DE10106913C5

DE10106913C5 - Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren zum Erhalt von Nano- und/oder Mikrofasern

Info

Publication number: DE10106913C5
Application number: DE2001106913
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Czado
Original assignee: Mann & Hummel Innenraumfilter; Mann+hummel Innenraumfilter & Co KG GmbH
Current assignee: Mann+hummel Innenraumfilter & Co Kg 954 De GmbH
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: DE10106913B4; DE10106913A1

Abstract

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 ein teil- oder perfluoriertes Tensid zur Veränderung der Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder Polymerlösung zur Steuerung des Faserdurchmessers der herzustellenden Nano- und/oder Mikrofasern und des Polymerdurchsatzes zugegeben wird, wobei das teil- oder perfluorierte Tensid aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Trifluoressigsäure, Perfluorpropionsäure, Pentafluorbenzoesäure, Perfluoroctansäure, Trifluorethanol, Hexafluorpropanol, Heptafluorbutanol, Octafluorpentanol, Tetraethylammoniumperfluoroctylsulfonat sowie Mischungen davon besteht, ausgewählt 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 eingebracht 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.
Aufgabenstellung
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 5.
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 eines teil- oder perfluorierten Tensids, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Trifluoressigsäure, Perfluorpropionsäure, Pentafluorbenzoesäure, Perfluoroctansäure, Trifluorethanol, Hexafluorpropanol, Heptafluorbutanol und Octafluorpentanol, Tetraethylammoniumperfluoroctylsulfonat sowie Mischungen davon besteht, verändern und hierdurch der Faserdurchmesser der herzustellenden Nano- und/oder Mikrofasern und der Polymerdurchsatz des Verfahrens steuern läßt.
Hierbei läßt sich die Oberflächenspannung regeln, insbesondere herabsetzen. Eine besonders starke Reduktion der Oberflächenspannung ist mit diesen teil- oder perfluorierten Tensiden möglich.
Die Oberflächenspannung besitzt unmittelbaren Einfluß auf den Faserdurchmesser der herzustellenden Nano- und/oder Mikrofasern, weil der Faserdurchmesser mit der Zunahme der Oberflächenspannung der Polymerlösung oder Polymerschmelze abnimmt.
Selbstverständlich kann der Polymerlösung oder der Polymerschmelze auch eine Mischung aus zwei oder mehreren der oben genannten teil- oder perfluorierten Tensiden zur Veränderung der Oberflächenspannung zugegeben werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des er findungsgemäßen Verfahrens wird das genannte teil- oder perfluorierte Tensid 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.
Gemäß der Erfindung werden die teil- oder perfluorierte Tenside einzeln oder in Kombination von zwei oder mehreren als Substanz zur Veränderung der Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder Polymerlösung verwendet.
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.
Beispiel 1
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..
Beispiel 2
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.
Nichterfindungsgemäßes Beispiel 3
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 ml/Std. gesteigert.
Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel)
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

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 ein teil- oder perfluoriertes Tensid zur Veränderung der Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder Polymerlösung zur Steuerung des Faserdurchmessers der herzustellenden Nano- und/oder Mikrofasern und des Polymerdurchsatzes zugegeben wird, wobei das teil- oder perfluorierte Tensid aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Trifluoressigsäure, Perfluorpropionsäure, Pentafluorbenzoesäure, Perfluoroctansäure, Trifluorethanol, Hexafluorpropanol, Heptafluorbutanol, Octafluorpentanol, Tetraethylammoniumperfluoroctylsulfonat sowie Mischungen davon besteht, ausgewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das teil- oder perfluorierte Tensid 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.-%.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, 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.
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.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz an Polymerlösung oder Polymerschmelze beim Verspinnen durch den Zusatz von wenigstens einem teil- oder perfluorierten Tensid zur Veränderung der Oberflächenspannung der Polymerschmelze oder Polymerlösung um wenigstens 50 bis 100% gesteigert wird.