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Bereich der Technik
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Die jeweilige Erfindung betrifft das Verfahren zur Erzeugung eines die polymeren Nanofasern enthaltenden Textilkompositmaterials. Die jeweilige Erfindung betrifft ferner auch die Vorrichtung zur Erzeugung eines die polymeren Nanofasern enthaltenden Textilkompositmaterials. Die jeweilige Erfindung betrifft außerdem auch dieses die polymeren Nanofasern enthaltende Textilmaterial.
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Stand der Technik
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Bis zur Gegenwart wurden einige Verfahren zur Erzeugung der Nanofasern entwickelt, d.h. derjenigen Fasern mit einem Querschnitt unter 1 Mikrometer, die auf unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Prozessen beruhen. Das bedeutendste von ihnen, und zur Zeit auch das einzige Verfahren, das im Stande ist, die Nanofasern in einem industriellen Maßstab zu erzeugen, ist elektrostatisches Verspinnen, das die Gleichspannung ausnutzt, bei dem die jeweiligen Nanofasern durch die Kraftwirkung des elektrischen Feldes geformt werden, das zwischen mindestens einer Sammelelektrode und mindestens einer Spinnelektrode aus der Lösung oder Schmelze des Polymers gebildet wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Spinnelektrode durch einen Körper einer länglichen Form gebildet wird – z.B. laut
CZ 274294 , oder soweit diese ein längliches Verspinnungselement/ Verspinnungselemente aufweist – z.B. laut
CZ 299549 durch sich auf einer Kreisbahn bewegende Saite oder laut
CZ 300345 durch eine statische oder sich in der Richtung ihrer Länge bewegende Saite, usw., und Lösung oder Schmelze des Polymers wird von der Oberfläche dieser Spinnelektrode, bzw. ihres Verspinnungselementes/Verspinnungselemente versponnen, denn in solchen Fällen erreicht man die höchste Gleichmäßigkeit der gebildeten Schicht der polymeren Nanofasern.
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In
CZ 304137 wurde dann eine Modifikation dieses Prozesses vorgeschlagen, bei der das elektrische Feld zum elektrostatischen Verspinnen zwischen der Spinnelektrode, zu der die Wechselspannung zugeführt wird, und Luftionen und/oder Gasionen gebildet werden, die in ihre Umgebung gebildet und/oder zugeführt werden. Laut der aktuellen Phase der Wechselspannung werden dann auf der jeweiligen Spinnelektrode die polymeren Nanofasern mit einer elektrischen Gegenaufladung und/oder mit den Abschnitten mit einer elektrischen Gegenaufladung gebildet, die nach ihrer Entstehung infolge der Wirkung der elektrostatischen Kräfte ein Volumengebilde bildet, das sich in der Richtung des Gradienten der elektrischen Felder in der Richtung von der Spinnelektrode hin frei bewegt. Laut den theoretischen Vergleichen erreicht diese Variante eine mehrfach höhere Leistung als die auf einer Gleichspannung beruhenden Varianten.
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Neben diesen Verfahren, die auf der Ausnutzung der Kraftwirkung des elektrischen Feldes beruhen, sind ferner auch das Verfahren zur Erzeugung der Nanofasern bekannt, das auf der Ausnutzung der Fliehkraft begründet wird, wann die jeweilige Lösung oder die Schmelze des Polymers durch die Wirkung der Fliehkraft aus den Öffnungen verdrängt wird, die in dem Mantel des rotierenden Körpers in einer Scheibenform (siehe z.B.
DE 10 2005 048 939 ) oder einer Zylinderform (siehe z.B.
JP 2008127726 ) gebildet werden.
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Der Nachteil der Nanofasern, die durch irgendeines der oben beschriebenen Verfahren gebildet werden, besteht darin, dass es nicht möglich ist, diese dank ihrer niedrigen Festigkeit und Zusammenhaltes selbstständig auszunutzen, und dass es immer notwendig ist, diese gewöhnlich bereits während der Erzeugung auf geeignete Stützmaterialien zu legen (z.B. Textilien, Papier, Metall- oder Kunststofffolie oder -gitter, usw.), die ihnen erforderliche mechanische Eigenschaften gewähren, jedoch zugleich durch ihre Anwesenheit ihre reale Ausnutzung im erheblichen Maße beschränken.
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Ohne Lagerung auf ein Unterlegmaterial, eventuell nach der Abnahme davon, häufen sich die jeweiligen Nanofasern dank ihrer großen spezifischen Oberfläche (gewöhnlich noch in der Kombination mit der restlichen elektrischen oder elektrostatischen Ladung) und dank der sich daraus ergebenden hohen Adhäsion eigenmächtig an und bleiben sehr gerne auf den umgebenden Gegenständen haften, also die Handhabung mit ihnen und ihre eventuelle Ausnutzung ist dank dessen sehr problematisch. Soweit man dann diese Anhäufungen zur Vorbereitung der Kompositmaterialien verwendet, garantieren diese nicht die Bildung von Strukturen mit einer gewöhnlich erforderten gleichmäßigen Verteilung der Nanofasern, und also nicht einmal mit einer gleichmäßigen Verteilung der Eigenschaften, bzw. Parameter.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, das Verfahren zur Erzeugung eines Textilkompositmaterials vorzuschlagen, das die polymeren Nanofasern und weitere Komponente/Komponenten enthalten würde, die diesem Material erforderte mechanische Eigenschaften und Morphologie gewähren würde/würden, ohne mit ihrer Anwesenheit die reale Ausnutzung dieses Materials, der spezifischen Eigenschaften der Nanofasern, oder den Zugang zu den Nanofasern zu beschränken.
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Das Ziel der Erfindung besteht außerdem darin, eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens und ein Textilkompositmaterial vorzuschlagen, das die Nanofasern enthalten würde und dabei geeignete mechanische Eigenschaften zur praktischen Ausnutzung aufweisen würde.
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Darlegung des Wesens der Erfindung
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Das Ziel der Erfindung wird durch das Verfahren zur Erzeugung eines Textilkompositmaterials erreicht, das die polymeren Nanofasern enthält, bei dem durch mindestens ein Verspinnungselement (auf Prinzip eines Fliehkraftverspinnens oder elektrischen Verspinnens) ein Volumengebilde gebildet wird, das durch polymere Nanofasern gebildet wird, das auf die Oberfläche eines Kollektors gelagert wird, auf den zugleich auch die Mikrofasern gelagert werden, die durch die Meltblown- und/oder Spunbond-Technologie und/oder elektrostatisches Verspinnen und/oder andere Technologien zur Erzeugung der Mikrofasern gebildet werden. Auf der Oberfläche des Kollektors entsteht dabei ein Textilkompositmaterial, das vorteilhafte Eigenschaften der polymeren Nanofasern – vor allem ihre große spezifische Oberfläche, hohe Sorptionskapazität Mikron- oder Submikronzwischenfaserräume usw. mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften der Mikrofasern kombiniert, dank dessen es möglich ist, mit diesem sehr gut umzugehen oder dieses weiter zu verarbeiten.
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Das durch polymere Nanofasern gebildete Volumengebilde und Mikrofasern werden dabei auf die Oberfläche des Kollektors unabhängig voneinander gelagert, oder das durch polymere Nanofasern gebildete Volumengebilde wird vor der Lagerung auf der Oberfläche des Kollektors durch eine Grenzschicht parallelisiert, die durch den Luftstrom oder Gasstrom gebildet wird, der die jeweiligen Mikrofasern mit diesen Mikrofasern trägt oder richtet, wobei in beiden Fällen die polymeren Nanofasern und Mikrofasern auf die Oberfläche des Kollektors in selbstständige, sich wechselnde Schichten gelagert werden.
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In einer anderen Variante dieses Verfahrens werden ins Volumengebilde, das durch polymere Nanofasern gebildet wird, vor seiner Lagerung auf der Oberfläche des Kollektors die jeweiligen Mikrofasern mitgetragen, die durch die Meltblown- und/oder Spunbond-Technologie und/oder elektrostatisches Verspinnen gebildet werden. In solchem Falle werden die jeweiligen polymeren Nanofasern gefangen und auf der Oberfläche der Mikrofasern gelagert und mit ihnen verbunden, wodurch eine Mischung der polymeren Nanofasern und Mikrofasern gebildet wird, die danach auf den Kollektor gelagert wird, oder in die Stelle ihrer weiteren Verarbeitung und/oder Ausnutzung abgeführt wird.
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Das Ziel der Erfindung wird außerdem auch durch die Einrichtung zur Erzeugung eines Textilkompositmaterials erreicht, das die polymeren Nanofasern enthält, die mindestens ein Verspinnungselement zur Erzeugung eines Volumengebildes aufweist, das durch die polymeren Nanofasern gebildet wird, deren Wesen darin besteht, dass in den Raum der Erzeugung der polymeren Nanofasern und/oder Formung des durch die polymeren Nanofasern gebildeten Volumengebildes mindestens eine Düse der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern durch die Meltblown- und/oder Spunbond-Technologie und/oder elektrostatisches Verspinnen und/oder andere Technologien zur Mikrofasererzeugung ausmündet.
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In einer Variante sind dann gegen die Düse/Düsen der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern durch die Meltblown- und/oder Spunbond-Technologie und/oder elektrostatisches Verspinnen und/oder ein anderes Verfahren der Mikrofasererzeugung auf der gegenüberliegenden Seite des Verspinnungselementes/der Verspinnungselemente ein beweglicher oder statischer Kollektor zur Lagerung des gebildeten Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern enthält, oder die Abführung des gebildeten Textilkompositmaterials angeordnet, das die polymeren Nanofasern enthält.
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Der Kollektor ist dann als elektrisch leitend vorteilhaft gebildet, wobei dieser geerdet ist, also er ermöglicht die Abführung der elektrischen Ladung aus den polymeren Nanofasern und/oder Mikrofasern, oder dieser ist mit der Quelle der elektrischen Spannung mit Gegenpolarität als die Düse/Düsen der Einrichtung zur Mikrofasererzeugung verkoppelt, infolgedessen die jeweiligen Mikrofasern und eventuell gebildete Mischung der polymeren Nanofasern und Mikrofasern dazu herangezogen werden.
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In einer anderen Variante der Ausführung weist der Kollektor elektrisch leitende Elemente auf, die durch elektrisch nicht leitende Elemente oder Luftlücken gegenseitig abgetrennt sind, wobei diese elektrisch leitende Elemente geerdet sind, oder mindestens manche von ihnen mit der Quelle der elektrischen Spannung mit einer Gegenpolarität als die Düse/Düsen der Einrichtung zur Mikrofasererzeugung verkoppelt sind. Die Mikrofasern und/oder Nanofasern formen sich dabei vorteilhaft senkrecht zu diesen elektrisch leitenden Elementen.
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In manchen Fällen ist zur Erreichung der erforderten Bewegung der polymeren Nanofasern und/oder Mikrofasern notwendig, dass der Raum in der Richtung der Bewegung der Mikrofasern hinter einem für die Luft durchgehenden Kollektor, und/oder Innenraum des hohlen Kollektors mit einem für die Luft durchgehenden Mantel, mit einer Unterdruckquelle verkoppelt ist. Es kann eventuell auf der anderen Seite des Verspinnungselementes/der Verspinnungselemente als auf der die Düse/Düsen der Einrichtung zur Mikrofasererzeugung durch die Meltblown- und/oder Spunbond-Technologie und/oder durch elektrostatisches Verspinnen, oder gegen das jeweilige Verspinnungselement/ Verspinnungselemente eine Unterdruckdüse oder eine Leitung angeordnet werden, die mit der Unterdruckdüse zur Abführung des gebildeten die polymeren Nanofasern enthaltenden Textilkompositmaterials in die Stelle ihrer weiteren Verarbeitung und/oder Ausnutzung verkoppelt ist.
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Das Ziel der Erfindung erreicht man auch durch das die polymeren Nanofasern enthaltende Textilkompositmaterial, bei dem die polymeren Nanofasern auf der Oberfläche und zwischen den Mikrofasern gelagert sind.
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Die polymeren Nanofasern können dabei in die Schicht angeordnet werden, die auf der Schicht der Mikrofasern oder zwischen zwei Schichten der Mikrofasern gelagert ist, oder sie können mit ihnen eine homogene oder im Grunde genommen homogene Mischung bilden.
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In beiden Varianten kann dann im Bedarfsfalle im Material der polymeren Nanofasern und/oder Mikrofasern und/oder in den Zwischenfaserräumen der polymeren Nanofasern und/oder Mikrofasern mindestens ein geeigneter Zusatzstoff eingeschlossen werden, der den Nanofasern und/oder Mikrofasern vorteilhafte Eigenschaften und/oder ein Sondereffekt gewährt.
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Erläuterung der Zeichnungen
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Die beigelegten Zeichnungen zeigen:
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1 Schema einer Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern enthält, und Prinzip ihrer Funktion,
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2 Schema der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern enthält, und Prinzip ihrer Funktion,
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3 SEM-Aufnahme des Textilkompositmaterials, gebildet durch das erfindungsgemäße Verfahren bei der Vergrößerung 1000x,
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4 SEM-Aufnahme des Textilkompositmaterials, gebildet durch eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der Vergrößerung 10000x,
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5 SEM-Aufnahme des Textilkompositmaterials, gebildet durch eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der Vergrößerung 4990x,
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6 SEM-Aufnahme des Textilkompositmaterials, gebildet durch eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der Vergrößerung 100x,
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7 SEM-Aufnahme des Textilkompositmaterials, gebildet durch eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der Vergrößerung 5000x,
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8 Schema der dritten Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern enthält und Prinzip ihrer Funktion, und
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9 SEM-Aufnahme des Textilkompositmaterials, gebildet durch die Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens laut 8, bei der Vergrößerung 500x.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern enthält, weist mindestens ein Verspinnungselement
1 auf, das in den auf
1 und
8 dargestellten Varianten eine Spinnelektrode zur Erzeugung der polymeren Nanofasern durch das Verspinnen der Lösung oder der Schmelze des Polymers in einem elektrischen Feld durch das Verfahren laut
CZ 304137 ist, wann das elektrische Feld, bzw. die elektrischen Felder zwischen mindestens einer Spinnelektrode, auf die aus der nicht dargestellten Quelle die Wechselspannung zugeführt wird, und Luftionen und/oder Gasionen gebildet wird bzw. werden, die durch die Ionisierung der Luft und/oder des Gases in der Nähe der Spinnelektrode und/oder in ihre Umgebung zugeführt, bzw. durchgehend zugeführt oder geschleppt, bzw. durchgehend geschleppt werden. In den auf
1,
2 und
8 dargestellten Varianten ist diese Spinnelektrode durch ein statisches Rohr gebildet, jedoch in den weiteren, nicht dargestellten Varianten kann diese durch im Grunde genommen beliebigen anderen statischen Körper (z.B. Nadel, Düse, Leiste, Saite usw.) oder durch einen beliebigen sich bewegenden Körper gebildet werden (z.B. durch rotierenden länglichen Körper, Zylinder, Scheibe, Spirale, Ring, usw. oder sich in der Richtung ihrer Länge oder auf einer Kreisbahn bewegende Saite oder eine Gruppe von Saiten usw.).
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In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung eines Textilkompositmaterials kann dann das Verspinnungselement 1 durch einen Verspinnungskopf zur Erzeugung der polymeren Nanofasern durch ein Fliehkraftverspinnen gebildet werden. Dieser Kopf weist dabei einen hohlen Mantel in der Form eines Zylinders oder einer Scheibe, eventuell eines anderen Körpers auf, der durch eine Menge von Öffnungen perforiert ist, aus denen die Lösung oder die Schmelze des Polymers, die die polymeren Nanofasern bildet, durch eine Fliehkraft verdrängt wird, die bei seiner Rotation entsteht. In einer anderen Variante des Fliehkraftverspinnens kann man auch von der Oberfläche der rotierenden Fläche verspinnen. Die Wirkung der Fliehkraft kann im Bedarfsfalle durch die Wirkung eines Hilfsstromes der Luft/des Gases und/oder eines elektrischen Hilfsfeldes ergänzt werden, das zwischen dem Verspinnungskopf und dem Kollektor zur Lagerung der gebildeten Nanofasern gebildet wird.
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In den Raum, in dem die polymeren Nanofasern
10 gebildet werden, und/oder in den Raum, in dem sie sich in ein Volumengebilde formen (mehr ausführlich unten beschrieben), ist dann mindestens eine Düse
2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern
20 durch die Meltblown- und/oder Spunbond-Technologie und/oder durch elektrostatisches Verspinnen und/oder eine andere bekannte Technologie ausgemündet. Gegen die Mündung dieser Düse/Düsen
2 ist auf der verkehrten Seite des Verspinnungselementes
1 ein Kollektor
3 gelagert, der in der auf
1 dargestellten Variante durch einen sich drehenden Zylinder gebildet wird, und in der auf
2 dargestellten Variante wird dieser durch ein sich bewegendes endloses Band gebildet, das zur Lagerung des gebildeten Textilkompositmaterials bestimmt ist. Die Oberfläche dieses Kollektors
3, bzw. seiner Elemente ist aus einem Material vorteilhaft gebildet, zu dem dieses Kompositmaterial die möglichst niedrige Haftung besitzt, d.h. aus z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE, Teflon), usw., damit es möglich ist, diesen daraus einfach und ohne Beschädigung herunterzunehmen. In anderen Ausführungsvarianten kann dann der Kollektor
3 eine andere beliebige Form oder Konstruktion aufweisen, wobei dieser auf seiner Oberfläche elektrisch leitende Elemente aufweisen kann, die z.B. mit seiner Längsachse parallel laufend angeordnet sind, die durch gegenseitig elektrisch nicht leitende Elemente oder Luftlücken abgetrennt sind (z.B. im Sinne des Artikels
Dan LI, Yuliang Wang and YounanXia: Electrospinning of Polymeric and Ceramic Nanofibers as Uniaxially Aligned Arrays, NanoLetters 2003, Vol. 3, No. 8, p. 1167–1171) oder er kann z.B. kontinuierlich, schrittweise, beziehungsweise reversibel durch ein sich bewegendes endloses Band eines geeigneten elektrisch leitenden oder elektrisch nicht leitenden Materials, beziehungsweise eine Gruppe oder ein endloses Band, das elektrisch leitende Elemente aufweist, die durch eine Luftlücke gegenseitig abgetrennt sind, oder Elemente aus einem elektrisch nicht leitenden Material (z.B. im Sinne
US 2123992 oder
WO 2008062264 , usw.), durch bewegliches oder statisches Gitter, beziehungsweise durch im Grunde genommen beliebiges anderes bewegliches oder statisches Element/Elemente gebildet werden, das für die Luft durchlässig oder undurchlässig ist. Soweit der Kollektor
3 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet wird, oder soweit dieser die Elemente zur Lagerung des Textilkompositmaterials aus einem elektrisch leitenden Material aufweist, ist es vorteilhaft, wenn seine Elemente geerdet sind, also sie ermöglichen die Abführung einer eventuellen restlichen elektrischen Ladung, die in den polymeren Nanofasern
10 und/oder Mikrofasern
20 gelagert ist, oder soweit darauf eine Spannung einer Gegenpolarität zugeführt wird, als die auf die Düse/Düsen
2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern
20 zugeführt wird.
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In der auf 1 dargestellten Ausführungsvariante ist der Kollektor 3 mit seiner Längsachse auf einer waagrechten Ebene gelagert, die durch die Mündung der Düse 2 durchgeht, beziehungsweise der nebeneinander angeordneten Düsen 2 zur Erzeugung der Mikrofasern 20, jedoch laut Bedarf kann dieser mit seiner Achse unter oder im Gegenteil über dieser Ebene gelagert werden. Der Raum hinter dem Kollektor 3 und/oder der Innenraum des hohlen Kollektors 3 mit dem luftdurchlässigen Mantel (z.B. perforiert oder durch Gitter gebildet oder Luftlücken enthaltend, die seine elektrisch leitende Elemente abtrennen, usw.) ist dann mit nicht dargestellter Unterdruckquelle vorteilhaft verkoppelt, die durch ihre Wirkung die gebildeten polymeren Nanofasern 10 und Mikrofasern 20 zur Oberfläche des Kollektors 3 heranzieht und diese zu ihm drückt.
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Der Kollektor 3 kann im Bedarfsfalle durch ein anderes Mittel zur Abführung des gebildeten Textilkompositmaterials in die Stelle seiner weiteren Benutzung oder Verarbeitung ersetzt werden, wie z.B. durch eine nicht dargestellte Unterdruckdüse, bzw. Leitung, die mit der Unterdruckdüse verkoppelt ist, usw. Solche Unterdruckdüse oder die mit ihr verkoppelte Leitung sind vorteilhaft auf der verkehrten Seite des Verspinnungselementes 1 gelagert, als auf der wo die Düse/Düsen 2 zur Erzeugung der Mikrofasern 20 ausmündet/ausmünden, jedoch in den nicht dargestellten Ausführungsvarianten kann diese Düse oder diese Leitung auf der verkehrten Seite der Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 aufweist, als das Verspinnungselement/Verspinnungselemente 1 gelagert werden.
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In den weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvarianten kann in den Raum zwischen dem Verspinnungselement/Verspinnungselemente 1 und der Mündung der Düse/Düsen 2 zur Erzeugung der Mikrofasern weiter mindestens eine zusätzliche Luft-/Gasdüse zur geeigneten Ausrichtung und/oder Beschleunigung der Bewegung der polymeren Nanofasern 10 und/oder Mikrofasern 20 und/oder Mischung der polymeren Nanofasern 10 und Mikrofasern 20 ausgemündet werden, die eventuell auch der Erstarrung der polymeren Nanofasern 10 und/oder Mikrofasern 20 durch ihre Abkühlung und/oder Abführung der Lösemitteldämpfe beiträgt.
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Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern
10 enthält, die mit mindestens einem Verspinnungselement
1 versehen ist, das durch eine Spinnelektrode zur Erzeugung der polymeren Nanofasern
10 durch das Verspinnen der Lösung oder Schmelze des Polymers in dem elektrischen Feld durch das Verfahren laut
CZ 304137 gebildet wird, wird auf diese Spinnelektrode Wechselspannung zugeführt und elektrisches Feld, bzw. elektrische Felder zum Verspinnen werden zwischen dieser Spinnelektrode und Luftionen und/oder Gasionen gebildet, die durch die Ionisierung der Luft und/oder des Gases in der Nähe der Spinnelektrode gebildet werden, und/oder die in ihre Umgebung zugeführt, bzw. durchgehend zugeführt oder herangezogen, bzw. durchgehend herangezogen werden. Durch die Kraftwirkung dieser elektrischen Felder werden dann auf der Oberfläche der Lösung oder Schmelze des Polymers auf der Oberfläche der Spinnelektrode sog. Taylor-Kegel gebildet, aus denen nachfolgend einzelne polymere Nanofasern
10 aufgezogen werden. Die Wechselspannung auf der Spinnelektrode, bzw. periodische Änderung der Polarisierung der Spinnelektrode erlauben dabei dem System Luft(Gas) – Verspinnungslösung oder Schmelze der Polymers, einen dauerhaft ausgewogenen Zustand der Distribution der Luft-/Gasionen nicht zu erreichen, das Verspinnen kann also mit einer ständigen Leistung im Grunde genommen beliebig lang verlaufen. Dabei lässt sich laut den theoretischen Abschätzungen und Experimenten zeigen, dass die Leistung dieses Typs des elektrostatischen Verspinnens mehrfach größer (ca. bis 5mal oder sogar bis 10mal) als bei dem elektrostatischen Verspinnen unter der Anwendung der Gleichspannung ist. Die gebildeten polymeren Nanofasern
10 formen sich dabei vorteilhaft in ein Volumengebilde, das sich in der Richtung des Gradienten der gebildeten elektrischen Felder in der Richtung von der Spinnelektrode hin bewegt.
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Auf die Spinnelektrode wird vorteilhaft die Wechselspannung mit der Größe von 10 bis 70 kV, mit der Frequenz von 35 bis 400 Hz zugeführt.
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Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, die mit einem Verspinnungselement 1 versehen ist, das durch einen Verspinnungskopf zur Erzeugung der Nanofasern durch ein Fliehkraftverspinnen gebildet wird, bilden die polymeren Nanofasern 10 ein Volumengebilde, das sich in der Richtung von diesem Kopf infolge seiner Schwungkraft bewegt, die mit mindestens einem Hilfsstrom von Luft/Gas und/oder Wirkung des elektrischen Hilfsfeldes eventuell ergänzt wird.
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Durch die polymeren Nanofasern 10 gebildete Volumengebilde, das sich in der Richtung von dem Verspinnungselement 1 hin bewegt, werden aus der Düse/den Düsen 2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern 20 die Mikrofasern 20 zugeführt, auf denen sich die polymeren Nanofasern 10 auffangen, lagern und eventuell diese (mindestens teilweise) bewickeln, und so mit ihnen ein selbsttragendes Kompositmaterial eines Textilcharakters bilden, mit einer im Grunde genommen homogenen Anordnung der polymeren Nanofasern 10 und Mikrofasern 20 (siehe z.B. 3, 5, 6, 7). Die polymeren Nanofasern 10 und/oder Mikrofasern 20 können dabei im Bedarfsfalle dank der geeigneten gegenseitigen Anordnung der einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Einrichtung im Zeitpunkt des Kontaktes mindestens teilweise in einem plastischen, bzw. nicht ganz erstarrten Zustand sein, dank dessen beide Typen von Fasern sehr einfach und zugleich sehr fest verbunden werden. Das so gebildete Textilkompositmaterial bewegt sich dabei dank der kinetischen Energie der Mikrofasern 20 und eventuell auch der Wirkung des Stromes der Luft oder eines anderen Gases, der diese bildet und/oder mitnimmt, und eventuell auch der elektrischen Schwerkraft (z.B. soweit der Kollektor 3 oder seine elektrisch leitende Elemente geladen sind und die Mikrofasern durch elektrostatisches Verspinnen gebildet werden), in der Richtung zum Kollektor 3 hin, auf den es gelagert wird. Das so gebildete Textilkompositmaterial kombiniert dann in sich vorteilhafte Eigenschaften der polymeren Nanofasern 10 – d.h. große spezifische Oberfläche, hohe Sorptionskapazität, Mikron- oder Submikronzwischenfaserräume usw. mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften der Mikrofasern 20, dank dessen es möglich ist, diese sehr gut zu manipulieren. In Bezug darauf, dass der Kollektor 3 in den meisten Fällen nicht elektrisch geladen, bzw. elektrisch aktiv sein muss und das jeweilige Textilkompositmaterial sich dank seiner Schwungkraft und/oder infolge der Wirkung von mindestens einem Strom von Luft/Gas zu ihm bewegt, kommt es bei der Lagerung einer größeren Schicht des Textilkompositmaterials auf ihm nicht zu dessen „Abschirmung“, also das gebildete Textilkompositmaterial wird auf dem Kollektor 3 während der ganzen Zeit gleich gern, bzw. mit derselben Intensität gelagert. Dank dessen kann man die Schicht dieses Textilkompositmaterials mit einer im Grunde genommen beliebigen Dicke vorbereiten und/oder dieses Material mit mindestens einer Schicht eines beliebigen geeigneten Materials kombinieren und so ein mehrschichtiges Material bilden. Als Kollektor 3 kann man auch direkt das Material oder Produkt verwenden, auf dem das jeweilige gebildete Textilkompositmaterial während seiner Benutzung gelagert werden soll.
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Wie es sich während der Experimente zeigt, wird unter der Verwendung der Meltblown-Technologie zur Erzeugung der Mikrofasern 20 ein bestimmter kleiner Anteil der Nanofasern (ca. ungefähr 1 %) gebildet, die aus Sicht der Produktion der Mikrofasern 20 unerheblich sind, aus Sicht des resultierenden Textilkompositmaterials und seiner resultierenden Eigenschaften spielen sie jedoch eine erhebliche Rolle.
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Durch geeignete Anordnung der einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern
10 enthält, durch ihre Anzahl und Einstellung der einzelnen Technologien ist es dann möglich, unter der Ausnutzung dieser Einrichtung, ein Textilkompositmaterial mit einem im Grunde genommen beliebigen Anteil der polymeren Nanofasern
10 und Mikrofasern
20 zu bilden, und zwar laut den jeweiligen Anforderungen und der vorausgesetzten Anwendung. Die polymeren Nanofasern
10 und/oder Mikrofasern
20 können dabei aus demselben oder abweichenden Material gebildet werden, beziehungsweise die polymeren Nanofasern
10 (z.B. unter der Ausnutzung einer größeren Anzahl der Verspinnungselemente
1) und/oder Mikrofasern
20 (unter der Ausnutzung einer größeren Anzahl der Düsen 3) können schrittweise oder kontinuierlich aus verschiedenen Materialien gebildet werden. Daneben können die polymeren Nanofasern
10 und/oder Mikrofasern
20 beim Bedarf in ihrer Struktur die (Nano-)Partikeln eines geeigneten Zusatzstoffes enthalten, die, oder deren Präkursor, vor dem Verspinnen in die jeweilige Lösung oder Schmelze des Polymers zugegeben werden (siehe z.B.
CZ 300797 ), und beim Verspinnen in die Struktur der gebildeten Nanofasern
10 und/oder Mikrofasern
20 eingeschlossen werden. Daneben oder in der Kombination damit können in die polymeren Nanofasern
10 und/oder Mikrofasern
20 und/oder in ihre Mischungen mit mindestens einer nicht dargestellten Dosiereinrichtung die Partikel von mindestens einem flüssigen und/oder festen Zusatzstoff, resp. Aktivstoff zugegeben werden, und zwar laut der vorausgesetzten Verwendung des Textilkompositmaterials, die dann in der Struktur des gebildeten Textilkompositmaterials gelagert werden.
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In weiteren nicht dargestellten Ausführungsvarianten können einzelne Elemente der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, anders angeordnet werden, als es in den Varianten auf 1, 2 und 8 dargestellt ist, wobei die Bildung der polymeren Nanofasern 10 im Grunde genommen beliebig (schräg) nach oben, (schräg) zur Seite, oder (schräg) nach unten, und die Bildung der Mikrofasern 20 dann demnach (schräg) zur Seite, oder (schräg) nach oben oder (schräg) nach unten verlaufen kann, vorteilhaft so, dass die jeweiligen Mikrofasern 20 ins Volumengebilde eindringen, das durch die polymeren Nanofasern 10 gebildet wird, und zwar unter einem rechten oder beliebigen scharfen Winkel. Jedenfalls wird das Textilkompositmaterial, das durch eine Mischung der polymeren Nanofasern 10 und Mikrofasern 20 gebildet wird, noch vor dem Aufschlag auf den Kollektor 3 gebildet, und nach dem Aufschlag darauf ändert sich seine Struktur und die Verteilung der einzelnen Komponenten, bzw. Typen der Fasern nicht mehr.
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Der Vorteil der Vorbereitung der polymeren Nanofasern 10 mittels der Wechselspannung oder der Fliehkraft besteht darin, dass das gebildete Volumengebilde der polymeren Nanofasern 10 elektrisch neutral ist (entweder trägt diese keine elektrische Ladung, oder die elektrischen Ladungen in seinen verschiedenen Teilen werden gegenseitig aufgelöst), und vor allem darin, dass diese Prozesse ermöglichen, die polymeren Nanofasern 10 in einer mehrfach größeren Menge als elektrostatisches Verspinnen unter der Ausnutzung der Gleichspannung zu bilden, was auch ermöglicht, die Kapazität der Verwendung der Technologie/Technologien zur Erzeugung der Mikrofasern 10 mit demselben Verhältnis zu erhöhen, und eine mehrfach höhere Produktivität zu erreichen.
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Unten sind zur Verdeutlichung konkrete Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, und die Bedingungen ihres Betriebs, mit Beschreibung und Fotos der vorbereiteten Textilkompositmaterialien genannt.
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Beispiel 1
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Zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, wurde die erfindungsgemäße Einrichtung benutzt, die ein Spinnmittel 1 aufgewiesen hat, das durch eine Spinnelektrode in der Form eines Rohres gebildet wird, die zum Verspinnen nach oben angeordnet wurde (1), auf die die Wechselspannung mit der Größe von 50 kV und der Frequenz 50 Hz zugeführt wurde. In dem vertikalen Abstand von 20 cm über der Mündung dieser Spinnelektrode und in dem horizontalen Abstand von 51 cm davon wurde eine Düse 2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern 20 durch die Meltblown-Technologie ausgemündet, gegen die auf der verkehren Seite des Spinnmittels 1 in dem horizontalen Abstand von 17 cm von der Mündung der Spinnelektrode ein drehbarer Zylinderkollektor 3 gelagert wurde, der aus einem elektrisch nicht leitenden Material gebildet wurde. Der Druck der in die Düse 2 gelieferten Luft zur Erzeugung der Mikrofasern 20 betrug 10 Psi.
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Die SEM-Aufnahme des so gebildeten Textilkompositmaterials ist in 3 dargestellt.
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Beispiel 2
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Zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, wurde dieselbe erfindungsgemäße Einrichtung mit derselben Einstellung wie im Beispiel 1 benutzt, mit dem Unterschied, dass der Druck der in die Düse 2 gelieferten Luft zur Erzeugung der Mikrofasern 20 20 Psi betrug.
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Die SEM-Aufnahme des so gebildeten Textilkompositmaterials ist in 4 dargestellt, aus der es ersichtlich ist, dass die Erhöhung des Luftdrucks bei der Erzeugung der Mikrofasern zur Bildung der Bänder der polymeren Nanofasern 10 und Mikrofasern 20 geführt hat.
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Beispiel 3
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Zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, wurde dieselbe erfindungsgemäße Einrichtung mit derselben Einstellung wie im Beispiel 1 verwendet, und zwar mit demjenigen Unterschied, dass die in die Düse 2 gelieferte Luft zur Erzeugung der Mikrofasern 20 die Temperatur von 204,44 °C aufgewiesen hat.
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Die SEM-Aufnahme des so gebildeten Textilkompositmaterials ist in 5 dargestellt, aus der es ersichtlich ist, dass die Erhöhung der Lufttemperatur bei der Erzeugung der Mikrofasern 20 zur Verbindung der Mikrofasern 20 und polymeren Nanofasern 10 mittels der festen Kontakte geführt hat.
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Beispiel 4
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Zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, wurde dieselbe erfindungsgemäße Einrichtung mit derselben Einstellung wie im Beispiel 1 verwendet, und zwar mit demjenigen Unterschied, dass der vertikale Abstand der Düse 2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern 20 durch die Meltblown-Technologie über der Mündung der Spinnelektrode 10 cm betrug.
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Die SEM-Aufnahme des so gebildeten Textilkompositmaterials ist in 6 dargestellt, aus der es ersichtlich ist, dass die Verkleinerung des vertikalen Abstandes der Düse 2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern 20 über der Mündung der Spinnelektrode zur Bildung einer orientierten Struktur geführt hat, die die polymeren Nanofasern 10 und Mikrofasern 20 enthält.
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Beispiel 5
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Zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, wurde dieselbe erfindungsgemäße Einrichtung mit derselben Einstellung wie im Beispiel 4 verwendet, und zwar mit demjenigen Unterschied, dass die in die Düse 2 gelieferte Luft zur Erzeugung der Mikrofasern 20 die Temperatur 93,3 °C aufgewiesen hat.
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Die SEM-Aufnahme des so gebildeten Textilkompositmaterials ist in 7 dargestellt, aus der es ersichtlich ist, dass die Erhöhung der Lufttemperatur bei der Erzeugung der Mikrofasern 20 zur Bildung der festen Kontakte zwischen den polymeren Nanofasern 10 und Mikrofasern 20 nicht ausreichend war.
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In der Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Kompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, die in 8 dargestellt ist, sind Düse/Düsen 2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern 20 und Verspinnungselement/-elemente 1 zur Erzeugung der polymeren Nanofasern 10 so angeordnet, dass die gebildeten polymeren Nanofasern 10 in den Strom der Mikrofasern 20 nicht eintreten, sondern sie werden von der Grenzschicht mitgenommen, die durch die Strömung der Luft/des Gases gebildet wird, die die jeweiligen Mikrofasern 20 mitnimmt. In solchem Falle kommt es überraschend nicht zur Mischung der polymeren Nanofasern 10 mit den Mikrofasern 20 und Bildung der Mischung, sondern zum Parallelisieren der polymeren Nanofasern 10 mit Mikrofasern 20, wobei beide Fasertypen auf dem Kollektor 3 in selbstständige Schichten gelagert werden – siehe Beispiel 6 und 9.
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Beispiel 6
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Zur Erzeugung des Textilkompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, wurde eine erfindungsgemäße Einrichtung verwendet, die ein Spinnmittel 1 aufgewiesen hat, das durch eine Spinnelektrode in der Form eines Rohres gebildet wurde, die zum Verspinnen in der Richtung nach oben (8) angeordnet wurde, auf die die Wechselspannung mit der Größe von 50 kV und Frequenz von 50 Hz zugeführt wurde. In dem vertikalen Abstand von 20 cm über der Mündung dieser Spinnelektrode und in dem horizontalen Abstand von 55 cm davon wurde eine Düse 2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern 20 durch die Meltblown-Technologie ausgemündet, gegen die auf der verkehren Seite des Spinnmittels 1 in dem horizontalen Abstand von 17 cm von der Mündung der Spinnelektrode ein drehbarer zylindrischer Kollektor 3 gelagert wurde, der aus einem elektrisch nicht leitenden Material gebildet wird. Der Druck der in die Düse 2 gelieferten Luft zur Erzeugung der Mikrofasern 20 betrug 8 Psi.
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Die polymeren Nanofasern 10 wurden in diesem Falle durch die Grenzschicht mitgenommen, die durch den Strom der Luft gebildet wurde, der die Mikrofasern 20 getragen hat. In 9 ist die SEM-Aufnahme des so gebildeten Textilkompositmaterials dargestellt, aus der es ersichtlich ist, dass sich die polymeren Nanofasern 10 sowie Mikrofasern 20 auf der Oberfläche der Unterlage in selbstständige, sich wechselnde Schichten gelagert haben.
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In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Kompositmaterials, das die polymeren Nanofasern 10 enthält, sind Düse/Düsen 2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern 20 und Verspinnungselement/-elemente 1 zur Erzeugung der polymeren Nanofasern vollständig abgetrennt angeordnet, wobei jeder Fasertyp auf den jeweiligen Kollektor 3 selbstständig aufgetragen wird und eventuell auch in einer anderen Stelle des Kollektors 3, was zur Bildung der Schichten der selbstständigen polymeren Nanofasern 10 und Mikrofasern 20 ähnlich wie in der vorangehenden Variante führt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn z.B. ein Kollektor 3 über dem Verspinnungselement/den Verspinnungselementen 1 zur Erzeugung der polymeren Nanofasern 10 gelagert ist, also die polymeren Nanofasern 10 lagern sich darauf ohne die Notwendigkeit ihrer Ausrichtung und/oder des Tragens z.B. durch den Luft-/Gasstrom, und die Mikrofasern 20 bewegen sich zu ihm durch die Wirkung des für ihre Erzeugung verwendeten Luft-/Gasstromes und/oder des elektrischen Feldes, das zwischen der Düse/den Düsen 2 der Einrichtung zur Erzeugung der Mikrofasern 20 und dem Kollektor 3 gelagert ist. In einer anderen Raumanordnung und/oder im Bedarfsfalle ist es jedoch möglich, auch die polymeren Nanofasern 10 zum Kollektor 3 durch den Luft-/Gasstrom mitzutragen und/oder auszurichten und/oder soweit es während ihrer Produktion zu ihrer Aufladung durch elektrische Ladung, durch elektrisches Feld, bzw. Zuführung der elektrischen Ladung einer Gegenpolarität auf Kollektor 3 kommt.
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Das erfindungsgemäße Textilkompositmaterial in beliebiger Variante weist eine ganze Reihe der Ausnutzung auf, wobei sich als die am meisten geeignete Variante zur Zeit seine Ausnutzung als Scaffold, bzw. als Träger zur Bestückung mit lebenden Zellen für Gewebeingenieurwesen, bzw. Wundbedeckung erweist. Dieser Ausnutzung müssen jedoch dann die eingesetzten Materialien der polymeren Nanofasern 10 und Mikrofasern 20, und eventuell auch zusätzliche, bzw. aktive Stoffe entsprechen, die in den Materialien der polymeren Nanofasern 10 und/oder Mikrofasern 20, und/oder in Zwischenfaserräumen des Textilkompositmaterials eingeschlossen sind.
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Die weitere bedeutende Ausnutzung des erfindungsgemäßen Textilkompositmaterials ist auch der Bereich der Filtration, wobei dieses Material ermöglicht, den Faserfilter mit einer höheren Porosität und deshalb niedrigen Ansprüchen auf Druckgefälle zu bauen. Die Mikrofasern 20 bilden dabei ein steiferes Filterskelett und die polymeren Nanofasern 10 erhöhen im erheblichen Maße seine Effektivität bei einer Tiefenfiltration.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CZ 274294 [0002]
- CZ 299549 [0002]
- CZ 300345 [0002]
- CZ 304137 [0003, 0030, 0036]
- DE 102005048939 [0004]
- JP 2008127726 [0004]
- US 2123992 [0032]
- WO 2008062264 [0032]
- CZ 300797 [0041]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Dan LI, Yuliang Wang and YounanXia: Electrospinning of Polymeric and Ceramic Nanofibers as Uniaxially Aligned Arrays, NanoLetters 2003, Vol. 3, No. 8, p. 1167–1171 [0032]
