EP2414575A1 - Template-supported method of forming patterns of nanofibers in the electrospinning process and uses of said nanofibers - Google Patents

Template-supported method of forming patterns of nanofibers in the electrospinning process and uses of said nanofibers

Info

Publication number
EP2414575A1
EP2414575A1 EP10712425A EP10712425A EP2414575A1 EP 2414575 A1 EP2414575 A1 EP 2414575A1 EP 10712425 A EP10712425 A EP 10712425A EP 10712425 A EP10712425 A EP 10712425A EP 2414575 A1 EP2414575 A1 EP 2414575A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nanofibers
template
polymer
nonwovens
polymers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10712425A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gyeong-Man Kim
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.)
Centro de Estudios Investigaciones Tecnicas CEIT
Original Assignee
Centro de Estudios Investigaciones Tecnicas CEIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centro de Estudios Investigaciones Tecnicas CEIT filed Critical Centro de Estudios Investigaciones Tecnicas CEIT
Publication of EP2414575A1 publication Critical patent/EP2414575A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

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
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0061Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D01D5/0076Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the collecting device, e.g. drum, wheel, endless belt, plate or grid
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10Supported membranes; Membrane supports
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62218Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining ceramic films, e.g. by using temporary supports
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/62236Fibres based on aluminium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/6224Fibres based on silica
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/62254Fibres based on copper oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/62259Fibres based on titanium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62844Coating fibres
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F1/00General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
    • D01F1/02Addition of substances to the spinning solution or to the melt
    • D01F1/10Other agents for modifying properties
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • DTEXTILES; PAPER
    • D04BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04HMAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning
    • DTEXTILES; PAPER
    • D04BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04HMAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H3/00Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length
    • D04H3/02Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of yarns or filaments
    • D04H3/05Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of yarns or filaments in another pattern, e.g. zig-zag, sinusoidal
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/02Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements ultrasonic or sonic; Corona discharge
    • D06M10/025Corona discharge or low temperature plasma
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M11/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M13/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with non-macromolecular organic compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/39Electrospinning
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/94Products characterised by their shape
    • C04B2235/945Products containing grooves, cuts, recesses or protusions
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/29Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2913Rod, strand, filament or fiber
    • Y10T428/2933Coated or with bond, impregnation or core
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T442/00Fabric [woven, knitted, or nonwoven textile or cloth, etc.]
    • Y10T442/60Nonwoven fabric [i.e., nonwoven strand or fiber material]
    • Y10T442/603Including strand or fiber material precoated with other than free metal or alloy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T442/00Fabric [woven, knitted, or nonwoven textile or cloth, etc.]
    • Y10T442/60Nonwoven fabric [i.e., nonwoven strand or fiber material]
    • Y10T442/647Including a foamed layer or component

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of two- and three-dimensionally structured, consisting of nanofibers, micro- and nanoporous nonwovens in an arbitrary form with a very large degree of coverage or deposition of fibers through a predefined conductive template as a collector and the use of the webs according to the invention.
  • the deposition density of the nanofibers produced by means of an electrospinning process over the accumulation time of the fibers allows the three-dimensional structure formation to be influenced in a targeted manner.
  • Modern synthetically produced polymeric fibers have many and varied innovative applications, such as multifunctional textiles with high breathability and weather resistance, as separation or storage media for gases, liquids or particle suspensions in process and safety technology, as optical fibers for telecommunications, as reinforcement components in super lightweight composite materials, in health care as well as in sports and leisure.
  • Polymer fibers with a diameter of up to a few nanometers, wherein in comparison to conventional mechanical methods, the stretching of the fibers takes place without contact by applying an external electric field.
  • a collection electrode such as a conductive plate
  • This electrically charged jet which now continuously draws out new polymer solution or melt from the capillary nozzle, is then accelerated in the electric field in the direction of the counter electrode. He is subjected to a very complex manner of bending instability (the so-called Whipping Mode), vigorously rotated and stretched.
  • the jet solidifies during its flight to the counter electrode by evaporation of the solvent or by cooling, so that within a few seconds continuous fibers are produced in looped form with typical diameters of a few nanometers to a few micrometers. These fibers are collected and processed on the nonwoven mat counter electrode (US 197550; Kenawy et al., Biomaterials 24: 907 (2003); Deitzel et al., Polymer, 42: 8163 (2001); Reneker et al., Nanotechnology 7: 216 (2000)).
  • the jet drawn out of the capillary nozzle exerts a strong interaction between the electrical charges within the jets and the external electric field, which makes it difficult to clearly define the course of the jet.
  • a continuous plate made of a conductive material is used as the collecting electrode, a nonwoven fabric is obtained from nanofibers which lie dislocated on one another or next to each other on the collecting electrode (FIG. 2).
  • the polymer nanofibers produced in the electrospinning process have intriguing possibilities for the generation of completely new "tailor-made” combinations of properties, which can not be achieved with conventional processes, such as eg for special textiles, as nanostructured reinforcement elements, for membrane-based separators, for sensors, for the immobilization of biological messengers, eg DNA, RNA, enzymes and pharmaceuticals, and in the fields of tissue engineering and regenerative medicine.
  • conventional processes such as eg for special textiles, as nanostructured reinforcement elements, for membrane-based separators, for sensors, for the immobilization of biological messengers, eg DNA, RNA, enzymes and pharmaceuticals, and in the fields of tissue engineering and regenerative medicine.
  • the fiber orientation is only one-dimensionally possible with the above-known methods, however, two-dimensional and three-dimensional structures can not be produced thereby. However, there is still a greater difficulty with these methods, namely, although the fibers thus produced are aligned more or less parallel side by side, the distances between the individual fibers can hardly control.
  • the proportion of identically oriented fibers is referred to as degree of orientation and expressed in percent.
  • these known methods for aligning nanofibers have numerous other disadvantages, including a complicated structure of the spinning plant and the need for multiple steps and thus a lot of time and cost.
  • Nanofibers are spun to linear structures in the form of yarns, so-called yarns, to increase their strength with textile fibers. These yarns can then be processed into two- or three-dimensional fabrics by means of textile treatment processes, such as weaving, braiding or knitting.
  • WO 2008/049250 A1 discloses a process for the production of microbicidal electrospun polymer fibers with polyethyleneimine nanoparticles for textile applications. This polymer fibers are spun with derivatized Polyethylenimin- nanoparticles and thus achieved an antibacterial or antifungal effect. The same effect is achieved by spinning polymer fibers with honey in encapsulated form as disclosed in WO 2008/049251 A1.
  • WO 2008/049397 A2 discloses a process for electrospinning water-soluble polymers into a water-insoluble polymer fiber.
  • oppositely charged polyelectrolytes are spun in aqueous solution by electrospinning to a water-insoluble polymer fiber.
  • DE 10 2007 040 762 A1 discloses an apparatus and a method for producing electrically conductive nanostructures by means of electrospinning. It will be electric conductive particles are spun together with the dope to form conductive line-like structures.
  • the electrically conductive nanostructures can be produced by post-treatment with conductive particles.
  • the deposition of the nanofiber produced on the collector takes place in a targeted orientation and high local precision.
  • the spinning capillary and / or the substrate holder is designed to be movable and their relative movement to one another is controlled by a computer unit.
  • the structures produced by this method do not have the local precision required, for example, for use in microsystems technology. The precision is dependent on the relative movement, the precision of the
  • WO 2009/010443 A2 discloses a method for producing nano- and mesostructures by electrospinning colloidal dispersions containing at least one water-insoluble polymer.
  • the water-insoluble polymer is spun in an aqueous solution to a fiber, wherein the glass transition temperature of the water-insoluble polymer is not more than 15 9 C above to 15 9 C below the process temperature.
  • the use of solvents can be dispensed with as far as possible.
  • the fibers and nonwovens produced by this method also have low precision in terms of deposition.
  • the process window of the electrospinning process is narrowly limited.
  • the fibers in the nonwoven mat have all possible orientations, so that the use of these fleeces has hitherto been limited to special applications in which random fibers are also acceptable. Typical examples are applications in the filter industry.
  • the degree of orientation depends on the distance of the surveys. If the distance is too great, a chaotic deposit continues to occur (compare, in particular, FIG. This effect is explained by the fact that Coloubm 's interaction is inversely proportional to the distance between capillary and collector. Since the Coulomb 'rule interactions as a major driving force of the controlled deposition are therefore preferably takes place a separation in the range between the peaks (Fig.4). The proposed method works with the corresponding elevations in the collector to achieve a preferred orientation of the fibers.
  • the object of the present invention is therefore to specify a method and a device which makes it possible to produce two and three-dimensionally structured, nanofiber-based, microporous and nanoporous nonwovens in any desired shape with a very high degree of coverage or deposition of the fibers and thus opens up new applications for the micro- and nanoporous nonwovens produced.
  • the deposition density of the nanofibers produced by means of an electrospinning process over the accumulation time of the fibers allows the three-dimensional structure formation to be influenced in a targeted manner.
  • Template placed as a collector (template) on a conventional conductive collecting electrode under the capillary and then grounded together with the collecting electrode. Since there is a strong interaction between the electrical charges inside the jet and the grounded stencil, the jet drawn out of the capillary nozzle can be deposited preferentially directly to the grounded stencil. In addition, the helical airline of the jet as it approaches the template is severely restricted by Coulombic interaction between it and the oppositely charged or grounded template only on the lattice towers within the template. In the intermediate areas of the lattice towers within the template, in which there is no conductive material (as in the holes of a screen), little or no fibers are deposited.
  • two- or three-dimensionally structured nonwoven webs of polymeric fibers in any desired shape and with a very long distance order of controllable thickness as well as a very high degree of coverage of the nanofibers by means of a template as a collector be produced in a single step.
  • the inventive method is simpler, faster, more effective and cheaper.
  • the process according to the invention is based on a difference in the literature (D. Zhang et al., Adv. Mater., 2007, 19, 3664-3667 and D. Li, et al., Nano Lett. 2005, 5, 913-916).
  • described method for the production of oriented nanofibers by electrospinning method (Figure 3) consists in the use of a predefined conductive template, whereby the production of well-defined structured nonwovens, which have a high degree of internal Abscheidungs- or Abscheidungsgrad is possible.
  • the deposition of spun fibers according to the invention directly on the template used with high local precision, when the predefined conductive template is used as a collecting electrode.
  • the generated structures represent exactly the predefined conductive template.
  • This invention refers to a measure which indicates how much of the spun nanofibers are deposited directly on the template and not between the cavities.
  • the degree of deposition or coverage of the nanofibers is greater than 95% in a single operation.
  • the conductive template which is on a common conductive collecting electrode, serves as a collector and is grounded together with the collecting electrode.
  • the polymeric fibers are spun directly onto the template.
  • they should be flat and well conductive.
  • the term flat is understood to mean a two-dimensional template, for example in the form of a net, grid, etc., which in turn can itself be used for the desired pattern formation in a three-dimensional arrangement.
  • the template according to the invention has no protruding elevations or sharp points in the region of the conductive regions of the template, which are embodied, for example, as lattice masts.
  • the space between the conductive areas of the template, which are formed, for example, as lattice masts, etc., whereupon the fibers are to be deposited, should be empty, i. Cavities without fillings be.
  • the invention is of the order of magnitude of 50 nm to 200 nm and 200 nm to 500 nm for the production of the microstructures imaged with nanofibers, with their
  • Fiber bristles of 500 .mu.m to 1000 .mu.m, the thickness of the template in the range of 500 .mu.m to 2000 .mu.m and especially for structures with the distances between fiber bundles of 500 nm to 1000 nm thickness of the template according to the invention should be in the range of 2 .mu.m to 200 .mu.m ,
  • the chaotic course of the jet would first have to be controlled as precisely as possible. Since the electric charges are distributed along the jets occurring from the capillary, the progress of the jets can be controlled by the external manipulation of the electric field. Even with a slight variation in the profile of the electric field, an influence on the deposition of the jets is clearly noticeable.
  • a pre-structured template which generates an inhomogeneity within the electric field, is additionally applied on a continuous conductive plate as a conventional collecting electrode. Since the driving force for arranging the fibers is the electrostatic interaction between the electrically charged jet and the conductive template, this interaction can be specifically influenced by the shape of the templates.
  • the fibers are preferably deposited in the region of the structured template within the collecting electrode, since the electric field strength has maximum values there.
  • the helical flightline of the jet as it approaches the template is severely restricted by Coulombic interaction between it and the oppositely charged or grounded template only on the lattice towers within the template. In the intermediate areas of the lattice towers within the template, in which there is no conductive material (as in the holes of a screen), little or no fibers are deposited.
  • the template is used directly as a collector so that the deposition of the jet strictly limits itself to the conductive areas of the lattice towers within the template.
  • deposition is advantageously realized only in the area of the lattice masts and not in the intermediate area.
  • the spinning process can be interrupted. Subsequently, the deposition layer of electrospun fiber for obtaining the freestanding nonwoven whose structure corresponds to that of the template is carefully separated from the template.
  • the resultant fleece is available for use or possible after-treatment. After removal of the fleece, the template can be used immediately for further electrospinning operations.
  • the nanofibers are arranged as highly oriented fiber bundles in one or two directions in a single operation with a very high order of the fibers without further modification or redesign for the construction of the electrospinning process, depending on the pre-structured template.
  • the fibers overlap on the template, the remaining charges are accumulated on the deposited fibers, with the other spun fibers being deposited, as in a continuous plate in the conventional electrospinning process, without restriction over the entire area of the collection electrode.
  • the fibers can be deposited randomly, i.e., without preferential orientation, between the lattice strands of lower density compared to the area outside the template.
  • the nanofibers pass through repeated formation and stacking in the form of a three-dimensional fleece (nonwoven mat) engulfed.
  • the size and shape of the voids between the fibers in such webs can be easily controlled, so that applications as a filter material, as protective clothing, as packaging material or in erosion protection and as a carrier matrix in biomedical applications as well as the transport and the targeted release of pharmaceutical preparations are conceivable ,
  • the subject matter of this invention is also the production of the microporous and nanoporous structured, robust nonwovens from electrospun nanofibers arranged in oriented fiber bundles by means of a template.
  • Variation width of the structure of the template, the polymer materials used and the modification possibilities of freestanding nonwovens is based, opens up the process of the invention a great application potential.
  • the method according to the invention has the following advantages:
  • the structure of the electrospinning process has remained unchanged compared to conventional systems, with the exception of the additional template, which is arranged on a conventional collecting electrode (counter electrode).
  • the template can be easily and quickly pre-structured and customized for the specific applications.
  • the formed pattern of electrospun nanofibers corresponds to that of the template used.
  • the dimension of the fleeces is freely scalable.
  • the "up-scaling" is not limited by the dimensioning of the fleece.
  • the structured deposition layers can be easily separated from the template.
  • the nonwovens thus obtained can be used to construct highly complicated structures.
  • the method according to the invention is also distinguished by the fact that the freestanding nonwovens produced are good can be transported and thus used for many applications.
  • the structured nonwovens according to the invention are characterized i.a. by the following special morphological and mechanical properties:
  • the nonwovens are highly micro- and nanoporous at the same time.
  • the fleeces can be produced individually with greater complexities, depending on the application.
  • the fibers are bonded together by adhesive forces, whereby the webs, along with the orientation of the fibers in the webs and the orientation of the microcrystallites, macromolecules, nanoparticles, etc. within the fibers themselves have reinforcing properties that facilitate the handling of the webs in the web Further processing significantly improved.
  • the template may consist of all conductive materials, e.g. in the form of wires and wire screens or perforated metal meshes, etc. of metallic materials or semiconductors or in the form of natural or man-made fibers impregnated with a conductive agent to increase their conductivity.
  • conductive materials e.g. in the form of wires and wire screens or perforated metal meshes, etc. of metallic materials or semiconductors or in the form of natural or man-made fibers impregnated with a conductive agent to increase their conductivity.
  • the lattice masts of the template which are designed, for example, as wires, wire screens or perforated metal meshes, have a ratio of the width (b) of the lattice masts to their thickness (d) of> 1. This means that the lattice masts are wider than thick.
  • the width (b) of the lattice masts in this case characterizes the expansion in the x and / or y direction
  • the thickness (d) of the lattice towers in this case refers to the material thickness of the lattice masts in the z direction.
  • the method according to the invention enables highly ordered nanofiber webs to be produced in an application-specific manner according to the wishes of customers in order to better enclose their use.
  • a polymer solution or melt is used for producing the structured nonwoven fabrics from nanofibers, suitable polymers being all known natural and synthetic polymers, mixtures of polymers with one another (polymer blends) and copolymers consisting of at least two different monomers, provided they are fusible and / or or at least be soluble in a solvent.
  • the polymer which can be used according to the invention can be prepared by processes known to the person skilled in the art or is commercially available.
  • polymers selected from the group consisting of polyesters, polyamides, polyimides, polyethers, polyolefins, polycarbonates, polyurethanes, natural polymers, polysaccharides, polylactides, polyglycosides, poly (alkyl) - methylstyrene, polymethacrylates, polyacrylonitriles, latices, polyalkylene oxides of ethylene oxide and / or propylene oxide and mixtures thereof.
  • the polymers or copolymers are particularly preferably selected from the group consisting of poly (p-xylylene); Polyvinylidene halides, polyesters such as
  • Polyethylene terephthalate polybutylene terephthalate; polyether; Polyolefins such as polyethylene,
  • Polypropylene poly (ethylene / propylene) (EPDM); polycarbonates; polyurethanes; natural
  • Polymers e.g. Rubber; polycarboxylic acids; polysulfonic; sulfated
  • polysaccharides polylactides; polyglycosides; polyamides; Homopolymers and copolymers of aromatic vinyl compounds such as poly (alkyl) styrenes), e.g. Polystyrenes, poly-alpha-methylstyrenes; Polyacrylonitriles, polymethacrylonitriles; polyacrylamides; polyimides;
  • Polyphenylene polysilanes; polysiloxanes; polybenzimidazoles; polybenzothiazoles;
  • polyoxazoles polysulfides; polyester; Polyarylene-vinylenes; polyether ketones;
  • silicones wholly aromatic copolyesters; Poly (alkyl) acrylates; Poly (alkyl) methacrylates;
  • polyhydroxyethylmethacrylates Polyvinyl acetates, polyvinyl butyrates; polyisoprene; synthetic rubbers such as chlorobutadiene rubbers, e.g. Neoprene® from DuPont;
  • Nitrile-butadiene rubbers e.g. Buna N®; polybutadiene; polytetrafluoroethylene; modified and unmodified celluloses, homopolymers and copolymers of alpha-olefins and
  • Copolymers composed of two or more monomer units forming the above-mentioned polymers; Polyvinyl alcohols, polyalkylene oxides, e.g. Polyethylene oxides;
  • a solution of the abovementioned polymers is used for the production of nanofibers, it being possible for this solution to comprise all solvents or mixtures of solvents.
  • a solvent is used, selected from the group consisting of chlorinated solvents, for example dichloromethane or chloroform, acetone, ethers, for example diethyl ether, methyl tert-butyl ether, hydrocarbons having less than 10 carbon atoms, for example n-pentane, n Hexane, cyclohexane, heptane, octane, dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidinone (NMP), dimethylformamide (DMF), formic acid, water, liquid sulfur dioxide, liquid ammonia and mixtures thereof.
  • DMSO dimethylsulfoxide
  • NMP N-methylpyrrolidinone
  • DMF dimethylformamide
  • solvent Preference is given to using as solvent one of the group consisting of dichloromethane, acetone, formic acid and mixtures thereof.
  • the mixing for the spinnable polymer solutions is carried out with stirring, under the action of ultrasound or under the action of heat.
  • the concentration of the at least one polymer in the solution is generally at least 0.1 wt .-%, preferably 1 to 30 wt .-%, particularly preferably 2 to 20 wt .-%.
  • polymer solution in addition to the polymer solutions, it is also possible to use corresponding polymer melts, provided that they are present in liquid form.
  • polymer solution is used equally synonymous with polymers which have been dissolved in solvents or converted by melting into liquid form.
  • a major obstacle in the production of devices or components with the help of nanotechnology is an "up-scaling" of the highly ordered structural unit.
  • the movement or displacement of the template in the xy direction makes both the homogenization of the layer thickness of fleece and the expansion
  • the thickness of the nonwovens can be determined by the deposition time and the
  • Shape of the nonwovens can be adjusted very precisely by the structure of the template.
  • the minimum structure sizes of the nonwovens correspond to the diameter of the nanofibers, which range from a few nanometers to a few micrometers, depending on the polymer and the process conditions of the electrospinning process.
  • the coverage or degree of deposition of the nanofibers in the method according to the invention is dependent on the material and template in the range between 60 and 100%, which causes an increased mechanical strength of the nonwovens.
  • nanoparticles having different dimensionalities can be mixed in easily and then applied to the template together with the polymer as nanocomposite nanofibers.
  • advantages of nonwoven structuring and fiber orientation within the nonwovens can be combined with the tailored functionalities of the nanoparticles, resulting in numerous application fields.
  • metals and / or semiconductors may be mixed in as nanoparticles before spinning into the polymer solutions or melts with different dimensionalities and then applied to the template together with the polymer.
  • conductive nanofibers or nanofiber structures can be produced.
  • pharmaceutical active substances can be mixed in as nanoparticles before spinning into the polymer solutions or melts with different dimensionalities and then applied to the template together with the polymer.
  • the freestanding nonwoven webs produced by the method according to the invention can be selectively modified by means of different chemical and / or physical processes according to the particular application (irradiation with UV or gamma rays, plasma treatment, impregnation, eg with pharmaceutical agents or catalytic precursors, etc.).
  • the structures of the invention may further surface modification with cryogenic plasma or chemical reagents, such as aqueous hydroxide solution, inorganic acids, acyl anhydrides, or halides or others depending on the surface functionality with silanes, isocyanates, organic acyl halides or anhydrides, alcohols, aldehydes or alkylating Be subjected to chemicals with their corresponding Katalyten.
  • a surface modification for example by coating or irradiation with high-energy radiation, the nonwovens can obtain a more hydrophilic or more hydrophobic surface, which is advantageous for use in the biological or biomedical field.
  • ceramic nanofibers are made by the electrospinning process of the invention from a mixture of the polymer solution with a wide variety of suitable ceramic precursors.
  • the ceramic precursors are preferably selected from the group consisting of Al 2 O 3 , CuO, NiO, TiO 2 , SiO 2 , V 2 O 5 , ZnO, Co 3 O 4 Nb 2 O 5 , MoO 3 and MgTiO 3 .
  • the sheathing of the fibers takes place, for example, by vapor deposition, sputtering, spin coating, dip coating, spraying, plasma deposition, sol-gel methods or atomic layer deposition.
  • the cladding is carried out by vapor deposition or atomic layer deposition.
  • the polymer is removed after covering the nanofibers.
  • Suitable methods for removing the polymer are, for example, thermal, chemical, radiation-induced, biological, photochemical methods, as well as methods by means of plasma, ultrasound, hydrolysis or by extraction with a
  • the removal is preferably carried out at 10-900 ° C and 0.001 mbar to 1 bar.
  • the removal can take place completely or in a proportion of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 99%.
  • the high specific surface area is associated with a considerable capacity for the adhesion or detachment of functional groups, adsorption or absorption of molecules, ions, catalytically active substances and various nanoscale particles.
  • individual fibers and the resulting fiber mats (nonwovens) are particularly well suited as reinforcing components within a polymer matrix for producing ultralight polymer composites due to their high specific surface areas in combination with the high aspect ratio, high flexibility and strength.
  • the nanofibers are formed by repeated application and stacking in the form of a three-dimensional nonwoven
  • Nonwoven Mat (Nonwoven Mat) devoured.
  • the size and shape of the voids between the fibers in such webs can be easily controlled so that they can be used as filter material, protective clothing, packaging material, erosion protection and carrier matrix in biomedical applications, as well as for the transport and targeted release of pharmaceutically active substances are conceivable.
  • the inventive method presented here is a pioneering technology for the production of controllable "patterning" of the electrospun fibers only in a working cut, which allows the time-saving applicability of this method.
  • the structured nonwovens according to the invention are used as scaffolds in the field of "tissue engineering” or “regenerative medicine.”
  • These carrier frameworks are used in in vitro methods for the production of replacement tissues and organs for the purpose of improving or improving the tissue Maintaining the function of diseased or destroyed tissue The aim is to support a tissue defect only as far as necessary in healing, so that ultimately healthy and functional endogenous tissue is reborn.
  • the support materials must meet high standards: they should be biocompatible, sterile, either long-term stable or biodegradable and flexible depending on the application. In addition, they must be porous, so that cells can migrate into it while still strong enough not to tear at the first mechanical stress.
  • the highly ordered carrier frameworks produced in different geometries and sizes by the process according to the invention not only fulfill the task of providing the cells and the extracellular matrix with a three-dimensional template for their growth but also provide sufficient mechanical stability to allow convenient spatial organization of the tissue to be cultured and unobstructed matrix deposition.
  • the cells to be cultivated colonize the nonwovens in a short time and at high density (controlling cell growth). Nutrients can be easily transported to the cells and metabolic wastes removed.
  • the bioresorbable polymers are due to the different degradation mechanisms and the associated adjustable degradation times increased use in medicine. If the framework materials consist of such bioresorbable polymers, the generated cell or tissue association can be grafted together with the framework. The polymer materials dissolve slowly due to their biodegradability in the body, whereby the remaining endogenous tissue gradually takes over the function of the tissue or organ, without a renewed surgical intervention is necessary.
  • the fibers may be treated with various types of messengers, e.g. Growth factors (attracting cells, stimulating the growth of added cells), or drugs, e.g. Antibiotics and antiseptics are equipped with the aim of targeted release of pharmaceutical preparations in the organism after implantation.
  • messengers e.g. Growth factors (attracting cells, stimulating the growth of added cells)
  • drugs e.g. Antibiotics and antiseptics are equipped with the aim of targeted release of pharmaceutical preparations in the organism after implantation.
  • tissue means an accumulation of cells of an individual organism, which are optimally specialized in the execution of a specific task.
  • mechanically robust, contractible muscles or cardiovascular tissues are of higher density aligned cell morphology.
  • the scaffolds should not only support cell-to-cell interaction but also provide cell-mimicking structures of original tissues.
  • the nonwovens produced with the invention meet the requirements for one- and two-dimensional structures for the production of specifically such types of fabric. They not only provide mimicking scaffolds for nanoscale, natural extracellular matrices, but also provide a necessary defining architecture for guiding cell growth and development. The achievable alignment of the cells in controlled one-, two- and three-dimensional architecture has a crucial importance for differentiation, proliferation and functional longevity (lifetime) of the cell.
  • the ability of the method of the present invention to produce high-level, high-level fibers provides the potential for clinical studies of cellular behavior, such as cell proliferation. Gene expression and interaction of cells, industrial toxicology, etc., depending on fiber orientation.
  • the structured nonwovens according to the invention are used for the production of special patches for haemostasis.
  • a special feature of electrospun fibers is their nanoporous surface structure, whose nanopores effectively act as a sponge for wound exudate, effectively closing up germs and tissue debris. But they also cause the maintenance of a healing promoting moist wound environment.
  • the nanofibers with various pharmaceutical substances such as growth factors (attraction of skin cells, stimulation or acceleration of the growth of the added skin cells) or drugs (antibiotics, antiseptics, especially pain and Blutemmungsmedik noir, which are suitable for topical application, loaded to create optimal conditions for rapid wound healing.
  • growth factors attraction of skin cells, stimulation or acceleration of the growth of the added skin cells
  • drugs antibiotics, antiseptics, especially pain and Blutemmungsmedikêt, which are suitable for topical application, loaded to create optimal conditions for rapid wound healing.
  • the wound patch loaded with messenger substances gradually biodegrades during the healing process, as a result of which the painful dressing change, which often partially removes newly formed tissue again, can be dispensed with.
  • the patch may deliver one or more drugs to the wound site within a given period of time.
  • the wound plasters can be produced both in a patient-specific manner in various sizes and shapes and can also be equipped with specific active ingredients (diabetes, arterial occlusive disease, chronic venous insufficiency, etc.).
  • the wound plasters thus make a time-saving, easy to perform and cost-effective wound healing therapy.
  • the nanofibers produced according to the invention are used as support tubes for the regeneration of blood vessels, esophagus and nerves.
  • vascular lesions or aneurysms which have hitherto been treated by coiling (endovascular aneurysm occlusion)
  • endovascular aneurysm occlusion can be successfully treated.
  • the use of the support tubes according to the invention as stents is also provided.
  • by loading the support tubes according to the invention with pharmaceutically active substances improved healing by their release in situ is possible. This could also reduce the required doses of the applied substances by avoiding systemic application.
  • the support tubes produced according to the invention are made of biodegradable substances. As a result, only a temporary foreign body incorporation takes place in the corresponding tissue section, whereby possible resulting rejection reactions are avoided.
  • biodegradable support tubes according to the invention are loaded with pharmaceutically active substances.
  • the nonwovens of nanofibers produced according to the invention are used for surface modification of implants.
  • the immune response and the resulting risk of implant rejection can be reduced or minimized.
  • proteins such as extracellular matrix proteins, signaling proteins, cytokines, etc.
  • an antimicrobial coating of the implants takes place by the application of biocompatible and biofunctional electrospun nanofibers to the implant.
  • biocompatible and biofunctional electrospun nanofibers to the implant.
  • possible inflammations are prevented by germs.
  • Typical examples of this are the nonwovens embedded with TiO 2 as a photocatalytic coating for the applications of self-sterilization and biofiltration.
  • various metal-containing inorganic materials are used as antibacterial agents in the fibers; such as. Silver, copper, zinc and other antibacterial metals as inorganic disinfectants.
  • the release of the antibacterial agents from the nonwovens produced by the process according to the invention to the environment takes place continuously over a relatively long period of time. Relative to other conventional administration methods, the release of disinfectant by means of the nonwoven produced by the process according to the invention is superior in terms of safety, durability and heat resistance.
  • the nonwovens made from nanofibers according to the invention are produced as porous membranes and used as temporary skin substitutes. It is advantageous if the webs according to the invention are made of biodegradable substances.
  • the nonwovens produced according to the invention are used as support tubes in the regeneration of nerves.
  • the nonwovens according to the invention are coated with suitable signal substances, whereby the proliferation of the nerve cells along the nonwoven is promoted. These coated nonwovens are then used in the area of the interrupted nerve connection.
  • the fleece signal substances are the adjacent Nerve cells are stimulated to proliferate in the direction of the fleece. As a result, new neuronal connections are formed, which reconnects the interrupted nerve conduction.
  • the nonwovens structured according to the invention are used for producing ultralight polymer composites.
  • the structured nonwovens according to the invention because of their high specific surface areas in combination with the high aspect ratio, the high flexibility and strength of the fibers, are particularly suitable as reinforcing components within a polymer matrix for the production of ultralight polymer composites.
  • Polymer nanocomposites compacts the nonwovens structured according to the invention by means of a "hot compaction” process under defined process conditions (pressure, temperature) without destroying the nonwoven structuring and the orientation.
  • the nonwovens reinforced polymer composites produced by the method according to the invention make it possible to combine the material properties to measure; on the one hand a sufficient voltage transfer over the matrix-fiber interface is ensured, on the other hand, however, the damage tolerance is increased (crack stop, crack diversion).
  • Variations of the properties result from a change in the nonwoven morphology, ie the thickness, distribution and orientation of the fibers.
  • the compacted webs Due to the size of the fibers, the compacted webs show a stronger polymer-fiber interaction in the interfacial layer of the fibers to the matrix. With such surface consolidations, the corrosion resistance, the fatigue strength and the impact resistance, ie essential properties for the use of the layers, can be improved. An increased micro- and nano-porosity of the nonwoven also provides improved adhesion.
  • these novel polymer-nanofiber composites meet the requirements of a balanced property profile (e.g., strength, stiffness, and toughness) with low specific gravity, opening up a wide range of applications.
  • a balanced property profile e.g., strength, stiffness, and toughness
  • the optical properties of the resulting nanocomposites are also the optical properties of the resulting nanocomposites, such as the unmodified Matrix materials comparable high transparency of the composite.
  • the transparency is due to the fact that the diameter of the nanofibers is considerably smaller than the wavelength of the visible light.
  • the ultra-thin fibers with diameters up to a few nanometers can still be easily mixed with different nanofillers, such. modify one-dimensional carbon nanotubes, two-dimensional phyllosilicates, and three-dimensional nanoparticles.
  • the challenge with conventional methods is to homogeneously disperse the nanoparticles in the fibers while avoiding agglomerates and thus localizing stress concentrations under load in the matrix material.
  • the proportion of nanoparticles in compact nanocomposites is 0.1-5 wt .-% (weight percent) and is thus very low compared to conventional mineral fillers.
  • the weight fraction of nanoparticles in nanofibers is often well below 0.001 wt .-%.
  • the nonwovens according to the invention are modified with nano-layer silicates.
  • nano-layer silicates e.g. Montmorillonite, hectorite and saponite
  • modified polymers have improved properties in terms of UV and heat resistance, reduced flammability and gas permeability and increased biodegradability in the case of biodegradable polymers.
  • carbon nanotubes are dispersed in the polymers.
  • Composites formed by the dispersion of carbon nanotubes (CNTs) in polymers are characterized by higher mechanical strength and thermal and electrical conductivity.
  • the nonwovens according to the invention are used as filter media.
  • the electrospun webs have the consistency of typical porous membranes with their porosity of the order of 60 to 80%. Due to the high pore density with adjustable pore size (micro- and nanoporosity) Applications arise as a filter material (liquid and gas filtration, molecular and bacterial filtration, clean room technology, air conditioning).
  • the membranes have special surface characteristics as a result of which physically and / or chemically active substances are immobilized within the fibrous structures.
  • the pores should be as small as possible, with a small distribution width of the pore diameter. Since the
  • Throughflow resistance should be as small as possible, a large porosity or a large flow area is preferable.
  • the nonwovens according to the invention Due to the large surface area of the nanofibers, the nonwovens according to the invention have a high absorption capacity for adhering dirt particles with high permeability of the substance to be fixed. So have the advantage of a significantly lower total pressure loss at the same or higher absorption capacity and thus extend the service life of the filter compared to conventional fine-pored filter media. The extension of the service life is a factor that reduces the filter-related operating costs.
  • the fine, fabric-like network structure with very small fiber gaps allows the nonwovens according to the invention to retain particles with a very high degree of separation, but to allow liquids and / or gases to pass through unhindered.
  • nonwovens according to the invention are distinguished as filter media by an excellent balance between separation efficiency, air permeability and service life.
  • the mechanical use of nanofibers in filters also involves different mechanical and physical aspects, such as modulus of elasticity,
  • the webs according to the invention are used in demanding industrial filtration under the most difficult conditions as well as in special filters for heavy-duty vehicles, ie in applications in which an extremely low filter weight with a high permeability and / or large specific filter surface is required.
  • the structuring of the nonwoven fabric can be controlled, so that webs adapted exactly to the requirements of the concrete separation processes are constructed.
  • the nonwovens can also be provided with finishes, these coatings have only a limited fatigue strength.
  • Destroy structure For example, it makes sense to combine a mechanically less stable superfine fleece of small thickness to optimize the deposition with a mechanically robust carrier fleece to optimize the load capacity with each other.
  • the main advantage of this technology in addition to the price advantage, is to be able to develop and manufacture customized products where the gradient between coarse and fine porosity is freely adjustable over a wide range.
  • the advantages of this technology are a significantly improved filter efficiency, a significantly improved service life, a low production cost and thus low costs adjustable gradient of coarse fibers and nanofibres, protection of the integrated nanofibers against mechanical damage and a low use of raw materials.
  • the nanofibers and / or nonwovens produced according to the invention are used for coating and / or as a component of textiles.
  • the peculiarity of the nonwovens according to the invention is based on their very large surface area.
  • nanofibers due to the well-defined orientation of nanofibers, they have increased tensile strength and reduced gas permeability, making them suitable for very diverse applications.
  • functions antibacterial, self-cleaning, conductive, anti-static, protection against ultraviolet radiation (UV), flame retardance, thermal insulation and much more
  • the nonwovens according to the invention find applications within the textile industry as special textiles with excellent heat insulation properties, as protective clothing to minimize air impedance, textile materials with a high adhesive efficiency for nanoparticles and antibiochemical gases and for photo or thermochromatic clothing by incorporation of color pigments in the nanofibers.
  • Blood pressure can be measured. With a nanometer-thin metal coating this is guaranteed - while at the same time high wearing comfort.
  • a fundamentally simple possibility for increasing the electrical conductivity of nanofibers is the incorporation of conductive materials in the form of finely divided particles into the polymer matrix.
  • conductive materials in the form of finely divided particles are incorporated into the polymer matrix for protection against electrostatic discharges in protective work clothing. Protection against electrostatic discharges is indispensable in many areas of occupational safety.
  • the result is metallic, nanometer-thin layers deposited in the process that increase the conductivity of the polymers by several orders of magnitude.
  • the conductive materials used are metals (such as gold, silver, aluminum, iron, copper, nickel), carbon (in the form of carbon black, graphite or currently carbon nanotubes) or conductive polymers (polyaniline, polypyrrole, polyethylenedioxythiophene).
  • fibers are used as electrical conductors in the field of antistatic agents.
  • the silver coatings or incorporated silver nanoparticles deposited on the nanofibers have an antibacterial effect.
  • the silver-coated nonwovens can continue to be used in health care to combat the spread of antibiotic-resistant bacterial strains. Surgical drapes and other textile utensils prevent the spread of infections thanks to silver equipment, as they kill the bacteria within an hour.
  • the textiles according to the invention for medical applications and in the leisure / wellness with active or perfumes are spun.
  • Nanoscale depot structures are able to bind odor molecules and release them again on the next wash.
  • the removal of bacteria can also be used to combat odor in sportswear, since the sweat odor produced by the bacteria.
  • the pores in a nonwoven fabric according to the invention are substantially smaller than a water droplet, the nonwoven fabric is very dense against water and wind. Body moisture, however, is transmitted as water vapor.
  • the nonwovens according to the invention are thus breathable and thus allow the removal (diffusion) of the evaporated sweat, which is enormously important for the temperature regulation of the body. Sweat athletes overly at high loads, Afterwards they feel a cooling of the body, which is perceived as unpleasant. This so-called "post exercise chill effect" can be prevented by nanostructuring of the fibers, because their capillary action ensures rapid removal of perspiration.
  • the fabrics of the present invention allow for regulation of temperature and microclimate that form between the skin surface and the layers of clothing closest to the skin. This microclimate has the greatest importance in terms of wearing comfort.
  • the textile according to the invention advantageously also the principle of self-cleaning, analogous to the leaf of the lotus plant and many insect species, on. Due to the high pore density in the nonwoven structure can penetrate no water and / or pollution in the textiles. As a result of nanostructuring, both water and soil remain on the surface of the web.
  • the nonwovens according to the invention therefore protect the textiles from contamination.
  • the textiles of the invention are characterized by highly effective, long-term water density, with simultaneous breathability.
  • product properties are, for. B. "easy to clean” properties, protective layers (barrier layers, overlays, etc.), the targeted construction of switchable nanolayers or structures, electrical conductivity, catalytic activity, catalytic self-cleaning, electromagnetic shielding, substance-specific filtration and binding properties, controlled drug delivery and improved flame resistance, elasticity and processability.
  • the textiles according to the invention are used in car seat coverings, in air filters of air conditioning systems, in the form of awnings and fabric coverings on buildings or as covers of operating tables in hospitals.
  • advantageous polymer blends can be prepared which can be spun into a complex material by combining two or more different and structurally compatible nonwoven webs to produce structural or functional properties which the individual components alone do not possess.
  • the nonwovens of the invention are used for catalysts, whereby they can be used for catalytic processes.
  • the nonwovens according to the invention consisting of nanofibers have excellent properties, in particular a large specific surface and a high permeability to liquids and gases.
  • structuring of the fibers in micro and nano-regions forms a stable nonwoven and allows easy handling.
  • Electrospinning a mixture of polymer matrix with catalyst or precursor of a catalyst takes place.
  • the catalysts are encapsulated within the nanofibers, with the web acting as a semipermeable membrane.
  • This immobilization allows short diffusion paths and thus a reduced Stofftransportlimittechnik.
  • the catalyst immobilized nanofibers show shorter reaction times than conventional films, but also lower sensitivities because of the lower contact resistance, and concomitantly with increased activity of the immobilized catalyst (a fast response time).
  • the catalyst should be easily separable from the product on a larger scale.
  • the immobilization within the nanofibers allows such recovery of the catalyst from the reaction medium to a very high percentage.
  • the spectrum of useful catalysts for the nonwoven web of the present invention is very broad, starting with metals including gold, silver, osmium, ruthenium, palladium and platinum, via inorganic compounds, e.g. Semiconductors (lead sulfide, cadmium sulfide, titanium dioxide, zinc oxide, and more) and zeolites, to biomolecules or enzymes.
  • metals including gold, silver, osmium, ruthenium, palladium and platinum
  • inorganic compounds e.g.
  • Semiconductors lead sulfide, cadmium sulfide, titanium dioxide, zinc oxide, and more
  • zeolites to biomolecules or enzymes.
  • nonwovens functionalized with various catalysts can be used in chemical synthesis.
  • the nonwovens according to the invention can detect as sensor materials vapors and metal ions sensitive to thin film sensors by two to three orders of magnitude.
  • the nanofibers according to the invention can be used for the development of gas detectors.
  • novel highly active biocatalysts for reactions in organic solvents are obtained by the addition of enzymes in electrospinning. Due to their high porosity, the nonwovens according to the invention are intended for use in biosensors and biofuel cells.
  • Nanofibers used as part of optoelectronic components The electrospun nanofibers consisting of conjugated polymers have been shown to possess outstanding photo and electroluminescence as well as photovoltaic and nonlinear optics properties. For example, nanofibres can be considered as promising materials for optoelectrical components.
  • Conjugated polymers are an important class of materials because of their semiconductor properties. Formally similar to inorganic semiconductors, very high electrical conductivities can be achieved by doping, which is why they are also referred to as "synthetic metals".
  • the range of applications of the materials according to the invention ranges from materials for organic light emitting diodes, nonlinear optics and organic polymer lasers over polymers for photovoltaic applications (solar cells) to semiconductor polymers for polymer electronics (field effect transistors), computer chips and the screen technology.
  • the polymeric electroluminescent materials are a real alternative to the conventional cathode ray tube screens and liquid crystal displays (LCDs). Furthermore, these can lead to the development of very luminous monochrome and color displays, for example for mobile phones or computer screens, which, in contrast to the previously used LCD technology have some significant advantages, such as lower power consumption with higher luminosity and better contrast or independence from the perspective.
  • Conjugated polymers are particularly versatile, since fine tuning of their properties (color, quantum yield) by changing the structure is easily possible.
  • Nanostructured polymer materials claim an ever growing interest as active or passive components in electronic components.
  • One-dimensional nanofibers made of conjugated polymers are novel, inexpensive, and flexible building blocks that combine electronic, optical, and mechanical properties that are potentially suitable for use in functional optical and electronic nanoscale devices.
  • a light emitting diode consists of semiconductive polymeric nanofibers. This results in a promising, cheap and tiny little powerful light source.
  • the nonwovens based on electroluminescent nanofibers according to the invention are used in lasers, flat screens and illuminations.
  • the color tuning of the webs according to the invention can be adjusted by using the appropriate polymeric semiconductors.
  • active molecules chromophores
  • the emission of electrospun fibers from visible to near-infrared wavelengths (NIR) can be easily tuned.
  • the near-infrared light-emitting nanofibers are used for applications in communication networks, biosensing and diagnostics based on photonic technologies.
  • the nanofibers according to the invention are used with higher sensitivity and selectivity because of their extremely high intrinsic specific surface area for sensor systems (chemical resistance).
  • Acids, bases, oxidizing substances, anions, cations, inorganic and organic gases can influence the electrical conductivity of the nonwovens according to the invention.
  • the nanofibers of the invention consisting of conjugated polymers are used in field-effect transistors.
  • field effect transistors are the important other conjugate polymer based devices as they form the basic building block in the logic circuits and the switches for screens.
  • the nonwovens of the invention therefore open up the possibility of high throughput and cost-effective production of fully organic photonic systems based on coherent emitters.
  • the nonwovens according to the invention are used in solar cells.
  • the nonwovens of the invention which are used as a solution of the semiconducting polymers with the acceptor molecules, e.g. Fullerenes (C60), electrospun, are used.
  • C60 Fullerenes
  • an inventive, light-absorbing fleece in which the interface between the polymer and the electron-accepting acceptor phase is distributed over the volume of the layer, wherein the light-generated electrons pass quickly from the polymer to the acceptor molecule and the distance required for the removal of the charges be overcome as quickly as possible to the electrode.
  • the basic advantages of a solar cell based on the nonwovens according to the invention over conventional ones are low production costs due to low-cost production technologies, high current yields by increasing the specific surface area as well as flexibility and simple handling.
  • the organic photovoltaic systems produced on the basis of the nonwovens according to the invention are designed to be rollable.
  • the organic photovoltaic systems produced on the basis of the nonwovens according to the invention are integrated into chip cards and textiles.
  • nonwovens according to the invention consisting of polymeric semiconductors, are used as electrostatic discharge protection,
  • magnetic nanoparticles are added prior to spinning the polymer solution / melt.
  • Magnetic nanoparticles are of great interest for a wide variety of applications ranging from ultra-high data storage and catalysis to biotechnology / biomedicine due to their many exceptional properties; z. B. for the electrochemical biosensors, Bioseparatoren, the detection of DNA, RNA, cell and proteins, controlled Transportg. Medication and gene delivery systems, nuclear magnetic resonance imaging as a contrast agent, hyperthermic treatment for tumor or cancer cells.
  • Magnetic nanoparticles having a multiplicity of different compositions and phases are used in the process according to the invention; for example with Fe 3 O 4 and Y-Fe 2 O 3 , pure metals such as Fe, Ni and Co, spinel-like ferromagnets such as MFe 2 O 4 (where M is a metal such as Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Cd etc and alloys such as CoPt 3 and FePt, and magnetic nanocrystals such as Cr 2 O 3 , MnO, Co 3 O 4 and NiO.
  • pure metals such as Fe, Ni and Co
  • spinel-like ferromagnets such as MFe 2 O 4
  • M is a metal such as Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Cd etc and alloys such as CoPt 3 and FePt
  • magnetic nanocrystals such as Cr 2 O 3 , MnO, Co 3 O 4 and NiO.
  • the polymer matrix serves as a protective shell not only to protect the magnetic nanoparticles against oxidation and erosion or decomposition, but also for further functionalization, for.
  • catalytically active species drugs, specific binding sites or other functional groups.
  • the magnetic nanoparticles are used in catalysis and in the separation of biological species. Ferromagnetic nanoparticles whose size is below a critical value, typically about 10 nm in diameter, exhibit superparamagnetic behavior, meaning that they can be magnetized with an external magnetic field and immediately redispersed after removal of the magnet.
  • Such a magnetic behavior in the form of a simple on / off circuit is a particular advantage of the magnetic separation.
  • nonwovens according to the invention combine the advantages of a large dispersion, high reactivity and easy separability.
  • the nonwovens of this invention containing such magnetic nanoparticles may be useful as magnetically switchable bioelectrocatalytic systems for the efficient, rapid, easy separation and reliable capture of catalysts, radioactive waste, biochemical products, genes, proteins and cells.
  • the nonwovens according to the invention consist of biocompatible polymers with magnetic nanoparticles to which pharmaceutically active ingredients are bound. These are used as magnetic-drug-targeting drugs.
  • nanoparticles are used simultaneously as contrast agents in addition to the pharmaceutically active substances. This results in addition to the directed magnetic field-controlled drug application also a real-time control option by means of magnetic resonance imaging.
  • the nonwovens according to the invention can transport a high dose of the active ingredient and thus bring about a high local active ingredient concentration in situ. Toxicity and other side effects from high systemic drug dosing in other parts of the body Organisms are avoided.
  • the magnetic nanoparticles are used in the hyperthermic treatment. It is considered to be complementary to chemotherapy, radiotherapy and surgical intervention in cancer therapy.
  • the idea of using magnetic induction hyperthermia is based on the fact that heat is produced due to magnetic hysteresis loss (Neel and Brown relaxation) when magnetic nanoparticles are exposed to an alternating magnetic field.
  • purely magnetic fibers are produced by spinning polymers with suitable precursors and subsequent thermal treatment of the spun fibers.
  • the magnetic fiber nonwoven webs of the present invention are used for high data density storage media, magnetic logic junctions, spintronic devices, magnetic sensors, and magnetic composites.
  • metallic, ceramic and their hybrid nanofibers are prepared by electrospinning either directly from the respective precursor materials or if they can not be electrospun - a sufficiently viscous polymer solution containing the precursor materials, the polymer acting as a carrier.
  • the resulting organic-inorganic precursor nanofibers can be structured or aligned according to the invention with the aid of a suitable template.
  • the nonwoven webs of these fibers are then thermally treated (e.g., in an oven at a temperature which results in degradation of the matrix polymer to directly or readily pyrolytically sublime the polymeric constituent).
  • the associated pyrolysis of the matrix polymer effectively removes the polymeric constituents, so that they are purely inorganic, composed of metals,
  • Ceramics or metal / ceramic hybrid materials existing nanofibers are obtained.
  • the nonwovens according to the invention are made of numerous Nanofibres, such as metals; Cu, Fe, Ni, Co Pd and Fe 3 O 4 , etc., ceramics; ZnO, TiO 2 , NiO, CuO, MgO, Al 2 O 3 and prepared.
  • the fibers can also Kobaltnitrtat and Kobaltdinitrat, iron nitrate and Ferric nitrate (Fe (NO 3) 3 * 9H 2 O), nickel (II) - acetate tetrahydrate or palladium acetate, etc. exist. Based on this principle, it is also possible to produce carbon nanofiber nonwovens from electrospun polyacrylonitrile nanofibers.
  • the nanostructured ceramic nonwovens according to the invention open in hot gas filtration and in the production of electricity from machine exhaust gases.
  • the nanostructured ceramic nonwovens according to the invention are used in all applications in which conventional ceramic materials have hitherto been used.
  • the nanostructured ceramic webs of the present invention are used in catalysis, fuel cells, solar cells, membranes, hydrogen storage batteries, structural applications requiring high mechanical stiffness for biomedical applications such as tissue engineering, biosensors used, etc.
  • nanostructured ceramic oxides also find applications in the field of nanoelectronics, sensors, resonators and in opto-and magneto-electronic devices due to their special electronic properties.
  • the collecting capacity of the submicrometer particles can be increased, so that a new generation for gas sensors in the climatic and medical applications can be generated.
  • the polymeric nonwovens according to the invention are used as templates for the production of freestanding large-area nanostructured nonwovens consisting of nanotubes, these nonwovens having at least one inorganic component.
  • the nonwoven fabric according to the invention is first coated with a so-called jacket material.
  • jacket material Depending on the material used, different ones are available
  • CVD chemical vapor deposition
  • sputtering spin coating
  • sol gel method dip coating
  • spraying plasma deposition
  • Atomic layer deposition English, atomic layer deposition, ALD
  • the deposits are preferably carried out from the gas phase. This not only achieves a very uniform thick layer around the fibers and very accurate reproducibility of the surface topology of the template fibers, but also impurities, e.g. avoided by solvents.
  • ALD in which takes place in contrast to CVD, the layer growth in a cyclic manner.
  • the self-controlling growth mechanism of ALD facilitates the control of film thickness and composition at the atomic level, allowing deposition on large and complex surfaces. After deposition of the inorganic phase on the nanofibers, the polymer matrix is removed by pyrolysis.
  • the nonwovens according to the invention with precisely defined nanoscale walls form nanostructured systems which can be handled easily and have an extremely large surface area, which can be used advantageously in comparison with systems made of conventional nonwovens, for example in catalysis or in sensors.
  • the properties of the webs consisting of nanotubes of at least one inorganic constituent can be tailored to the respective application by functionalizing the walls of the nanotubes.
  • the surface morphology of the nanofibers which is characterized by phase transitions or
  • Targeted adjustment of phase separation processes manifests itself in a nanosurface or nanoporosity of the tube walls.
  • the surface of the tube wall is increased again, which is the case for many applications, eg. As in catalysis, separation or sensor technology, is advantageous.
  • the additional nanopores can be described as
  • the successive coating with different wall materials expands the spectrum on multi-layer nanotubes and also multi-component systems and composites with a defined composition, which can be formed into nanotubes.
  • the nanofibers according to the invention can be formed into hybrid nanotubes with a core-shell morphology by additional coating with one or more precursor materials.
  • nanotubes according to the invention or the nonwovens consisting of the nanotubes can be used in many ways.
  • the nanotubes or the nonwovens consisting of the nanotubes are used in the medical and pharmaceutical fields (tissue engineering, galenics, antifouling), transport and separation, in sensor technology (gas, moisture and biosensors), substance storage ( Fuel cells), microelectronics (interlayer dielectrics), electronics (nanocircuits, nanocables, nanocapacitors) and in optics (light pipe, nanoglass tubes for optical near-field microscopy).
  • the polymer solution is released from an application device, for example a spinning capillary, under pressure.
  • an application device for example a spinning capillary
  • the polymer solution can be released by hand from a syringe by means of a spray pump.
  • the release of the polymer solution by means of a spray pump by hydraulic, mechanical or pneumatic means.
  • the release of the polymer solution can be automated.
  • the hydraulic pump driven by hydraulic, mechanical or pneumatic means pump controlled computationally.
  • the syringe is movably arranged and can be moved in the x-y-z direction.
  • the relative movement of the syringe is controlled computationally.
  • the template is arranged to be movable and can be moved in the xyz direction.
  • both the syringe and the template are movably arranged and can be moved in the x-y-z direction.
  • the relative movement of the syringe and the template are computer-controlled.
  • the deposition of the nanofibers can be reproducible, which is necessary in particular in the field of mass production with high quality requirements.
  • FIG. 4 shows an illustration of a further template used according to the conventional manner and of the nanofibers produced therewith, in FIG.
  • Fig. 5 is a schematic representation of the electrospinning process according to the invention with template, in
  • Fig. 6 is a schematic representation of a template according to the invention, in
  • FIG. 7 shows a representation of exemplary template structures according to the invention and the resulting nanofiber structures according to the invention
  • FIG. 8 shows a representation of the nanofibers produced according to the invention.
  • the device for electrospinning suitable for carrying out the method according to the invention shown in FIG. 5, comprises a syringe 1 in which a polymer solution or melt 2 is located.
  • a spinning capillary 3 At the tip of the syringe 1 is a spinning capillary 3, which is coupled to one pole of the voltage generating arrangement (power supply) 6.
  • the polymer solution or melt is by means of a spray pump 9 the Polymer solution or melt 2 transported from the syringe 1 in the direction of spinning capillary 3, where it comes as a result to a droplet formation at the top of the spinning capillary 3.
  • the jet solidifies during its flight to the counter electrode 5 by evaporation of the solvent or by cooling, so that nanofibers 7 with typical diameters of a few nanometers to a few micrometers are produced within a few seconds.
  • These nanofibers 7 are deposited on the template 8 (FIGS. 7B, D) connected to the counterelectrode 5 in the form of a nonwoven mat, the nonwoven mat (FIGS. 7A, C).
  • the conductive template 8, which is located on a conventional conductive counter-electrode 5, serves as a collector 4 and is grounded together with the counter-electrode 5.
  • the polymeric nanofibers 7 are spun directly onto the template 8.
  • the nanofibers 7 are preferably deposited in the region of the structured template 8 within the counter electrode 5, since the electric field strength has maximum values there.
  • the helical airline of the jet as it approaches the template 8 is severely restricted by Coulomb's interaction between it and the oppositely charged or grounded template 8 only on the lattice towers within the template 8.
  • the intermediate areas of the lattice towers within the template 8 in which there is no conductive material (as in the holes of a screen), hardly or no nanofibers 7 are deposited.
  • the control of the deposition position with the simultaneous patterning of jets is possible. Is the template 8 on the entire width at least simple of the
  • Nanofiber 7 covered the spinning process can be interrupted. Subsequently, the deposition layer of electrospun fiber 7 for obtaining the freestanding nonwoven whose structure corresponds to that of the template 8 (Figs. 7A, C) is carefully separated from the template 8 (Fig. 7B, D). The resultant fleece is available for use or possible after-treatment. After removal of the web, the template 8 can be used immediately for further electrospinning operations. The nanofibers 7 are devoured by repeated attachment and stacking in the form of a three-dimensional nonwoven mat (FIG. 8). The size and shape of the voids between the fibers 7 in such webs can be easily controlled by the choice of the template 8.
  • the template 8 is used directly as a collector 4.
  • deposition of the nanofibers 7 can only take place in the region of the lattice masts on the template 8.
  • the lattice masts of the template 8 which are designed, for example, as wires, wire screens or perforated metal lattices, have a ratio of the width (b) of the lattice masts to their thickness (d) of> 1. This means that the lattice masts are wider than thick.
  • the width (b) of the lattice masts in this case characterizes the expansion in the x and / or y direction
  • the thickness (d) of the lattice masts in this case refers to the material thickness of the lattice towers of the template 8 in the z direction.
  • pharmaceutical active substances are mixed in as nanoparticles before spinning into the polymer solutions or melts 2 with different dimensionalities and then applied to the template 8 together with the polymer.
  • the surface of the above-described nanofibers 7 is modified by means of atomic layer deposition.
  • nanofibers 7 can be tailored according to their application by modifying the surface of the nanofibers 7.
  • the above-described modified nanofibers 7 are subjected to a thermal treatment at 500 ° C. in an oven. As a result, the polymeric portion of the nanofiber 7 is removed, leaving only the inorganic portion of the nanofiber 7 remains.
  • ceramic nanofibers 7 are produced by the above-described electrospinning process according to the invention.
  • the polymer solution or melt 2 ceramic precursors from the group consisting of Al 2 O 3 , CuO, NiO, TiO 2 , SiO 2 , V 2 O 5 , ZnO, Co 3 O 4 Nb 2 O 5 , MoO 3 and MgTiO 3 mixed and then electro-spun.
  • ceramic nanofibers 7 can be produced which can be used, for example, in composite materials.

Abstract

The invention relates to a method for producing two- and three-dimensionally structured, microporous and nanoporous nonwoven fabrics composed of nanofibers in any form with a very high degree of covering or depositing the fibers by a predefined conductive template as a collector and to the use of the nonwoven fabrics according to the invention. The three-dimensional structural formation can be influenced in a specific manner by the deposition density of the nanofibers produced by means of an electrospinning process, which deposition density can be set by means of the accumulation time of the fibers.

Description

Template-gestütztes Musterbildungsverfahren von Nanofasern im Elektrospinn- Template-based patterning procedure of nanofibers in electrospinning
Verfahren und deren AnwendungenMethods and their applications
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung von zwei- und dreidimensional strukturierten, aus Nanofasern bestehenden, mikro- und nanoporösen Vliesen in einer beliebigen Form mit einem sehr großen Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad der Fasern durch eine vordefinierte leitfähige Schablone (Template) als Kollektor sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Vliese. Durch die über die Akkumulationszeit der Fasern einstellbare Ablagerungsdichte der mittels eines Elektrospinnprozesses erzeugten Nanofasern kann die dreidimensionale Strukturbildung gezielt beeinflusst werden.The invention relates to a method for the production of two- and three-dimensionally structured, consisting of nanofibers, micro- and nanoporous nonwovens in an arbitrary form with a very large degree of coverage or deposition of fibers through a predefined conductive template as a collector and the use of the webs according to the invention. The deposition density of the nanofibers produced by means of an electrospinning process over the accumulation time of the fibers allows the three-dimensional structure formation to be influenced in a targeted manner.
Moderne synthetisch hergestellte polymere Fasern besitzen vielfältigste innovative Anwendungen, wie etwa für multifunktionelle Textilien mit hoher Atmungsaktivität und Wetterbeständigkeit, als Separations- oder Speichermedien für Gase, Flüssigkeiten oder Partikelsuspensionen in der Prozess- und Sicherheitstechnik, als Lichtleiter für die Telekommunikation, als Verstärkungskomponenten in Superleichtverbundwerkstoffen, im Gesundheitswesen sowie im Sport- und Freizeitbereich.Modern synthetically produced polymeric fibers have many and varied innovative applications, such as multifunctional textiles with high breathability and weather resistance, as separation or storage media for gases, liquids or particle suspensions in process and safety technology, as optical fibers for telecommunications, as reinforcement components in super lightweight composite materials, in health care as well as in sports and leisure.
Bereits jetzt existieren zahlreiche Synthesewege und Herstellungsmethoden zur Erzeugung von eindimensionalen Strukturen bestehend aus unterschiedlichen Polymeren innerhalb von Fasern, Drähten, Stäben, Bändern, Spiralen, Ringen und anderen. Die häufig dafür verwendeten Polymerfasern werden traditionell durch Schmelz-, Trockenoder Nass-Spinn-Verfahren hergestellt, wobei die typischen Faserdurchmesser in der Größenordnung von ca. 5 μm bis 500 μm liegen. Der Durchmesser dieser mittels konventioneller Prozesstechniken erzeugten Fasern ist allerdings aus prozesstechnischen Gründen nach unten begrenzt.There are already numerous synthetic routes and manufacturing methods for producing one-dimensional structures consisting of different polymers within fibers, wires, rods, bands, spirals, rings and others. The polymer fibers often used for this purpose are traditionally made by melt, dry or wet-spinning processes, the typical fiber diameter being of the order of about 5 μm to 500 μm. However, the diameter of these fibers produced by conventional process techniques is limited downwards for process engineering reasons.
In den letzten Jahren wurde basierend auf der Nanotechnologie jedoch ein wesentlicher Beitrag zum technologischen Fortschritt bei der Herstellung ultradünner Fasern geleistet. Hierin einzuordnen ist auch das Elektrospinn-Verfahren, das eine einfache, schnelle und kostengünstige Methode zur Herstellung von Nanofasern, insbesondere von dünnenIn recent years, however, based on nanotechnology, a significant contribution has been made to technological advances in the manufacture of ultra-thin fibers. Also to be classified here is the electrospinning process, which is a simple, fast and cost-effective method for producing nanofibers, in particular thin ones
Polymerfasern, mit Durchmesser bis zu wenigen Nanometern darstellt, wobei im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Verfahren die Verstreckung der Fasern berührungslos durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes erfolgt.Polymer fibers, with a diameter of up to a few nanometers, wherein in comparison to conventional mechanical methods, the stretching of the fibers takes place without contact by applying an external electric field.
Beim Elektrospinn-Verfahren wird ein elektrisches Feld zwischen einer feiner Kapillardüse, beispielsweise die Kanüle einer Spritze, und einer Sammelelektrode, wie z.B. eine leitfähige Platte, angelegt, um der Oberflächenspannung des aus der Kapillardüse austretenden Tropfens einer Polymerlösung oder -schmelze entgegenzuwirken und schließlich zu überwinden. Im Fall, dass die Viskosität der Polymerlösung oder -schmelze in einem bestimmten optimalen Bereich liegt, wird der aus der Kapillardüse austretende Tropfen verformt und bei Erreichen eines kritisches elektrischen Potentials zu einem dünnen Faden, dem so genannten Jet, ausgezogen (Fig.1 ).In the electrospinning process, an electric field between a fine capillary nozzle, for example, the cannula of a syringe, and a collection electrode, such as a conductive plate, applied to counteract and eventually overcome the surface tension of the drop of polymer solution or melt exiting the capillary nozzle. In the event that the viscosity of the polymer solution or melt is within a certain optimum range, the droplets emerging from the capillary nozzle are deformed and, on reaching a critical electrical potential, drawn out into a thin thread, the so-called jet (FIG. 1).
Dieser elektrisch geladene Jet, der nun kontinuierlich neue Polymerlösung oder -schmelze aus der Kapillardüse herauszieht, wird anschließend im elektrischen Feld in Richtung der Gegenelektrode beschleunigt. Dabei wird er auf eine sehr komplexe Art und Weise einer Biegeinstabilität (dem so genannten Whipping Mode) unterworfen, kräftig gedreht und stark gestreckt.This electrically charged jet, which now continuously draws out new polymer solution or melt from the capillary nozzle, is then accelerated in the electric field in the direction of the counter electrode. He is subjected to a very complex manner of bending instability (the so-called Whipping Mode), vigorously rotated and stretched.
Der Jet verfestigt sich während seines Fluges zur Gegenelektrode durch Verdunstung des Lösungsmittels bzw. durch Abkühlung, so dass innerhalb weniger Sekunden Endlosfasern in geschlungener Form mit typischen Durchmessern von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern erzeugt werden. Diese Fasern werden auf der Gegenelektrode in Form eines Vlieses, der Nonwoven Mat, gesammelt und weiterverarbeitet (US 197550; Kenawy et al., Biomaterials 24:907 (2003); Deitzel et al., Polymer, 42:8163 (2001 ); Reneker et al., Nanotechnology 7:216 (2000)).The jet solidifies during its flight to the counter electrode by evaporation of the solvent or by cooling, so that within a few seconds continuous fibers are produced in looped form with typical diameters of a few nanometers to a few micrometers. These fibers are collected and processed on the nonwoven mat counter electrode (US 197550; Kenawy et al., Biomaterials 24: 907 (2003); Deitzel et al., Polymer, 42: 8163 (2001); Reneker et al., Nanotechnology 7: 216 (2000)).
Generell übt der aus Kapillardüse herausgezogen Jet eine starke Wechselwirkung zwischen den elektrischen Aufladungen innerhalb der Jets und dem äußeren elektrischen Feld aus, wodurch sich der Verlauf des Jets nicht klar definieren lässt. Wird eine kontinuierliche Platte aus einem leitfähigen Material als die Sammelelektrode verwendet, erhält man ein Vlies aus orientierungslos aufeinander bzw. nebeneinander hingelegten Nanofasern auf der Sammelelektrode (Fig.2).In general, the jet drawn out of the capillary nozzle exerts a strong interaction between the electrical charges within the jets and the external electric field, which makes it difficult to clearly define the course of the jet. If a continuous plate made of a conductive material is used as the collecting electrode, a nonwoven fabric is obtained from nanofibers which lie dislocated on one another or next to each other on the collecting electrode (FIG. 2).
Aufgrund ihres hohen Längen-Dicken-Verhältnisses und damit hohen spezifischen Oberfläche sowie ihrer Funktionalisierbarkeit durch eine Oberflächenbehandlung oder Nanopartikel verfügen die im Elektrospinn-Verfahren hergestellten Polymernanofasern über faszinierende Möglichkeiten zur Erzeugung völlig neuartiger „maßgeschneiderter" Eigenschaftskombinationen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht erreichbar sind, wie z.B. für Spezialtextilen, als nanostrukturierte Verstärkungselemente, für membranbasierte Separatoren, für Sensoren, zur Immobilisierung von biologischen Botenstoffe, z.B. DNA, RNA, Enzymen sowie Pharmaka, und in den Bereichen von Tissue-Engineering bzw. Regenerativen Medizin. Um die verspinnenden Fasern mit einer Größenordnung auszurichten, sind im Allgemeinen zwei Ansätze bekannt; zum einen ist die Modifizierung des Kollektors, wie z.B. eine rotierende Trommel, rad-förmige Bobine bzw. Metallrahmen, zum anderen ist die Manipulation des elektrischen Feldes, beispielsweise mit den parallel liegenden leitfähigen Elektroden auf einer nicht-leitfähigen Sammelelektrode oder mit mehreren parallel aufeinander aufgebauten elektrischen Linsen senkrecht zur Sammelelektrode. (US 4,689,186; R. Dersch et al., J. Polym. Sei. Part A: Pol. Chem., Vol. 41 ,545-553.)Due to their high length-to-thickness ratio and thus high specific surface area as well as their functionalization by a surface treatment or nanoparticles, the polymer nanofibers produced in the electrospinning process have fascinating possibilities for the generation of completely new "tailor-made" combinations of properties, which can not be achieved with conventional processes, such as eg for special textiles, as nanostructured reinforcement elements, for membrane-based separators, for sensors, for the immobilization of biological messengers, eg DNA, RNA, enzymes and pharmaceuticals, and in the fields of tissue engineering and regenerative medicine. In order to align the spun fibers with an order of magnitude, two approaches are generally known; On the one hand is the modification of the collector, such as a rotating drum, wheel-shaped bobbin or metal frame, on the other hand, the manipulation of the electric field, for example with the parallel conductive electrodes on a non-conductive collecting electrode or with several parallel to each other electric lenses perpendicular to the collecting electrode. (U.S. 4,689,186; R. Dersch et al., J. Polym., Part A: Pol. Chem., Vol. 41, 545-553.)
Die Faserorientierung ist mit den oben bekannten Verfahren jedoch nur eindimensional möglich, zwei- und dreidimensionale Strukturen lassen sich damit nicht erzeugen. Allerdings ergibt sich noch eine größere Schwierigkeit bei diesen Verfahren, nämlich, obwohl die somit hergestellten Fasern mehr oder weniger parallel nebeneinander ausgerichtet sind, lassen sich die Abstände zwischen den einzelnen Fasern kaum kontrollieren. Der Anteil an gleich ausgerichteten Fasern wird als Orientierungsgrad bezeichnet und in Prozent angegeben. Darüber hinaus haben diese bekannten Verfahren zum Ausrichten von Nanofasern zahlreiche weitere Nachteile, zu denen ein komplizierter Aufbau der Spinnanlage sowie die Notwendigkeit mehrerer Arbeitsschritte und damit ein hoher Aufwand an Zeit und Kosten gehören.The fiber orientation is only one-dimensionally possible with the above-known methods, however, two-dimensional and three-dimensional structures can not be produced thereby. However, there is still a greater difficulty with these methods, namely, although the fibers thus produced are aligned more or less parallel side by side, the distances between the individual fibers can hardly control. The proportion of identically oriented fibers is referred to as degree of orientation and expressed in percent. In addition, these known methods for aligning nanofibers have numerous other disadvantages, including a complicated structure of the spinning plant and the need for multiple steps and thus a lot of time and cost.
Die US 26308509 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von textilen Fasern durch Elektrospinnen. Dabei werden Nanofasern zur Erhöhung der Festigkeit mit textilen Fasern zu linearen Anordnungen in Form von Garnen, sogenannten Yarns, versponnen. Diese Yarns können anschließend mittels textiler Behandlungsverfahren, wie Weben, Flechten oder Stricken, zu zwei- oder dreidimensionalen Stoffen verarbeitet werden.US 26308509 B1 discloses an apparatus for producing textile fibers by electrospinning. Nanofibers are spun to linear structures in the form of yarns, so-called yarns, to increase their strength with textile fibers. These yarns can then be processed into two- or three-dimensional fabrics by means of textile treatment processes, such as weaving, braiding or knitting.
Weiterhin offenbart die WO 2008/049250 A1 ein Verfahren für die Herstellung von mikrobioziden elektrogesponnenen Polymerfasern mit Polyethylenimin-Nanopartikeln für textile Anwendungen. Dabei werden Polymerfasern mit derivatisierten Polyethylenimin- Nanopartikeln versponnen und somit eine antibakterielle bzw. antifungische Wirkung erzielt. Die gleiche Wirkung wird durch Verspinnen von Polymerfasern mit Honig in verkapselter Form wie in der WO 2008/049251 A1 offenbart, erzielt.Furthermore, WO 2008/049250 A1 discloses a process for the production of microbicidal electrospun polymer fibers with polyethyleneimine nanoparticles for textile applications. This polymer fibers are spun with derivatized Polyethylenimin- nanoparticles and thus achieved an antibacterial or antifungal effect. The same effect is achieved by spinning polymer fibers with honey in encapsulated form as disclosed in WO 2008/049251 A1.
Die WO 2008/049397 A2 offenbart ein Verfahren zum Elektroverspinnen von wasserlöslichen Polymeren zu einer wasserunlöslichen Polymerfaser. Dabei werden gegensinnig geladene Polyelektrolyte in wässriger Lösung durch Elektrospinnen zu einer wasserunlöslichen Polymerfaser versponnen.WO 2008/049397 A2 discloses a process for electrospinning water-soluble polymers into a water-insoluble polymer fiber. In this case oppositely charged polyelectrolytes are spun in aqueous solution by electrospinning to a water-insoluble polymer fiber.
Die DE 10 2007 040 762 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden Nanostrukturen mittels Elektrospinnens. Dabei werden elektrisch leitfähige Partikel mit der Spinnflüssigkeit zusammen zu leitfähigen linienförmigen Strukturen versponnen. In einer Ausführungsform können die elektrisch leitenden Nanostrukturen durch Nachbehandlung mit leitfähigen Partikeln erzeugt werden. Weiterhin wird offenbart, dass die Abscheidung der erzeugten Nanofaser auf dem Kollektor in gezielter Orientierung und hoher örtlicher Präzision erfolgt. Dazu wird die Spinnkapillare und/oder die Substrathalterung beweglich ausgeführt und deren Relativbewegung zueinander über eine Rechnereinheit gesteuert. Die mit diesem Verfahren erzeugten Strukturen weisen dennoch nicht die örtliche Präzision auf, die beispielsweise für den Einsatz in der Mikrosystemtechnik erforderlich sind. Die Präzision ist dabei abhängig von der ausführbaren Relativbewegung, der Präzision derDE 10 2007 040 762 A1 discloses an apparatus and a method for producing electrically conductive nanostructures by means of electrospinning. It will be electric conductive particles are spun together with the dope to form conductive line-like structures. In one embodiment, the electrically conductive nanostructures can be produced by post-treatment with conductive particles. Furthermore, it is disclosed that the deposition of the nanofiber produced on the collector takes place in a targeted orientation and high local precision. For this purpose, the spinning capillary and / or the substrate holder is designed to be movable and their relative movement to one another is controlled by a computer unit. The structures produced by this method, however, do not have the local precision required, for example, for use in microsystems technology. The precision is dependent on the relative movement, the precision of the
Antriebseinheit sowie der optischen Erfassungseinheit die die Recheneinheit mit der für die Relativbewegung notwendigen Informationen versorgt. Die dadurch erzielten Ergebnisse weisen in der Präzision hinsichtlich der örtlichen Orientierung der abgeschiedenen Fasern weiterhin keine Reproduzierbarkeit auf. Zudem ist das offenbarte Verfahren zeit- und kostenaufwendig.Drive unit and the optical detection unit which supplies the arithmetic unit with the information necessary for the relative movement. The results achieved thereby still have no reproducibility in the precision with regard to the local orientation of the deposited fibers. In addition, the disclosed method is time consuming and costly.
Die WO 2009/010443 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von nano- und Mesostrukturen durch Elektrospinnen von kolloidalen Dispersionen, welche mindestens ein wasserunlösliches Polymer enthalten. Dabei wird das wasserunlösliche Polymer in einer wässrigen Lösung zu einer Faser versponnen, wobei die Glasübergangstemperatur des wasserunlöslichen Polymers maximal 159C oberhalb bis maximal 159C unterhalb der Verfahrenstemperatur liegt. Dadurch kann auf den Einsatz von Lösungsmitteln weitestgehend verzichtet werden. Allerdings weisen die mit diesem Verfahren hergestellten Fasern und Vliese ebenfalls geringe Präzision hinsichtlich der Ablagerung auf.WO 2009/010443 A2 discloses a method for producing nano- and mesostructures by electrospinning colloidal dispersions containing at least one water-insoluble polymer. In this case, the water-insoluble polymer is spun in an aqueous solution to a fiber, wherein the glass transition temperature of the water-insoluble polymer is not more than 15 9 C above to 15 9 C below the process temperature. As a result, the use of solvents can be dispensed with as far as possible. However, the fibers and nonwovens produced by this method also have low precision in terms of deposition.
Wegen komplizierter Wechselwirkungen zwischen den Prozessparametern, beispielsweise der Viskosität, der Oberflächenspannung, der Leitfähigkeit, der elektrischen Feldstärke, dem Luftwiderstand und der Gravitation, ist das Prozessfenster des Elektrospinn-Verfahrens eng begrenzt. Darüber hinaus weisen die Fasern in den Nonwoven Mats alle möglichen Orientierungen auf, so dass der Einsatz dieser Vliese bislang auf Spezialanwendungen beschränkt ist, bei denen auch Wirrfasern akzeptabel sind. Typisches Beispiel dafür sind Anwendungen in der Filterindustrie.Due to complicated interactions between process parameters, such as viscosity, surface tension, conductivity, electric field strength, air resistance, and gravity, the process window of the electrospinning process is narrowly limited. In addition, the fibers in the nonwoven mat have all possible orientations, so that the use of these fleeces has hitherto been limited to special applications in which random fibers are also acceptable. Typical examples are applications in the filter industry.
Für hochwertigere Anwendungen, beispielsweise sowohl in der Mikroelektronik und Photonik, als auch in der speziellen Gewebe- und Organzüchtung, ist die definierte Erzeugung von wohl geordneten ein-, zwei- und dreidimensionalen Strukturen, in denen die Fasern hoch orientiert vorliegen, unabdingbar. Die bisher genannten Verfahren weisen den Nachteil auf, dass zur Ausrichtung der Fasern die formgebende Matrix erhalten bleiben muss. Es ist daher nicht möglich, durch die bekannten Verfahren freies Vlies bezüglich der Handhabbarkeit zur Überführung für die weiteren Arbeitsschritten zu erhalten, um die endgültigen hochwertigen Produkten herzustellen.For higher-quality applications, for example, in microelectronics and photonics, as well as in the specific tissue and organzüchtung, the defined generation of well-ordered one-, two- and three-dimensional structures in which the fibers are highly oriented, indispensable. The methods mentioned hitherto have the disadvantage that the shaping matrix must be preserved in order to align the fibers. It is therefore not possible to obtain by the known methods free web with respect to the handling for transfer for the further steps in order to produce the final high-quality products.
Weiterhin bekannt ist ein Verfahren zur Erzeugung von Mustern mittels Elektrospinnen bekannt, wobei ein vordefiniertes Template verwendet wird (D. Zhang et al., Adv. Mater. 2007, 19, 3664-3667). Dort wird offenbart, dass die Abscheidung der Nanofasern weiterhin eine zufällige Anordnung zeigt. Einzig bei Verwendung von Erhebungen im vordefinierten Kollektor lassen sich bessere Orientierungen erzielen (Fig.3), wobei derAlso known is a method for generating patterns by electrospinning, using a predefined template (Zhang, D., et al., Adv. Mater., 2007, 19, 3664-3667). There, it is disclosed that the deposition of the nanofibers continues to show a random arrangement. Only when using elevations in the predefined collector better orientations can be achieved (Figure 3), wherein the
Grad der Orientierung abhängig ist vom Abstand der Erhebungen. Bei zu großem Abstand tritt weiterhin eine chaotische Ablagerung auf (vgl. insbesondere Fig.3C). Erklärt wird dieser Effekt dadurch, dass Coloubm'sche Wechselwirkung umgekehrt proportional zur Entfernung zwischen Kapillare und Kollektor sind. Da die Coulomb'schen Wechselwirkungen eine wesentliche Triebkraft der kontrollierten Abscheidung sind erfolgt daher bevorzugt eine Abscheidung im Bereich zwischen den Erhebungen (Fig.4). Das danach vorgestellte Verfahren arbeitet mit den entsprechenden Erhebungen im Kollektor um eine bevorzugte Orientierung der Fasern zu erreichen.The degree of orientation depends on the distance of the surveys. If the distance is too great, a chaotic deposit continues to occur (compare, in particular, FIG. This effect is explained by the fact that Coloubm 's interaction is inversely proportional to the distance between capillary and collector. Since the Coulomb 'rule interactions as a major driving force of the controlled deposition are therefore preferably takes place a separation in the range between the peaks (Fig.4). The proposed method works with the corresponding elevations in the collector to achieve a preferred orientation of the fibers.
Wie aus der Fig.3 und 4 sowie der obigen Beschreibung ersichtlich wird, ist mit dem so offenbarten Verfahren zwar eine verbesserte Musterbildung möglich, allerdings erfolgt weiterhin eine Ablagerung des Jets im Zwischenraum des Templates, was dem gewünschten großen Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad der Nanofasern widerspricht.As can be seen from Figs. 3 and 4, as well as the above description, although improved patterning is possible with the method thus disclosed, deposition of the jet in the gap of the template continues to occur, resulting in the desired large coverage or deposition level of the nanofibers contradicts.
Es ist daher in hohem Grade wünschenswert, ein Verfahren zu entwickeln, womit nicht nur die Fasern auf eine bestimme Position kontrolliert niedergelegt werden können, damit es die anwendungsspezifische Strukturierung der zu verspinnenden Fasern ermöglicht, sondern auch die so hergestellten Vliesen ohne Beeinträchtigung auf einen Substrat weiter transferiert werden können.It is therefore highly desirable to develop a process whereby not only can the fibers be controlled down to a particular position to enable the application specific structuring of the fibers to be spun, but also the nonwoven webs thus produced without affecting a substrate can be transferred.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine Herstellung von zwei und dreidimensional strukturierten, aus Nanofasern bestehenden, mikro- und nanoporösen Vliesen in einer beliebigen Form mit einem sehr großem Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad der Fasern ermöglicht und somit neue Anwendungsmöglichkeiten der erzeugten mikro- und nanoporösen Vliese eröffnet.The object of the present invention is therefore to specify a method and a device which makes it possible to produce two and three-dimensionally structured, nanofiber-based, microporous and nanoporous nonwovens in any desired shape with a very high degree of coverage or deposition of the fibers and thus opens up new applications for the micro- and nanoporous nonwovens produced.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is solved by the independent claims. advantageous Embodiments are given in the dependent claims.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung von zwei und dreidimensional strukturierten, aus Nanofasern bestehenden, mikro- und nanoporösen Vliesen in einer beliebigen Form mit einem sehr großem Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad der Fasern durch Elektrospinnen unter Verwendung einer vordefinierten leitfähigen Schablone (Template) als Kollektor, welche die zu erzeugenden Struktur abbildet. Durch die über die Akkumulationszeit der Fasern einstellbare Ablagerungsdichte der mittels eines Elektrospinnprozesses erzeugten Nanofasern kann die dreidimensionale Strukturbildung gezielt beeinflusst werden.According to the invention, the production of two and three-dimensionally structured, consisting of nanofibers, micro- and nanoporous nonwovens in any form with a very large coverage or Abscheidungsgrad the fibers by electrospinning using a predefined conductive template as a collector, which the to be generated structure. The deposition density of the nanofibers produced by means of an electrospinning process over the accumulation time of the fibers allows the three-dimensional structure formation to be influenced in a targeted manner.
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine leitfähige vorstrukturierteIn the method according to the invention, first a conductive pre-structured
Schablone als Kollektor (Template) auf einer üblichen leitfähigen Sammelelektrode unter der Kapillardüse platziert und anschließend zusammen mit der Sammelelektrode geerdet. Da sich eine starke Wechselwirkung zwischen den elektrischen Aufladungen innerhalb des Jet und der geerdeten Schablone ergibt, lässt sich der aus Kapillardüse herausgezogene Jet direkt zur geerdeten Schablone bevorzugt ablagern. Zudem wird die spiralförmige Fluglinie des Jets bei Annäherung an das Template durch Coulomb'sche Wechselwirkung zwischen ihm und dem gegenteilig geladenen bzw. geerdeten Template nur auf den Gittermasten innerhalb des Templates streng eingeschränkt. In den Zwischenbereichen der Gittermasten innerhalb des Templates, in denen sich kein leitfähiges Materials befindet (wie in den Löchern eines Siebes), werden kaum oder keine Fasern abgelagert.Template placed as a collector (template) on a conventional conductive collecting electrode under the capillary and then grounded together with the collecting electrode. Since there is a strong interaction between the electrical charges inside the jet and the grounded stencil, the jet drawn out of the capillary nozzle can be deposited preferentially directly to the grounded stencil. In addition, the helical airline of the jet as it approaches the template is severely restricted by Coulombic interaction between it and the oppositely charged or grounded template only on the lattice towers within the template. In the intermediate areas of the lattice towers within the template, in which there is no conductive material (as in the holes of a screen), little or no fibers are deposited.
Somit lässt sich die Kontrollierung der Ablagerungsposition mit der gleichzeitigen Musterbildung von Jets ermöglichen.Thus, the control of the deposition position with the simultaneous patterning of jets can be made possible.
Mit dem vom erfindungsgemäßen Elektrospinn-Verfahren ist es nun möglich, zwei- oder dreidimensional strukturierte Vliese aus polymeren Fasern sowohl in einer beliebigenWith the electrospinning process according to the invention, it is now possible, two- or three-dimensionally structured nonwovens made of polymeric fibers in any arbitrary
Form und mit einer sehr hohen Fernordnung bei kontrollierbarer Dicke als auch mit einem sehr hohen Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad der Nanofasern mittels einer Schablone (Template) als Kollektor in einem einzigen Arbeitsschritt herzustellen. Das Verfahren hat nicht nur den Vorteil, dass es ohnehin erstmalig erlaubt, mehrdimensionale Vliese aus Nanostrukturen herzustellen, die miteinander verbunden sind und damit eine hoheForm and with a very high distance order at a controllable thickness and with a very high coverage or Abscheidungsgrad the nanofibers by means of a template as a collector in a single step to produce. The process not only has the advantage that it allows for the first time anyway to produce multi-dimensional nonwovens of nanostructures, which are interconnected and thus a high
Stabilität aufweisen. Es erfordert darüber hinaus auch deutlich weniger Prozessschritte und ist damit sowohl zeit- und kostengünstiger als auch schneller in der Produktion. Somit wird es möglich, die erforderlichen speziellen nanostrukturierten Vliesen, aus Nanofasern bestehenden, einem Massenmarkt zu öffnen. Um die konsistent geordneten bzw. strukturierten Vliese zu erzeugen, sollte zunächst die Ablagerung der Nanofasern auf einer bestimmten Position bzw. einem Bereich innerhalb der Sammelelektrode genau kontrolliert werden.Have stability. In addition, it also requires significantly fewer process steps, making it both more cost-effective and faster in production. This makes it possible to open the required special nanostructured nonwovens made of nanofibres to a mass market. In order to produce the consistently ordered or structured nonwovens, first the deposition of the nanofibers on a specific position or a region within the collecting electrode should be precisely controlled.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, nicht nur diese Ablagerungsposition auf kleinerer Fläche innerhalb der Sammelelektrode kontrolliert zu platzieren. Darüber hinaus kann mit einem bevorzugten Ausführungsverfahren zwei- oder dreidimensional strukturierte Vliese aus polymeren Fasern in einer beliebigen Form und mit einer sehr hohen Fernordnung bei kontrollierbarer Dicke als auch mit einem sehr hohen Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad der Nanofasern mittels einer Schablone (Template) als Kollektor in einem einzigen Arbeitsschritt hergestellten werden.With a method according to the invention, it is possible not only to place this deposition position in a controlled manner on a smaller surface within the collecting electrode. In addition, in a preferred embodiment, two- or three-dimensionally structured nonwoven webs of polymeric fibers in any desired shape and with a very long distance order of controllable thickness as well as a very high degree of coverage of the nanofibers by means of a template as a collector be produced in a single step.
Im Vergleich zu anderen Verfahren, die mehrere Prozessschritte erfordern und somit zeit- und kostenaufwändig sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren einfacher, schneller, effektiver und preiswerter.Compared to other processes, which require several process steps and are thus time-consuming and costly, the inventive method is simpler, faster, more effective and cheaper.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht im Gegensatz zu den in der Literatur (D. Zhang et al., Adv. Mater. 2007, 19, 3664-3667 und D. Li, et al., Nano Lett. 2005, 5, 913-916) beschriebenen Verfahren zur Erzeugung orientierter Nanofasern mittels Elektrospinn- Verfahrens (Fig.3) besteht jedoch in der Zuhilfenahme eines vordefinierten leitfähigen Templates, wodurch die Herstellung von wohl definiert strukturierten Vliesen, die einen hohen inneren Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad aufweisen, ermöglicht wird.The process according to the invention is based on a difference in the literature (D. Zhang et al., Adv. Mater., 2007, 19, 3664-3667 and D. Li, et al., Nano Lett. 2005, 5, 913-916). However, described method for the production of oriented nanofibers by electrospinning method (Figure 3) consists in the use of a predefined conductive template, whereby the production of well-defined structured nonwovens, which have a high degree of internal Abscheidungs- or Abscheidungsgrad is possible.
Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt die erfindungsgemäße Abscheidung von versponnenen Fasern direkt auf dem verwendeten Template mit hoher örtlicher Präzision, wenn das vordefinierte leitfähige Template als Sammelelektrode verwendet wird. Die erzeugten Strukturen bilden dabei exakt die vordefinierte leitfähige Schablone (Template) ab.In contrast to the prior art, the deposition of spun fibers according to the invention directly on the template used with high local precision, when the predefined conductive template is used as a collecting electrode. The generated structures represent exactly the predefined conductive template.
Unter dem Abscheidungs- bzw. Abdeckungsgrad der Nanofasern wird im Sinne derUnder the deposition or coverage of the nanofibers is in the sense of
Erfindung ein Maß verstanden, welches angibt, wie viel der versponnenen Nanofasern direkt auf dem Template und nicht zwischen den Hohlräumen abgelagert werden. Vorzugsweise liegt Abscheidungs- bzw. Abdeckungsgrad der Nanofasern bei mehr als 95% in einem einzigen Arbeitsschritt.This invention refers to a measure which indicates how much of the spun nanofibers are deposited directly on the template and not between the cavities. Preferably, the degree of deposition or coverage of the nanofibers is greater than 95% in a single operation.
Das leitfähige Template, was sich auf einer üblichen leitfähigen Sammelelektrode befindet, dient als Kollektor und wird zusammen mit der Sammelelektrode geerdet. Die polymeren Fasern werden direkt auf das Template (Schablone) versponnen. Wie erwartet spielt die Auswahl bzw. Anfertigung der Schablonen (Templates) für die Musterbildung eine entscheidende Rolle. Sie sollten flach und gut leitfähig sein. Unter dem Begriff flach wird im Sinne der Erfindung eine zweidimensionale Schablone beispielsweise in Form eines Netzes, Gitters, etc. verstanden, welche wiederum selbst für die gewünschte Musterbildung in einer dreidimensionalen Anordnung verwendet werden kann. Insbesondere weist das Template im Gegensatz zum oben beschriebenen Stand der Technik erfindungsgemäß keine hervorstehenden Erhebungen oder scharfe Spitzen im Bereich der beispielsweise als Gittermasten ausgeführten leitfähigen Bereiche des Templates auf.The conductive template, which is on a common conductive collecting electrode, serves as a collector and is grounded together with the collecting electrode. The polymeric fibers are spun directly onto the template. As expected, the selection or preparation of the templates for the pattern formation plays a crucial role. They should be flat and well conductive. For the purposes of the invention, the term flat is understood to mean a two-dimensional template, for example in the form of a net, grid, etc., which in turn can itself be used for the desired pattern formation in a three-dimensional arrangement. In particular, unlike the above-described prior art, the template according to the invention has no protruding elevations or sharp points in the region of the conductive regions of the template, which are embodied, for example, as lattice masts.
Der Zwischenraum zwischen den leitfähigen Bereichen des Templates, welche beispielsweise als Gittermasten, etc. ausgebildet sind, worauf die Fasern abgelagert werden sollen, sollten leer sein, d.h. Hohlräume ohne Füllungen sein.The space between the conductive areas of the template, which are formed, for example, as lattice masts, etc., whereupon the fibers are to be deposited, should be empty, i. Cavities without fillings be.
Ein weiterer bedeutender Faktor für die Musterbildung ist die Dicke der Schablone.Another important factor in patterning is the thickness of the template.
Erfindungsgemäß liegt sie in der Größenordnung von 50nm bis 200nm und 200nm bis 500 nm für die Erzeugung der mit Nanofasern abgebildeten Mikrostrukturen, wobei derenAccording to the invention, it is of the order of magnitude of 50 nm to 200 nm and 200 nm to 500 nm for the production of the microstructures imaged with nanofibers, with their
Abständen zwischen Faserbündeln in Dimension von 100 μm bis 500μm liegen.Distances between fiber bundles in dimension of 100 .mu.m to 500 .mu.m lie.
Bevorzugt für die mit Nanofasern abgebildeten Strukturen mit den Abständen zwischenPreferred for nanofiber-imaged structures with the distances between
Faserbündern von 500 μm bis 1000 μm liegt die Dicke der Schablone im Bereich von 500 μm bis 2000 μm und besonders für Strukturen mit den Abständen zwischen Faserbündern von 500 nm bis 1000 nm sollte die erfindungsgemäße Dicke der Schablone im Bereich von 2 μm bis 200 μm liegen.Fiber bristles of 500 .mu.m to 1000 .mu.m, the thickness of the template in the range of 500 .mu.m to 2000 .mu.m and especially for structures with the distances between fiber bundles of 500 nm to 1000 nm thickness of the template according to the invention should be in the range of 2 .mu.m to 200 .mu.m ,
Um die Fasern in Größenordnung auszurichten, müsste zunächst der chaotische Verlauf des Jets möglichst gezielt kontrolliert werden. Da die elektrischen Ladungen entlang der aus Kapillare auftretenden Jets verteilt sind, lassen sich die Verläufe der Jets durch die äußere Manipulation des elektrischen Feldes steuern. Bereits bei einer leichten Variation des Profils des elektrischen Feldes ist ein Einfluss auf der Ablagerung der Jets deutlich bemerkbar.In order to align the fibers on the order of magnitude, the chaotic course of the jet would first have to be controlled as precisely as possible. Since the electric charges are distributed along the jets occurring from the capillary, the progress of the jets can be controlled by the external manipulation of the electric field. Even with a slight variation in the profile of the electric field, an influence on the deposition of the jets is clearly noticeable.
Auf Basis dieses Prinzips wird zusätzlich ein vorstrukturiertes Template, welches eine Inhomogenität innerhalb des elektrischen Feldes erzeugt, auf einer kontinuierlichen leitfähigen Platte als konventionelle Sammelelektrode aufgebracht. Da die Antriebskraft zur Anordnung der Fasern die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem elektrisch geladenen Jet und den leitfähigen Template ist, kann diese Wechselwirkung gezielt durch die Form der Templates beeinflusst werden. Die Fasern werden bevorzugt in dem Bereich des strukturierten Templates innerhalb der Sammelelektrode abgelagert, da die elektrische Feldstärke dort maximale Werte aufweist. Außerdem wird die spiralförmige Fluglinie des Jets bei Annäherung an das Template durch Coulomb'sche Wechselwirkung zwischen ihm und dem gegenteilig geladenen bzw. geerdeten Template nur auf den Gittermasten innerhalb des Templates streng eingeschränkt. In den Zwischenbereichen der Gittermasten innerhalb des Templates, in denen sich kein leitfähiges Materials befindet (wie in den Löchern eines Siebes), werden kaum oder keine Fasern abgelagert.On the basis of this principle, a pre-structured template, which generates an inhomogeneity within the electric field, is additionally applied on a continuous conductive plate as a conventional collecting electrode. Since the driving force for arranging the fibers is the electrostatic interaction between the electrically charged jet and the conductive template, this interaction can be specifically influenced by the shape of the templates. The fibers are preferably deposited in the region of the structured template within the collecting electrode, since the electric field strength has maximum values there. In addition, the helical flightline of the jet as it approaches the template is severely restricted by Coulombic interaction between it and the oppositely charged or grounded template only on the lattice towers within the template. In the intermediate areas of the lattice towers within the template, in which there is no conductive material (as in the holes of a screen), little or no fibers are deposited.
Somit lässt sich die Kontrollierung der Ablagerungsposition mit der gleichzeitigen Musterbildung von Jets ermöglichen.Thus, the control of the deposition position with the simultaneous patterning of jets can be made possible.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Template direkt als Kollektor verwendet, sodass die Ablagerung des Jets sich auf die leitfähigen Bereiche der Gittermasten innerhalb des Templates streng einschränkt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Ablagerung nur im Bereich der Gittermasten und nicht im Zwischenbereich realisiert.In one embodiment of the invention, the template is used directly as a collector so that the deposition of the jet strictly limits itself to the conductive areas of the lattice towers within the template. As a result, deposition is advantageously realized only in the area of the lattice masts and not in the intermediate area.
Ist das Template auf der gesamten Breite wenigstens einfach von der Nanofaser bedeckt, kann der Spinnvorgang unterbrochen werden. Anschließend wird die Ablagerungsschicht von elektrogesponnenen Faser zur Gewinnung des freistehenden Vlieses, dessen Struktur der des Template entspricht, aus dem Template sorgfältig abgetrennt. Das dabei entstehende Vlies steht einer Verwendung oder eventuellen Nachbehandlung zu Verfügung. Nach Entnahme des Vlieses ist das Template sofort für weitere Elektrospinn- Vorgänge einsetzbar.If the template is at least simply covered by the nanofiber over the entire width, the spinning process can be interrupted. Subsequently, the deposition layer of electrospun fiber for obtaining the freestanding nonwoven whose structure corresponds to that of the template is carefully separated from the template. The resultant fleece is available for use or possible after-treatment. After removal of the fleece, the template can be used immediately for further electrospinning operations.
Erfindungsgemäß erfolgt je nach vorstrukturiertem Template die Anordnung der Nanofasern als hoch orientierte Faserbündel in eine oder zwei Richtungen in einem einzigen Arbeitsschritt mit einem sehr großen Ordnungsgrad der Fasern ohne weitere Modifizierung bzw. Umkonstruktion zum Aufbau des Elektrospinn-Verfahrens.According to the invention, the nanofibers are arranged as highly oriented fiber bundles in one or two directions in a single operation with a very high order of the fibers without further modification or redesign for the construction of the electrospinning process, depending on the pre-structured template.
Sind sich die Fasern auf dem Template überreichend aufeinander abgeschieden, werden die übrigbleibende Ladungen auf der abgelagerten Fasern akkumuliert, wobei die weiteren versponnenen Fasern, wie bei einer kontinuierlichen Platte im üblichen Elektrospinn-Verfahren, ohne Einschränkung auf der gesamten Fläche der Sammelelektrode abgelagert werden. Somit können also die Fasern regellos, d.h., ohne bevorzugte Orientierung, zwischen den Gittersträngen mit geringerer Dichte im Vergleich zur Fläche außerhalb des Templates abgelagert werden.When the fibers overlap on the template, the remaining charges are accumulated on the deposited fibers, with the other spun fibers being deposited, as in a continuous plate in the conventional electrospinning process, without restriction over the entire area of the collection electrode. Thus, thus, the fibers can be deposited randomly, i.e., without preferential orientation, between the lattice strands of lower density compared to the area outside the template.
Beim erfindungsgemäßen Elektrospinn-Verfahren werden die Nanofasern durch wiederholte An- und Aufeinanderlegung in Form eines dreidimensionalen Vlieses (Nonwoven Mat) verschlungen. Die Größe und Form der Hohlräume zwischen den Fasern in solchen Vliesen können leicht kontrolliert werden, so dass Anwendungen als Filterwerkstoff, als Schutzkleidung, als Verpackungsmaterial bzw. im Erosionsschutz und als Trägermatrize in biomedizinischen Anwendungen sowie der Transport und die gezielte Freisetzung von pharmazeutischen Präparaten denkbar sind.In the electrospinning process according to the invention, the nanofibers pass through repeated formation and stacking in the form of a three-dimensional fleece (nonwoven mat) engulfed. The size and shape of the voids between the fibers in such webs can be easily controlled, so that applications as a filter material, as protective clothing, as packaging material or in erosion protection and as a carrier matrix in biomedical applications as well as the transport and the targeted release of pharmaceutical preparations are conceivable ,
Gegenstand dieser Erfindung ist auch die Herstellung der mikro- und nanoporösen strukturierten robusten Vliese aus elektrogesponnenen, in orientierten Faserbündeln angeordneten Nanofasern mittels eines Templates.The subject matter of this invention is also the production of the microporous and nanoporous structured, robust nonwovens from electrospun nanofibers arranged in oriented fiber bundles by means of a template.
Die Vielfalt der resultierenden morphologischen Merkmale der Vliese, die auf derThe variety of the resulting morphological features of the nonwovens, which on the
Variationsbreite der Struktur der Template, der eingesetzten polymeren Werkstoffen sowie der Modifizierungsmöglichkeiten der freistehenden Vliese beruht, eröffnet dem erfindungsgemäßen Verfahren ein großes Anwendungspotential.Variation width of the structure of the template, the polymer materials used and the modification possibilities of freestanding nonwovens is based, opens up the process of the invention a great application potential.
Im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile auf:In comparison with the previously known methods, the method according to the invention has the following advantages:
Der Aufbau des Elektrospinn-Verfahrens ist gegenüber konventionellen Anlagen unverändert geblieben, mit Ausnahme des zusätzlichen Templates, welches auf einer konventionellen Sammelelektrode (Gegenelektrode) angeordnet ist.The structure of the electrospinning process has remained unchanged compared to conventional systems, with the exception of the additional template, which is arranged on a conventional collecting electrode (counter electrode).
Das Template kann für die speziellen Anwendungen leicht und schnell vorstrukturiert und angefertigt werden.The template can be easily and quickly pre-structured and customized for the specific applications.
Das gebildete Muster aus elektrogesponnenen Nanofasern entspricht dem des verwendeten Template.The formed pattern of electrospun nanofibers corresponds to that of the template used.
Die Dimension der Vliese ist frei skalierbar.The dimension of the fleeces is freely scalable.
Dadurch ist das „Up-Scaling" nicht durch die Dimensionierung des Vlieses begrenzt.As a result, the "up-scaling" is not limited by the dimensioning of the fleece.
Zur Gewinnung der freistehenden Vliesen können die strukturierten Ablagerungsschichten leicht von dem Template abgetrennt.To obtain the freestanding nonwovens, the structured deposition layers can be easily separated from the template.
Die so erhaltenden Vliese können zur Konstruktion von hoch komplizierten Strukturen weiter verwendet werden.The nonwovens thus obtained can be used to construct highly complicated structures.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich neben seiner Einfachheit, Bequemlichkeit und hohen Wirksamkeit zudem dadurch aus, dass die erzeugten freistehenden Vliese gut transportierbar sind und dadurch für viele Anwendungen genutzt werden können.In addition to its simplicity, convenience and high efficiency, the method according to the invention is also distinguished by the fact that the freestanding nonwovens produced are good can be transported and thus used for many applications.
Die erfindungsgemäßen strukturierten Vliese zeichnen sich u.a. durch folgende speziellen morphologischen und mechanischen Eigenschaften auf:The structured nonwovens according to the invention are characterized i.a. by the following special morphological and mechanical properties:
Die Vliese sind in hohem Maße gleichzeitig mikro- und nanoporös.The nonwovens are highly micro- and nanoporous at the same time.
Die Vliese können beliebig je nach Anwendungen individuell mit größeren Komplexitäten hergestellt werden.The fleeces can be produced individually with greater complexities, depending on the application.
In den resultierenden Vliesen sind die Fasern durch Adhäsionskräfte miteinander verbunden, wodurch die Vliese zusammen mit der Orientierung der Fasern in den Vliesen sowie der Orientierung der Mikrokristallite, Makromoleküle, Nanoteilchen etc. innerhalb der Fasern selbst verstärkende Eigenschaften haben, die die Handhabung der Vliese bei der Weiterverarbeitung entscheidend verbessert.In the resulting webs, the fibers are bonded together by adhesive forces, whereby the webs, along with the orientation of the fibers in the webs and the orientation of the microcrystallites, macromolecules, nanoparticles, etc. within the fibers themselves have reinforcing properties that facilitate the handling of the webs in the web Further processing significantly improved.
Eine äußerst bemerkenswerte Eigenschaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dass diese Technik die Erzeugung und die Ausrichtung von versponnenen Fasern während des Elektrospinn-Vorganges in situ bzw. simultan erlaubt. Dadurch lässt sich die Herstellung von auf Nanofasern basierenden Geräten bzw. Komponenten vereinfachen.An extremely noteworthy feature in the process of the invention is that this technique allows the generation and alignment of spun fibers in situ during the electrospinning process. This makes it easier to manufacture nanofiber-based devices or components.
Erfindungsgemäß kann das Template aus allen leitfähigen Werkstoffen bestehen, die z.B. in Form von Drähten und Drahtsieben oder perforierten Metallgittern etc. aus metallische Werkstoffen oder Halbleitern bzw. in Form von aus Natur- oder Chemiefasern bestehenden Geweben, die zu Erhöhung ihrer Leitfähigkeit mit einem leitfähigen Mittel durchtränkt wurden, vorliegen. Der Strukturvielfalt der mittels konventionellerAccording to the invention, the template may consist of all conductive materials, e.g. in the form of wires and wire screens or perforated metal meshes, etc. of metallic materials or semiconductors or in the form of natural or man-made fibers impregnated with a conductive agent to increase their conductivity. The structural diversity of conventional
Mikrofabrikationstechniken hergestellten Templates ist dabei keinerlei Grenzen gesetzt.There are no limits to microfabrication techniques.
In einer Ausführungsform der Erfindung in Fig. 6 weisen die Gittermasten des Templates, welche beispielsweise als Drähten, Drahtsiebe oder perforierten Metallgittern ausgeführt sind, ein Verhältnis der Breite (b) der Gittermasten zu deren Dicke (d) von > 1 auf. Dies bedeutet, dass die Gittermasten breiter als dick sind. Die Breite (b) der Gittermasten kennzeichnet hierbei die Ausdehnung in x und/oder y-Richtung, während die Dicke (d) der Gittermasten sich hierbei auf die Materialstärke der Gittermasten in z-Richtung bezieht. Ein ist dabei insbesondere vorteilhaft, wenn das Material in z-Richtung wesentlich kleiner ist als in x-und/oder y-Richtung.In one embodiment of the invention in FIG. 6, the lattice masts of the template, which are designed, for example, as wires, wire screens or perforated metal meshes, have a ratio of the width (b) of the lattice masts to their thickness (d) of> 1. This means that the lattice masts are wider than thick. The width (b) of the lattice masts in this case characterizes the expansion in the x and / or y direction, while the thickness (d) of the lattice towers in this case refers to the material thickness of the lattice masts in the z direction. One is particularly advantageous if the material in the z-direction is substantially smaller than in the x and / or y direction.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht hoch geordneten Nanofaservliesen anwendungsspezifisch nach Wünschen von Kunden herzustellen, um ihre Einsatz besser einzufassen. Erfindungsgemäß wird zur Herstellung der strukturierten Vliese aus Nanofasern eine Polymerlösung oder -schmelze verwendet, wobei als geeignete Polymere alle bekannten natürlichen und synthetischen Polymere, Mischungen von Polymeren untereinander (Polymerblends) sowie Copolymere bestehend aus mindestens zwei verschiedenen Monomeren herangezogen werden, soweit sie schmelzbar und/oder zumindest in einem Lösungsmittel lösbar sind.The method according to the invention enables highly ordered nanofiber webs to be produced in an application-specific manner according to the wishes of customers in order to better enclose their use. According to the invention, a polymer solution or melt is used for producing the structured nonwoven fabrics from nanofibers, suitable polymers being all known natural and synthetic polymers, mixtures of polymers with one another (polymer blends) and copolymers consisting of at least two different monomers, provided they are fusible and / or or at least be soluble in a solvent.
Das erfindungsgemäß einsetzbare Polymer ist nach dem Fachmann bekannten Verfahren herstellbar oder kommerziell erhältlich.The polymer which can be used according to the invention can be prepared by processes known to the person skilled in the art or is commercially available.
Bevorzugt sind dabei Polymere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Polyamiden, Polyimiden, Polyethern, Polyolefinen, Polycarbonaten, Polyurethanen, natürlichen Polymeren, Polysacchariden, Polylactiden, Polyglykosiden, Poly-(alkyl)- methylstyrol, Polymethacrylaten, Polyacrylnitrilen, Latices, Polyalkylenoxiden aus Ethylenoxid und/oder Propylenoxid und Mischungen davon.Preference is given to polymers selected from the group consisting of polyesters, polyamides, polyimides, polyethers, polyolefins, polycarbonates, polyurethanes, natural polymers, polysaccharides, polylactides, polyglycosides, poly (alkyl) - methylstyrene, polymethacrylates, polyacrylonitriles, latices, polyalkylene oxides of ethylene oxide and / or propylene oxide and mixtures thereof.
Besonders bevorzugt sind die Polymere oder Copolymere ausgewählt aus der Gruppe bestehend Poly-(p-xylylen); Polyvinylidenhalogeπide, Polyester wieThe polymers or copolymers are particularly preferably selected from the group consisting of poly (p-xylylene); Polyvinylidene halides, polyesters such as
Polyethylenterephthalate, Polybutylenterephthalat; Polyether; Polyolefine wie Polyethylen,Polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate; polyether; Polyolefins such as polyethylene,
Polypropylen, Poly(Ethylen/Propylen) (EPDM); Polycarbonate; Polyurethane; natürlichePolypropylene, poly (ethylene / propylene) (EPDM); polycarbonates; polyurethanes; natural
Polymere, z.B. Kautschuk; Polycarbonsäuren; Polysulfonsäuren; sulfatiertePolymers, e.g. Rubber; polycarboxylic acids; polysulfonic; sulfated
Polysaccharide; Polylactide; Polyglycoside; Polyamide; Homo- und Copolymerisate von aromtischen Vinylverbindungen wie Poly(alkyl)styrole), z.B. Polystyrole, Poly-alpha- methylstyrole; Polyacrylnitrile, Polymethacrylnitrile; Polyacrylamide; Polyimide;polysaccharides; polylactides; polyglycosides; polyamides; Homopolymers and copolymers of aromatic vinyl compounds such as poly (alkyl) styrenes), e.g. Polystyrenes, poly-alpha-methylstyrenes; Polyacrylonitriles, polymethacrylonitriles; polyacrylamides; polyimides;
Polyphenylene; Polysilane; Polysiloxane; Polybenzimidazole; Polybenzothiazole;Polyphenylene; polysilanes; polysiloxanes; polybenzimidazoles; polybenzothiazoles;
Polyoxazole; Polysulfide; Polyesteramide; Polyarylen- vinylene; Polyetherketone;polyoxazoles; polysulfides; polyester; Polyarylene-vinylenes; polyether ketones;
Polyurethane, Polysulfone, anorganisch-organische Hybridpolymere wie ORMOCER® der Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. München;Polyurethanes, polysulfones, inorganic-organic hybrid polymers such as ORMOCER® from the Fraunhofer Society for the Advancement of Applied Research e.V. Munich;
Silicone; vollaromatische Copolyester; Poly(alkyl)acrylate; Poly(alkyl)methacrylate;silicones; wholly aromatic copolyesters; Poly (alkyl) acrylates; Poly (alkyl) methacrylates;
Polyhydroxyethylmethacrylate; Poly-vinylacetate, Polyvinylbutyrate; Polyisopren; synthetische Kautschuke wie Chlorbutadien-Kautschuke, z.B. Neopren® von DuPont;polyhydroxyethylmethacrylates; Polyvinyl acetates, polyvinyl butyrates; polyisoprene; synthetic rubbers such as chlorobutadiene rubbers, e.g. Neoprene® from DuPont;
Nitril-Butadien-Kautschuke, z.B. Buna N®; Polybutadien; Polytetrafluorethylen; modifizierte und nicht modifizierte Cellulosen, Homo- und Copolymerisate von alpha-Olefinen undNitrile-butadiene rubbers, e.g. Buna N®; polybutadiene; polytetrafluoroethylene; modified and unmodified celluloses, homopolymers and copolymers of alpha-olefins and
Copolymeren aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten; Polyvinylalkohole, Polyalkylenoxide, z.B. Polyethylenoxide;Copolymers composed of two or more monomer units forming the above-mentioned polymers; Polyvinyl alcohols, polyalkylene oxides, e.g. Polyethylene oxides;
Poly-N-vinylpyrrolidon; Hydroxymethylcellulosen; Maleinsäuren; Alginate; Polysaccharide wie Chitosane, etc.; Proteine wie Collagene, Gelatine deren Homo- oder Copolymerisate und Mischungen davon. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Herstellung von Nanofasern eine Lösung der oben genannten Polymere eingesetzt, wobei diese Lösung alle Lösungsmittel oder Mischungen von Lösungsmitteln enthalten kann. Im Allgemeinen wird ein Lösungsmittel eingesetzt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus chlorierten Lösungsmitteln, beispielsweise Dichlormethan oder Chloroform, Aceton, Ether, beispielsweise Diethylether, Methyl-tert.-butyl-ether, Kohlenwasserstoffe mit weniger als 10 Kohlenstoffatomen, beispielsweise n-Pentan, n-Hexan, cyclo-Hexan, Heptan, Oktan, Dimethylsulfoxid (DMSO), N-Methylpyrrolidinon (NMP), Dimethylformamid (DMF), Ameisensäure, Wasser, flüssiges Schwefeldioxid, flüssiger Ammoniak und Mischungen davon. Bevorzugt wird als Lösungsmittel eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dichlormethan, Aceton, Ameisensäure und Mischungen davon eingesetzt.Poly-N-vinylpyrrolidone; hydroxymethylcelluloses; maleic; alginates; Polysaccharides such as chitosans, etc .; Proteins such as collagens, gelatin their homo- or copolymers and mixtures thereof. In one embodiment of the method according to the invention, a solution of the abovementioned polymers is used for the production of nanofibers, it being possible for this solution to comprise all solvents or mixtures of solvents. In general, a solvent is used, selected from the group consisting of chlorinated solvents, for example dichloromethane or chloroform, acetone, ethers, for example diethyl ether, methyl tert-butyl ether, hydrocarbons having less than 10 carbon atoms, for example n-pentane, n Hexane, cyclohexane, heptane, octane, dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidinone (NMP), dimethylformamide (DMF), formic acid, water, liquid sulfur dioxide, liquid ammonia and mixtures thereof. Preference is given to using as solvent one of the group consisting of dichloromethane, acetone, formic acid and mixtures thereof.
In einer Ausführungsform erfolgt das Mischen für die verspinnbaren Polymerlösungen unter Rühren, unter der Einwirkung von Ultraschall oder unter der Einwirkung von Hitze durchgeführt werden. Die Konzentration des wenigstens einen Polymers in der Lösung beträgt im Allgemeinen wenigstens 0,1 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 2 bis 20 Gew.-%.In one embodiment, the mixing for the spinnable polymer solutions is carried out with stirring, under the action of ultrasound or under the action of heat. The concentration of the at least one polymer in the solution is generally at least 0.1 wt .-%, preferably 1 to 30 wt .-%, particularly preferably 2 to 20 wt .-%.
Im Sinne der Erfindung sind neben den Polymerlösungen auch entsprechende Polymerschmelzen verwendbar, soweit diese in flüssiger Form vorliegen. Nachfolgend wird der Begriff der Polymerlösung gleichermaßen synonym für Polymere verwendet, die in Lösungsmitteln gelöst oder durch Schmelzen in flüssige Form überführt worden sind.For the purposes of the invention, in addition to the polymer solutions, it is also possible to use corresponding polymer melts, provided that they are present in liquid form. Hereinafter, the term polymer solution is used equally synonymous with polymers which have been dissolved in solvents or converted by melting into liquid form.
Ein großes Hindernis bei der Herstellung der Geräte bzw. Komponenten mit Hilfe von Nanotechnologie ist eine „Up-Scaling" der hoch geordneten Struktureinheit. Die Bewegung bzw. Verschiebung des Template in x-y-Richtung macht sowohl die Homogenisierung der Schichtdicke von Vlies als auch das Expandieren seiner Dimension in großen Maß möglich. Die Dicke der Vliese kann durch die Ablagerungszeit und dieA major obstacle in the production of devices or components with the help of nanotechnology is an "up-scaling" of the highly ordered structural unit.The movement or displacement of the template in the xy direction makes both the homogenization of the layer thickness of fleece and the expansion The thickness of the nonwovens can be determined by the deposition time and the
Form der Vliese durch die Struktur der Template sehr genau eingestellt werden.Shape of the nonwovens can be adjusted very precisely by the structure of the template.
Des Weiteren ist es leicht möglich, auf ein sich noch auf dem Template befindliches Vlies beliebig viele weitere, aus unterschiedlichen polymeren Werkstoffen bestehende Schichten mittels Elektrospinn-Verfahren aufzubringen, wodurch die Erzeugung dreidimensional strukturierter Multischicht-Vliese ermöglicht wird.Furthermore, it is easily possible to apply an arbitrary number of additional layers consisting of different polymeric materials by means of electrospinning to a nonwoven still on the template, thereby enabling the production of three-dimensionally structured multilayer nonwovens.
Die minimal erzeugbaren Strukturgrößen der Vliese entsprechen dem Durchmesser der Nanofasern, die je nach Polymer und den Prozessbedingungen des Elektrospinn- Verfahrens im Bereich von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern liegen. Der Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad der Nanofasern liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren Werkstoff- und templateabhängig im Bereich zwischen 60 und 100 %, was eine erhöhte mechanischer Belastbarkeit der Vliese bewirkt.The minimum structure sizes of the nonwovens correspond to the diameter of the nanofibers, which range from a few nanometers to a few micrometers, depending on the polymer and the process conditions of the electrospinning process. The coverage or degree of deposition of the nanofibers in the method according to the invention is dependent on the material and template in the range between 60 and 100%, which causes an increased mechanical strength of the nonwovens.
Die Vielfalt der möglichen Kombinationen und Funktionalisierungen von Materialien, die Manipulationsmöglichkeiten bei den Faserstrukturen, die anwendungsspezifische Modifizierung mit Farbpigmenten, Katalysatoren oder Nanopartikeln aus Metallen, Halbleitern oder Keramiken als auch die Ausrüstung mit wundheilenden Arzneimitteln, Enzymen oder antiviralen bzw. antibakteriellen Wirkstoffen, biologische Botenstoffe (wie DNA, RNA und Proteine) und die damit einstellbaren Eigenschaftskombinationen erlauben eine faszinierende Fülle von Anwendungsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen Verfahren nicht erreichbar sind.The variety of possible combinations and functionalizations of materials, the possibilities of manipulating fiber structures, the application-specific modification with color pigments, catalysts or nanoparticles of metals, semiconductors or ceramics as well as the equipment with wound healing drugs, enzymes or antiviral or antibacterial agents, biological messengers ( such as DNA, RNA and proteins) and the thus adjustable property combinations allow a fascinating wealth of applications that are not achievable with conventional methods.
In einer Ausführungsform der Erfindung können vor dem Verspinnen in die Polymerlösungen oder -schmelzen alle bekannten Nanopartikel mit unterschiedlichen Dimensionalitäten leicht eingemischt werden und anschließend zusammen mit dem Polymer als Nanokomposit-Nanofasern auf das Template aufgebracht werden. Durch die Einbringung von Nanopartikeln können die Vorteile der Vliesstrukturierung und Faserorientierung innerhalb der Vliese mit den maßgeschneiderten Funktionalitäten der Nanopartikel kombiniert werden, wodurch sich zahlreiche Applikationsfelder ergeben.In one embodiment of the invention, prior to spinning into the polymer solutions or melts, all known nanoparticles having different dimensionalities can be mixed in easily and then applied to the template together with the polymer as nanocomposite nanofibers. By incorporating nanoparticles, the advantages of nonwoven structuring and fiber orientation within the nonwovens can be combined with the tailored functionalities of the nanoparticles, resulting in numerous application fields.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können Metalle und/oder Halbleiter als Nanopartikeln vor dem Verspinnen in die Polymerlösungen oder -schmelzen mit unterschiedlichen Dimensionalitäten leicht eingemischt werden und anschließend zusammen mit dem Polymer auf das Template aufgebracht werden. Dadurch können leitfähige Nanofasern bzw. Nanofaserstrukturen erzeugt werden.In a further embodiment of the invention, metals and / or semiconductors may be mixed in as nanoparticles before spinning into the polymer solutions or melts with different dimensionalities and then applied to the template together with the polymer. As a result, conductive nanofibers or nanofiber structures can be produced.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können pharmazeutische Wirkstoffe als Nanopartikeln vor dem Verspinnen in die Polymerlösungen oder -schmelzen mit unterschiedlichen Dimensionalitäten leicht eingemischt werden und anschließend zusammen mit dem Polymer auf das Template aufgebracht werden.In a further embodiment of the invention, pharmaceutical active substances can be mixed in as nanoparticles before spinning into the polymer solutions or melts with different dimensionalities and then applied to the template together with the polymer.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, von den Templates abgelösten (freistehenden) Vliese lassen sich mittels unterschiedlicher chemischer und/oder physikalischer Verfahren entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall gezielt modifizieren (Bestrahlung mit UV- bzw. Gamma-Strahlen, Plasmabehandlung, Imprägnieren z.B. mit pharmazeutischen Wirkstoffen oder katalytischen Präkursoren, etc.). Die erfindungsgemäßen Strukturen können weiterhin einer Oberflächenmodifikation mit Tieftemperaturplasma oder mittels chemischen Reagenzien, z.B. wässriger Hydroxid- Lösung, anorganische Säuren, Acylanhydride, oder Halogenide oder anderen in Abhängigkeit von der Oberflächenfunktionalität mit Silanen, Isocyanaten, organischen Acylhalogenide oder -anhydriden, Alkoholen, Aldehyden oder alkylierenden Chemikalien mit deren korrespondierenden Katalyten unterzogen werden. Durch eine Oberflächenmodifizierung, z.B. durch Beschichten oder Bestrahlung mit energiereicher Strahlung, können die Vliese eine hydrophilere oder hydrophobere Oberfläche erhalten, was bei der Verwendung im biologischen oder biomedizinischen Bereich vorteilhaft ist.The freestanding nonwoven webs produced by the method according to the invention can be selectively modified by means of different chemical and / or physical processes according to the particular application (irradiation with UV or gamma rays, plasma treatment, impregnation, eg with pharmaceutical agents or catalytic precursors, etc.). The structures of the invention may further surface modification with cryogenic plasma or chemical reagents, such as aqueous hydroxide solution, inorganic acids, acyl anhydrides, or halides or others depending on the surface functionality with silanes, isocyanates, organic acyl halides or anhydrides, alcohols, aldehydes or alkylating Be subjected to chemicals with their corresponding Katalyten. By a surface modification, for example by coating or irradiation with high-energy radiation, the nonwovens can obtain a more hydrophilic or more hydrophobic surface, which is advantageous for use in the biological or biomedical field.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zur Erhöhung derIn a further embodiment of the invention, to increase the
Biokompatibilität die Oberfläche der erfindungsgemäßen Nanofasern oder Vliese durch geeignete Verfahren, wie Beschichtung, Adsorption, Selbststrukturierung, Pfropfcopolymerisation, etc. modifiziert.Biocompatibility the surface of the nanofibers or nonwovens according to the invention by suitable methods such as coating, adsorption, self-structuring, graft copolymerization, etc. modified.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden keramische Nanofasern mittels des erfindungsgemäßen Elektrospinn-Verfahren aus einer Mischung der Polymerlösung mit einer großen Vielzahl von geeigneten keramischen Präkursoren hergestellt. Bevorzugt sind die keramischen Präkursoren aus der Gruppe bestehend AI2O3, CuO, NiO, TiO2, SiO2, V2O5, ZnO, Co3O4 Nb2O5, MoO3 und MgTiO3 ausgewählt.In one embodiment of the invention, ceramic nanofibers are made by the electrospinning process of the invention from a mixture of the polymer solution with a wide variety of suitable ceramic precursors. The ceramic precursors are preferably selected from the group consisting of Al 2 O 3 , CuO, NiO, TiO 2 , SiO 2 , V 2 O 5 , ZnO, Co 3 O 4 Nb 2 O 5 , MoO 3 and MgTiO 3 .
Eine Übersicht über die bislang bekannten Verfahren zur Herstellung der keramische Nanofasern und -drahten wird in der Literatur offenbart (R. Ramaseshan et al. Journal ofAn overview of the hitherto known processes for producing the ceramic nanofibers and wires is disclosed in the literature (R. Ramaseshan et al., Journal of
Applied Physics 102, 1 1 1 101 (2007), Adv. Mater. 2004, 16, Nr. 14, Seiten 1 151 -1 169).Applied Physics 102, 11111 (2007), Adv. Mater. 2004, 16, No. 14, pages 1 151 -1 169).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Umhüllung der Fasern beispielsweise durch Gasphasenabscheidung, Sputtern, Spin-Coating, Dip-Coating, Besprühen, Plasmaabscheidung, Sol-Gel-Verfahren oder Atomic Layer Deposition erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Umhüllung durch Gasphasenabscheidung oder Atomic Layer Deposition.In a further embodiment of the invention, the sheathing of the fibers takes place, for example, by vapor deposition, sputtering, spin coating, dip coating, spraying, plasma deposition, sol-gel methods or atomic layer deposition. Preferably, the cladding is carried out by vapor deposition or atomic layer deposition.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Polymer nach Umhüllung der Nanofasern entfernt. Geeignete Verfahren zum Entfernen des Polymers sind beispielsweise thermische, chemische, strahleninduzierte, biologische, photochemische Verfahren, sowie Verfahren mittels Plasma, Ultraschall, Hydrolyse oder durch Extraktion mit einemIn a further embodiment, the polymer is removed after covering the nanofibers. Suitable methods for removing the polymer are, for example, thermal, chemical, radiation-induced, biological, photochemical methods, as well as methods by means of plasma, ultrasound, hydrolysis or by extraction with a
Lösungsmittel. Abhängig vom Polymermaterial erfolgt die Entfernung bevorzugt bei 10- 900 °C und 0,001 mbar bis 1 bar. Das Entfernen kann vollständig oder zu einem Anteil von wenigstens 70%, bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 99% erfolgen. Die hohe spezifische Oberfläche ist mit einer erheblichen Kapazität für die Adhäsion oder Ablösung von funktionellen Gruppen, Ab- oder Adsorption von Molekülen, Ionen, katalytisch wirksamen Substanzen und verschiedenartigen nanoskaligen Partikeln verbunden. Außerdem sind einzelnen Fasern und die sich daraus aufbauenden Fasermatten (Vliese) aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberflächen in Kombination mit dem hohen Aspekt-Ratio, der hohen Flexibilität und Festigkeit besonders gut als Verstärkungskomponenten innerhalb einer Polymermatrix zur Herstellung ultraleichter Polymerkomposite geeignet.Solvent. Depending on the polymer material, the removal is preferably carried out at 10-900 ° C and 0.001 mbar to 1 bar. The removal can take place completely or in a proportion of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 99%. The high specific surface area is associated with a considerable capacity for the adhesion or detachment of functional groups, adsorption or absorption of molecules, ions, catalytically active substances and various nanoscale particles. In addition, individual fibers and the resulting fiber mats (nonwovens) are particularly well suited as reinforcing components within a polymer matrix for producing ultralight polymer composites due to their high specific surface areas in combination with the high aspect ratio, high flexibility and strength.
Beim erfindungsgemäßen Elektrospinn-Verfahren werden die Nanofasern durch wiederholte An- und Aufeinanderlegung in Form eines dreidimensionalen VliesesIn the electrospinning process according to the invention, the nanofibers are formed by repeated application and stacking in the form of a three-dimensional nonwoven
(Nonwoven Mat) verschlungen. Die Größe und Form der Hohlräume zwischen den Fasern in solchen Vliesen können leicht kontrolliert werden, so dass Anwendungen als Filterwerkstoff, als Schutzkleidung, als Verpackungsmaterial bzw. im Erosionschutz und als Trägermatrize in biomedizinischen Anwendungen sowie für den Transport und die gezielte Freisetzung von pharmazeutisch aktiven Substanzen denkbar sind.(Nonwoven Mat) devoured. The size and shape of the voids between the fibers in such webs can be easily controlled so that they can be used as filter material, protective clothing, packaging material, erosion protection and carrier matrix in biomedical applications, as well as for the transport and targeted release of pharmaceutically active substances are conceivable.
Das hier vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren ist eine bahnbrechende Technologie zur Herstellung von kontrollierbarer „Patterning" der elektrogesponnenen Fasern nur in einem Arbeitsschnitt, wodurch sich die zeitsparende Anwendbarkeit dieses Verfahrens erlauben lässt.The inventive method presented here is a pioneering technology for the production of controllable "patterning" of the electrospun fibers only in a working cut, which allows the time-saving applicability of this method.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen strukturierten Vliese als Trägergerüste (Scaffolds) im Bereich des „Tissue Engineering" bzw. der "Regenerativen Medizin" verwendet. Diese Trägergerüste werden bei in-vitro-Verfahren zur Herstellung von Ersatzgeweben und -organen zur Verbesserung bzw. Aufrechthaltung der Funktion von erkrankten oder zerstörten Gewebe herangezogen. Ziel ist dabei, einen Gewebedefekt nur soweit wie nötig bei der Heilung zu unterstützen, sodass letztlich wieder gesundes und funktionsfähiges körpereigenes Gewebe entsteht.In one embodiment of the invention, the structured nonwovens according to the invention are used as scaffolds in the field of "tissue engineering" or "regenerative medicine." These carrier frameworks are used in in vitro methods for the production of replacement tissues and organs for the purpose of improving or improving the tissue Maintaining the function of diseased or destroyed tissue The aim is to support a tissue defect only as far as necessary in healing, so that ultimately healthy and functional endogenous tissue is reborn.
Die Trägermaterialien müssen hohen Ansprüchen genügen: Sie sollen bioverträglich, steril, je nach Anwendung entweder langzeitstabil oder bioabbaubar und unterschiedlich flexibel sein. Außerdem müssen sie porös sein, damit Zellen hinein wandern können und dabei noch fest genug, um nicht schon bei der ersten mechanischen Belastung zu zerreißen.The support materials must meet high standards: they should be biocompatible, sterile, either long-term stable or biodegradable and flexible depending on the application. In addition, they must be porous, so that cells can migrate into it while still strong enough not to tear at the first mechanical stress.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in unterschiedlichen Geometrien und Größen hergestellten, hoch geordneten Trägergerüste erfüllen nicht nur die Aufgabe, den Zellen und der extrazellulären Matrix eine dreidimensionale Schablone für ihr Wachstum zur Verfügung zu stellen, sondern garantieren auch eine ausreichende mechanische Stabilität, um eine zweckmäßige räumliche Organisation des zu züchtenden Gewebes sowie eine ungehinderte Matrixdeposition zu ermöglichen.The highly ordered carrier frameworks produced in different geometries and sizes by the process according to the invention not only fulfill the task of providing the cells and the extracellular matrix with a three-dimensional template for their growth but also provide sufficient mechanical stability to allow convenient spatial organization of the tissue to be cultured and unobstructed matrix deposition.
Aufgrund der hohen Porosität der erfindungsgemäßen Vliese mit Kavitäten (Inter-Faser Hohlräumen) im Nano- und Mikrometerbereich besiedeln die zu züchtenden Zellen die Vliese in kurzer Zeit und hoher Dichte (kontrollierendes Zellwachstum). Nährstoffe können leicht zu den Zellen transportiert und metabolischen Abfallstoffe abtransportiert werden.Due to the high porosity of the nonwovens according to the invention with cavities (inter-fiber cavities) in the nanometer and micrometer range, the cells to be cultivated colonize the nonwovens in a short time and at high density (controlling cell growth). Nutrients can be easily transported to the cells and metabolic wastes removed.
Die bioresorbierbaren Polymere finden auf Grund der unterschiedlichen Abbaumechanismen und der damit verbundenen einstellbaren Abbauzeiten einen verstärkten Einsatz in der Medizin. Wenn die Gerüstmaterialien aus solchen bioresorbierbaren Polymeren bestehen, kann der generierte Zell- oder Gewebeverband mit dem Gerüst zusammen transplantiert werden. Die Polymermaterialien lösen sich aufgrund ihrer Bioabbaubarkeit im Körper langsam auf, wobei das zurückbleibende körpereigene Gewebe schrittweise die Funktion des Gewebes bzw. Organs übernimmt, ohne dass ein erneuter operativer Eingriff notwendig wird.The bioresorbable polymers are due to the different degradation mechanisms and the associated adjustable degradation times increased use in medicine. If the framework materials consist of such bioresorbable polymers, the generated cell or tissue association can be grafted together with the framework. The polymer materials dissolve slowly due to their biodegradability in the body, whereby the remaining endogenous tissue gradually takes over the function of the tissue or organ, without a renewed surgical intervention is necessary.
Außerdem können die Fasern während des Elektrospinn-Verfahrens oder durch anschließende Modifizierung der Vliese mit verschiedenartigen Botenstoffen, z.B. Wachstumsfaktoren (Anlockung von Zellen, Anregung bzw. Beschleunigung des Wachstums der hinzugefügten Zellen), oder Medikamenten, z.B. Antibiotika und Antiseptika bestückt werden, mit dem Ziel der gezielten Freisetzung von pharmazeutischer Präparaten im Organismus nach der Implantation.In addition, during the electrospinning process or by subsequent modification of the webs, the fibers may be treated with various types of messengers, e.g. Growth factors (attracting cells, stimulating the growth of added cells), or drugs, e.g. Antibiotics and antiseptics are equipped with the aim of targeted release of pharmaceutical preparations in the organism after implantation.
Unter dem Begriff des Gewebes ist hierbei eine Ansammlung von Zellen eines Einzelorganismus, die optimal auf die Ausführung einer bestimmten Aufgabe spezialisiert sind, gemeint. Insbesondere bestehen mechanisch robuste, zusammenziehbare Muskeln oder kardiovaskuläre Gewebe aus ausgerichteter Zellmorphologie in höherer Dichte. ZurThe term tissue here means an accumulation of cells of an individual organism, which are optimally specialized in the execution of a specific task. In particular, mechanically robust, contractible muscles or cardiovascular tissues are of higher density aligned cell morphology. to
Züchtung solcher funktionellen Geweben ist es wünschenswert, dass die Trägergerüste nicht nur Wechselwirkung von Zell-zu-Zell unterstützen sondern auch der Ausrichtung der Zelle nachahmend zuchtende Strukturen origineller Gewebe zur Verfügung gestellt werden sollten.In order to grow such functional tissues, it is desirable that the scaffolds should not only support cell-to-cell interaction but also provide cell-mimicking structures of original tissues.
Es wurde gezeigt in der Literatur, dass sich die kultivierten Zellen auf der Trägergerüste, wobei die Fasern eindimensional ausgerichtet sind, bevorzugt in der Faserrichtung proliferieren lassen (CY. Xu, et al., Biomaterials 25: 877(2004); CH. Lee, et al., Biomaterials 26: 1261 (2005)). Die mit dem erfindungsgemäßen hergestellte Vliese erfüllen die Anforderungen für ein- und zweidimensionalen Strukturen zur Herstellung von speziell solchen Gewebetypen. Sie bieten nicht nur nachahmende Grundgerüste für nanoskalige, natürliche Extrazellularmatrices sondern bilden auch eine notwendige definierende Architektur zur Führung von Zellwachstum bzw. -entwicklung. Die so erzielbare Ausrichtung der Zellen in kontrollierten ein-, zwei- und dreidimensionalen Architektur hat eine entscheidende Bedeutung für Differenzierung, Proliferierung und funktionale Langlebigkeit (Lebensdauer) der Zelle.It has been shown in the literature that the cultured cells on the scaffolds, with the fibers one-dimensionally aligned, preferentially proliferate in the fiber direction (CY Xu, et al., Biomaterials 25: 877 (2004); CH Lee). et al., Biomaterials 26: 1261 (2005)). The nonwovens produced with the invention meet the requirements for one- and two-dimensional structures for the production of specifically such types of fabric. They not only provide mimicking scaffolds for nanoscale, natural extracellular matrices, but also provide a necessary defining architecture for guiding cell growth and development. The achievable alignment of the cells in controlled one-, two- and three-dimensional architecture has a crucial importance for differentiation, proliferation and functional longevity (lifetime) of the cell.
Die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, hochgradig ausgerichtete Fasern in großen Mengen zu erzeugen, gewährt die Möglichkeit von klinischen Untersuchungen des zellulären Verhaltens, wie z.B. Genexpression und Wechselwirkung von Zellen, Gewerbetoxikologie, etc., in Abhängigkeit von der Faserausrichtung.The ability of the method of the present invention to produce high-level, high-level fibers provides the potential for clinical studies of cellular behavior, such as cell proliferation. Gene expression and interaction of cells, industrial toxicology, etc., depending on fiber orientation.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen strukturierten Vliese zur Herstellung von Spezialpflaster zur Blutstillung verwendet.In a further embodiment of the invention, the structured nonwovens according to the invention are used for the production of special patches for haemostasis.
Ideale Wundauflagen sollten neben ihre Stützfunktion und der Vermeidung desIdeal dressings should be used in addition to their support function and the avoidance of
Eindringens und Vermehrens von Mikroorganismen vor allem das feuchte und damit heilungsfördernde physiologische Mikroklima aufrechterhalten. Dazu gehört auch, die Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit zu gewährleisten, da eine ungestörte Epithelisierung eine ausreichende Menge gelösten Sauerstoffs im Wundsekret benötigt. Außerdem soll eine Schorfbildung verhindert werden, die zwar vor äußeren Einflüssen schützt, aber auch gleichzeitig das Sekret bindet und so die Migration der neu gebildeten Zellen behindert. Spezielle Ausführungen mildern dabei auch die Narbenbildung.Penetration and Vermehrens of microorganisms, especially the moist and thus promote healing physiological microclimate maintained. This also includes ensuring gas and water vapor permeability since undisturbed epithelization requires a sufficient amount of dissolved oxygen in the wound exudate. In addition, a scab formation is to be prevented, which protects against external influences, but at the same time binds the secretion and thus hampers the migration of the newly formed cells. Special versions also reduce scarring.
Basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine neue Generation von Wundpflastern bestehend aus biokompatiblen und -resorbierbaren Nanofasern entwickelt, wodurch die Wundheilung erheblich beschleunigt wird.Based on the method according to the invention, a new generation of wound plasters consisting of biocompatible and absorbable nanofibers is developed, whereby wound healing is considerably accelerated.
Eine Besonderheit von elektrogesponnenen Fasern ist ihre nanoporörse Oberflächenstruktur, deren Nanoporen wie ein Schwamm für das Wundexsudat und schließen damit Keime und Gewebetrümmer wirkungsvoll einwirken. Sie bewirken aber auch die Aufrechterhaltung eines die Heilung fördernden feuchten Wundmilieus.A special feature of electrospun fibers is their nanoporous surface structure, whose nanopores effectively act as a sponge for wound exudate, effectively closing up germs and tissue debris. But they also cause the maintenance of a healing promoting moist wound environment.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Nanofasern mit verschiedenartigen pharmazeutischen Stoffen, wie z.B. Wachstumsfaktoren (Anlockung von Hautzellen, Anregung bzw. Beschleunigung des Wachstums der hinzugefügten Hautzellen) oder Medikamenten (Antibiotika, Antiseptika, insbesondere Schmerz- und Bluthemmungsmedikamente, welche für die topische Applikation geeignet sind, beladen werden, um optimale Voraussetzungen für die schnelle Wundheilung zu schaffen.In a further embodiment of the invention, the nanofibers with various pharmaceutical substances, such as growth factors (attraction of skin cells, stimulation or acceleration of the growth of the added skin cells) or drugs (antibiotics, antiseptics, especially pain and Blutemmungsmedikamente, which are suitable for topical application, loaded to create optimal conditions for rapid wound healing.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung baut sich das mit Botenstoffen beladene Wundpflaster während des Heilungsprozesses schrittweise biologisch ab, wodurch der schmerzhafte Verbandswechsel, der auch neu gebildetes Gewebe vielfach wieder partiell ablöst, entfallen kann. Außerdem kann das Wundpflaster je nach den Anforderungen des Patienten ein oder mehrere Medikamente innerhalb eines bestimmten Zeitraums an die Wundstelle verabreichen.In a further embodiment of the invention, the wound patch loaded with messenger substances gradually biodegrades during the healing process, as a result of which the painful dressing change, which often partially removes newly formed tissue again, can be dispensed with. In addition, depending on the requirements of the patient, the patch may deliver one or more drugs to the wound site within a given period of time.
Mit der erfindungsgemäßen Technologie können die Wundpflaster sowohl patientenspezifisch in verschiedener Größe und Gestalt hergestellt werden als auch ursachenspezifisch (Diabetes, arterielle Verschlusskrankheit, chronisch venöse Insuffizienz, u.a.) mit speziellen Wirkstoffen bestückt werden. Die Wundpflaster ermöglichen also eine zeitsparende, einfach durchzuführende und kosteneffiziente Wundheilungstherapie.With the technology according to the invention, the wound plasters can be produced both in a patient-specific manner in various sizes and shapes and can also be equipped with specific active ingredients (diabetes, arterial occlusive disease, chronic venous insufficiency, etc.). The wound plasters thus make a time-saving, easy to perform and cost-effective wound healing therapy.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäß hergestellte Vliese aus Nanofasern als Stützrohre für die Regeneration von Blutgefäßen, Ösophagus und Nerven verwendet. Dadurch können beispielsweise Gefäßläsionen oder Aneurysmen, welche bislang mittels Coiling (Endovaskuläre Aneurysma-Okklusion) behandelt wurden, erfolgreich therapiert werden. Auch der Einsatz der erfindungsgemäßen Stützrohre als Stents ist vorgesehen. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist durch Beladung der erfindungsgemäßen Stützrohre mit pharmazeutisch aktiven Substanzen eine verbesserte Heilung durch deren Freisetzung in situ möglich. Dadurch könnten zudem die erforderlichen Dosen der applizierten Substanzen durch Vermeidung einer systemischen Applikation verringert werden.In a further embodiment of the invention, the nanofibers produced according to the invention are used as support tubes for the regeneration of blood vessels, esophagus and nerves. As a result, for example, vascular lesions or aneurysms, which have hitherto been treated by coiling (endovascular aneurysm occlusion), can be successfully treated. The use of the support tubes according to the invention as stents is also provided. In a further development of this embodiment, by loading the support tubes according to the invention with pharmaceutically active substances, improved healing by their release in situ is possible. This could also reduce the required doses of the applied substances by avoiding systemic application.
In einer weiteren Ausführungsform sind die erfindungsgemäß hergestellten Stützrohre aus bioabbaubaren Substanzen hergestellt. Dadurch erfolgt nur eine zeitweise Fremdkörperinkorporation in dem entsprechenden Gewebeabschnitt, wodurch mögliche resultierende Abstoßungsreaktionen vermieden werden.In a further embodiment, the support tubes produced according to the invention are made of biodegradable substances. As a result, only a temporary foreign body incorporation takes place in the corresponding tissue section, whereby possible resulting rejection reactions are avoided.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die bioabbaubaren erfindungsgemäßen Stützrohre mit pharmazeutisch aktiven Substanzen beladen.In a further embodiment of the invention, the biodegradable support tubes according to the invention are loaded with pharmaceutically active substances.
Aufgrund der Bioabbaubarkeit erfüllen derartige Konstruktionen eine Depotfunktion, wobei die Wirkstoffe über die Zeit an das umliegende Gewebe abgegeben wird und gleichzeitig das Depot selbst einem Abbau unterliegt. Dadurch lassen sich durch minimal invasive Techniken Wirkstoffdepots herstellen die gezielt am Wirkort eingesetzt werden können, ohne einer nachträglichen Entfernung notwendig zu machen.Due to biodegradability, such constructions perform a depot function, whereby the active ingredients are released over time to the surrounding tissue and at the same time the depot itself is subject to degradation. As a result, minimally invasive techniques can be used to produce drug depots that can be used specifically at the site of action, without necessitating a subsequent removal.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäß hergestellten Vliese aus Nanofasern zur Oberflächenmodifikation von Implantaten verwendet. Durch entsprechende Funktionalisierung der Oberfläche kann die Immunantwort und die damit bestehende Gefahr der Implantatabstoßung reduziert bzw. minimiert werden. Durch geeignete Beschichtung mit Proteinen, wie Extrazellularmatrixproteinen, Signalproteinen, Cytokinen, etc., ist eine Ansiedlung von körpereigenen Zellen auf dem Implantat möglich.In a further embodiment of the invention, the nonwovens of nanofibers produced according to the invention are used for surface modification of implants. Through appropriate functionalization of the surface, the immune response and the resulting risk of implant rejection can be reduced or minimized. By appropriate coating with proteins, such as extracellular matrix proteins, signaling proteins, cytokines, etc., a colonization of the body's own cells on the implant is possible.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine antimikrobielle Beschichtung der Implantate durch das Aufbringen von biokompatiblen und biofunktionellen elektrogesponnenen Nanofasern auf das Implantat. Dadurch werden mögliche Entzündungen durch Keime unterbunden. Typische Beispiele dafür sind die mit TiO2 eingebetteten Vliese als photokatalytische Beschichtung für die Anwendungen von Selbst- Sterilisierung und Biofiltration. Zum anderen ist Einsatz von MgO und ZnO Nanopartikeln als effektive Desinfektionsmittel in Farbstoffe für Innerwände.In a further embodiment of the invention, an antimicrobial coating of the implants takes place by the application of biocompatible and biofunctional electrospun nanofibers to the implant. As a result, possible inflammations are prevented by germs. Typical examples of this are the nonwovens embedded with TiO 2 as a photocatalytic coating for the applications of self-sterilization and biofiltration. On the other hand, use of MgO and ZnO nanoparticles as effective disinfectants in dyes for inner walls.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden verschiedene Metall-enthaltene anorganische Materialien als antibakterielle Mittel in den Fasern eingesetzt; wie z.B. Silber, Kupfer, Zink und andere antibakterielle Metalle als anorganische Desinfektionsmittel. Die Freisetzung der antibakteriellen Mittel aus den mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Vliesen an die Umgebung erfolgt kontinuierlich über einen längeren Zeitraum. Im Vergleich zu anderen herkömmlichen Verabreichungsmethoden ist die Freisetzung von Desinfektionsmittel mittels des mit erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vlieses höherwertiger im Hinblick auf Sicherheit, Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit.In one embodiment of the invention, various metal-containing inorganic materials are used as antibacterial agents in the fibers; such as. Silver, copper, zinc and other antibacterial metals as inorganic disinfectants. The release of the antibacterial agents from the nonwovens produced by the process according to the invention to the environment takes place continuously over a relatively long period of time. Relative to other conventional administration methods, the release of disinfectant by means of the nonwoven produced by the process according to the invention is superior in terms of safety, durability and heat resistance.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäß hergestellten Vliese aus Nanofasern als poröse Membranen hergestellt und als temporärer Hautersatz verwendet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäßen Vliese aus bioabbaubaren Substanzen erstellt sind.In a further embodiment of the invention, the nonwovens made from nanofibers according to the invention are produced as porous membranes and used as temporary skin substitutes. It is advantageous if the webs according to the invention are made of biodegradable substances.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäß hergestellten Vliese als Stützrohre in der Regeneration von Nerven verwendet. Dabei werden die erfindungsgemäßen Vliese mit geeigneten Signalstoffen beschichten, wodurch die Proliferation der Nervenzellen entlang des Vlieses gefördert wird. Diese beschichteten Vliese werden anschließend im Bereich der unterbrochenen Nervenverbindung eingesetzt. Durch die auf dem Vlies aufgebrachten Signalstoffe werden die angrenzenden Nervenzellen zur Proliferation in Richtung des Vlieses angeregt. Dadurch kommt es in der Folge zur Knüpfung neuer neuronaler Verbindungen, wodurch die unterbrochene Nervenleitung wieder verbunden wird.In a further embodiment of the invention, the nonwovens produced according to the invention are used as support tubes in the regeneration of nerves. In this case, the nonwovens according to the invention are coated with suitable signal substances, whereby the proliferation of the nerve cells along the nonwoven is promoted. These coated nonwovens are then used in the area of the interrupted nerve connection. By applied to the fleece signal substances are the adjacent Nerve cells are stimulated to proliferate in the direction of the fleece. As a result, new neuronal connections are formed, which reconnects the interrupted nerve conduction.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäß strukturierten Vliese zur Herstellung ultraleichter Polymerkomposite verwendet.In one embodiment of the invention, the nonwovens structured according to the invention are used for producing ultralight polymer composites.
Die erfindungsgemäßen strukturierten Vliese sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberflächen in Kombination mit dem hohen Aspekt-Ratio, der hohen Flexibilität und Festigkeit der Fasern, besonders gut als Verstärkungskomponenten innerhalb einer Polymermatrix zur Herstellung ultraleichter Polymerkomposite geeignet.The structured nonwovens according to the invention, because of their high specific surface areas in combination with the high aspect ratio, the high flexibility and strength of the fibers, are particularly suitable as reinforcing components within a polymer matrix for the production of ultralight polymer composites.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zur Herstellung vonIn one embodiment of the invention for the production of
Polymernanokompositen die erfindungsgemäß strukturierten Vliese mittels eines „Hot- Compaction"-Prozesses bei definierten Prozessbedingungen (Druck, Temperatur) kompaktiert, ohne die Vliesstrukturierung und die Orientierung zu zerstören.Polymer nanocomposites compacts the nonwovens structured according to the invention by means of a "hot compaction" process under defined process conditions (pressure, temperature) without destroying the nonwoven structuring and the orientation.
Die mit erfindungsgemäßem Verfahren hergestellten Vliesen verstärkten Polymerkomposite ermöglichen es, die Werkstoffeigenschaften nach Maß zu kombinieren; einerseits eine ausreichende Spannungsübertragung über die Matrix-Faser- Grenzfläche gewährleistet ist, anderseits aber die Schadenstoleranz erhöht wird (Rissstopp, Rissumleitung).The nonwovens reinforced polymer composites produced by the method according to the invention make it possible to combine the material properties to measure; on the one hand a sufficient voltage transfer over the matrix-fiber interface is ensured, on the other hand, however, the damage tolerance is increased (crack stop, crack diversion).
Variationsmöglichkeiten der Eigenschaften ergeben sich dabei durch eine Veränderung der Vliesmorphologie, also der Dicke, Verteilung und Orientierung der Fasern.Variations of the properties result from a change in the nonwoven morphology, ie the thickness, distribution and orientation of the fibers.
Aufgrund der Größe der Fasern zeigen die kompaktierten Vliese eine stärkere Polymer- Faser-Wechselwirkung in der Grenzschicht der Fasern zur Matrix. Mit solchen Oberflächenverfestigungen können die Korrosionsbeständigkeit, die Dauerfestigkeit sowie die Schlagzähigkeit, also wesentliche Eigenschaften für den Einsatz der Schichten, verbessert werden. Eine erhöhte Mikro- und Nano-Porosität des Vliesstoffs bietet zudem eine verbesserte Haftung.Due to the size of the fibers, the compacted webs show a stronger polymer-fiber interaction in the interfacial layer of the fibers to the matrix. With such surface consolidations, the corrosion resistance, the fatigue strength and the impact resistance, ie essential properties for the use of the layers, can be improved. An increased micro- and nano-porosity of the nonwoven also provides improved adhesion.
Im Gegensatz zu Glasfaserverbundwerkstoffen erfüllen diese neuartigen Polymer- Nanofaser-Komposite die Anforderungen eines ausgewogenen Eigenschaftsprofils (z.B. Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit) bei geringem spezifischen Gewicht und eröffnen damit ein großes Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten.Unlike fiberglass composites, these novel polymer-nanofiber composites meet the requirements of a balanced property profile (e.g., strength, stiffness, and toughness) with low specific gravity, opening up a wide range of applications.
Sehr wesentlich für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vliese sind ebenfalls die optischen Eigenschaften der resultierenden Nanokomposite, wie die den unmodifizierten Matrixmaterialien vergleichbare hohe Transparenz der Komposite. Die Transparenz ist darin begründet, dass der Durchmesser der Nanofasern erheblich kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes.Very important for the use of the nonwovens according to the invention are also the optical properties of the resulting nanocomposites, such as the unmodified Matrix materials comparable high transparency of the composite. The transparency is due to the fact that the diameter of the nanofibers is considerably smaller than the wavelength of the visible light.
Die ultradünnen Fasern mit Durchmessern bis zu wenigen Nanometern lassen weiterhin sich problemlos mit unterschiedlichen Nanofüllstoffen, wie z.B. eindimensionale Kohlenstoffnanoröhren, zweidimensionalen Schichtsilikaten und dreidimensionale Nanopartikeln modifizieren. Im Vergleich dazu besteht bei herkömmlichen Verfahren die Herausforderung darin, die Nanopartikel in den Fasern unter Vermeidung von Agglomeraten und damit der Lokalisierung von Spannungskonzentrationen bei Belastung im Matrixmaterial homogen zu dispergieren.The ultra-thin fibers with diameters up to a few nanometers can still be easily mixed with different nanofillers, such. modify one-dimensional carbon nanotubes, two-dimensional phyllosilicates, and three-dimensional nanoparticles. In contrast, the challenge with conventional methods is to homogeneously disperse the nanoparticles in the fibers while avoiding agglomerates and thus localizing stress concentrations under load in the matrix material.
Aufgrund der extrem hohen Scherkraft während des Elektrospinnen-Vorganges werden die ursprünglich regellos angeordneten Nanopartikel mit nahezu paralleler Anordnung in den Nanofasern eingeordnet. Dadurch wird eine Verbesserung bestimmter Eigenschaften (Festigkeit, Diffusionsbarriere, Flammhemmung) ermöglicht.Due to the extremely high shear force during the electrospinning process, the originally random nanoparticles with a nearly parallel arrangement are arranged in the nanofibers. As a result, an improvement of certain properties (strength, diffusion barrier, flame retardancy) is made possible.
Üblicherweise liegt der Anteil der Nanopartikel in kompakten Nanokompositen bei 0,1 -5 Gew.-% (Gewichtsprozent) und ist damit im Vergleich zu herkömmlichen mineralische Füllstoffen sehr gering. Der Gewichtsanteil der Nanopartikel in Nanofasern liegt oft deutlich unter 0,001 Gew.-%.Usually, the proportion of nanoparticles in compact nanocomposites is 0.1-5 wt .-% (weight percent) and is thus very low compared to conventional mineral fillers. The weight fraction of nanoparticles in nanofibers is often well below 0.001 wt .-%.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Vliese mit Nano- Schichtsilikaten modifiziert. Diese mit Nano-Schichtsilikate, z.B. Montmorillonit, Hektorit und Saponit, modifizierte Polymere haben verbesserte Eigenschaften bezüglich der UV- und Wärmebeständigkeit, eine herabgesetzte Entflammbarkeit und Gasdurchlässigkeit und erhöhte Bioabbaubarkeit im Fall bioabbaubarer Polymere.In one embodiment of the invention, the nonwovens according to the invention are modified with nano-layer silicates. These with nano-layer silicates, e.g. Montmorillonite, hectorite and saponite, modified polymers have improved properties in terms of UV and heat resistance, reduced flammability and gas permeability and increased biodegradability in the case of biodegradable polymers.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) in die Polymeren dispergiert. Durch die Dispersion von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) in Polymeren entstehende Komposite zeichnen sich durch eine höhere mechanische Stärke sowie durch thermische und elektrische Leitfähigkeit aus.In another embodiment of the invention, carbon nanotubes (CNTs) are dispersed in the polymers. Composites formed by the dispersion of carbon nanotubes (CNTs) in polymers are characterized by higher mechanical strength and thermal and electrical conductivity.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Vliese als Filtermedien eingesetzt.In a further embodiment of the invention, the nonwovens according to the invention are used as filter media.
Im Allgemeinen haben die elektrogesponnenen Vliese die Konsistenz von typischen porösen Membranen, wobei ihre Porosität in der Größenordnung von 60 bis 80% beträgt. Aufgrund der hohen Porendichte bei einstellbarer Porengröße (mikro- und Nanoporosität) ergeben sich Anwendungen als Filterwerkstoff (Flüssigkeit- und Gas-Filtration, Molekül- und Bakterien-Filtration, Clean-Room-Technologie, Klimaanlage).In general, the electrospun webs have the consistency of typical porous membranes with their porosity of the order of 60 to 80%. Due to the high pore density with adjustable pore size (micro- and nanoporosity) Applications arise as a filter material (liquid and gas filtration, molecular and bacterial filtration, clean room technology, air conditioning).
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren weisen die Membranen besondere Oberflächencharakteristika auf, infolge derer physikalisch und/oder chemisch aktive Substanzen innerhalb der faserförmigen Strukturen immobilisiert werden. Um möglichst auch kleine Partikel sicher abscheiden zu können sollten die Poren möglichst klein sein bei geringer Verteilungsbreite des Porendurchmessers. Da derAs a result of the production method according to the invention, the membranes have special surface characteristics as a result of which physically and / or chemically active substances are immobilized within the fibrous structures. In order to be able to safely separate even small particles, the pores should be as small as possible, with a small distribution width of the pore diameter. Since the
Durchströmungswiderstand so klein wie möglich sein sollte, ist eine große Porosität bzw. eine große Durchströmungsfläche zu bevorzugen.Throughflow resistance should be as small as possible, a large porosity or a large flow area is preferable.
Die erfindungsgemäßen Vliese haben aufgrund der großen Oberfläche der Nanofasern eine hohe Aufnahmekapazität für anhaftende Schmutzpartikel bei hoher Durchlässigkeit des zu fixierenden Stoffes. So haben im Vergleich zu konventionellen feinporigen Filtermedien den Vorteil eines deutlich geringeren Gesamtdruckverlusts bei gleicher oder höherer Aufnahmekapazität und verlängern damit die Standzeit des Filters. Die Verlängerung der Standzeit ist ein Faktor, der die filterbezogenen Betriebskosten senkt.Due to the large surface area of the nanofibers, the nonwovens according to the invention have a high absorption capacity for adhering dirt particles with high permeability of the substance to be fixed. So have the advantage of a significantly lower total pressure loss at the same or higher absorption capacity and thus extend the service life of the filter compared to conventional fine-pored filter media. The extension of the service life is a factor that reduces the filter-related operating costs.
Die Wahrscheinlichkeit für ein Feinstpartikel, in der Luftströmung von einer Nanofaser festgehalten zu werden, steigt dabei gleichzeitig mit der Anzahl an Nanofasern. Bei den erfindungsgemäßen Vliesen hält ein hoher Anteil von Nanofasern bei gleichzeitig sehr hohen Porositäten in den Filtermedien selbst feinste Partikel und Feinstaub nahezu vollständig zurück.The probability of a micro-particle being held in the air flow by a nanofiber increases simultaneously with the number of nanofibers. In the nonwovens according to the invention, a high proportion of nanofibers, with at the same time very high porosities in the filter media, almost completely retains even the finest particles and fine dust.
Die feine, gewebeähnliche Netzwerkstruktur mit sehr kleinen Faserzwischenräumen ermöglicht bei den erfindungsgemäßen Vliesen, dass Partikel mit einem sehr hohen Abscheidegrad zurückgehalten werden, Flüssigkeiten und/oder Gase jedoch ungehindert passieren können.The fine, fabric-like network structure with very small fiber gaps allows the nonwovens according to the invention to retain particles with a very high degree of separation, but to allow liquids and / or gases to pass through unhindered.
Somit zeichnen sich die erfindungsgemäßen Vliese als Filtermedien durch eine hervorragende Balance zwischen Abscheideleistung, Luftdurchlässigkeit und Standzeit aus.Thus, the nonwovens according to the invention are distinguished as filter media by an excellent balance between separation efficiency, air permeability and service life.
Um eine ausreichend lange Standzeit zu gewährleisten, sind für den technischen Einsatz von Nanofasern in Filtern außer der Erfüllung der Abscheidefunktion auch unterschiedliche mechanische und physikalische Aspekte wie Elastizitätsmodul,In order to ensure a sufficiently long service life, apart from fulfilling the separation function, the mechanical use of nanofibers in filters also involves different mechanical and physical aspects, such as modulus of elasticity,
Zugfestigkeit, Grenzbiegespannung, Abriebfestigkeit, Feuchtigkeitsaufnahme, Kaltfluss, Temperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Widerstand, Lichtbeständigkeit, Gewicht u. a. zu berücksichtigen. Während die ungeordnet zwischen den hoch geordneten Bereichen der Vliese verteilten Nanofasern für die Filtration kleinster Partikel entscheidend sind, tragen die gitterartig ausgerichteten Nanofasern je nach Belastung zur Zugfestigkeit des Filtermediums bei. Die strukturbildenden Nanofasern vergrößern außerdem den Risswiderstand des Filtermediums.Tensile strength, marginal bending stress, abrasion resistance, moisture absorption, cold flow, temperature resistance, thermal conductivity, electrical resistance, light resistance, weight, etc. must be taken into account. While the nanofibers distributed randomly between the highly ordered regions of the nonwovens are crucial for the filtration of very small particles, the lattice-oriented nanofibers contribute to the tensile strength of the filter medium, depending on the load. The structure-forming nanofibers also increase the crack resistance of the filter medium.
Auf diese Weise wird hohe Abscheideleistung mit höherer Permeabilität und mit so großer mechanischer Stabilität des Mediums verbunden.In this way, high separation efficiency is associated with higher permeability and with so great mechanical stability of the medium.
Die erfindungsgemäßen Vliese kommen zum Einsatz bei der anspruchsvollen industriellen Filtration unter schwierigsten Bedingungen sowie in Spezialfiltern für Schwerlastfahrzeuge, bei Anwendungen also, bei denen ein extrem niedriges Filtergewicht mit einer hohen Durchlässigkeit und/oder großen spezifischen Filteroberfläche gefordert wird.The webs according to the invention are used in demanding industrial filtration under the most difficult conditions as well as in special filters for heavy-duty vehicles, ie in applications in which an extremely low filter weight with a high permeability and / or large specific filter surface is required.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Strukturierung des Vlieses kontrolliert werden, so dass exakt an die Erfordernisse der konkreten Trennprozesse angepasste Vliese konstruiert werden.By means of the method according to the invention, the structuring of the nonwoven fabric can be controlled, so that webs adapted exactly to the requirements of the concrete separation processes are constructed.
Zur Modifizierung der Oberflächeneigenschaften, d.h. zur Veränderung der Benutzungseigenschaften oder der elektrischen Leitfähigkeit, können die Vliese auch mit Appreturen versehen werden, wobei diese Beschichtungen nur eine begrenzte Dauerfestigkeit besitzen.To modify the surface properties, i. to change the use properties or the electrical conductivity, the nonwovens can also be provided with finishes, these coatings have only a limited fatigue strength.
Darüber hinausgehend können verschiedene Vliese miteinander kompaktieren, ohne ihreIn addition, different nonwovens can compact together without their
Struktur zu zerstören. Beispielsweise bietet es sich an, ein mechanisch weniger stabiles Feinstvlies geringer Dicke zur Optimierung der Abscheidung mit einem mechanisch robusten Trägervlies zur Optimierung der Belastbarkeit miteinander zu kombinieren.Destroy structure. For example, it makes sense to combine a mechanically less stable superfine fleece of small thickness to optimize the deposition with a mechanically robust carrier fleece to optimize the load capacity with each other.
Mittels Rückspülung, Bedüsung, Beaufschlagen mit Ultraschall, Auslaugen u. a. kann der Verstopfung eines Filtermediums entgegengewirkt werden. Je einfacher die Porenstruktur des Filtermediums aufgebaut ist, desto leichter lässt sich deren dauerhafte Verstopfung vermeiden.By means of backwashing, spraying, applying ultrasound, leaching u. a. the blockage of a filter medium can be counteracted. The simpler the pore structure of the filter medium, the easier it is to avoid its permanent blockage.
Der Hauptvorteil dieser Technologie liegt neben dem Preisvorteil darin, kundenspezifische Produkte entwickeln und herstellen zu können, bei dem der Gradient zwischen grober und feiner Porosität in einem weiten Spektrum frei einstellbar ist.The main advantage of this technology, in addition to the price advantage, is to be able to develop and manufacture customized products where the gradient between coarse and fine porosity is freely adjustable over a wide range.
Die Vorteile dieser Technologie sind eine deutlich verbesserte Filtereffizienz, eine deutlich verbesserte Standzeit, ein geringer Herstellaufwand und somit niedrige Kosten, ein einstellbarer Gradient aus groben Fasern und Nanofasern, Schutz der integrierten Nanofasern vor mechanischer Beschädigung und ein geringer Rohmaterialeinsatz.The advantages of this technology are a significantly improved filter efficiency, a significantly improved service life, a low production cost and thus low costs adjustable gradient of coarse fibers and nanofibres, protection of the integrated nanofibers against mechanical damage and a low use of raw materials.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäß hergestellten Nanofasern und/oder Vliese zur Beschichtung und/oder als Bestandteil von Textilien verwendet.In a further embodiment of the invention, the nanofibers and / or nonwovens produced according to the invention are used for coating and / or as a component of textiles.
Es ist gängige Praxis, spezifische Eigenschaften von synthetischen Fasern unmittelbar durch das Herstellungsverfahren zu erzeugen, da technische Textilien entsprechend ihren verschiedenen Anwendungen speziellen Ansprüchen genügen müssen. Die Eigenschaften der Fasern in den erfindungsgemäßen Vliesen können je nach Anforderung gezielt eingestellt werden.It is common practice to produce specific properties of synthetic fibers directly through the manufacturing process, since technical textiles must meet special requirements according to their various applications. The properties of the fibers in the webs according to the invention can be adjusted as required.
Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Vliese beruht auf ihrer sehr großen Oberfläche. Außerdem weisen sie aufgrund der wohl definierten Ausrichtung von Nanofasern eine erhöhte Zugfestigkeit und eine verminderte Gasdurchlässigkeit auf, wodurch sie sich für sehr unterschiedliche Anwendungen eignen.The peculiarity of the nonwovens according to the invention is based on their very large surface area. In addition, due to the well-defined orientation of nanofibers, they have increased tensile strength and reduced gas permeability, making them suitable for very diverse applications.
Durch Einbringen unterschiedlichster Zusatzstoffe (z.B. mit Farbpigmenten,By introducing a wide variety of additives (for example with color pigments,
Latextröpfchen, mit Katalysatoren, Enzymen, Arzneimitteln, Halbleiter oder metallische Nanopartikel, etc.) in den oder auf der Fasern sollen neue Textilausrüstungen entwickelt werden, die zur Generierung neuer Textilprodukte mit wesentlich verbesserten oder bisher nicht darstellbaren Eigenschaften führen bzw. Kombinationen von Funktionen ermöglichen (antibakteriell, selbstreinigend, leitend, antistatisch, Schutz gegen ultraviolette Strahlung (UV), Flammschutz, thermische isolierend und vieles mehr), die auf den Effekten von Nanostrukturen beruhen.Latex droplets, with catalysts, enzymes, pharmaceuticals, semiconductors or metallic nanoparticles, etc.) in or on the fibers, new textile finishes are to be developed which lead to the generation of new textile products with significantly improved or previously unrepresentable properties or combinations of functions ( antibacterial, self-cleaning, conductive, anti-static, protection against ultraviolet radiation (UV), flame retardance, thermal insulation and much more) based on the effects of nanostructures.
In einer Ausführungsform finden die erfindungsgemäßen Vliese Anwendungen innerhalb der Textilindustrie als Spezialtextilien mit ausgezeichneten Wärmeisolationseigenschaften, als Schutzkleidung zur Minimierung der Luftimpedanz, textile Materialien mit einer hohe Hafteffizienz für Nanoteilchen und antibiochemische Gase sowie für photo- oder thermochromatische Kleidung durch Einarbeitung von Farbpigmenten in die Nanofasern.In one embodiment, the nonwovens according to the invention find applications within the textile industry as special textiles with excellent heat insulation properties, as protective clothing to minimize air impedance, textile materials with a high adhesive efficiency for nanoparticles and antibiochemical gases and for photo or thermochromatic clothing by incorporation of color pigments in the nanofibers.
Wenn die Fasern innerhalb eines Textils metallisiert sind bzw. deren Leitfähigkeit gesteigert werden, können etwa Körperfunktionen wie Herzschlag, Temperatur oderWhen the fibers within a textile are metallized or their conductivity increased, for example, body functions such as heart rate, temperature or
Blutdruck gemessen werden. Mit einer nanometerdünnen Metallbeschichtung ist dies gewährleistet -bei gleichzeitig hohem Tragekomfort. Eine prinzipiell einfache Möglichkeit zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Nanofasern ist das Einarbeiten von leitfähigen Materialien in Form fein verteilter Partikel in die Polymermatrix.Blood pressure can be measured. With a nanometer-thin metal coating this is guaranteed - while at the same time high wearing comfort. A fundamentally simple possibility for increasing the electrical conductivity of nanofibers is the incorporation of conductive materials in the form of finely divided particles into the polymer matrix.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden leitfähigen Materialien in Form fein verteilter Partikel in die Polymermatrix zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen in Arbeitsschutzbekleidung eingearbeitet. Der Schutz vor elektrostatischen Entladungen ist in vielen Bereichen der Arbeitssicherheit unverzichtbar. Das Ergebnis sind im Prozess abgeschiedene metallische, nanometerdünne Schichten, die die Leitfähigkeit der Polymere um etliche Größenordnungen erhöhen. Als leitfähige Materialien werden Metalle (wie Gold, Silber, Aluminium, Eisen, Kupfer, Nickel), Kohlenstoff (in Form von Ruß, Grafit oder aktuell Kohlenstoffnanoröhrchen) oder leitfähige Polymere (Polyanilin, Polypyrrol, Polyethylendioxythiophen) verwendet. Somit sind Fasern als elektrische Leiter im Bereich der Antistatika einsetzbar.In one embodiment of the invention, conductive materials in the form of finely divided particles are incorporated into the polymer matrix for protection against electrostatic discharges in protective work clothing. Protection against electrostatic discharges is indispensable in many areas of occupational safety. The result is metallic, nanometer-thin layers deposited in the process that increase the conductivity of the polymers by several orders of magnitude. The conductive materials used are metals (such as gold, silver, aluminum, iron, copper, nickel), carbon (in the form of carbon black, graphite or currently carbon nanotubes) or conductive polymers (polyaniline, polypyrrole, polyethylenedioxythiophene). Thus, fibers are used as electrical conductors in the field of antistatic agents.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wirken die auf den Nanofasern abgeschiedenen Silberbeschichtungen bzw. eingearbeiteten Silbernanopartikel antibakteriell. Silberummantelte Fasern in Spezialwäsche für Neurodermitiserkrankte sorgen z. B. für eine Verbesserung des Krankheitsbildes. Die mit Silber versetzten Vliese können weiterhin im Gesundheitswesen eingesetzt werden, um gegen die Verbreitung antibiotikaresistenter Bakterienstämme anzukämpfen. Operationstücher und andere textile Utensilien verhindern dank einer Silberausrüstung die Verbreitung von Infektionen, da sie die Bakterien innerhalb einer Stunde abtöten.In a further embodiment of the invention, the silver coatings or incorporated silver nanoparticles deposited on the nanofibers have an antibacterial effect. Silver-sheathed fibers in special underwear for atopic dermatitis sufferers B. for an improvement of the clinical picture. The silver-coated nonwovens can continue to be used in health care to combat the spread of antibiotic-resistant bacterial strains. Surgical drapes and other textile utensils prevent the spread of infections thanks to silver equipment, as they kill the bacteria within an hour.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Textilien für medizinische Anwendungen und im Freizeitbereich/Wellness mit Wirk- bzw. Duftstoffe (Cyclodextrine oder Oiodosobenzoesäure und verschiedenartige Deodorante) versponnen. Nanoskalige Depotstrukturen sind in der Lage, Geruchsmoleküle zu binden und diese bei der nächsten Wäsche wieder freizusetzen.In a further embodiment of the invention, the textiles according to the invention for medical applications and in the leisure / wellness with active or perfumes (cyclodextrins or Oiodosobenzoesäure and various types of deodorants) are spun. Nanoscale depot structures are able to bind odor molecules and release them again on the next wash.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Beseitigung von Bakterien kann auch zur Bekämpfung von Schweißgeruch in Sportbekleidung genutzt werden, da der Schweißgeruch durch die Bakterien entsteht. Da die Poren in einem erfindungsgemäßen Vlies wesentlich kleiner als ein Wassertröpfchen, ist das Vlies sehr dicht gegen Wasser und Wind. Dabei wird Körperfeuchtigkeit jedoch als Wasserdampf durchgelassen. Die erfindungsgemäßen Vliese sind also atmungsaktiv und lassen damit den Abtransport (Diffusion) des verdunsteten Schweißes zu, was für die Temperaturregulierung des Körpers enorm wichtig ist. Schwitzen Sportler übermäßig bei hohen Belastungen, verspüren sie danach eine als unangenehm empfundene Abkühlung des Körpers. Dieser so genannte "post exercise chill-Effekt" lässt sich durch Nanostrukturierung der Fasern verhindern, denn deren Kapillarwirkung sorgt für einen schnellen Abtransport des Schweißes.In a further embodiment of the invention, the removal of bacteria can also be used to combat odor in sportswear, since the sweat odor produced by the bacteria. Since the pores in a nonwoven fabric according to the invention are substantially smaller than a water droplet, the nonwoven fabric is very dense against water and wind. Body moisture, however, is transmitted as water vapor. The nonwovens according to the invention are thus breathable and thus allow the removal (diffusion) of the evaporated sweat, which is enormously important for the temperature regulation of the body. Sweat athletes overly at high loads, Afterwards they feel a cooling of the body, which is perceived as unpleasant. This so-called "post exercise chill effect" can be prevented by nanostructuring of the fibers, because their capillary action ensures rapid removal of perspiration.
Die erfindungsgemäßen Textilien ermöglichen eine Regulierung der Temperatur und des Mikroklima, das sich zwischen der Hautoberfläche und den der Haut am nächsten liegenden Bekleidungsschichten bilden. Diesem Mikroklima kommt die größte Bedeutung im Zusammenhang mit dem Tragkomfort zu.The fabrics of the present invention allow for regulation of temperature and microclimate that form between the skin surface and the layers of clothing closest to the skin. This microclimate has the greatest importance in terms of wearing comfort.
Weiterhin weist das erfindungsgemäße Textil vorteilhafterweise auch das Prinzip der Selbsteinigung, analog zum Blatt der Lotus Pflanze und vielen Insektenarten, auf. Anhand der hohen Porendichte in die Vliesstruktur kann kein Wasser und/oder Verschmutzung in die Textilien penetrieren. Infolge der Nanostrukturierung bleiben sowohl Wasser als auch Verschmutzungen auf der Oberfläche des Vlieses. Die erfindungsgemäßen Vliese schützen daher ausgezeichnet die Textilien vor Verschmutzung. Daneben zeichnen sich die erfindungsgemäßen Textilien durch hochwirksame, langfristige Wasserdichte, bei gleichzeitiger Atmungsaktivität aus.Furthermore, the textile according to the invention advantageously also the principle of self-cleaning, analogous to the leaf of the lotus plant and many insect species, on. Due to the high pore density in the nonwoven structure can penetrate no water and / or pollution in the textiles. As a result of nanostructuring, both water and soil remain on the surface of the web. The nonwovens according to the invention therefore protect the textiles from contamination. In addition, the textiles of the invention are characterized by highly effective, long-term water density, with simultaneous breathability.
Wichtige durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierbare Produkteigenschaften sind z. B. „easy to clean"-Eigenschaften, Schutzschichten (Barriereschichten, Gleitschichten etc.), der gezielte Aufbau schaltbarer Nanoschichten bzw. -Strukturen, elektrische Leitfähigkeit, katalytische Wirksamkeit, katalytische Selbstreinigung, elektromagnetische Abschirmung, stoffspezifische Filtrations- und Bindungseigenschaften, gesteuerte Wirkstoffabgabe sowie verbesserte Flammfestigkeit, Elastizität und Verarbeitbarkeit.Important realizable by the process according to the invention product properties are, for. B. "easy to clean" properties, protective layers (barrier layers, overlays, etc.), the targeted construction of switchable nanolayers or structures, electrical conductivity, catalytic activity, catalytic self-cleaning, electromagnetic shielding, substance-specific filtration and binding properties, controlled drug delivery and improved flame resistance, elasticity and processability.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Textilien in Bezügen von Autositzen, in Luftfiltern von Klimaanlagen, in Form von Markisen und Stoffbespannungen an Gebäuden oder als Abdeckungen von Operationstischen in Kliniken eingesetzt.In a further embodiment of the invention, the textiles according to the invention are used in car seat coverings, in air filters of air conditioning systems, in the form of awnings and fabric coverings on buildings or as covers of operating tables in hospitals.
Entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich vorteilhafte Polymermischungen herstellen, welche zu einem komplexen Material versponnen werden können, in dem zwei oder mehr verschiedenen und strukturell zueinander passende Vliesstoffe kombiniert werden, um strukturelle oder funktionelle Eigenschaften zu erzeugen, welche die einzelnen Komponenten allein nicht besitzen.According to the process of the present invention, advantageous polymer blends can be prepared which can be spun into a complex material by combining two or more different and structurally compatible nonwoven webs to produce structural or functional properties which the individual components alone do not possess.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Vliese Träger für Katalysatoren eingesetzt, wodurch sie für katalytische Prozesse nutzbar sind. Die erfindungsgemäßen Vliese bestehend aus Nanofasern besitzen ausgezeichnete Eigenschaften, insbesondere eine große spezifische Oberfläche sowie eine hohe Durchlässigkeit für Flüssigkeiten und Gasen. Außerdem bildet Strukturierung der Fasern in Mikro- und Nanobereichen ein stabiles Vlies und erlaubt eine leichte Handhabung.In one embodiment of the invention, the nonwovens of the invention are used for catalysts, whereby they can be used for catalytic processes. The nonwovens according to the invention consisting of nanofibers have excellent properties, in particular a large specific surface and a high permeability to liquids and gases. In addition, structuring of the fibers in micro and nano-regions forms a stable nonwoven and allows easy handling.
Die Immobilisierung des Katalysators ausschließlich in den Nanofasern wird durchThe immobilization of the catalyst exclusively in the nanofibers is by
Elektrospinnen einer Mischung von Polymermatrix mit Katalysator oder Präkursor eines Katalysators erfolgt. In den resultierenden Nanofasern sind die Katalysatoren innerhalb der Nanofasern eingekapselt, wobei das Vlies als semipermeable Membran fungiert. Diese Immobilisierung ermöglicht kurze Diffusionswege und damit eine verringerte Stofftransportlimitierung. Somit zeigen die mit Katalysator immobilisierten Nanofasern kürzere Reaktionszeiten als herkömmliche Filme, dafür aber auch geringere Empfindlichkeiten wegen des niedrigeren Kontaktwiderstands, und was damit einhergehend zu einer erhöhten Aktivität des immobilisierten Katalysators (eine schelle Ansprechzeit) führt.Electrospinning a mixture of polymer matrix with catalyst or precursor of a catalyst takes place. In the resulting nanofibers, the catalysts are encapsulated within the nanofibers, with the web acting as a semipermeable membrane. This immobilization allows short diffusion paths and thus a reduced Stofftransportlimitierung. Thus, the catalyst immobilized nanofibers show shorter reaction times than conventional films, but also lower sensitivities because of the lower contact resistance, and concomitantly with increased activity of the immobilized catalyst (a fast response time).
Im Vergleich zu herkömmlichen dünnen Filmen lässt sich außerdem dieCompared to conventional thin films can also be the
Katalysatorkonzentration durch eine molekulare Dispergierung in der Verbindung mit dem Nanostruktuierung des Vlieses erheblich verringern. Auf diese Weise kann die Restkonzentration in den finalen Produkten gering halten.Significantly reduce catalyst concentration through molecular dispersion in association with nanostructuring of the web. In this way, the residual concentration in the final products can be kept low.
Bei den Anwendungen in der Medizin, der Pharmazie, der Elektronik und der Optoelektronik müssen vor allem die synthetisierten Produkte in großer Reinheit vorliegen. Das heißt, dass der Katalysator leicht vom Produkt im größeren Maßstab abtrennbar sein sollte. Die Immobilisierung innerhalb der Nanofasern erlaubt eine solche Wiedergewinnung des Katalysators von Reaktionsmedium zu einem sehr hohen Prozentsatz.For applications in medicine, pharmacy, electronics and optoelectronics, especially the synthesized products must be present in high purity. That is, the catalyst should be easily separable from the product on a larger scale. The immobilization within the nanofibers allows such recovery of the catalyst from the reaction medium to a very high percentage.
Das Spektrum der einsetzbaren Katalysatoren für den erfindungsgemäßen Vliesen ist sehr breit, angefangen bei Metallen, darunter Gold, Silber, Osmium, Ruthenium, Palladium und Platin, über anorganische Verbindungen, wie z.B. Halbleiter (Bleisulfid, Cadmiumsulfid, Titandioxid, Zinkoxid und mehr) und Zeolithe, bis hin zu Biomolekülen bzw. Enzymen.The spectrum of useful catalysts for the nonwoven web of the present invention is very broad, starting with metals including gold, silver, osmium, ruthenium, palladium and platinum, via inorganic compounds, e.g. Semiconductors (lead sulfide, cadmium sulfide, titanium dioxide, zinc oxide, and more) and zeolites, to biomolecules or enzymes.
Diese neuartigen Katalysatoren vereinen einfache Handhabung, allgemeineThese novel catalysts combine ease of use, general
Verwendbarkeit und hohe Aktivität. Die mit verschiedenen Katalysatoren funktionalisierten Vliese können in der chemischen Synthese einsetzt werden.Usability and high activity. The nonwovens functionalized with various catalysts can be used in chemical synthesis.
Zur Verwendung in nanoelektronischen Schaltungen und Bauelementen können Katalysatoren und elektronisch aktive Materialien mit Hilfe von PVD-Prozessen oder SoI- Gel-Beschichtungsverfahren auf die erfindungsgemäßen Nanofasern abgeschieden werden.For use in nanoelectronic circuits and devices Catalysts and electronically active materials by means of PVD processes or SoI gel coating processes are deposited on the nanofibers of the invention.
Durch die erfindungsgemäß erzielte feinere Strukturierung der Nanofasern bei den erfindungsgemäßen Vliesen werden verbesserte Sensoreigenschaften erzielt. Neben einer deutlich schnelleren Ansprechzeit basierenden auf den kurzen Wegen zwischen Katalysator und Reaktionsmedium können die erfindungsgemäßen Vliese als Sensormaterialien Dämpfe und Metallionen um zwei bis drei Größenordnungen empfindlicher gegenüber Dünnfilmsensoren nachweisen. Dadurch können die erfindungsgemäßen Nanofasern für die Entwicklung von Gasdetektoren genutzt werden.Improved sensor properties are achieved by the finer structuring of the nanofibers according to the invention in the nonwovens according to the invention. In addition to a much faster response time based on the short distances between the catalyst and the reaction medium, the nonwovens according to the invention can detect as sensor materials vapors and metal ions sensitive to thin film sensors by two to three orders of magnitude. As a result, the nanofibers according to the invention can be used for the development of gas detectors.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden durch Zusatz von Enzymen beim Elektrospinnen neuartige hochaktive Biokatalysatoren für Reaktionen in organischen Lösungsmitteln gewonnen. Aufgrund ihrer hohen Porosität sind die erfindungsgemäßen Vliese zum Einsatz in Biosensoren und Biobrennstoffzellen vorgesehen.In a further embodiment of the invention, novel highly active biocatalysts for reactions in organic solvents are obtained by the addition of enzymes in electrospinning. Due to their high porosity, the nonwovens according to the invention are intended for use in biosensors and biofuel cells.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßenIn a further embodiment of the invention, the inventive
Nanofasern als Bestandteil optoelektronischer Bauteile verwendet. Es wurde gezeigt, dass die elektrogesponnenen Nanofasern bestehend aus konjugierten Polymeren die herausragende Photo- und Elektrolumineszenz als auch die Eigenschaften von Photovoltaik und der nichtlineare Optik besitzen. So können die Nanofasern als die zukunftsträchtige Werkstoffe für optoelektrische Bauteile Betracht werden.Nanofibers used as part of optoelectronic components. The electrospun nanofibers consisting of conjugated polymers have been shown to possess outstanding photo and electroluminescence as well as photovoltaic and nonlinear optics properties. For example, nanofibres can be considered as promising materials for optoelectrical components.
Konjugierte Polymere sind aufgrund ihrer Halbleiter-Eigenschaften eine wichtige Klasse von Werkstoffen. Formal ähnlich wie bei anorganischen Halbleitern können durch Dotieren sehr hohe elektrische Leitfähigkeiten erreicht werden, weshalb sie auch als „Synthetische Metalle" bezeichnet werden.Conjugated polymers are an important class of materials because of their semiconductor properties. Formally similar to inorganic semiconductors, very high electrical conductivities can be achieved by doping, which is why they are also referred to as "synthetic metals".
Die Palette der Anwendungen der erfindungsgemäßen Materialien reicht dabei von Materialien für organische Leuchtdioden, die nichtlineare Optik und organische Polymerlaser über Polymere für Photovoltaikanwendungen (Solarzellen) bis zu Halbleiterpolymeren für die Polymerelektronik (Feldeffekttransistoren), Computer-Chips und die Bildschirm-Technik.The range of applications of the materials according to the invention ranges from materials for organic light emitting diodes, nonlinear optics and organic polymer lasers over polymers for photovoltaic applications (solar cells) to semiconductor polymers for polymer electronics (field effect transistors), computer chips and the screen technology.
Im Vergleich zu den herkömmlichen Halbleitern sind vor allem bei der Entwicklung von kostengünstig großflächigen und gleichzeitig biegsamen bzw. einrollbaren Bildschirmen die polymeren elektrolumineszierenden Materialien eine echte Alternative zu den herkömmlichen Kathodenstrahlröhren-Bildschirmen und Flüssigkristallanzeigen (LCDs). Des Weiterem können diese zur Entwicklung sehr leuchtkräftiger Monochrom- und Farbdisplays, beispielsweise für Handys oder Computerbildschirme, führen, die im Gegensatz zur bisher verwendeten LCD-Technologie über einige deutliche Vorteile verfügen, wie den geringeren Stromverbrauch bei gleichzeitig höherer Leuchtkraft und besserem Kontrast oder die Unabhängigkeit vom Blickwinkel.Compared to the conventional semiconductors, especially in the development of cost-effective large-area yet flexible screens, the polymeric electroluminescent materials are a real alternative to the conventional cathode ray tube screens and liquid crystal displays (LCDs). Furthermore, these can lead to the development of very luminous monochrome and color displays, for example for mobile phones or computer screens, which, in contrast to the previously used LCD technology have some significant advantages, such as lower power consumption with higher luminosity and better contrast or independence from the perspective.
Konjugierte Polymere sind besonders vielseitig, da eine Feinabstimmung ihrer Eigenschaften (Farbe, Quantenausbeute) durch Änderung der Struktur leicht möglich ist. Dabei beanspruchen nanostrukturierte Polymermaterialien für sich ein ständig wachsendes Interesse als aktive bzw. passive Komponente in elektronischen Bauelementen.Conjugated polymers are particularly versatile, since fine tuning of their properties (color, quantum yield) by changing the structure is easily possible. Nanostructured polymer materials claim an ever growing interest as active or passive components in electronic components.
Eindimensionale Nanofasern aus konjugierten Polymeren stellen neuartige, preiswerte und flexible Bausteine dar, die elektronische, optische und mechanische Eigenschaften kombinieren, die sich potentiell zum Einsatz in den funktionellen optischen und elektronischen nanoskaligen Bauelementen eignen.One-dimensional nanofibers made of conjugated polymers are novel, inexpensive, and flexible building blocks that combine electronic, optical, and mechanical properties that are potentially suitable for use in functional optical and electronic nanoscale devices.
In einer Ausführungsform der Erfindung besteht eine Leuchtdiode aus halbleitenden polymeren Nanofasern. Dadurch ergibt sich eine vielversprechende, günstige und winzig kleine leistungsfähige Lichtquelle.In one embodiment of the invention, a light emitting diode consists of semiconductive polymeric nanofibers. This results in a promising, cheap and tiny little powerful light source.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Vliese auf Basis von elektrolumineszierenden Nanofasern in Lasern, Flachbildschirmen und Beleuchtungen verwendet.In a further embodiment of the invention, the nonwovens based on electroluminescent nanofibers according to the invention are used in lasers, flat screens and illuminations.
Die Farbtuning der erfindungsgemäßen Vliese, z.B. rot, gelb und grün, kann durch Verwendung der geeigneten polymeren Halbleiter eingestellt werden. Durch Einarbeiten von aktiven Molekülen (Chromophoren) lässt sich zusätzlich die Emission der elektrogesponnenen Fasern von sichtbarer bis zu nahinfraroter Wellenlänge (NIR) leicht abstimmen.The color tuning of the webs according to the invention, e.g. Red, yellow and green, can be adjusted by using the appropriate polymeric semiconductors. By incorporating active molecules (chromophores), the emission of electrospun fibers from visible to near-infrared wavelengths (NIR) can be easily tuned.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die nahinfraroten Licht emittierenden Nanofasern für Anwendungen in Kommunikationsnetzwerken, Biosensorik und Diagnostik basierend von photonischen Technologien eingesetzt.In a further embodiment of the invention, the near-infrared light-emitting nanofibers are used for applications in communication networks, biosensing and diagnostics based on photonic technologies.
Wegen der Fasergröße wird Emission von den lichtemittierenden elektrogesponnenen Nanofasern auf den Nanoskalen eingeschränkt. Dies führt jedoch aufgrund der erhöhten Ladungsmobilität und des ultraschnellen Verhältnisses zwischen Ladung und Entladung in den Nanofasern zu einer attraktiven Eigenschaft für Anwendungen im Bereich von Sensoren, in denen die hoch lokalisierte Erregung der Moleküle erforderlich ist, z.B. für Abtasten von DNA und Protein.Because of fiber size, emission from the light-emitting electrospun nanofibers on the nanoscale is limited. However, this results in an attractive property for applications in the field of nanoparticles due to the increased charge mobility and the ultrafast charge-discharge ratio in the nanofibers Sensors that require highly localized excitation of the molecules, eg for DNA and protein sensing.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Nanofasern aufgrund ihrer extrem hohen intrinsischen spezifischen Oberfläche für Sensorsysteme (Chemieresistor) mit höherer Empfindlichkeit und Selektivität verwendet.In a further embodiment of the invention, the nanofibers according to the invention are used with higher sensitivity and selectivity because of their extremely high intrinsic specific surface area for sensor systems (chemical resistance).
Säuren, Basen, oxidierende Substanzen, Anionen, Kationen, anorganische und organische Gase können die elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Vliese beeinflussen.Acids, bases, oxidizing substances, anions, cations, inorganic and organic gases can influence the electrical conductivity of the nonwovens according to the invention.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Nanofasern bestehend aus konjugierten Polymeren in Feldeffekttransistoren verwendet. Technologisch sind Feldeffekttransistoren die wichtigen weiteren konjugierte Polymere basierenden Bauteile, da sie den Grundbaustein in den logischen Schaltkreisen und den Schaltern für Bildschirme bildet.In a further embodiment of the invention, the nanofibers of the invention consisting of conjugated polymers are used in field-effect transistors. Technologically, field effect transistors are the important other conjugate polymer based devices as they form the basic building block in the logic circuits and the switches for screens.
Die erfindungsgemäßen Vliese öffnen daher die Möglichkeit des hohen Durchsatzes und kosteneffektive Produktion völlig organischer photonischer Systeme basierend auf kohärenten Emittern.The nonwovens of the invention therefore open up the possibility of high throughput and cost-effective production of fully organic photonic systems based on coherent emitters.
In einer weiteren Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen Vliese in Solarzellen eingesetzt. In den Solarzellen kommen die erfindungsgemäßen Vliese, die als eine Lösung der halbleitenden Polymeren mit den Akzeptormolekülen, z.B. Fullerene (C60), elektrogesponnenen sind, zum Einsatz. Auf diese Weise entsteht ein erfindungsgemäßes, lichtabsorbierendes Vlies, in der die Grenzfläche zwischen Polymer und der elektronenleitenden Akzeptorphase über das Volumen der Schicht verteilt ist, wobei die durch Licht erzeugten Elektronen schnell vom Polymer auf das Akzeptormolekül übergehen und die für den Abtransport der Ladungen erforderliche Strecke zur Elektrode möglichst schnell überwunden werden.In a further embodiment, the nonwovens according to the invention are used in solar cells. In the solar cells are the nonwovens of the invention, which are used as a solution of the semiconducting polymers with the acceptor molecules, e.g. Fullerenes (C60), electrospun, are used. In this way, an inventive, light-absorbing fleece, in which the interface between the polymer and the electron-accepting acceptor phase is distributed over the volume of the layer, wherein the light-generated electrons pass quickly from the polymer to the acceptor molecule and the distance required for the removal of the charges be overcome as quickly as possible to the electrode.
Die grundsätzlichen Vorteile einer Solarzelle auf Basis der erfindungsgemäßen Vliese gegenüber von herkömmlichen sind geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Produktionstechnologien, hohe Stromausbeuten durch Vergrößerung der spezifischen Oberfläche sowie Flexibilität und einfache Handhabung.The basic advantages of a solar cell based on the nonwovens according to the invention over conventional ones are low production costs due to low-cost production technologies, high current yields by increasing the specific surface area as well as flexibility and simple handling.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die auf Basis der erfindungsgemäßen Vliese hergestellten organischen Photovoltaik-Systeme aufrollbar ausgestaltet. In einer weiteren Ausführungsform der vorbeschriebenen Erfindung werden die auf Basis der erfindungsgemäßen Vliese hergestellten organischen Photovoltaik-Systeme in Chipkarten und Textilien integriert.In a further embodiment of the invention, the organic photovoltaic systems produced on the basis of the nonwovens according to the invention are designed to be rollable. In a further embodiment of the invention described above, the organic photovoltaic systems produced on the basis of the nonwovens according to the invention are integrated into chip cards and textiles.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Vliese, bestehenden aus polymeren Halbleitern, als elektrostatischer Entladungsschutz,In a further embodiment of the invention, the nonwovens according to the invention, consisting of polymeric semiconductors, are used as electrostatic discharge protection,
Korrosionsschutz und Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen verwendet.Corrosion protection and shielding used against electromagnetic interference.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden magnetische Nanopartikel vor dem Verspinnen der Polymerlösung/-schmelze zugesetzt. Magnetische Nanopartikel sind aufgrund ihrer zahlreichen außergewöhnlichen Eigenschaften von großem Interesse für die unterschiedlichsten Anwendungen von der ultra-hohen Datenspeicherung und der Katalyse bis zur Biotechnologie/Biomedizin; z. B. für die elektrochemische Biosensoren, Bioseparatoren, die Erkennung von DNA, RNA, Zelle und Proteine, kontrollierte Transportbzw. Freisetzungssysteme von Medikamente und Gene, die Bildgebung durch magnetische Kernresonanz als Kontrastmittel, hyperthermische Behandlung für Tumor bzw. Krebszellen.In a further embodiment of the invention, magnetic nanoparticles are added prior to spinning the polymer solution / melt. Magnetic nanoparticles are of great interest for a wide variety of applications ranging from ultra-high data storage and catalysis to biotechnology / biomedicine due to their many exceptional properties; z. B. for the electrochemical biosensors, Bioseparatoren, the detection of DNA, RNA, cell and proteins, controlled Transportbzw. Medication and gene delivery systems, nuclear magnetic resonance imaging as a contrast agent, hyperthermic treatment for tumor or cancer cells.
In den erfindungsgemäßen Verfahren kommen magnetische Nanopartikel mit einer Vielzahl unterschiedlicher Zusammensetzungen und Phasen zum Einsatz; beispielsweise mit Fe3O4 und Y-Fe2O3, reinen Metallen wie Fe, Ni und Co, spinellartigen Ferromagneten wie MFe2O4 (wobei M ein Metall wie Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Cd etc. bezeichnet) sowie Legierungen wie CoPt3 und FePt, und magnetische Nanokristalle wie Cr2O3, MnO, Co3O4 und NiO.Magnetic nanoparticles having a multiplicity of different compositions and phases are used in the process according to the invention; for example with Fe 3 O 4 and Y-Fe 2 O 3 , pure metals such as Fe, Ni and Co, spinel-like ferromagnets such as MFe 2 O 4 (where M is a metal such as Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Cd etc and alloys such as CoPt 3 and FePt, and magnetic nanocrystals such as Cr 2 O 3 , MnO, Co 3 O 4 and NiO.
Ungeachtet der Anwendung der magnetischen Nanopartikel in den Nanofasern stellt die Aufrechterhaltung der Partikelstabilität über einen längeren Zeitraum ohne Agglomeration oder Fällung eine erhöhte Schwierigkeit dar.Regardless of the application of the magnetic nanoparticles in the nanofibers, maintaining particle stability over an extended period of time without agglomeration or precipitation presents an increased difficulty.
Mittels des erfindungsgemäßen Elektrospinn-Verfahren lässt sich eine solche Stabilität durch Immobilisierung bzw. Verkapselung der Nanopartikeln innerhalb der Nanofasern einfach erzielen. Bei den erfindungsgemäßen Vliesen dient die Polymermatrix als eine Schutzschale nicht nur zum Schutz der magnetischer Nanoteilchen gegen Oxidation und Erosion bzw. Zersetzung, sondern auch zur weiteren Funktionalisierung, z. B. mit katalytisch aktiven Spezies, Wirkstoffen, spezifischen Bindungsstellen oder anderen funktionellen Gruppen.By means of the electrospinning process according to the invention, such stability can be easily achieved by immobilization or encapsulation of the nanoparticles within the nanofibers. In the nonwovens of the invention, the polymer matrix serves as a protective shell not only to protect the magnetic nanoparticles against oxidation and erosion or decomposition, but also for further functionalization, for. With catalytically active species, drugs, specific binding sites or other functional groups.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die magnetischen Nanopartikel in der Katalyse und bei der Trennung biologischer Spezies verwendet. Ferromagnetische Nanoparikel, deren Größe unterhalb eines kritischen Wertes liegt, typischerweise etwa mit einem Durchmessern von ca. 10 nm, zeigen superparamagnetisches Verhalten, was bedeutet, dass sie mit einem äußeren Magnetfeld magnetisiert und nach Entfernen des Magneten sofort redispergiert werden können.In a further embodiment of the invention, the magnetic nanoparticles are used in catalysis and in the separation of biological species. Ferromagnetic nanoparticles whose size is below a critical value, typically about 10 nm in diameter, exhibit superparamagnetic behavior, meaning that they can be magnetized with an external magnetic field and immediately redispersed after removal of the magnet.
Diese Eigenschaften machen superparamagnetische Nanopartikel sehr interessant für ein breites Spektrum biomedizinischer Anwendungen, da das Risiko der Agglomeratbildung bei Raumtemperatur zu vernachlässigen ist.These properties make superparamagnetic nanoparticles very interesting for a wide range of biomedical applications, since the risk of agglomerate formation at room temperature is negligible.
Ein derartiges magnetisches Verhalten in Form einer simplen Ein/Aus-Schaltung ist ein besonderer Vorteil der magnetischen Separation.Such a magnetic behavior in the form of a simple on / off circuit is a particular advantage of the magnetic separation.
Besonders bei katalytischen Reaktionen in flüssiger Phase haben solche kleinen, multifunktionellen, magnetisch trennbaren Teilchen ein großes Potential, da die erfindungsgemäßen Vliese die Vorteile einer großen Dispersion, einer hohen Reaktivität und einer leichten Trennbarkeit in sich vereinen.Particularly in the case of catalytic reactions in the liquid phase, such small, multifunctional, magnetically separable particles have great potential, since the nonwovens according to the invention combine the advantages of a large dispersion, high reactivity and easy separability.
Die erfindungsgemäßen Vliese enthalten mit solchen magnetischen Nanopartikel können als magnetisch schaltbare bioelektrokatalytische Systeme für die effiziente, schnelle, einfache Abtrennung und zuverlässigen Einfangen von Katalysatoren, radioaktivem Abfall, biochemischen Produkten, Genen, Proteinen und Zellen geeignet sein.The nonwovens of this invention containing such magnetic nanoparticles may be useful as magnetically switchable bioelectrocatalytic systems for the efficient, rapid, easy separation and reliable capture of catalysts, radioactive waste, biochemical products, genes, proteins and cells.
Die Sammlung und anschließende Trennung von Biomolekülen mit geringer Konzentration, wie z.B. DNA/mRNA-Zielmoleküle mit den erfindungsgemäßen Vliesen ist von großem Interesse für die Diagnostik von Krankheiten, beiThe collection and subsequent separation of low concentration biomolecules, e.g. DNA / mRNA target molecules with the nonwovens according to the invention are of great interest for the diagnosis of diseases
Genexpressionsuntersuchungen und der Untersuchung von Genprofilen.Gene expression studies and the study of gene profiles.
In einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die erfindungsgemäßen Vliese aus biokompatiblen Polymeren mit magnetischen Nanopartikeln, an die pharmazeutisch aktive Wirkstoffe gebunden sind. Diese werden als Magnetfeld-gesteuerte Arzneistoffe (Magnetic-Drug-Targeting)verwendet.In one embodiment of the invention, the nonwovens according to the invention consist of biocompatible polymers with magnetic nanoparticles to which pharmaceutically active ingredients are bound. These are used as magnetic-drug-targeting drugs.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden neben den pharmazeutisch aktiven Wirkstoffen gleichzeitig Nanopartikel als Kontrastmittel verwendet. Dadurch ergibt neben der gerichteten Magnetfeld-gesteuerte Wirkstoffapplikation zudem eine Echtzeit- Kontrollmöglichkeit mittels Kernspintomographie.In a further embodiment of the invention, nanoparticles are used simultaneously as contrast agents in addition to the pharmaceutically active substances. This results in addition to the directed magnetic field-controlled drug application also a real-time control option by means of magnetic resonance imaging.
Die erfindungsgemäßen Vliese können eine hohe Dosis des Wirkstoffs transportieren und so in-situ eine hohe lokale Wirkstoffkonzentration herbeiführen. Toxizität und andere Nebenwirkungen durch eine hohe systemische Wirkstoffdosierung in anderen Teilen des Organismus werden so vermieden.The nonwovens according to the invention can transport a high dose of the active ingredient and thus bring about a high local active ingredient concentration in situ. Toxicity and other side effects from high systemic drug dosing in other parts of the body Organisms are avoided.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die magnetischen Nanopartikel in der hyperthermischen Behandlung verwendet. Diese wird als Ergänzung zu Chemotherapie, Radiotherapie und chirurgischen Eingriffen in der Krebstherapie betrachtet. Die Idee der Verwendung magnetischer Induktionshyperthermie basiert auf der Tatsache, dass aufgrund von magnetischem Hystereseverlust Wärme produziert wird (Neel- und Brown-Relaxation), wenn magnetische Nanopartikel einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden.In a further embodiment of the invention, the magnetic nanoparticles are used in the hyperthermic treatment. It is considered to be complementary to chemotherapy, radiotherapy and surgical intervention in cancer therapy. The idea of using magnetic induction hyperthermia is based on the fact that heat is produced due to magnetic hysteresis loss (Neel and Brown relaxation) when magnetic nanoparticles are exposed to an alternating magnetic field.
Wird ein erfindungsgemäßes Vlies einem alternierenden Magnetfeld ausgesetzt, werden diese eingebrachten superparamagnetischen Teilchen zu starken Wärmequellen, die die Tumorzellen zerstören, da diese Zellen gegen Temperaturen anfälliger sind als gesunde Zellen.When a nonwoven according to the invention is exposed to an alternating magnetic field, these introduced superparamagnetic particles become strong heat sources which destroy the tumor cells, since these cells are more susceptible to temperatures than healthy cells.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden rein magnetische Fasern durch Verspinnen von Polymeren mit geeigneten Präkursoren und anschließender thermischer Behandlung der gesponnenen Fasern hergestellt. Die erfindungsgemäßen, aus magnetischen Fasern bestehenden Vliese werden zum Einsatz für Speichermedien mit hoher Datendichte, magnetische logische Verbindungen (magnetic logic junctions), spintronische Geräte, magnetische Sensoren und magnetische Komposite verwendet.In a further embodiment of the invention, purely magnetic fibers are produced by spinning polymers with suitable precursors and subsequent thermal treatment of the spun fibers. The magnetic fiber nonwoven webs of the present invention are used for high data density storage media, magnetic logic junctions, spintronic devices, magnetic sensors, and magnetic composites.
In einer weiteren Ausführungsform werden metallische, keramische und ihre Hybrid- Nanofasern mittels Elektrospinn-Verfahren entweder direkt aus den entsprechenden Präkursorenmaterialien oder falls diese sich nicht elektrospinnen lassen -einer ausreichend viskosen, die Präkursorenmaterialien enthaltende Polymerlösung, wobei das Polymer als Träger fungiert - hergestellt.In a further embodiment, metallic, ceramic and their hybrid nanofibers are prepared by electrospinning either directly from the respective precursor materials or if they can not be electrospun - a sufficiently viscous polymer solution containing the precursor materials, the polymer acting as a carrier.
Die resultierenden organisch-anorganischen Präkursor-Nanofasern lassen sich erfindungsgemäß mit Hilfe eines geeigneten Templates strukturieren bzw. ausrichten. Die aus diesen Fasern bestehenden Vliese werden anschließend thermisch behandelt (z.B. in einem Ofen bei einer Temperatur, welche zur Degradation des Matrixpolymers führt, um den polymerischen Bestandteil direkt und problemlos pyrolytisch zu entfernen bzw. sublimieren). Durch die damit verbundene Pyrolyse des Matrixpolymers werden die polymeren Bestandteile wirkungsvoll entfernt, sodass rein anorganisch, aus Metallen,The resulting organic-inorganic precursor nanofibers can be structured or aligned according to the invention with the aid of a suitable template. The nonwoven webs of these fibers are then thermally treated (e.g., in an oven at a temperature which results in degradation of the matrix polymer to directly or readily pyrolytically sublime the polymeric constituent). The associated pyrolysis of the matrix polymer effectively removes the polymeric constituents, so that they are purely inorganic, composed of metals,
Keramiken oder Metall/Keramik-Hybridwerkstoffen bestehende Nanofasern erhalten werden.Ceramics or metal / ceramic hybrid materials existing nanofibers are obtained.
Auf diese Weise werden die erfindungsgemäßen Vliese bestehenden aus zahlreichen Nanofasern, wie z.B. Metalle; Cu, Fe, Ni, Co Pd und Fe3O4, etc., Keramiken; ZnO, TiO2, NiO, CuO, MgO, AI2O3 und hergestellt. Des Weiteren können die Fasern auch aus Kobaltnitrtat und Kobaltdinitrat, Eisennitrat und Eisentrinitrat (Fe(NO3)3 *9H2O), Nickel(ll)- acetattetrahydrat oder Palladiumacetat, etc. bestehen. Auf diesem Prinzip beruhend können auch Kohlenstoff-Nanofaser-Vliese aus elektrogesponnenen Polyacrylonitril- Nanofasern als erzeugt werden.In this way, the nonwovens according to the invention are made of numerous Nanofibres, such as metals; Cu, Fe, Ni, Co Pd and Fe 3 O 4 , etc., ceramics; ZnO, TiO 2 , NiO, CuO, MgO, Al 2 O 3 and prepared. Further, the fibers can also Kobaltnitrtat and Kobaltdinitrat, iron nitrate and Ferric nitrate (Fe (NO 3) 3 * 9H 2 O), nickel (II) - acetate tetrahydrate or palladium acetate, etc. exist. Based on this principle, it is also possible to produce carbon nanofiber nonwovens from electrospun polyacrylonitrile nanofibers.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden aufgrund ihrer sehr großen spezifischen Oberfläche bei ausgezeichneter mechanischer Stabilität eröffnen die erfindungsgemäßen nanostrukturierten keramischen Vliese in der Heißgas-Filtration und in der Elektrizitätserzeugung aus Maschinenabgasen verwendet.In a further embodiment of the invention, because of their very large specific surface area with excellent mechanical stability, the nanostructured ceramic nonwovens according to the invention open in hot gas filtration and in the production of electricity from machine exhaust gases.
In einer weiteren Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen nanostrukturierten keramischen Vliese in allen Anwendungen eingesetzt, in denen bisher konventionelle keramische Werkstoffe verwendet wurden. Beispielweise werden die erfindungsgemäßen nanostrukturierten keramischen Vliese in der Katalyse, in Brennstoffzellen, in Solarzellen, in Membranen, in Wasserstoff-Speicherbatterien, in strukturellen Anwendungen, welche eine hohe mechanische Steifigkeit erfordern, für biomedizinische Anwendungen, wie Gewebezüchtung/Gewebetechnik(Tissue Engineering), Biosensoren, etc. verwendet.In a further embodiment, the nanostructured ceramic nonwovens according to the invention are used in all applications in which conventional ceramic materials have hitherto been used. For example, the nanostructured ceramic webs of the present invention are used in catalysis, fuel cells, solar cells, membranes, hydrogen storage batteries, structural applications requiring high mechanical stiffness for biomedical applications such as tissue engineering, biosensors used, etc.
In einer Ausführungsform der Erfindung finden nanostrukturierte keramische Oxide zudem aufgrund ihrer besonderen elektronischen Eigenschaften Anwendungen im Bereich der Nanoelektronik, Sensorik, Resonatoren sowie in opto- und magnetoelektronische Geräten.In one embodiment of the invention nanostructured ceramic oxides also find applications in the field of nanoelectronics, sensors, resonators and in opto-and magneto-electronic devices due to their special electronic properties.
Durch erhörte spezifische Oberfläche der erfindungsgemäßen Vliese lässt sich die Auffangleistung der Submikrometer-Partikel steigern, sodass eine neue Generation für Gas-Sensoren in den Klima- und medizinischen Anwendungen generiert werden kann.Due to the specific surface area of the nonwovens according to the invention, the collecting capacity of the submicrometer particles can be increased, so that a new generation for gas sensors in the climatic and medical applications can be generated.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfindungsgemäßen polymeren Vliese als Template zur Herstellung von den freistehenden großflächigen nanostrukturierten Vliese bestehend aus Nanoröhrchen verwendet, wobei diese Vliese zumindest eine anorganische Komponente aufweisen.In a further embodiment of the invention, the polymeric nonwovens according to the invention are used as templates for the production of freestanding large-area nanostructured nonwovens consisting of nanotubes, these nonwovens having at least one inorganic component.
Dabei wird zunächst das erfindungsgemäße Vlies mit einem sogenannten Mantelmaterial beschichtet. Abhängig von dem eingesetzten Werkstoff bieten sich verschiedeneIn this case, the nonwoven fabric according to the invention is first coated with a so-called jacket material. Depending on the material used, different ones are available
Techniken an, das Mantelmaterial auf den Fasern aufzubringen. Beispielhaft sind Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition - CVD), Sputtern, Spin-Coating, SoI- Gel-Verfahren, Dip-Coating, Besprühen, Plasma-Abscheidung oder Atomlagenabscheidung (engl, atomic layer deposition, ALD) genannt.Techniques to apply the cladding material on the fibers. Exemplary are chemical vapor deposition (CVD), sputtering, spin coating, sol gel method, dip coating, spraying, plasma deposition or Atomic layer deposition (English, atomic layer deposition, ALD) called.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Abscheidungen bevorzugt aus der Gasphase. Dadurch wird nicht nur eine sehr gleichmäßige dicke Schicht um die Fasern und eine sehr genaue Reproduzierbarkeit der Oberflächentopologie der Templatefasern erreicht, sondern auch Verunreinigungen, z.B. durch Lösungsmittel vermieden.In one embodiment of the invention, the deposits are preferably carried out from the gas phase. This not only achieves a very uniform thick layer around the fibers and very accurate reproducibility of the surface topology of the template fibers, but also impurities, e.g. avoided by solvents.
Besonders geeignet ist die ALD, bei der im Gegensatz zu CVD das Schichtwachstum in einer zyklischen Weise stattfindet. Durch den selbstkontrollierenden Wachstumsmechanismus bei der ALD wird die Steuerung der Filmdicke und der Zusammensetzung auf atomarer Ebene erleichtert, was eine Abscheidung auf großen und komplexen Oberflächen ermöglicht. Nach Abscheidung der anorganischen Phase auf den Nanofasern wird die Polymermatrix pyrolytisch entfernt.Particularly suitable is the ALD, in which takes place in contrast to CVD, the layer growth in a cyclic manner. The self-controlling growth mechanism of ALD facilitates the control of film thickness and composition at the atomic level, allowing deposition on large and complex surfaces. After deposition of the inorganic phase on the nanofibers, the polymer matrix is removed by pyrolysis.
Auf diese Weise können komplexe strukturierte Vliese einfach und schell mit anorganischen Materialien repliziert werden. Abhängig von den verfügbaren Präkursorenmaterialien lassen sich die freistehenden Vliese bestehend aus Metallen, Keramiken und den Hybriden Nanoröhrchen herstellen. Generell bietet dieIn this way, complex structured nonwovens can be easily and quickly replicated with inorganic materials. Depending on the available precursor materials, the freestanding nonwovens consisting of metals, ceramics and the hybrid nanotubes can be produced. Generally, the
Röhrchengeometrie erhebliche Vorteile, da Nanoröhrchen sowohl als Leitungen als auch als Mikrokavitäten oder Mikrokapseln einsetzbar sind.Tube geometry considerable advantages, since nanotubes can be used both as lines as well as microcavities or microcapsules.
Die erfindungsgemäßen Vliese mit genau definierten nanoskaligen Wänden bilden einfach handhabbare nanostrukturierte Systeme mit extrem großer Oberfläche, die - verglichen mit Systemen aus konventionellen Vliesen -beispielsweise in der Katalyse oder in Sensoren vorteilhaft einsetzbar sind.The nonwovens according to the invention with precisely defined nanoscale walls form nanostructured systems which can be handled easily and have an extremely large surface area, which can be used advantageously in comparison with systems made of conventional nonwovens, for example in catalysis or in sensors.
Die Eigenschaften der aus Nanoröhrchen bestehenden Vliese aus zumindest einem anorganischen Bestandteil können durch Funktionalisierung der Wände der Nanoröhrchen dem jeweiligen Anwendungsfall maßgeschneidert angepasst werden.The properties of the webs consisting of nanotubes of at least one inorganic constituent can be tailored to the respective application by functionalizing the walls of the nanotubes.
Die Oberflächenmorphologie der Nanofasern, die sich durch Phasenübergänge oderThe surface morphology of the nanofibers, which is characterized by phase transitions or
Phasenseparationsprozesse gezielt einstellen lässt, äußert sich in einer Nanorauigkeit oder Nanoporosität der Röhrchenwände. Dadurch wird die Oberfläche der Röhrchenwand nochmals vergrößert, was für viele Anwendungen, z. B. in der Katalyse, Stofftrennung oder Sensorik, vorteilhaft ist.Targeted adjustment of phase separation processes manifests itself in a nanosurface or nanoporosity of the tube walls. As a result, the surface of the tube wall is increased again, which is the case for many applications, eg. As in catalysis, separation or sensor technology, is advantageous.
In einer Ausführungsform der Erfindung lassen sich die zusätzliche Nanoporen alsIn one embodiment of the invention, the additional nanopores can be described as
Container für den Transport von Molekülen, Botenstoffen und Wirkstoffen nutzen.Use containers for the transport of molecules, messengers and active substances.
Die sukzessive Beschichtung mit verschiedenen Wandmaterialien erweitert das Spektrum auf Multischichtnanoröhrchen und auch Mehrkomponentensysteme und Komposite mit einer definierten Zusammensetzung, welche sich zu Nanoröhrchen formen lassen.The successive coating with different wall materials expands the spectrum on multi-layer nanotubes and also multi-component systems and composites with a defined composition, which can be formed into nanotubes.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung lassen sich die erfindungsgemäßen Nanofasern durch zusätzliche Beschichtung mit einem oder mehreren Präkursorenmaterialien zu Hybrid-Nanoröhrchen mit einer Kern-Schale-Morphologie formen.In a further embodiment of the invention, the nanofibers according to the invention can be formed into hybrid nanotubes with a core-shell morphology by additional coating with one or more precursor materials.
Die erfindungsgemäßen Nanoröhrchen bzw. den aus den Nanoröhrchen bestehenden Vliese sind vielseitig einsetzbar.The nanotubes according to the invention or the nonwovens consisting of the nanotubes can be used in many ways.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Nanoröhrchen bzw. die aus den Nanoröhrchen bestehenden Vliese im medizinischen und pharmazeutischen Bereich (Gewebe-Engineering, Galenik, Antifouling), Transport und Separation, in der Sensorik (Gas-, Feuchte- und Biosensoren), Stoffspeicherung (Brennstoffzellen), Mikroelektronik (Interlayer-Dielektrika), Elektronik (Nanoschaltkreise, Nanokabel, Nanokondensatoren) und in der Optik (Lichtleitung, Nanoglasröhrchen für die optische Nahfeldmikroskopie) verwendet.In one embodiment of the invention, the nanotubes or the nonwovens consisting of the nanotubes are used in the medical and pharmaceutical fields (tissue engineering, galenics, antifouling), transport and separation, in sensor technology (gas, moisture and biosensors), substance storage ( Fuel cells), microelectronics (interlayer dielectrics), electronics (nanocircuits, nanocables, nanocapacitors) and in optics (light pipe, nanoglass tubes for optical near-field microscopy).
Erfindungsgemäß wird die Polymerlösung aus einer Applikationsvorrichtung, beispielsweise einer Spinnkapillare, unter Druck freigesetzt. Beispielsweise kann die Polymerlösung aus einer Spritze mittels einer Spritzpumpe händig freigesetzt werden.According to the invention, the polymer solution is released from an application device, for example a spinning capillary, under pressure. For example, the polymer solution can be released by hand from a syringe by means of a spray pump.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Freisetzung der Polymerlösung mittels einer Spritzpumpe durch hydraulische, mechanische oder pneumatische Mittel.In one embodiment of the invention, the release of the polymer solution by means of a spray pump by hydraulic, mechanical or pneumatic means.
In einer Weiterbildung der vorbeschriebenen Ausführungsform kann die Freisetzung der Polymerlösung automatisiert erfolgen. Dazu kann die mit hydraulischen, mechanischen oder pneumatischen Mitteln angetriebene Spritzpumpe rechentechnisch gesteuert.In a further development of the above-described embodiment, the release of the polymer solution can be automated. For this purpose, the hydraulic pump, driven by hydraulic, mechanical or pneumatic means pump controlled computationally.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Spritze beweglich angeordnet und kann in x-y-z- Richtung bewegt werden.In another embodiment, the syringe is movably arranged and can be moved in the x-y-z direction.
In einer Weiterbildung der vorbeschriebenen Ausführungsform ist die Relativbewegung der Spritze rechentechnisch gesteuert.In a further development of the above-described embodiment, the relative movement of the syringe is controlled computationally.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Template beweglich angeordnet und kann in x- y-z-Richtung bewegt werden.In a further embodiment, the template is arranged to be movable and can be moved in the xyz direction.
In einer Weiterbildung der vorbeschriebenen Ausführungsform ist die Relativbewegung des Templates rechentechnisch gesteuert.In a development of the above-described embodiment, the relative movement of the template computationally controlled.
In einer weiteren Ausführungsform sind sowohl die Spritze als auch das Template beweglich angeordnet und können in x-y-z-Richtung bewegt werden.In another embodiment, both the syringe and the template are movably arranged and can be moved in the x-y-z direction.
In einer Weiterbildung der vorbeschriebenen Ausführungsform sind die Relativbewegung der Spritze und des Templates rechentechnisch gesteuert.In a further development of the above-described embodiment, the relative movement of the syringe and the template are computer-controlled.
Durch die rechentechnische Steuerung der Relativbewegung der Spritze und/oder des Templates kann die Ablagerung der Nanofasern reproduzierbar erfolgen, was insbesondere im Bereich der Massenproduktion mit hohen Qualitätsansprüchen notwendig ist.By means of the computational control of the relative movement of the syringe and / or of the template, the deposition of the nanofibers can be reproducible, which is necessary in particular in the field of mass production with high quality requirements.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen inThe invention will be explained in more detail with reference to some embodiments. The accompanying drawings show in
Fig.1 eine schematische Darstellung des Elektrospinn-Verfahrens herkömmlicher Art, inA schematic representation of the electrospinning process of conventional type, in
Fig.2 eine Darstellung der nach herkömmlicher Art hergestellten Nanofasern, inA representation of the nanofibers produced in the conventional manner, in
Fig.3 eine Darstellung eines nach der herkömmlicher Art verwendeten Templates sowie der damit hergestellten Nanofasern, inA representation of a template used in the conventional manner and the nanofibers produced therewith, in
Fig. 4 eine Darstellung eines weiteren nach der herkömmlicher Art verwendeten Templates sowie der damit hergestellten Nanofasern, in4 shows an illustration of a further template used according to the conventional manner and of the nanofibers produced therewith, in FIG
Fig. 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Elektrospinn-Verfahrens mit Template, inFig. 5 is a schematic representation of the electrospinning process according to the invention with template, in
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Templates, inFig. 6 is a schematic representation of a template according to the invention, in
Fig. 7 eine Darstellung beispielhafter erfindungsgemäßer Templatestrukturen und den damit erhaltenen erfindungsgemäßen Nanofaserstrukturen, und inFIG. 7 shows a representation of exemplary template structures according to the invention and the resulting nanofiber structures according to the invention, and FIG
Fig.8 eine Darstellung der erfindungsgemäß hergestellten Nanofasern.8 shows a representation of the nanofibers produced according to the invention.
Die in Fig. 5 dargestellte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung zum Elektrospinnen umfasst eine Spritze 1 in der sich eine Polymerlösung bzw. -schmelze 2 befindet. An der Spitze der Spritze 1 befindet sich eine Spinnkapillare 3, welche mit einem Pol der Spannungserzeugungsanordnung (Stromversorgung) 6 gekoppelt ist. Die Polymerlösung bzw. -schmelze wird mittels einer Spritzpumpe 9 die Polymerlösung bzw. -schmelze 2 aus der Spritze 1 in Richtung Spinnkapillare 3 transportiert, wo es infolgedessen zu einer Tröpfchenbildung an der Spitze der Spinnkapillare 3 kommt. Durch ein elektrisches Feld zwischen der Spinnkapillare 3 und einer Gegenelektrode 5 wird die Oberflächenspannung des aus der Spinnkapillare 3 austretenden Tropfens der Polymerlösung bzw. -schmelze 2 überwunden und in der Folge wird der aus der Spinnkapillare 3 austretende Tropfen verformt und bei Erreichen eines kritisches elektrischen Potentials zu einem dünnen Faden, dem so genannten Jet, ausgezogen. Dieser elektrisch geladene Jet, der nun kontinuierlich neue Polymerlösung bzw. -schmelze 2 aus der Spinnkapillare 3 herauszieht, wird anschließend im elektrischen Feld in Richtung der Gegenelektrode 5 beschleunigt. Dabei wird er auf eine sehr komplexe Art und Weise einer Biegeinstabilität (dem so genannten Whipping Mode) unterworfen, kräftig gedreht und stark gestreckt. Der Jet verfestigt sich während seines Fluges zur Gegenelektrode 5 durch Verdunstung des Lösungsmittels bzw. durch Abkühlung, so dass innerhalb weniger Sekunden Nanofasern 7 mit typischen Durchmessern von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern erzeugt werden. Diese Nanofasern 7 werden auf dem mit der Gegenelektrode 5 verbundenen Template 8 (Fig. 7 B, D)in Form eines Vlieses, der Nonwoven Mat (Fig. 7 A, C), abgeschieden. Das leitfähige Template 8, was sich auf einer üblichen leitfähigen Gegenelektrode 5 befindet, dient als Kollektor 4 und wird zusammen mit der Gegenelektrode 5 geerdet. Die polymeren Nanofasern 7 werden direkt auf das Template (Schablone) 8 versponnen. Die Nanofasern 7 werden bevorzugt in dem Bereich des strukturierten Templates 8 innerhalb der Gegenelektrode 5 abgelagert, da die elektrische Feldstärke dort maximale Werte aufweist. Außerdem wird die spiralförmige Fluglinie des Jets bei Annäherung an das Template 8 durch Coulomb'sche Wechselwirkung zwischen ihm und dem gegenteilig geladenen bzw. geerdeten Template 8 nur auf den Gittermasten innerhalb des Templates 8 streng eingeschränkt. In den Zwischenbereichen der Gittermasten innerhalb des Templates 8, in denen sich kein leitfähiges Materials befindet (wie in den Löchern eines Siebes), werden kaum oder keine Nanofasern 7 abgelagert. Somit lässt sich die Kontrollierung der Ablagerungsposition mit der gleichzeitigen Musterbildung von Jets möglich. Ist das Template 8 auf der gesamten Breite wenigstens einfach von derThe device for electrospinning suitable for carrying out the method according to the invention, shown in FIG. 5, comprises a syringe 1 in which a polymer solution or melt 2 is located. At the tip of the syringe 1 is a spinning capillary 3, which is coupled to one pole of the voltage generating arrangement (power supply) 6. The polymer solution or melt is by means of a spray pump 9 the Polymer solution or melt 2 transported from the syringe 1 in the direction of spinning capillary 3, where it comes as a result to a droplet formation at the top of the spinning capillary 3. By an electric field between the spinning capillary 3 and a counter electrode 5, the surface tension of the emerging from the spinning capillary 3 drop of the polymer solution or melt 2 is overcome and as a result, the emerging from the spinning capillary 3 drops is deformed and upon reaching a critical electrical potential to a thin thread, the so-called jet, pulled out. This electrically charged jet, which now continuously draws out new polymer solution or melt 2 from the spinning capillary 3, is then accelerated in the electric field in the direction of the counter electrode 5. He is subjected to a very complex manner of bending instability (the so-called Whipping Mode), vigorously rotated and stretched. The jet solidifies during its flight to the counter electrode 5 by evaporation of the solvent or by cooling, so that nanofibers 7 with typical diameters of a few nanometers to a few micrometers are produced within a few seconds. These nanofibers 7 are deposited on the template 8 (FIGS. 7B, D) connected to the counterelectrode 5 in the form of a nonwoven mat, the nonwoven mat (FIGS. 7A, C). The conductive template 8, which is located on a conventional conductive counter-electrode 5, serves as a collector 4 and is grounded together with the counter-electrode 5. The polymeric nanofibers 7 are spun directly onto the template 8. The nanofibers 7 are preferably deposited in the region of the structured template 8 within the counter electrode 5, since the electric field strength has maximum values there. In addition, the helical airline of the jet as it approaches the template 8 is severely restricted by Coulomb's interaction between it and the oppositely charged or grounded template 8 only on the lattice towers within the template 8. In the intermediate areas of the lattice towers within the template 8, in which there is no conductive material (as in the holes of a screen), hardly or no nanofibers 7 are deposited. Thus, the control of the deposition position with the simultaneous patterning of jets is possible. Is the template 8 on the entire width at least simple of the
Nanofaser 7 bedeckt, kann der Spinnvorgang unterbrochen werden. Anschießend wird die Ablagerungsschicht von elektrogesponnenen Faser 7 zur Gewinnung des freistehenden Vlieses, dessen Struktur der des Template 8 entspricht(Fig. 7 A, C), aus dem Template 8 (Fig. 7 B, D) sorgfältig abgetrennt. Das dabei entstehende Vlies steht einer Verwendung oder eventuellen Nachbehandlung zu Verfügung. Nach Entnahme des Vlieses ist das Template 8 sofort für weitere Elektrospinn-Vorgänge einsetzbar. Die Nanofasern 7 werden durch wiederholte An- und Aufeinanderlegung in Form eines dreidimensionalen Vlieses (Nonwoven Mat) verschlungen (Fig.8). Die Größe und Form der Hohlräume zwischen den Fasern 7 in solchen Vliesen können leicht durch die Wahl des Templates 8 kontrolliert werden.Nanofiber 7 covered, the spinning process can be interrupted. Subsequently, the deposition layer of electrospun fiber 7 for obtaining the freestanding nonwoven whose structure corresponds to that of the template 8 (Figs. 7A, C) is carefully separated from the template 8 (Fig. 7B, D). The resultant fleece is available for use or possible after-treatment. After removal of the web, the template 8 can be used immediately for further electrospinning operations. The nanofibers 7 are devoured by repeated attachment and stacking in the form of a three-dimensional nonwoven mat (FIG. 8). The size and shape of the voids between the fibers 7 in such webs can be easily controlled by the choice of the template 8.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Template 8 direkt als Kollektor 4 verwendet. Dadurch kann eine Ablagerung der Nanofasern 7 nur im Bereich der Gittermasten auf dem Template 8 erfolgen.In one embodiment of the invention, the template 8 is used directly as a collector 4. As a result, deposition of the nanofibers 7 can only take place in the region of the lattice masts on the template 8.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen in Fig. 6 die Gittermasten des Templates 8, welche beispielsweise als Drähten, Drahtsiebe oder perforierten Metallgittern ausgeführt sind, ein Verhältnis der Breite (b) der Gittermasten zu deren Dicke (d) von > 1 auf. Dies bedeutet, dass die Gittermasten breiter als dick sind. Die Breite (b) der Gittermasten kennzeichnet hierbei die Ausdehnung in x und/oder y-Richtung, während die Dicke (d) der Gittermasten sich hierbei auf die Materialstärke der Gittermasten des Templates 8 in z-Richtung bezieht. Ein ist dabei insbesondere vorteilhaft, wenn das Material des Templates 8 in z-Richtung wesentlich kleiner ist als in x-und/oder y-Richtung.In an embodiment of the invention, in FIG. 6, the lattice masts of the template 8, which are designed, for example, as wires, wire screens or perforated metal lattices, have a ratio of the width (b) of the lattice masts to their thickness (d) of> 1. This means that the lattice masts are wider than thick. The width (b) of the lattice masts in this case characterizes the expansion in the x and / or y direction, while the thickness (d) of the lattice masts in this case refers to the material thickness of the lattice towers of the template 8 in the z direction. One is particularly advantageous if the material of the template 8 in the z-direction is substantially smaller than in the x and / or y direction.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden pharmazeutische Wirkstoffe als Nanopartikeln vor dem Verspinnen in die Polymerlösungen oder -schmelzen 2 mit unterschiedlichen Dimensionalitäten eingemischt und anschließend zusammen mit dem Polymer auf das Template 8 aufgebracht.In one embodiment of the invention, pharmaceutical active substances are mixed in as nanoparticles before spinning into the polymer solutions or melts 2 with different dimensionalities and then applied to the template 8 together with the polymer.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Oberfläche der vorbeschrieben erzeugten Nanofasern 7 mittels Atomic Layer Deposition modifiziert. Dadurch können Nanofasern 7 entsprechend ihrer Anwendung maßgeschneidert erzeugt werden, indem die Oberfläche der Nanofasern 7 modifiziert wird.In a further embodiment, the surface of the above-described nanofibers 7 is modified by means of atomic layer deposition. As a result, nanofibers 7 can be tailored according to their application by modifying the surface of the nanofibers 7.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die vorbeschrieben modifizierten Nanofasern 7 einer thermischen Behandlung bei 5009C in einem Ofen unterzogen. Infolgedessen wird der polymere Anteil der Nanofaser 7 entfernt, wodurch nur noch der anorganischer Anteil der Nanofaser 7 verbleibt.In a further embodiment of the invention, the above-described modified nanofibers 7 are subjected to a thermal treatment at 500 ° C. in an oven. As a result, the polymeric portion of the nanofiber 7 is removed, leaving only the inorganic portion of the nanofiber 7 remains.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden keramische Nanofasern 7 durch das vorbeschriebene erfindungsgemäße Elektrospinn-Verfahren. Dazu werden der Polymerlösung bzw. -schmelze 2 keramische Präkursoren aus der Gruppe bestehend AI2O3, CuO, NiO, TiO2, SiO2, V2O5, ZnO, Co3O4 Nb2O5, MoO3 und MgTiO3 zugemischt und anschließend elektroversponnen. Dadurch können keramische Nanofasern 7 erzeugt werden, die beispielsweise Anwendung in Verbundwerkstoffen finden können. Template-gestütztes Musterbildungsverfahren von Nanofasern im Elektrospinn-In a further embodiment of the invention, ceramic nanofibers 7 are produced by the above-described electrospinning process according to the invention. For this purpose, the polymer solution or melt 2 ceramic precursors from the group consisting of Al 2 O 3 , CuO, NiO, TiO 2 , SiO 2 , V 2 O 5 , ZnO, Co 3 O 4 Nb 2 O 5 , MoO 3 and MgTiO 3 mixed and then electro-spun. As a result, ceramic nanofibers 7 can be produced which can be used, for example, in composite materials. Template-based patterning procedure of nanofibers in electrospinning
Verfahren und deren AnwendungenMethods and their applications
BezuqszeichenlisteLIST OF REFERENCES
1 Spritze1 syringe
2 Polymerlösung bzw. -schmelze2 polymer solution or melt
3 Spinnkapillare 4 Kollektor3 spinning capillary 4 collector
5 Gegenelektrode5 counter electrode
6 Stromversorgung6 power supply
7 abgeschiedene Nanofasern7 deposited nanofibers
8 Template 9 Spritzpumpe8 Template 9 Spray Pump
b Breite der Gittermasten des Templates d Dicke der Gittermasten des Templates b Width of the lattice mast of the template d Thickness of the lattice mast of the template

Claims

Template-gestütztes Musterbildungsverfahren von Nanofasern im Elektrospinn-Verfahren und deren Anwendungen5 Patentansprüche Template-assisted Pattern Forming of Nanofibers in the Electrospinning Process and Applications 5 Patent claims
1. Verfahren zur Herstellung von zwei- und dreidimensional strukturierten, aus Nanofasern bestehenden, mikro- und nanoporösen Vliesen mittels Elektrospinnen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der0 Vliese in einer beliebigen Form mit einem Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad der Nanofasern (7) von mehr als 60 % einem vordefinierten leitfähigen Template (8) als Kollektor (4) verwendet wird, wobei die zu erzeugenden Struktur der Vliese durch das Template (8) vorgegeben wird.A method of making two- and three-dimensionally structured nanofiber micro- and nanoporous nonwoven webs by electrospinning, characterized in that for forming the webs in any shape having a degree of coverage of the nanofibers (7) of more as 60% of a predefined conductive template (8) is used as a collector (4), wherein the structure of the nonwovens to be generated by the template (8) is specified.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur5 Gewinnung des freistehenden Vlieses, dessen Struktur der des Template (8) entspricht, aus dem Template (8) abgetrennt wird, wobei nach Entnahme des Vlieses das Template (8) sofort für weitere Elektrospinn-Vorgänge einsetzbar ist.2. The method according to claim 1, characterized in that zur5 extraction of the freestanding nonwoven whose structure corresponds to that of the template (8), is separated from the template (8), wherein after removal of the nonwoven template (8) immediately for further electrospinning Operations can be used.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der strukturierten Vliese aus Nanofasern (7) eine o Polymerlösung oder -schmelze (2) verwendet wird, wobei als geeignete3. Process according to claims 1 and 2, characterized in that an o polymer solution or melt (2) is used for producing the structured nonwoven fabrics of nanofibers (7), wherein suitable as
Polymere alle bekannten natürlichen und synthetischen Polymere, Mischungen von Polymeren untereinander (Polymerblends) sowie Copolymere, bestehend aus mindestens zwei verschiedenen Monomeren, soweit sie schmelzbar und/oder zumindest in einem Lösungsmittel lösbar sind, verwendet werden. 5Polymers all known natural and synthetic polymers, mixtures of polymers with each other (polymer blends) and copolymers, consisting of at least two different monomers, as far as they are meltable and / or at least soluble in a solvent used. 5
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur4. The method according to claim 3, characterized in that the
Herstellung der strukturierten Vliese Polymere aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Polyamiden, Polyimiden, Polyethern, Polyolefinen, Polycarbonaten, Polyurethanen, natürlichen Polymeren, Polylactiden, Polyglykosiden, Poly-(alkyl)- methylstyrol, Polymethacrylaten, Polyacrylnitrilen, Latices, Polyalkylenoxiden aus0 Ethylenoxid und/oder Propylenoxid und Mischungen davon ausgewählt sind.Preparation of structured nonwovens Polymers from the group consisting of polyesters, polyamides, polyimides, polyethers, polyolefins, polycarbonates, polyurethanes, natural polymers, polylactides, polyglycosides, poly (alkyl) methylstyrene, polymethacrylates, polyacrylonitriles, latices, polyalkylene oxides aus0 ethylene oxide and / or propylene oxide and mixtures thereof.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere oder Copolymere ausgewählt aus der Gruppe bestehend Poly-(p-xylylen); Polyvinylidenhalogeπide, Polyester wie Polyethylenterephthalate, Polybutylenterephthalat; Polyether; Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen, Poly(Ethylen/Propylen) (EPDM); Polycarbonate; Polyurethane; natürliche Polymere, z.B. Kautschuk; Polycarbonsäuren; Polysulfonsäuren; sulfatierte Polysaccharide; Polylactide; Polyglycoside; Polyamide; Homo- und Copolymerisate von aromtischen Vinylverbindungen wie Poly(alkyl)styrole), z.B. Polystyrole, Poly-alpha-methylstyrole; Polyacrylnitrile, Polymethacrylnitrile;5. Process according to claims 3 and 4, characterized in that the polymers or copolymers selected from the group consisting of poly (p-xylylene); Polyvinylidene halides, polyesters such as polyethylene terephthalates, polybutylene terephthalate; polyether; Polyolefins such as polyethylene, polypropylene, Poly (ethylene / propylene) (EPDM); polycarbonates; polyurethanes; natural polymers, eg rubber; polycarboxylic acids; polysulfonic; sulfated polysaccharides; polylactides; polyglycosides; polyamides; Homopolymers and copolymers of vinyl aromatic compounds such as poly (alkyl) styrenes), for example polystyrenes, poly-alpha-methylstyrenes; Polyacrylonitriles, polymethacrylonitriles;
Polyacrylamide; Polyimide; Polyphenylene; Polysilane; Polysiloxane; Polybenzimidazole; Polybenzothiazole; Polyoxazole; Polysulfide; Polyesteramide; Polyarylen- vinylene; Polyetherketone; Polyurethane, Polysulfone, anorganischorganische Hybridpolymere; Silicone; vollaromatische Copolyester; Poly(alkyl)acrylate; Poly(alkyl)methacrylate; Polyhydroxyethylmethacrylate; PoIy- vinylacetate, Polyvinylbutyrate; Polyisopren; synthetische Kautschuke wie Chlorbutadien-Kautschuke; Nitril-Butadien-Kautschuke; Polybutadien; Polytetrafluorethylen; modifizierte und nicht modifizierte Cellulosen, Homo- und Copolymerisate von alpha-Olefinen und Copolymeren aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten;polyacrylamides; polyimides; Polyphenylene; polysilanes; polysiloxanes; polybenzimidazoles; polybenzothiazoles; polyoxazoles; polysulfides; polyester; Polyarylene-vinylenes; polyether ketones; Polyurethanes, polysulfones, inorganic-organic hybrid polymers; silicones; wholly aromatic copolyesters; Poly (alkyl) acrylates; Poly (alkyl) methacrylates; polyhydroxyethylmethacrylates; Polyvinyl acetates, polyvinyl butyrates; polyisoprene; synthetic rubbers such as chlorobutadiene rubbers; Nitrile-butadiene rubbers; polybutadiene; polytetrafluoroethylene; modified and unmodified celluloses, homopolymers and copolymers of alpha-olefins and copolymers made up of two or more monomer units forming the abovementioned polymers;
Polyvinylalkohole, Polyalkylenoxide, z.B. Polyethylenoxide; Poly-N-vinylpyrrolidon; Hydroxymethylcellulosen; Maleinsäuren; Alginate; Polysaccharide wie Chitosane, etc.; Proteine wie Collagene, Gelatine deren Homo- oder Copolymerisate und Mischungen davon.Polyvinyl alcohols, polyalkylene oxides, e.g. Polyethylene oxides; Poly-N-vinylpyrrolidone; hydroxymethylcelluloses; maleic; alginates; Polysaccharides such as chitosans, etc .; Proteins such as collagens, gelatin their homo- or copolymers and mixtures thereof.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Nanofasern (7) eine Polymerlösung oder -schmelze (2) der Polymere gemäß den Ansprüchen 3 und 4 eingesetzt wird, wobei diese Lösung oder Schmelze(2) aus einem Lösungsmittel oder Mischungen von Lösungsmitteln mit den Polymeren besteht.6. The method according to claims 3 to 5, characterized in that for the preparation of the nanofibers (7) a polymer solution or melt (2) of the polymers according to claims 3 and 4 is used, said solution or melt (2) from a Solvents or mixtures of solvents with the polymers.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Lösungsmittel aus der Gruppe bestehend aus chlorierten Lösungsmitteln, beispielsweise Dichlormethan oder Chloroform; Aceton; Ether, beispielsweise Diethylether, Methyl-tert.-butyl-ether; Kohlenwasserstoffe mit weniger als 10 Kohlenstoffatomen, beispielsweise n-Pentan, n-Hexan, cyclo- Hexan, Heptan, Oktan, Dimethylsulfoxid (DMSO), N-Methylpyrrolidinon (NMP),7. The method according to claim 6, characterized in that the solvents used from the group consisting of chlorinated solvents, such as dichloromethane or chloroform; Acetone; Ethers, for example diethyl ether, methyl tert-butyl ether; Hydrocarbons having less than 10 carbon atoms, for example n-pentane, n-hexane, cyclohexane, heptane, octane, dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidinone (NMP),
Dimethylformamid (DMF), Ameisensäure, Wasser, flüssiges Schwefeldioxid, flüssiger Ammoniak und Mischungen davon ausgewählt sind.Dimethylformamide (DMF), formic acid, water, liquid sulfur dioxide, liquid ammonia, and mixtures thereof.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen der verspinnbaren Polymerlösungen oder -schmelzen (2) unter Rühren, unter der Einwirkung von Ultraschall oder unter der Einwirkung von Hitze durchgeführt wird.8. The method according to claims 6 and 7, characterized in that the mixing of the spinnable polymer solutions or melts (2) with stirring, under the action of ultrasound or under the action of heat is carried out.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des wenigstens einen Polymers in der Lösung oder Schmelze (2) wenigstens 0,1 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 2 bis 20 Gew.-% beträgt.9. The method according to claims 3 to 8, characterized in that the concentration of the at least one polymer in the solution or melt (2) at least 0.1 wt .-%, preferably 1 to 30 wt .-%, particularly preferably 2 to 20 wt .-% is.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verspinnen in die Polymerlösungen oder -schmelzen (2) Nanopartikel mit unterschiedlichen Dimensionalitäten eingemischt werden und anschließend zusammen mit dem Polymer als Nanokomposit-Nanofasern auf das Template (8) aufgebracht werden.10. The method according to claims 3 to 9, characterized in that prior to spinning into the polymer solutions or melts (2) nanoparticles are mixed with different dimensionalities and then applied together with the polymer as nanocomposite nanofibers on the template (8) ,
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Metalle und/oder Halbleiter, Farbpigmente, Katalysatoren, pharmazeutische Wirkstoffe, Enzyme, antivirale bzw. antibakterielle Wirkstoffe, biologische Botenstoffe (wie DNA, RNA und Proteine) als Nanopartikeln vor dem Verspinnen in die Polymerlösungen oder -schmelzen (2) eingemischt werden und anschließend zusammen mit dem Polymer auf das Template (8) aufgebracht werden.11. The method according to claim 10, characterized in that metals and / or semiconductors, color pigments, catalysts, pharmaceutical agents, enzymes, antiviral or antibacterial agents, biological messengers (such as DNA, RNA and proteins) as nanoparticles before spinning into the polymer solutions or -melting (2) are mixed and then applied together with the polymer on the template (8).
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass keramische Nanofasern (7) aus einer Mischung der Polymerlösung oder - schmelze (2) mit keramischen Präkursoren, welche aus der Gruppe bestehend12. The method according to claim 10, characterized in that ceramic nanofibers (7) from a mixture of the polymer solution or - melt (2) with ceramic precursors, which consists of the group
AI2O3, CuO, NiO, TiO2, SiO2, V2O5, ZnO, Co3O4 Nb2O5, MoO3 und MgTiO3 ausgewählt sind, vordem Verspinnen in die Polymerlösungen oder -schmelzen (2) mit unterschiedlichen Dimensionalitäten eingemischt werden und anschließend zusammen mit dem Polymer auf das Template (8) aufgebracht werden.Al 2 O 3 , CuO, NiO, TiO 2 , SiO 2 , V 2 O 5 , ZnO, Co 3 O 4 Nb 2 O 5 , MoO 3 and MgTiO 3 are selected prior to spinning into the polymer solutions or melts (2) be mixed with different dimensionalities and then applied together with the polymer on the template (8).
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliese mittels chemischer und/oder physikalischer Verfahren modifiziert werden.13. The method according to claims 1 to 12, characterized in that the nonwovens are modified by means of chemical and / or physical processes.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenmodifikation der Vliese durch Beschichten oder Bestrahlung mit energiereicher Strahlung, mit Tieftemperaturplasma oder mittels chemischen Reagenzien, z.B. wässriger Hydroxid-Lösung, anorganische Säuren, Acylanhydride, oder Halogenide oder anderen in Abhängigkeit von der Oberflächenfunktionalität mit Silanen, Isocyanaten, organischen Acylhalogenide oder -anhydriden, Alkoholen, Aldehyden oder alkylierenden Chemikalien mit deren korrespondierenden Katalyten erfolgt.14. The method according to claim 13, characterized in that a surface modification of the nonwovens by coating or irradiation with high-energy radiation, with low-temperature plasma or chemical reagents, eg aqueous hydroxide solution, inorganic acids, acyl anhydrides, or other depending on the Surface functionality with silanes, isocyanates, organic acyl halides or anhydrides, alcohols, aldehydes or alkylating chemicals with their corresponding Katalyten occurs.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modifikation der Nanofasern (7) in den15. The method according to claims 13 and 14, characterized in that a modification of the nanofibers (7) in the
Vliesen durch Umhüllung der Nanofasern (7) durch Gasphasenabscheidung, Sputtern, Spin-Coating, Dip-Coating, Besprühen, Plasmaabscheidung, SoI-GeI- Verfahren oder Atomic Layer Deposition erfolgt.Nonwovens are formed by cladding the nanofibers (7) by vapor deposition, sputtering, spin coating, dip coating, spraying, plasma deposition, sol-gel or atomic layer deposition.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h gekennzeichnet, dass zur Herstellung der strukturierten Vliese aus16. The method according to any one of claims 1 to 10, d a d u r c h characterized in that for the preparation of the structured nonwovens
Nanofasern (7) eine Polymerlösung oder -schmelze (2) verwendet wird, wobei die Polymerlösung oder -schmelze (2) mit anorganischen Materialien versetzt wird, anschließend elektroversponnen wird und abschließend der polymere Anteil aus der mittels Elektrospinn-Verfahren erzeugten Nanofaser (7) entfernt wird, wodurch die verbleibenden anorganischen Anteile als anorganischen NanofasernNanofasern (7) is a polymer solution or melt (2) is used, wherein the polymer solution or melt (2) is added to inorganic materials, then electrospun and finally removes the polymeric portion of the electrospun nanofiber (7) which causes the remaining inorganic fractions as inorganic nanofibers
(7) verbleiben.(7) remain.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass17. The method according to claim 16, characterized in that
- ein zwei und dreidimensional strukturiertes, aus Nanofasern (7) bestehendes, mikro- und nanoporöses Vlies gemäß einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15 erzeugt wird,a two-dimensionally and three-dimensionally structured nanofiber (7), microporous and nanoporous nonwoven fabric according to a method according to claims 1 to 15 is produced,
- eine Modifikation der Nanofasern (7) in den Vliesen durch Umhüllung der- A modification of the nanofibers (7) in the nonwovens by wrapping the
Nanofasern (7) durch Gasphasenabscheidung, Sputtern, Spin-Coating, Dip- Coating, Besprühen, Plasmaabscheidung, Sol-Gel-Verfahren oder Atomic Layer Deposition mit einem anorganischen Material erfolgt undNanofibers (7) by gas phase deposition, sputtering, spin coating, dip coating, spraying, plasma deposition, sol-gel method or atomic layer deposition with an inorganic material takes place and
- das Polymer nach Umhüllung der Nanofasern (7) durch thermische, chemische, strahleninduzierte, biologische, photochemische Verfahren, sowie Verfahren mittels Plasma, Ultraschall, Hydrolyse oder durch Extraktion mit einem Lösungsmittel entfernt wird.- The polymer is removed by sheathing the nanofibers (7) by thermal, chemical, radiation-induced, biological, photochemical methods, and methods by means of plasma, ultrasound, hydrolysis or by extraction with a solvent.
18. Verfahren nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung des Polymermaterials bei 10-90018. The method according to claims 16 and 17, characterized in that the removal of the polymer material at 10-900
°C und 0,001 mbar bis 1 bar und vollständig oder zu einem Anteil von wenigstens 70%, bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 99% erfolgt. ° C and 0.001 mbar to 1 bar and completely or in a proportion of at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 99%.
19. Nanofaser (7) oder zwei- und dreidimensional strukturiertes, aus Nanofasern (7) bestehendes, mikro- und nanoporösen Vlies, dad u rch g e ke n nze ich n et, dass dieses Vlies nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 18 hergestellt ist.19. Nanofiber (7) or two- and three-dimensionally structured, consisting of nanofibers (7) consisting of micro- and nanoporous nonwoven, I d n e rch ke n nze I n et that this fleece produced by a process according to claims 1 to 18 is.
20. Nanofaser (7) oder zwei- und dreidimensional strukturiertes, aus Nanofasern bestehendes, mikro- und nanoporösen Vlies nach Anspruch 19, d ad u rc h gekennzeichnet, dass die Nanofaser (7) aus elektrogesponnenen und orientierten Faserbündeln besteht.20 nanofiber (7) or two- and three-dimensionally structured, consisting of nanofibers, microporous and nanoporous nonwoven fabric according to claim 19, d ad u rc h characterized in that the nanofiber (7) consists of electrospun and oriented fiber bundles.
21. Nanofaser (7) oder zwei- und dreidimensional strukturiertes, aus Nanofasern (7) bestehendes, mikro- und nanoporösen Vlies nach Anspruch 20, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die Nanofasern (7) durch Adhäsionskräfte miteinander verbunden sind, wodurch die resultierenden Vliese zusammen mit der Orientierung der Fasern (7) in den Vliesen sowie der Orientierung der Mikrokristallite, Makromoleküle, Nanoteilchen etc. innerhalb der Fasern (7) selbst verstärkende Eigenschaften aufweisen.21. nanofiber (7) or two- and three-dimensionally structured, consisting of nanofibres (7), microporous and nanoporous nonwoven fabric according to claim 20, characterized in that the nanofibers (7) are interconnected by adhesion forces, whereby the resulting nonwovens together with the orientation of the fibers (7) in the nonwovens and the orientation of the microcrystallites, macromolecules, nanoparticles etc. within the fibers (7) have self-reinforcing properties.
22. Nanofaser (7) oder zwei- und dreidimensional strukturiertes, aus Nanofasern (7) bestehendes, mikro- und nanoporösen Vlies nach Anspruch 21 , d a d u r c h gekennzeichnet, dass die Nanofasern (7) einen Abdeckungs- bzw. Abscheidungsgrad der Nanofasern im Bereich zwischen 60 und 100 % aufweisen.22 nanofiber (7) or two- and three-dimensionally structured, consisting of nanofibres (7), microporous and nanoporous nonwoven fabric according to claim 21, characterized in that the nanofibers (7) a coverage or degree of deposition of the nanofibers in the range between 60 and 100%.
23. Nanofaser (7) oder zwei- und dreidimensional strukturiertes, aus Nanofasern (7) bestehendes, mikro- und nanoporösen Vlies nach den Ansprüchen 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern (7) zumindest aus einem Polymer aufgebaut sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Polyamiden, Polyimiden, Polyethern, Polyolefinen, Polycarbonaten,23. Nanofiber (7) or two- and three-dimensionally structured, consisting of nanofibres (7), microporous and nanoporous nonwoven according to claims 19 to 22, characterized in that the nanofibers (7) are composed of at least one polymer selected from Group consisting of polyesters, polyamides, polyimides, polyethers, polyolefins, polycarbonates,
Polyurethanen, natürlichen Polymeren, Polysacchariden, Polylactiden, Polyglykosiden, Poly-(alkyl)-methylstyrol, Polymethacrylaten, Polyacrylnitrilen, Latices, Polyalkylenoxiden aus Ethylenoxid und/oder Propylenoxid und Mischungen davon.Polyurethanes, natural polymers, polysaccharides, polylactides, polyglycosides, poly (alkyl) methylstyrene, polymethacrylates, polyacrylonitriles, latices, polyalkylene oxides of ethylene oxide and / or propylene oxide, and mixtures thereof.
24. Nanofaser (7) oder zwei- und dreidimensional strukturiertes, aus Nanofasern (7) bestehendes, mikro- und nanoporösen Vlies nach den Ansprüchen 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern (7) umhüllt mittels Gasphasenabscheidung, Sputtern, Spin-Coating, Dip-Coating, Besprühen, Plasmaabscheidung, Sol-Gel-Verfahren oder Atomic Layer Deposition umhüllt sind.24. nanofiber (7) or two- and three-dimensionally structured, consisting of nanofibres (7), microporous and nanoporous nonwoven according to claims 19 to 23, characterized in that the nanofibers (7) enveloped by means of vapor deposition, sputtering, spin coating , Dip-coating, spraying, plasma deposition, sol-gel process or atomic layer deposition enveloped are.
25. Nanofaser (7) oder zwei- und dreidimensional strukturiertes, aus Nanofasern (7) bestehendes, mikro- und nanoporösen Vlies nach den Ansprüchen 19 bis 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nanofasern gemäß einem Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 18 hergestellt sind und zumindest einen anorganischen Bestandteil aufweisen.25. nanofiber (7) or two- and three-dimensionally structured, consisting of nanofibres (7), microporous and nanoporous nonwoven according to claims 19 to 24, characterized in that the nanofibers are prepared according to a method of claims 16 to 18 and at least have an inorganic component.
26. Nanofaser oder zwei- und dreidimensional strukturiertes, aus Nanofasern bestehendes, mikro- und nanoporösen Vlies nach den Ansprüchen 19 bis 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nanofasern (7) Funktionalisierungen mit Nanopartikeln in Form von Pigmenten, Farbstoffen,26. Nanofiber or two- and three-dimensionally structured, nanofibers, microporous and nanoporous nonwoven fabric according to claims 19 to 25, in which the nanofibers (7) are functionalized with nanoparticles in the form of pigments, dyes,
Chromophoren, Katalysatoren, Botenstoffen, anorganischen Materialien, Metallen, leitfähigen Materialien, keramischen Präkursoren, magnetischen Partikeln, halbleitenden Materialien, pharmazeutisch aktiven Wirkstoffen, Duftstoffen, Botenstoffen, Proteinen, Enzymen, DNA, RNA, mRNA, antibiotisch wirkenden Substanzen, biokompatiblen Materialien oder Mischungen davon aufweisen.Chromophores, catalysts, messengers, inorganic materials, metals, conductive materials, ceramic precursors, magnetic particles, semiconductive materials, pharmaceutically active agents, fragrances, messengers, proteins, enzymes, DNA, RNA, mRNA, antibiotic agents, biocompatible materials or mixtures thereof exhibit.
27. Verwendung der Nanofaser oder des zwei- und dreidimensional strukturierten, aus Nanofasern (7) bestehenden, mikro- und nanoporösen Vlies nach einem der Ansprüche 19 bis 26 für den Einsatz in folgenden Anwendungen: Filter- oder Filterteile; elektrische und optoelektrische Anwendungen; in der Mikroelektronik,27. Use of the nanofiber or the two- and three-dimensionally structured nanofibers (7) consisting of microporous and nanoporous nonwoven fabric according to one of claims 19 to 26 for use in the following applications: filter or filter parts; electrical and opto-electrical applications; in microelectronics,
Elektronik, Photovoltaik, Optik; Photovoltaikanwendungen; Halbleiterpolymere für die Polymerelektronik, in Feldeffekttransistoren, Computer-Chips, Bildschirm- Technik, Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen, in Kommunikationsnetzwerken, zum Einsatz für Speichermedien mit hoher Datendichte, magnetische logische Verbindungen (magnetic logic junctions), spintronische Geräte; magnetische Sensoren und magnetische Komposite; in der Sensorik; als Bestandteil oder Beschichtung von Textilen für technische, medizinische oder Haushaltstextilien; Bestandteil von Verbundwerkstoffen; als Bestandteil ultraleichter Nanokomposite; in biotechnologischen Anwendungen; Korrosionsschutz; als Halbleiter; im medizinischen und pharmazeutischenElectronics, photovoltaics, optics; Photovoltaic applications; Semiconductor polymers for polymer electronics, in field effect transistors, computer chips, on-screen technology, electromagnetic interference shielding, in communication networks, for use with high-density storage media, magnetic logic junctions, spintronic devices; magnetic sensors and magnetic composites; in the sensor system; as a component or coating of textiles for technical, medical or household textiles; Component of composite materials; as part of ultralight nanocomposites; in biotechnological applications; Corrosion protection; as a semiconductor; in the medical and pharmaceutical
Bereich, Transport und Freisetzung von Wirkstoffen, als Stützrohre für die Regeneration von Blutgefäßen, Ösophagus und Nerven, Stützrohre mit pharmazeutisch aktiven Substanzen, zur Oberflächenmodifikation von Implantaten; Transport und Separation, zum Einsatz in der Wundheilung bzw. als Wundauflage, als ursachenspezifisches Wundpflaster mit speziellen Wirkstoffen für die Behandlung von chronischen Krankheiten, als poröse Membranen und temporärer Hautersatz, in medizinisch- diagnostischen Anwendungen, in der gerichteten Magnetfeld-gesteuerte Wirkstoffapplikation, in der hyperthermischen Behandlung, als magnetisch schaltbare bioelektrokatalytische Systeme; als Träger für Katalysatoren für katalytische Prozesse; Stoffspeicherung;Area, transport and release of active substances, as support tubes for the regeneration of blood vessels, esophagus and nerves, support tubes with pharmaceutically active substances, for the surface modification of implants; Transport and separation, for use in wound healing or as a wound dressing, as a cause-specific wound plaster with special active ingredients for the treatment of chronic diseases, as porous membranes and temporary skin replacement, in medical diagnostic applications, in the directed magnetic field-controlled drug application, in hyperthermic treatment, as magnetically switchable bioelectrocatalytic systems; as a carrier for catalysts for catalytic processes; Sequestration;
Brennstoffzellen, keramische Werkstoffe.Fuel cells, ceramic materials.
28. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 18 mit einer Elektrospinnvorrichtung mit einer Spinnkapillare (3) und einem Kollektor (4), der als Gegenelektrode (5) zu der Spinnkapillare (3) ausgebildet ist, und einer eine elektrische Spannung zwischen Spinnkapillare (3) und Kollektor (4) erzeugende Spannungserzeugungsanordnung (6), dadurch gekennzeichnet, dass als Kollektor (4) ein vordefiniertes strukturiertes leitfähiges Template (8), welche die der zu erzeugenden Struktur der Nanofasern (7) entspricht, auf der leitfähigen Gegenelektrode (5) lösbar angeordnet ist oder die Gegenelektrode (5) bildet.28. An apparatus for carrying out a method according to claims 1 to 18 with an electrospinning device with a spinning capillary (3) and a collector (4), which is designed as a counter electrode (5) to the spinning capillary (3), and an electrical voltage between A spinning capillary (3) and collector (4) generating voltage generating arrangement (6), characterized in that as a collector (4) a predefined structured conductive template (8) which corresponds to the structure of the nanofibers (7) to be generated, on the conductive counter electrode (5) is detachably arranged or forms the counter electrode (5).
29. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 28, d a d u r c h gekennzeichnet, dass das Template (8) aus einem leitfähigen Werkstoff besteht, der z.B. in Form von Drähten und Drahtsieben oder perforierten Metallgittern etc. aus metallische Werkstoffen oder Halbleitern bzw. in Form von aus Natur- oder Chemiefasern bestehenden Geweben, die zu Erhöhung ihrer29. Apparatus for carrying out a method according to claim 28, characterized in that the template (8) consists of a conductive material, which may be e.g. in the form of wires and wire sieves or perforated metal meshes, etc., of metallic materials or semiconductors or in the form of natural or man-made fibers which increase their surface area
Leitfähigkeit mit einem leitfähigen Mittel durchtränkt wurden, vorliegt.Conductor were impregnated with a conductive agent is present.
30. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Template (8) mittels konventioneller Mikrofabrikationstechniken hergestellt ist. 30. A device for carrying out a method according to claims 28 and 29, characterized in that the template (8) is produced by means of conventional microfabrication techniques.
EP10712425A 2009-04-01 2010-03-31 Template-supported method of forming patterns of nanofibers in the electrospinning process and uses of said nanofibers Withdrawn EP2414575A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200910015226 DE102009015226A1 (en) 2009-04-01 2009-04-01 Template-based patterning process of nanofibers in the electrospinning process and its applications
PCT/EP2010/054350 WO2010112564A1 (en) 2009-04-01 2010-03-31 Template-supported method of forming patterns of nanofibers in the electrospinning process and uses of said nanofibers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2414575A1 true EP2414575A1 (en) 2012-02-08

Family

ID=42236374

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP10712425A Withdrawn EP2414575A1 (en) 2009-04-01 2010-03-31 Template-supported method of forming patterns of nanofibers in the electrospinning process and uses of said nanofibers

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20120040581A1 (en)
EP (1) EP2414575A1 (en)
DE (1) DE102009015226A1 (en)
WO (1) WO2010112564A1 (en)

Families Citing this family (110)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10188973B2 (en) * 2004-04-08 2019-01-29 Research Triangle Institute Apparatus and method using an electric field for creating uniform nanofiber patterns on nonconductive materials to enhance filtration and for embedment of fibers into materials for other applications
US8795577B2 (en) 2007-11-30 2014-08-05 Cook Medical Technologies Llc Needle-to-needle electrospinning
KR101726885B1 (en) * 2008-10-17 2017-04-26 내셔널 유니버시티 오브 싱가포르 Resorbable scaffolds for bone repair and long bone tissue engineering
EP2367595A4 (en) * 2008-11-24 2014-11-19 Georgia Tech Res Inst Systems and methods to affect anatomical structures
US8637109B2 (en) 2009-12-03 2014-01-28 Cook Medical Technologies Llc Manufacturing methods for covering endoluminal prostheses
EP3741896A1 (en) 2010-06-17 2020-11-25 Washington University Biomedical patches with aligned fibers
GB2485384A (en) * 2010-11-12 2012-05-16 Ngee Ann Polytechnic Porous fibre encapsulating biological material
EP2458042A1 (en) * 2010-11-24 2012-05-30 SpinPlant GmbH Sheet material, method for producing the same and device for carrying out the method
CN102453965B (en) * 2011-01-20 2015-04-08 中国科学技术大学 Method and device for preparing nanofibers
CN102476459B (en) * 2011-06-01 2013-06-12 深圳光启高等理工研究院 Manufacturing method of dielectric substrate and metamaterial
US9175427B2 (en) * 2011-11-14 2015-11-03 Cook Medical Technologies Llc Electrospun patterned stent graft covering
CN103173872B (en) * 2011-12-22 2015-06-24 中国科学院大连化学物理研究所 Simple and convenient nanometer electrospining regionalization method
CN102645474B (en) * 2012-04-24 2013-10-30 哈尔滨工程大学 Method for building three-dimensional enzyme electrode surface by using coaxial nanofibers
KR101460304B1 (en) * 2012-05-18 2014-11-21 주식회사 아모그린텍 Waterproof sound passing sheet, method for manufacturing the same and electronic device having the waterproof sound passing sheet
KR101460303B1 (en) * 2012-05-18 2014-11-14 주식회사 아모그린텍 Waterproof sound passing sheet, method for manufacturing the same and electronic device having the waterproof sound passing sheet
CN102692430A (en) * 2012-06-07 2012-09-26 青岛大学 Preparation method of carbon monoxide gas sensitive sensor operating in room temperature environment
US10449026B2 (en) * 2012-06-26 2019-10-22 Biostage, Inc. Methods and compositions for promoting the structural integrity of scaffolds for tissue engineering
US20150224739A1 (en) * 2012-09-17 2015-08-13 Cornell University High performance nanofibers and mats
CA3066269C (en) * 2012-09-21 2022-03-29 Washington University Multilayered biomedical structures configured to separate after a predetermined time or upon exposure to an environmental condition
US10080687B2 (en) 2012-09-21 2018-09-25 Washington University Biomedical patches with spatially arranged fibers
KR101902921B1 (en) 2012-10-16 2018-10-01 삼성전자주식회사 Method for preparing porous metal material
US10154918B2 (en) 2012-12-28 2018-12-18 Cook Medical Technologies Llc Endoluminal prosthesis with fiber matrix
CN103911766A (en) * 2013-01-06 2014-07-09 青岛科技大学 Trans-rubber fiber material, preparation method and applications thereof
CN103074738A (en) * 2013-01-07 2013-05-01 江南大学 Method for forming shape-controllable nonwoven material
US10561605B2 (en) 2013-01-22 2020-02-18 Robert F. Wallace Electrospun therapeutic carrier and implant
EP2956086B1 (en) * 2013-02-12 2018-11-28 Case Western Reserve University Electrochemical processing of materials, methods and production
CN103184579B (en) * 2013-03-21 2016-02-24 上海工程技术大学 A kind of preparation method of electrospun polysulfonamide/multcarbon carbon nano tube complex fiber
US20150064458A1 (en) * 2013-08-28 2015-03-05 Eaton Corporation Functionalizing injection molded parts using nanofibers
US11286372B2 (en) * 2013-08-28 2022-03-29 Eaton Intelligent Power Limited Heat sink composition for electrically resistive and thermally conductive circuit breaker and load center and method of preparation therefor
DE102013015649A1 (en) * 2013-09-23 2015-03-26 Mann + Hummel Gmbh Cabin filter and filter arrangement
US9421486B2 (en) * 2013-10-19 2016-08-23 Mann+Hummel Gmbh Nanofiber coating, method for its production, and filter medium with such a coating
CN103624985B (en) * 2013-11-22 2016-01-20 北京化工大学 A kind of method of type of facial makeup in Beijing opera 3D printing shaping
US20150181775A1 (en) * 2013-12-19 2015-06-25 Hyundai Motor Company Web for absorbing electromagnetic wave and housing of electronic parts using the same
US10202636B2 (en) 2013-12-24 2019-02-12 General Electric Company Electrospun fibers for protein stabilization and storage
CN103741230B (en) * 2014-01-08 2015-12-30 青岛科技大学 A kind of cross-linked rubber nano-fiber material and method for making thereof and purposes
DE102014107644A1 (en) * 2014-01-16 2015-07-16 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Supported molecular switches
US10653818B2 (en) 2014-01-23 2020-05-19 University Of Florida Research Foundation, Inc. Magnetic nanoparticle embedded nanofibrous membrane
JP6498383B2 (en) * 2014-02-24 2019-04-10 サンスター株式会社 Nonwoven sheet, cell culture scaffold, and method for producing nonwoven sheet
TWI544649B (en) * 2014-03-17 2016-08-01 國立臺灣大學 Nanofiber and photovoltaic comprising patterned nanofiber
CN103901081B (en) * 2014-03-19 2016-03-30 中国矿业大学 ZnO-In 2o 3nano semiconductor crystal gas sensitive preparation method
US10828400B2 (en) 2014-06-10 2020-11-10 The Research Foundation For The State University Of New York Low temperature, nanostructured ceramic coatings
GB201413267D0 (en) * 2014-07-25 2014-09-10 Stretchline Intellectual Properties Ltd Method of forming a garment
JP5885800B1 (en) * 2014-09-17 2016-03-15 株式会社東芝 Nozzle and additive manufacturing apparatus
AU2015324028B2 (en) 2014-09-29 2021-04-01 Board Of Regents Of The University Of Nebraska Nanofiber structures and methods of synthesis and use thereof
CN104372423B (en) * 2014-11-28 2016-07-13 安徽理工大学 Portable atmospheric glow discharge plasma jet and electrostatic spinning integrated device
CN104552944B (en) * 2014-12-19 2017-03-01 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 A kind of 3D printing dispensing extrusion device that can achieve online alloying
CN104514092A (en) * 2014-12-31 2015-04-15 睿金生物科技(苏州)有限公司 Electrostatic textile nanofiber membrane preparation device and method
US10453664B2 (en) 2015-04-21 2019-10-22 Battelle Memorial Institute Collection, release, and detection of analytes with polymer composite sampling materials
US10254248B2 (en) * 2015-04-21 2019-04-09 Battelle Memorial Institute Collection, release, and detection of analytes with polymer composite sampling materials
WO2016172531A1 (en) * 2015-04-23 2016-10-27 Rowan University System and method for electrospun fiber straining and collecting
CN104790049B (en) * 2015-04-29 2016-09-07 青岛新智源健康科技有限公司 A kind of portable electrostatic spinning equipment and using method thereof
CN104846483A (en) * 2015-05-18 2015-08-19 北京航空航天大学 Underwater transparent silicon dioxide nanofiber substrate as well as preparation method of substrate and application of substrate to capture of circulating tumor cells
WO2016200168A1 (en) * 2015-06-10 2016-12-15 오현석 Electromagnetic wave shielding material using nanostructure
WO2017034224A1 (en) * 2015-08-21 2017-03-02 주식회사 아모그린텍 Sound device
US20170095807A1 (en) * 2015-10-05 2017-04-06 GM Global Technology Operations LLC Forming age-suppressing catalysts
WO2017148460A2 (en) 2016-03-01 2017-09-08 Bisping Medizintechnik Gmbh Device and method for structure-controlled electrospinning
CN105711099B (en) * 2016-03-28 2017-12-12 华中科技大学 A kind of the flexible electronic preparation system and method for multistation collaboration
CN105734695B (en) * 2016-04-20 2018-03-09 青岛科技大学 A kind of nano inorganic salt fibers melt electrostatic spinning preparation method
US10632228B2 (en) 2016-05-12 2020-04-28 Acera Surgical, Inc. Tissue substitute materials and methods for tissue repair
CN107510862B (en) * 2016-06-15 2020-05-19 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Ordered fiber scaffold carrying bioactive molecules with gradient concentration, preparation method and application
WO2018017929A1 (en) * 2016-07-21 2018-01-25 Board Of Regents Of The University Of Nebraska Ring and tubular structures and methods of synthesis and use thereof
GB2553316B (en) * 2016-09-01 2020-05-13 Univ Nottingham Trent Method and apparatus for fabricating a fibre array and structure incorporating a fibre array
US11318224B2 (en) 2016-09-28 2022-05-03 Board Of Regents Of The University Of Nebraska Nanofiber structures and methods of use thereof
CN107964732A (en) * 2016-10-19 2018-04-27 苏州汉力新材料有限公司 A kind of preparation method of polystyrene microsphere
CN107034585A (en) * 2017-04-19 2017-08-11 江苏大学 A kind of g C3N4Nanofiber antibacterial film and preparation method thereof and purposes
US10435576B2 (en) 2017-05-26 2019-10-08 Infinite Material Solutions, Llc Water soluble polymer compositions
CN107268185B (en) * 2017-06-09 2019-11-08 东华大学 A kind of method that blend spinning prepares rock-steady structure flexibility auxetic materials
WO2018227078A1 (en) 2017-06-09 2018-12-13 Board Of Regents Of The University Of Nebraska Nanofiber structures and methods of use thereof
BR112019026039A2 (en) * 2017-06-15 2020-06-23 Dow Global Technologies Llc SUPPORTED MOLECULAR CARBON SCREEN MEMBRANES AND METHOD FOR FORMING THE SAME
CN107158447B (en) * 2017-07-06 2023-11-17 华南理工大学 Antibacterial zein dressing with controllable orientation and preparation method thereof
JP6475799B2 (en) * 2017-08-24 2019-02-27 ワシントン・ユニバーシティWashington University Medical patch with spatially arranged fibers
EP3678860A4 (en) * 2017-09-05 2021-10-13 4C Air, Inc. Nanofiber web with controllable solid volume fraction
WO2019060393A1 (en) 2017-09-19 2019-03-28 Board Of Regents Of The University Of Nebraska Nanofiber structures and methods of use thereof
CN107789661B (en) * 2017-09-26 2019-12-10 华南理工大学 hemostatic and antibacterial nano-film and preparation method thereof
CN107686836B (en) * 2017-09-26 2020-02-14 南通大学 Method for producing cordycepin by self-assembled silica body electrostatic spinning fibrous membrane immobilized cells
KR102273514B1 (en) 2017-10-31 2021-07-06 멜드 매뉴팩쳐링 코포레이션 Solid-State Additive Manufacturing Systems and Material Compositions and Structures
FR3078074B1 (en) 2018-02-16 2021-01-22 Univ Montpellier BIOCOMPATIBLE THREE-DIMENSIONAL NETWORK AND ITS USE AS A CELL SUPPORT
CN108677274B (en) * 2018-04-08 2020-10-02 中国科学院深圳先进技术研究院 Polymer fiber with fluorine-doped surface and preparation method thereof
CN108823653A (en) * 2018-07-20 2018-11-16 佛山市高明曦逻科技有限公司 A kind of electrostatic spinning apparatus of grid receiver board and the spinning process of the electrostatic spinning apparatus
JP7451500B2 (en) * 2018-09-11 2024-03-18 メルド マニュファクチュアリング コーポレイション Solid additive production method for synthesizing conductive polymer composites, production of conductive plastic parts and conductive coatings
US20200129661A1 (en) * 2018-10-26 2020-04-30 American Nano, LLC Nerve repair conduits incorporating silica fibers
KR102120565B1 (en) * 2018-10-31 2020-06-08 전주대학교 산학협력단 Electrospinning device using moving charge principle for uniform radiation of polymer nanomaterials
CN109535509A (en) * 2018-11-20 2019-03-29 中广核高新核材科技(苏州)有限公司 A kind of radiation resistant rubber diaphragm and preparation method thereof
CN109888219A (en) * 2019-02-22 2019-06-14 东华大学 A kind of Cu oxide/carbon nano-fiber/sulfur electrode material and its preparation and application
CN109774118B (en) * 2019-03-21 2020-12-29 中国科学院福建物质结构研究所 Method for enhancing mechanical property of FDM3D printing part
US11014029B2 (en) * 2019-05-24 2021-05-25 Ultra Small Fibers, LLC Filter media ribbons with nanofibers formed thereon
CN110004504A (en) * 2019-05-24 2019-07-12 北京化工大学 A kind of patterning electrostatic spinning apparatus
US20210039998A1 (en) * 2019-08-09 2021-02-11 United Technologies Corporation High temperature fiber and method of making
US20210039999A1 (en) * 2019-08-09 2021-02-11 United Technologies Corporation High temperature fiber, method of making and high temperature fiber composites
US11535958B2 (en) 2019-08-09 2022-12-27 Raytheon Technologies Corporation Fiber having integral weak interface coating, method of making and composite incorporating the fiber
CN110699763A (en) * 2019-10-23 2020-01-17 南通纺织丝绸产业技术研究院 Electrostatic spinning method for improving uniformity of spinning solution
CN110846726B (en) * 2019-11-20 2022-03-29 东北农业大学 3D bacteriostatic water-absorbing aerogel packaged by chilled fresh meat trays and preparation method and application thereof
EP4069901A1 (en) * 2019-12-03 2022-10-12 Cortronik GmbH Adaptive chemical post-processing of nonwovens for cardiovascular applications
JP7356336B2 (en) * 2019-12-23 2023-10-04 花王株式会社 Concave and convex plate for electrospinning method
CN111411450B (en) * 2020-02-17 2022-06-21 五邑大学 Preparation method and application of flexible nano-cobweb-structured conductive polyurethane film
WO2021191927A1 (en) * 2020-03-23 2021-09-30 Bajaj Electricals Ltd. Method for manufacturing non-woven material for cooling pad, non-woven material and cooling pad manufactured thereby
CN112726030B (en) * 2020-12-07 2022-08-30 南京工业大学 Preparation method of dual-mode textile
CN112755651B (en) * 2020-12-31 2022-07-08 东华大学 Multi-combination functional electrostatic spinning submicron fiber air filter material and preparation thereof
DE102021101064A1 (en) * 2021-01-19 2022-07-21 Universität Rostock Enclosure for receiving an implant and method for its manufacture
CN112899820B (en) * 2021-01-19 2022-07-26 大连民族大学 Cu-Ni-Co-O solid solution nanofiber material and preparation method and application thereof
CN112915681A (en) * 2021-04-07 2021-06-08 山东道淼新材料科技有限公司 Polymer nanofiber composite membrane and device
CN113265761B (en) * 2021-05-20 2022-04-01 恒天嘉华非织造有限公司 Anti-ultraviolet wear-resistant non-woven fabric and processing technology thereof
CN115520942A (en) * 2021-06-25 2022-12-27 清华大学 Biological neural network-shaped electro-catalytic membrane and preparation method and application thereof
CN113668139A (en) * 2021-09-17 2021-11-19 厦门大学 Flexible high-temperature-resistant SiO2Preparation method of ceramic nanofiber membrane
CN114059233B (en) * 2021-11-17 2022-09-16 东华大学 Transparent nanofiber membrane, preparation method thereof and application of transparent nanofiber membrane to transparent mask
CN114457622B (en) * 2022-02-08 2023-12-12 浙江廉博数码科技有限公司 Dampproof and antioxidant file box material and preparation method thereof
CN115025628A (en) * 2022-05-10 2022-09-09 厦门大学 Composite nanofiber air filter membrane and preparation device and preparation method thereof
CN115322413B (en) * 2022-05-20 2023-08-15 湘潭大学 Flexible dielectric energy storage material and preparation method and application thereof
CN115012051A (en) * 2022-05-27 2022-09-06 中钢集团南京新材料研究院有限公司 Magnetic spinning automatic preparation device, automatic preparation method and magnetic spinning
CN115652533B (en) * 2022-11-09 2023-04-07 武汉纺织大学 System for preparing nanofiber membrane by using external magnetic field to assist microfluidics and using method

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US197550A (en) 1877-11-27 Geosge i
US3280229A (en) * 1963-01-15 1966-10-18 Kendall & Co Process and apparatus for producing patterned non-woven fabrics
DE2965672D1 (en) 1978-10-10 1983-07-21 Ici Plc Production of electrostatically spun products
US6106913A (en) 1997-10-10 2000-08-22 Quantum Group, Inc Fibrous structures containing nanofibrils and other textile fibers
NZ508818A (en) * 2000-12-12 2002-10-25 Humatro Corp Electro-spinning process for making starch filaments for flexible structure
US20050104258A1 (en) * 2003-07-02 2005-05-19 Physical Sciences, Inc. Patterned electrospinning
JP2006283241A (en) * 2005-04-01 2006-10-19 Kanai Hiroaki Method for producing nano-fiber web, nano-fiber web or laminate, collector electrode and nano-fiber web production apparatus
JP4883498B2 (en) * 2005-05-24 2012-02-22 独立行政法人物質・材料研究機構 Nano / microfiber non-woven fabric with micro pattern structure and manufacturing method thereof
US20070275458A1 (en) * 2005-12-09 2007-11-29 The Research Foundation Of State University Of New York Three dimensional-BIO-mimicking active scaffolds
JP4979264B2 (en) * 2006-05-11 2012-07-18 兵庫県 Method for producing density gradient nonwoven fabric
WO2008049251A1 (en) 2006-10-23 2008-05-02 Schoeller Textil Ag Microbicidal nano- and meso-polymer fibers produced from polymers and honey, for textile applications
DE102006050279A1 (en) 2006-10-23 2008-04-30 Philipps-Universität Marburg Water-resistant nano- or meso-polymer fiber production, for use e.g. in filtration, by electro-spinning aqueous solution containing oppositely charged polyelectrolytes
EP2087154A1 (en) 2006-10-23 2009-08-12 Schoeller Textil AG Polyethylenimine nanoparticle-containing microbicidal electrospun polymer fibers for textile applications
EP2171136B1 (en) 2007-07-18 2011-09-14 Basf Se Method for producing nanofibres and mesofibres by electrospinning colloidal dispersions containing at least one essentially water-insoluble polymer
DE102007040762A1 (en) 2007-08-29 2009-03-05 Bayer Materialscience Ag Device and method for producing electrically conductive nanostructures by means of electrospinning
US8865996B2 (en) * 2007-09-19 2014-10-21 Em-Tech Thermoelectric generator including nanofibers
DE102007052035A1 (en) * 2007-10-30 2009-05-07 Forschungszentrum Jülich GmbH Method for positron emission tomography and PET scanner

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2010112564A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102009015226A1 (en) 2010-10-14
WO2010112564A1 (en) 2010-10-07
US20120040581A1 (en) 2012-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2414575A1 (en) Template-supported method of forming patterns of nanofibers in the electrospinning process and uses of said nanofibers
Han et al. Coaxial electrospinning formation of complex polymer fibers and their applications
Nadaf et al. Recent update on electrospinning and electrospun nanofibers: current trends and their applications
Yang et al. Structural design toward functional materials by electrospinning: A review
Rathore et al. Beyond the single-nozzle: Coaxial electrospinning enables innovative nanofiber chemistries, geometries, and applications
Kayaci et al. Polymer–inorganic core–shell nanofibers by electrospinning and atomic layer deposition: flexible nylon–ZnO core–shell nanofiber mats and their photocatalytic activity
EP1335999B1 (en) Oriented mesotubular and nantotubular non-wovens
DE10133393B4 (en) Tubes with inside diameters in the nanometer range
Fang et al. Functional applications of electrospun nanofibers
Kang et al. Electrically conducting polypyrrole fibers spun by electrospinning
Wang et al. A novel controlled release drug delivery system for multiple drugs based on electrospun nanofibers containing nanoparticles
EP2190490B1 (en) Bioresorbable nonwoven fabric made of gelatin
Valarezo et al. Fabrication and sustained release properties of poly (ε-caprolactone) electrospun fibers loaded with layered double hydroxide nanoparticles intercalated with amoxicillin
DE10116232A1 (en) Molded articles with internally coated cavities, useful as e.g. sensors, are prepared by forming template fibers with selective removal of material
Mokhtari et al. Advances in electrospinning: The production and application of nanofibres and nanofibrous structures
DE10023456A1 (en) Mesotubes and nanotubes
EP2087154A1 (en) Polyethylenimine nanoparticle-containing microbicidal electrospun polymer fibers for textile applications
Huang et al. The technique of electrospinning for manufacturing core-shell nanofibers
KR101290715B1 (en) Nanofiber mat with antimicrobial activity and decomposition ability for hazardous compounds and Method of preparing the same and Protective gear containing the same
WO2008077372A2 (en) Particle-modified nanofibers and mesofibers
KR20150116990A (en) Polyvinyl Alcohol/Polyethylene Terephthalate nanofibers produced by electrospinning
Gavande et al. A systematic review on green and natural polymeric nanofibers for biomedical applications
Muthukrishnan et al. Metal oxide-based fiber technology in the pharmaceutical and medical chemistry
Rana et al. Production of Nanofibers, Environmental Challenges and Solutions
Kesharwani et al. Recent update on electrospinning and electrospun nanofibers: current trends and their applications

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20111004

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20120719

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20140219