-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Feinstfasern aus schmelzbarem Kunststoff, ein Elektrospinnverfahren zur Herstellung von Feinstfasern mit einer derartigen Vorrichtung und einen Kunststoff zur Verwendung in einer derartigen Vorrichtung.
-
Unter Elektrospinnen versteht man die Herstellung von meist sehr dünnen Fasern aus Polymerlösungen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes. Hierbei wird die Polymerlösung an einer Elektrode dosiert und durch das elektrische Feld von der Elektrode abgezogen, beschleunigt und in einem komplexen Prozess in kleine und kleinste Fasern und Gespinste aufgespalten, die sich schließlich auf der Gegenelektrode als Einzelfäden oder eine Art Vlies ablagern. Beim Prozess entstehen typischerweise Fasern mit Durchmessern kleiner 1000 nm, weswegen die Produkte als Nanofasern bezeichnet werden. Da das Ergebnis des Elektrospinnverfahrens oft schwer vorhersagbar ist, wird das gewünschte Endprodukt bisher häufig empirisch und nur durch eine aufwändige Optimierung der Parameter erreicht. Ladungsdichte, Viskosität und Oberflächenspannung der Polymerlösung haben dabei einen maßgeblichen Einfluss auf die Morphologie der Fasern und deren Durchmesser. Ein wesentlicher Vorteil des Elektrospinnverfahrens ist darin zu sehen, dass die erzeugten Fasern trotz ihres geringen Durchmessers relativ hohe Festigkeiten aufweisen.
-
Das Verfahren ist allerdings bisher wenig produktiv und eher für Spezialprodukte geeignet. Verwendet werden Nanofasern vor allem in Filtern für Feinststäube oder in der Medizintechnik.
-
Für das Elektrospinnverfahren können nicht beliebige Kunststoffe eingesetzt werden. Die verwendeten Kunststoffe müssen auf das elektrische Feld reagieren, weshalb beispielsweise folgende Polymermaterialien verwendbar sind: Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polylactide, Polyglycolide, Co-Polymere, Co-Polyurethane, Polyamide, Polyester, Polycarbonate, Pflanzliche und tierische Proteine (Kollagen, Seide), Polysaccharide (Chitosan, Dextran- und Cellulosederivate).
-
In der
DE 10 2015 015 028 A1 wird allgemein ein Schmelzspinnverfahren sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung beschrieben. Dabei werden aus einer Schmelze eines Polyamids eine Vielzahl feiner Filamentstränge in einen konditionierten Spinnraum hinein extrudiert, wobei eine Atmosphäre des Spinnraums abgesaugt wird. Die Extrusion des geschmolzenen Polyamids erfolgt dabei durch eine Düseneinheit, die zudem erwärmt wird, um den Kunststoff flüssig zu halten. Anschließend werden die Filamentstränge durch einen kontinuierlichen Kühlluftstrom innerhalb eines Kühlschachtes abgekühlt. In der Druckschrift wird auch eine Absaugung der beim Schmelzspinnen auftretenden Abgase beschrieben, wobei diese Gase insbesondere aus Monomeren und Oligomeren bestehen. Die Konditionierung des Kühlraumes erfolgt bei dieser Lösung durch einen kontinuierlichen Wassernebel. Für die Herstellung von Feinstfasern oder Filamenten im Nanobereich ist eine derartige Vorrichtung wenig geeignet, da durch die unmittelbar nach der Extrusion erfolgende Abkühlung der Filamentstränge der Kunststoff sofort erstarrt.
-
Im Unterschied hierzu werden beim Elektrospinnen durch den Einfluss eines elektrischen Feldes die Filamentstränge in verstärktem Maße gestreckt, sodass die erzeugten Fasern dadurch zusätzlich verdünnt werden. Als problematisch hat sich jedoch herausgestellt, dass die erzeugten Filamente in dem Raum zwischen Düseneinheit und Felderzeuger eine Abkühlung erfahren, die eine Herstellung von Feinstfasern nach wie vor verhindert. Wie herausgefunden werden konnte, hat hierauf offenbar nicht nur die Temperatur, sondern auch die Luftfeuchte innerhalb dieses Raumes einen maßgeblichen Einfluss. Da bereits heute absehbar ist, dass künftig ein wachsender Bedarf an Fasern bestehen wird, deren Durchmesser kleiner ist, als dies bislang technisch umgesetzt werden kann, sollte hier ein Weg gefunden werden, der die bestehenden Probleme löst.
-
Der Erfindung daher liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, Feinstfasern zu erzeugen und die dabei einen möglichst einfachen Aufbau aufweist sowie energiesparend funktioniert. Darüber hinaus ist ein Elektrospinnverfahren anzugeben, das mittels der Vorrichtung zum Einsatz kommen kann. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Kunststoff anzugeben, dessen Verarbeitung in der Vorrichtung mittels des Elektrospinnverfahrens möglich ist.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1, 7 und 9. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der sich jeweils anschließenden Unteransprüche.
-
Eine Vorrichtung zur Herstellung von Feinstfasern aus schmelzbaren Kunststoffen, die eine Düseneinheit sowie einen unterhalb und mit einem Abstand zu der Düseneinheit angeordneten Felderzeuger aufweist, wurde erfindungsgemäß dahingehend weitergebildet, dass der durch den Abstand zwischen Düseneinheit und Felderzeuger definierte Raum als eine Klimakammer ausgebildet ist, die Hohlräume in den die Klimakammer begrenzenden Seitenwänden aufweist, wobei in diesen Hohlräumen Nanoheizelemente aufgenommen sind.
-
Mit dieser Lösung ist eine besonders einfache und Energie sparende Ausführung einer Vorrichtung zur Herstellung von Feinstfasern gelungen. Die eigentliche Herstellung der Fasern erfolgt innerhalb der Klimakammer, was dazu führt, dass die Fasern eine stets gleichbleibende Qualität aufweisen, da in der Klimakammer nicht nur konstante Temperaturen herrschen, sondern auch eine konstante, also bevorzugt geringe Luftfeuchtigkeit gegeben ist. Dies ermöglichen vorliegend Nanoheizelemente, die aufgrund der von ihnen erzeugten Infrarotstrahlung eine gleichmäßige Erwärmung innerhalb der Klimakammer ermöglichen und damit die Filamente in einem Temperaturbereich halten, die eine Verflüssigung des Kunststoffes auch nach dem Austritt aus der Düseneinheit begünstigen, was wiederum zur Folge hat, dass sich die erzeugten Fasern wesentlich stärker strecken und daher dünner herstellbar sind, als dies bislang der Fall war. Mittels der Nanoheizelemente sind dabei innerhalb der Klimakammer Temperaturen von beispielsweise 250 °C und mehr erzeugbar. Die besondere Eigenschaft der Nanoheizelemente ist auch darin zu sehen, dass nicht die Umgebungsluft, sondern die Körper selbst erwärmt werden. Dies bedeutet, dass sowohl der in die Klimakammer eingebrachte, verflüssigte Kunststoff, als auch die Seitenwände gleichmäßig erwärmt werden und damit eine homogene Innenraumerwärmung der Klimakammer und der Filamente erreicht wird, bis diese anschließend unter exakt steuerbaren Bedingungen abkühlen und dabei aushärten. Hierfür weist die Vorrichtung eine geeignete Steuereinheit auf. Da die Nanoheizelemente in die Seitenwände der Klimakammer integriert werden, ist es von Vorteil, wenn die Nanoheizelemente plattenförmig ausgeführt sind. Durch den Felderzeuger wird vorzugsweise ein elektrisches Feld erzeugt, das in der zuvor beschriebenen Weise eine Streckung des aus der Düseneinheit austretenden, später die Spinnfäden bildenden Kunststoffes bewirkt. Dabei kann es sich bei dem Felderzeuger im erfindungsgemäßen Sinne jedoch auch um einen Felderzeuger handeln, der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, wenn der zu verarbeitende Kunststoff auf elektromagnetische Felder reagiert. Letztlich hängt dies davon ab, welche Eigenschaften der zu verarbeitende Kunststoff aufweist, beziehungsweise mit welchen Additiven dieser versetzt ist.
-
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass oberhalb des Felderzeugers zur Auflage und zum Abtransport der erzeugten Spinnfäden eine Fördereinrichtung durch die Klimakammer geführt ist. Bei der Fördereinrichtung kann es sich im einfachsten Falle um ein Förderband handeln, das durch die Klimakammer geführt wird. Im Bereich des Eintritts und des Austrittes des Förderbandes besteht dabei selbstverständlich eine geeignete Abdichtung, sodass die in der Klimakammer vorhandene Luftfeuchtigkeit und Temperatur erhalten bleiben.
-
Eine Lösung der Aufgabenstellung, die gesamte Vorrichtung zur Herstellung von Feinstfasern möglichst einfach auszuführen, besteht ferner darin, dass die Düseneinheit eine erwärmbare Düsenplatte mit als Bohrungen ausgeführten Düsen ist. Somit lässt sich die Düseneinheit fertigungstechnisch einfach und kostengünstig produzieren. Ist die Düsenplatte zu dem erwärmbar, so führt dies zu einer zusätzlichen Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften des eingesetzten Kunststoffs zur Erzeugung der Feinstfasern. Die Erwärmung der Düsenplatte kann dabei ebenfalls durch Nanoheizelemente auf Energie sparende Weise erfolgen.
-
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, wird durch den Felderzeuger in bevorzugter Weise ein elektrisches Feld erzeugt. Hierfür ist der Felderzeuger gemäß einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung als eine mit einer Hochspannung gespeiste Felderzeugerplatte ausgeführt. Die plattenförmige Gestalt des Felderzeugers hat den Vorzug, dass hierfür relativ wenig Bauraum erforderlich ist und somit die gesamte Vorrichtung kompakt ausgeführt werden kann.
-
Da es bei der Verarbeitung von Kunststoffen kaum vermeidbar ist, dass Ausdünstungen beziehungsweise Abgase entstehen, ist es von Vorteil, wenn die Klimakammer eine Absaugung für die bei dem Spinnverfahren entstehenden Abgase aufweist. Um derartige Abgase umweltfreundlich zu entsorgen, können diese nach der Absaugung beispielsweise durch ein Filtersystem geleitet und darin gereinigt werden. Von Bedeutung ist hierbei, dass die Absaugung im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen bei der erfindungsgemäßen Ausführung keinen Einfluss auf das Klima innerhalb der Klimakammer hat, da die Nanoheizelemente nicht die Luft, also auch nicht die Abgase erwärmen, sondern lediglich die Oberflächen erwärmt werden. Dies stellt einen weiteren, sehr wesentlichen Vorteil der Erfindung dar, weil auf diese Weise durch die Absaugung keine Energie verloren geht.
-
Darüber hinaus ist es für die Qualitätskontrolle durchaus hilfreich, wenn die zum Einsatz kommende Klimakammer ein Sichtfenster aufweist. Mittels eines derartigen Sichtfensters kann der Verarbeitungsprozess optimal beobachtet und es kann bei Störungen innerhalb kurzer Zeit eingegriffen werden.
-
Hinsichtlich des einzusetzenden Kunststoffes wurde bereits ausgeführt, dass hierfür nicht jeder beliebige Kunststoff verwendbar ist. Aus diesem Grund wird ein Kunststoff zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, der der Gruppe der niedrigviskosen Polypropylene angehört.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses Vorschlages ist der Kunststoff ein mit 2 wt.-% Natrium-Stearat versetztes Borealis HL508FB.
-
Das Elektrospinnverfahren nach der Erfindung dient der Herstellung von Feinstfasern und kommt in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz. Es ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- -Verflüssigung des Kunststoffes durch Erhitzen,
- -Abgabe des flüssigen Kunststoffes über die in der Düseneinheit vorhandenen Düsen in die Klimakammer, wobei zeitgleich über den Felderzeuger ein elektrisches Feld erzeugt wird und die Nanoheizelemente die Spinnfäden konstant erwärmen,
- -Ablage der Spinnfäden auf der Fördereinrichtung und Abtransport der Spinnfäden.
-
Mit diesen wenigen Verfahrensschritten lassen sich in optimierter Weise Feinstfasern aus Kunststoffen herstellen, die auf ein elektrisches oder elektromagnetisches Feld reagieren. Durch die konstante Erwärmung des Raumes, der die Klimakammer bildet und die Erwärmung der Spinnfäden, also der Filamente, können Feinstfasern mit gleichbleibender Qualität und extrem geringem Faserdurchmesser im Nanobereich erzeugt werden.
-
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt zudem die Zuführung des Kunststoffes zu der Düseneinheit unter einem im Vergleich mit dem Normalluftdruck erhöhten Druck, was zusätzlich zu einer Verbesserung der Qualität der erzeugten Fasern beiträgt. Durch den erhöhten Druck ist nämlich beispielsweise erreichbar, dass Lufteinschlüsse im Kunststoff vermieden werden. Dadurch sind auch fehlerhafte Spritzvorgänge nahezu ausgeschlossen und der erzeugte Ausschuss kann reduziert werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt unter Verwendung eines Kunststoffes durchgeführt, wie er zuvor eingehend definiert, beziehungsweise beschrieben wurde.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen dabei keine Einschränkung auf die dargestellten Varianten dar, sondern dienen lediglich der Erläuterung eines Prinzips der Erfindung. Gleiche oder gleichartige Bauteile werden stets mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Um die erfindungsgemäße Funktionsweise veranschaulichen zu können, sind in den Figuren nur stark vereinfachte Prinzipdarstellungen gezeigt, bei denen auf die für die Erfindung nicht wesentlichen Bauteile verzichtet wurde. Dies bedeutet jedoch nicht, dass derartige Bauteile bei einer erfindungsgemäßen Lösung nicht vorhanden sind. Es zeigt:
- 1: eine schematisch stark vereinfachte Vorrichtung zur Herstellung von Feinstfasern,
- 2: exemplarisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung von Feinstfasern
und
- 3: eine in Bezug zur 2 abgewandelte Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Herstellung von Feinstfasern.
-
In der 1 ist zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips eine schematisch stark vereinfachte Vorrichtung 1 zur Herstellung von Feinstfasern gezeigt. Diese Vorrichtung 1 weist eine Düseneinheit 3 auf, die zur Verflüssigung des oberhalb der Düseneinheit 3 vorhandenen Kunststoffs 2 erwärmt wird. In die Düseneinheit 3, die vorliegend plattenförmig, also als eine Düsenplatte 10 ausgebildet ist, sind zahlreiche Bohrungen mit einem sehr geringen Durchmesser eingebracht, die folglich Düsen 11 bilden. Mittels eines auf den flüssigen Kunststoff 2 aufgebrachten Druckes, der in der Darstellung der 1 mit einem Pfeil und einem „p“ symbolisiert ist, wird dieser durch die Düsen 11 gepresst und tritt an der Unterseite der als Düsenplatte 10 ausgebildeten Düseneinheit 3 in Form dünner Filamentstränge aus, die in der Darstellung der 1 durch Pfeile symbolisiert sind. In mehreren Seitenwänden 7 der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Feinstfasern sind Hohlräume 6 vorhanden, in die jeweils plattenförmige Nanoheizelemente 8 eingebracht sind. Diese elektrisch betriebenen Nanoheizelemente 8 haben einen äußerst geringen Energieverbrauch bei hoher Heizleistung und sind damit extrem sparsam. Zudem bewirken sie einerseits eine Erwärmung der Seitenwände 7 und andererseits auch eine Erwärmung der aus der Düseneinheit 3 austretenden Filamentstränge, sodass diese nicht unmittelbar abkühlen und in einen festen Aggregatzustand wechseln. Mittels der Nanoheizelemente 8 kann folglich auch die als Düsenplatte 10 ausgebildete Düseneinheit 3 erhitzt werden. Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht jedoch neben den zum Einsatz kommenden Nanoheizelementen 8 darin, dass der zwischen der Unterseite der Düsenplatte 10 und dem ein elektrisches Feld erzeugenden Felderzeuger 4 vorhandene Raum als eine Klimakammer 5 ausgebildet ist. Hierfür sind die bereits erwähnten Seitenwände 7 mit den darin aufgenommenen Nanoheizelementen 8 zusätzlich mit einer geeigneten Isolation versehen, sodass diese isolierend wirken. Der Felderzeuger 4 bewirkt infolge des von ihm erzeugten elektrischen Feldes eine zusätzliche Beeinflussung der aus den Düsen 11 austretenden Filamentstränge derart, dass diese in verstärkter Weise gestreckt werden und damit dünner erzeugt werden können, als herkömmliche Kunststofffasern. Unmittelbar oberhalb des Felderzeugers 4 wird durch die Klimakammer 5 hindurch ein Förderband 9 geführt, auf das die erzeugten Filamentstränge abgelegt werden, um abtransportiert und gekühlt zu werden, sodass sie auf diesem Wege aushärten. Dabei ist es möglich, auf dem Förderband 9 eine in der 1 nicht gezeigte Auflage oder Beschichtung vorzusehen, um beispielsweise eine Verunreinigung des Förderbandes 9 zu vermeiden. Ein weiterer, sehr wesentlicher Vorteil der zum Einsatz kommenden Nanoheizelemente 8 besteht darüber hinaus darin, dass durch diese innerhalb der Klimakammer 5 ein optimales Klima geschaffen wird, welches nicht nur eine erhöhte Temperatur der Filamentstränge bewirkt, sondern auch eine geringe Luftfeuchtigkeit aufweist.
-
In der 2 ist exemplarisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Herstellung von Feinstfasern in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Die Seitenwände 7 bilden dabei gemeinsam ein Gehäuse, welches in der gezeigten Ausführungsvariante in der Horizontalen eine etwa rechteckige Querschnittgeometrie aufweist. Die als Förderband ausgeführte Fördereinrichtung 9 durchläuft auch hierbei die Klimakammer 5 unmittelbar oberhalb des Felderzeugers 4. Bei diesem Beispiel ist eine der Seitenwände 7 vollständig durch ein Sichtfenster 12 ersetzt worden, das einen Einblick in die Klimakammer 5 ermöglicht, sodass dadurch der Prozess beobachtet werden kann und gegebenenfalls ein Eingriff möglich ist, sofern dieser nicht optimal ablaufen sollte. Hierfür kann mindestens eine weitere Seitenwand 7 geöffnet werden, sodass der Zugang in die Klimakammer 5 unmittelbar möglich ist. Deutlicher, als dies im Zusammenhang mit der 1 möglich war, geht aus der Darstellung in 2 hervor, dass die Düseneinheit 3 eine erhebliche Vielzahl einzelner Düsen 11 aufweist, deren Durchmesser so gering bemessen ist, dass damit Feinstfasern erzeugt werden können.
-
Aus der 3 geht noch mal ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Herstellung von Feinstfasern in einer Explosivdarstellung und unter Weglassung einzelner Elemente hervor. Hierbei wurde in eine der vorhandenen Seitenwände 7 ein Sichtfenster 12 integriert. Insgesamt wird aus den Darstellungen deutlich, dass die Vorrichtung 1 zur Herstellung von Feinstfasern einen sehr kompakten und einfachen Aufbau aufweist. Durch den Einsatz der Nanoheizelemente 8 ist sie zudem Energie sparend ausgeführt und gestattet zudem durch den unmittelbaren Abtransport der erzeugten Feinstfasern über die Transporteinrichtung 9 eine kontinuierliche Herstellung, ohne Unterbrechungen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1.
- Vorrichtung
- 2.
- Kunststoff
- 3.
- Düseneinheit
- 4.
- Felderzeuger
- 5.
- Klimakammer
- 6.
- Hohlraum
- 7.
- Seitenwand
- 8.
- Nanoheizelement
- 9.
- Fördereinrichtung
- 10.
- Düsenplatte
- 11.
- Düse
- 12.
- Sichtfenster
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015015028 A1 [0005]
