durch Drücken der Schneidkanten gegen die Oberfläche des unpolarisierbaren Materials verkleinert.In the metal frame, a substantially unpolarisierbares material was attached, which then attached to a cutting edge provided with cutting device as a mating surface. That The fibers oriented between the edges of the metal frame, substantially parallel to the longer metal edges, were then reduced by pressing the cutting edges against the surface of the unpolarizable material.

Dabei war die Schnittvorrichtung so in Ihrer Bewegung auf die Bewegung des rotierenden Metallrahmens abgestimmt, dass der Schnitt immer dann ausgeführt wurde, wenn sich eine Oberfläche des unpolarisierbaren Materials auf der, der Düse abgewandten Seite befand. Der Schnitt wurde dabei unter Ausführung einer relativ zu den Schnittkanten abrollenden Bewegung durchgeführt.In this case, the cutting device was matched in its movement to the movement of the rotating metal frame, that the cut was always carried out when a surface of the unpolarisierbaren material was on the, the nozzle side facing away. The cut was carried out while performing a relative to the cut edges rolling movement.

Die selbst rotierende Schnittvorrichtung hatte dazu an zwei OberflächenThe self-rotating cutting device had to two surfaces

Schneidkanten. Die geschnittenen Fasern wurden dann unter Einwirkung vonCutting edges. The cut fibers were then exposed under the action of

Ethanol oder einer anderen bei der Temperatur der gekühlten Schnittkanten noch flüssigen Flüssigkeit ausgewaschen.Ethanol or another at the temperature of the cooled cut edges still liquid washed out.

Das Auswaschen wurde dann an der Oberfläche durchgeführt, welche sich gerade nicht mit dem Metallrahmen in schneidender Wechselwirkung befand.The washout was then performed on the surface, which was not in cutting interaction with the metal frame.

Die ausgewaschenen, geschnittenen Strukturen konnten dann auf einerThe washed out, cut structures could then on a

Flüssigkeitsoberfläche aufgefangen und dann relativ geordnet am Rand derLiquid surface collected and then arranged relatively on the edge of the

Flüssigkeitsoberfläche gesammelt werden.Liquid surface are collected.

Alternativ zu der Schneidvorrichtung kann natürlich auch eine Schneidvorrichtung verwendet werden, welche aus mehreren Schneidkanten besteht, die sich auf einerAs an alternative to the cutting device, of course, a cutting device can be used, which consists of a plurality of cutting edges, which lie on a

Trommel befinden, welche dann in drehend, schneidender Wechselwirkung mit dem genannten Metallrahmen oder einer Metallrolle steht. AbbildungslegendenDrum which is then in rotating, cutting interaction with said metal frame or a metal roller. Figure legends

Fig. 1 : Mit einem Skalpell bei Raumtemperatur geschnittene elektrogesponneneFig. 1: cut with a scalpel at room temperature electrospun

Fasern aus Polyamid 6 (A) bzw. Polylaktid (B, PLA)Polyamide 6 (A) or polylactide (B, PLA) fibers

Fig. 2: mit einem Skalpell unter flüssigem Stickstoff geschnittene Fasermatte ausFig. 2: cut with a scalpel under liquid nitrogen fiber mat

Polyamid 6 (C), Polylaktid (D)1 Poly(methylmethacrylat), (E, PMMA)Polyamide 6 (C), polylactide (D) 1 poly (methyl methacrylate), (E, PMMA)

Fig. 3: 80 μm kurze Schnittfasern aus PLA (F) und PMMA (G) durch Schneiden mit einem KlingenblockFig. 3: 80 micron short cut fibers of PLA (F) and PMMA (G) by cutting with a blade block

Fig. 4: Übersicht (H) und Detail (J) von 80 μm kurzen Schnittfasern aus PLA zwischen den Klingen im Klingenblock4: Overview (H) and detail (J) of 80 μm short cut fibers made of PLA between the blades in the blade block

Fig. 5: Übersicht (K) und Detail (L) von 80 μm kurzen Schnittfasern aus PMMA zwischen den Klingen im KlingenblockFig. 5: Overview (K) and detail (L) of 80 micron short cut fibers of PMMA between the blades in the blade block

Fig. 6: Klingenblock mit und ohne Abstandshalter (M) und 600 μm langeFig. 6: blade block with and without spacer (M) and 600 microns long

Schnittfasern aus PLA (N)Cutting fibers made of PLA (N)

Fig. 7: suspendierte und auf Papierfilter abgeschiedene PMMA-Schnittfasern (P1Q) 7: suspended PMMA cut fibers (P 1 Q) deposited on paper filters

Claims

Patentansprücheclaims 1) Verfahren zur Dimensionierung von Meso- oder Nanostrukturen einer Abmessung von 1 Nanometer bis zu 1000 μm unter Nutzung mindestens einer Schneidkante, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen, oder die mindestens eine Schneidkante direkt oder indirekt vor oder während der Durchführung des Schnitts einmalig, periodisch oder permanent gekühlt wird.1) A method for sizing meso or nanostructures of a dimension of 1 nanometer to 1000 microns using at least one cutting edge, characterized in that the structures, or the at least one cutting edge, directly or indirectly before or during the execution of the cut once, periodically or permanently cooled. 2) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dimensionieren durch eine senkrechte oder abrollende Bewegung der mindestens einen Schneidkante relativ zu der zu dimensionierenden Struktur durchgeführt wird.2) Method according to claim 1, characterized in that the dimensioning is carried out by a vertical or rolling movement of the at least one cutting edge relative to the structure to be dimensioned. 3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung so durchgeführt wird, dass die zu dimensionierenden Strukturen nach der Dimensionierung im wesentlichen keine Verformung aufweist, insbesondere keine Verformung, welche zur Verbindung, z.B. in Form einer Verklebung oder Verschmelzung mit benachbart liegenden Strukturen führt. 3) Method according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling is carried out so that the structures to be dimensioned after dimensioning substantially no deformation, in particular no deformation, which for connection, e.g. in the form of a bond or fusion with adjacent structures leads.
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