EP2422001A1 - Water-based production of metal-oxide and metal nanofibers - Google Patents
Water-based production of metal-oxide and metal nanofibersInfo
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- EP2422001A1 EP2422001A1 EP10718114A EP10718114A EP2422001A1 EP 2422001 A1 EP2422001 A1 EP 2422001A1 EP 10718114 A EP10718114 A EP 10718114A EP 10718114 A EP10718114 A EP 10718114A EP 2422001 A1 EP2422001 A1 EP 2422001A1
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- acid
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- C04B35/62231—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
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- D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
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- D01F9/10—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material by decomposition of organic substances
Definitions
- the present invention relates to a process for the production of metal oxide or metal fibers having a diameter in the range of 0.1 to 999 nm by electrospinning mixtures of one or more polymer (s), one or more metal salt (s), a or more complexing agent (s) in a solvent and then removing the polymer.
- the invention further relates to a process for the water-based production of uniform, discrete nanofibers with an aspect ratio - ratio of fiber length to fiber diameter - of> 10 to 1.
- Nanofibres are becoming increasingly important in textile production, optics, electronics, biotechnology, pharmacy, medicine and plastics technology as filtration and separation media.
- nanofibers refers to fibrous structures whose diameter lies in a range from about 0.1 to 999 nm (also referred to as nano-scale) .
- nanostructures such as nanowires and nanotubes, both of which have a nanoscale cross-section exhibit.
- the currently common method for the production of nanofibers is the so-called electrospinning.
- a polymer solution or a polymer melt containing a metal salt and optionally further additives brought by means of two electrodes in a strong electric field.
- Electrostatic charges cause local instabilities in the solution, which are first formed into conical structures and then into fibers.
- some of the solvent evaporates and the fibers are additionally stretched.
- the transformation of the metal salt into the corresponding metal oxide takes place.
- oxide nanofibers are obtained with a diameter of ⁇ 1 micron.
- Of technical interest is the use of such fibers in filtration applications, as part of gas sensors, as well as in catalytic applications.
- the ZnO nanofibers produced by this process have a very uneven surface structure and varying diameters and are fused together at the contact points, resulting in a low aspect ratio results.
- a method for producing SnC> 2 nanofibers is described by Zhang et al.
- Zhang et al. describe a precursor solution consisting of polyvinyl alcohol, tin (IV), and "Zhang et al.”("Production and Ethanol-sensing Properties of Microspherical SnC> 2 Nanofibers”). chloride and water, make and spun them with an electrospinning device to nanofibers. These nano fibers are then calcined to form SnO 2 nanofibers.
- the SnO using this method manufacturing placed 2 nanofibers have varying diameter and are also fused together at the contact points , which also results in a low aspect ratio.
- WO 2007/022770 A1 discloses a process for the production of metal nano and metal mesofibers.
- This production process comprises the electrospinning of a polymer / metal salt solution and subsequent calcining.
- An advantage of this method over the methods described in the literature is the high ratio of metal to polymer of 3 to 1 to 1 to 1 (w / w) in the precursor solution.
- the ratio of metal to polymer is understood to mean the ratio of the mass of the polymer component to the mass of the metal in the metal salt.
- the described advantage can only be realized if a very viscous polymer component having only a low solubility in water is used.
- the application examples describe the preparation of metal and metal oxide nanofibers using the water-insoluble polymer polyvinyl butyral (PVB).
- PVB water-insoluble polymer polyvinyl butyral
- the object of the present invention is to provide an improved process for the production of metal oxide or metal fibers having a diameter in the range of 0.1 to 999 nm. Furthermore, it is an object of the invention to provide a method for the production of metal oxide or metal fibers with a diameter in the nanometer range, by means of which nanofibers with a diameter in the range of 0.1 to 999 nm and the highest possible aspect ratio can be obtained.
- This object is achieved by a process for the preparation of metal oxide fibers having a diameter in the range of 0.1 to 999 nm by electrospinning a solution containing one or more polymer (s), one or more metal salt (s), one or more complexing agents and a Solvent comprising the steps: (a) providing a solution comprising one or more polymer (s), one or more metal salt (s), one or more complexing agents and a solvent, the solution having a water content of at least 50% by weight,
- metal oxide fibers with a diameter in the nanometer range can be obtained whose aspect ratio - ratio of fiber length to fiber diameter - is greater than 10 to 1.
- the addition of the complexing agent and the water content of at least 50% by weight in the solution provided in process step (a) make it possible to obtain uncrosslinked or disperse oxide nanofibers which are superior to those of the prior art.
- the at least one polymer is first dissolved in the solvent having a water content of at least 50% by weight. Subsequently, the metal salt or a metal salt solution is added to this solution.
- Polyvinyl alcohols, polyvinyl acetates, polyvinylpyrrolidones have proven to be preferred polymers. Also suitable as copolymers of the abovementioned polymers, such as polyvinyl alcohol-polyvinyl acetate copolymers, or mixtures of copolymers have been found.
- the one or more polymers within the meaning of the present invention are thermal, chemical, radiation-chemical, physical, biological, plasma-degradable, ultrasound-degradable or polymeric material which can be degraded by extraction with a solvent.
- the proportion of the polymer in the solution provided in step (a) can vary over a wide range. In general, the proportion of the polymer is in the range of 1 to 20 wt .-%, preferably in the range of 5 to 15 wt .-% and particularly preferably in the range of 6.0 to 10 wt .-%, based on the in process step ( a) provided solution.
- the at least one metal salt is inorganic or organic salts of one or more metal (s) selected from the group Cu, Ag, Au, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn , Re, Fe, Ru, Ni, Pd, Co, Rh, Ir, Sb, Sn, In, Al, Ga and Zn.
- the metal is selected from the group Sb, Sn, In, Al, Ga and Zn According to a preferred embodiment, it is a mixture containing tin (Sn) and indium (In) or a mixture containing indium (In) or tin (Sn) and antimony (Sb).
- a mixture containing zinc (Zn) and aluminum is used.
- the proportion of the metal salt or metal salts in the solution provided in process step (a) can vary over a wide range.
- the proportion of the metal salt or metal salts is in the range of 1 to 20 wt .-%, preferably in the range of 5 to 15 wt .-% and particularly preferably in the range of 6 to 10 wt .-%, based on the Process step (a) provided solution.
- the ratio of metal salt (s) to polymer is generally 1 to 1 (w / w).
- Inorganic salts in the context of the present invention are, for example, chlorides, sulfates and nitrates, provided that these combinations of inorganic anions and the respective metal cations are present.
- Organic salts in the context of the present invention are salts of carboxylic acids, for example formates, acetates, citrates and acetylacetonates with the corresponding metals, if combinations of organic anions and the respective metal cation are present.
- the solvent or solvent mixture containing at least 50% by weight of water is selected so that both the one or more polymers) and the one or more metal salts are soluble in it.
- Soluble is understood to mean that the polymer and the metal salt have a solubility of at least in each case 1% by weight in the corresponding solvent or solvent mixture. It is known to the person skilled in the art that he must coordinate the polymer, metal salt and solvent with one another for this purpose. He can do this with the help of his general knowledge.
- the solvent used is either water or a solvent mixture having a water content of at least 50% by weight.
- the solvents which are used for the preparation of solvent mixtures with water are miscible with water and are preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, ethanediol, n-propanol, 2-propanol, n-butanol, isobutanol, tert-butanol, cyclohexanol , Formic acid, acetic acid, trifluoroacetic acid, diethylamine, diisopropylamine, phenylethylamine, acetone, acetylacetone, acetonitrile, diethylene glycol, formamide, dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), toluene, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone (NMP) and tetrahydrofuran.
- DMF dimethylformamide
- DMSO di
- the solvent is preferably tel used to prepare solvent mixtures with water, one or more selected from methanol, ethanol, ethanediol and iso-propanol.
- the ratio (w / w) of water to the other solvent (s) is generally 9 to 1 to 2 to 1, preferably 9 to 1 to 5 to 1.
- the solvent is water.
- the complexing agent present in the solution provided in step (a) is generally an organic or inorganic compound capable of complexing metal cations. This is generally selected from monocarboxylic acids, dicarboxylic acids, tricarboxylic acids, hydroxycarboxylic acids, ketocarboxylic acids, diketones, amino acids, aminopolycarboxylic acids, polymer-bound carboxylic acids, amines, diamines, ammonia, nitrate ions, nitrite ions, halide ions and hydroxide ions or a salt of the abovementioned acids.
- the complexing agents are preferably monocarboxylic acids such as formic acid, acetic acid and propionic acid, dicarboxylic acids such as oxalic acid, malonic acid, glutaric acid and tartaric acid, tricarboxylic acids such as citric acid, hydroxycarboxylic acids such as tartaric acid and ketocarboxylic acids such as pyruvic acid, diketo - ne, such as acetylacetone and aminopolycarboxylic acids such as ethylenediaminetetraacetic acid or a salt of the abovementioned acids.
- monocarboxylic acids such as formic acid, acetic acid and propionic acid
- dicarboxylic acids such as oxalic acid, malonic acid, glutaric acid and tartaric acid
- tricarboxylic acids such as citric acid
- hydroxycarboxylic acids such as tartaric acid
- ketocarboxylic acids such as pyruvic acid
- the complexing agent is a compound selected from ethylenediaminetetraacetic acid, triethanolamine, formic acid, acetic acid, pantothenic acid, folic acid, biotin, arachidonic acid, malonic acid, ⁇ -aminobutyric acids, ⁇ -aminobutyric acids, ⁇ -aminobutyric acids, Glutathione, isocitric acid, cis- and trans aconitic acid, hydroxycitric acid, nicotinic acid, benzoic acid, oxalic acid, mesoxalic acid, oxaloacetic acid, succinic acid, sorbic acid, propane tricarboxylic acid, crotonic acid, itaconic acid, acrylic acid, methacrylic acid, mesaconic acid, phenylacetic acid, salicylic acid, 4-hydroxybenzoic acid , Cinnamic acid, mandelic acid, 2-furancarboxylic acid,
- the complexing agent is preferably citric acid and / or acetic acid and / or acetylacetone or one or more salts of the abovementioned acids.
- the molar ratio of metal ion in the metal salt to complexing agent is that provided in step (a) Solution in the range of 1: 0.2 to 1: 1, preferably in the range of 1: 0.4 to 1: 0.6, particularly preferably the molar ratio of metal ion in the metal salt to complexing agent in the in process step (a) provided solution 1: 0.5.
- the solution provided in step (a) may further comprise surfactants and optionally bases such as ammonia or quaternary ammonium salts.
- the preparation of the nanofibers - consisting of one or more polymer (s), one or more metal salt (s), one or more complexing agent (s) from the solution provided in process step (a) takes place by means of electrospinning out of this solution.
- Electrospinning processes are known to the person skilled in the art. Electrospinning can be carried out, for example, with an electrospinning device whose structure is similar to or similar to the electrospinning devices described in the literature (Xia et al., Adv. Mater. 2004, 16, 1151). However, electrospinning can also be carried out with an electrospinning device, as described, for example, in WO 2006/131081 A1 or WO 2007/137530 A2.
- the removal of the polymer in step (c) of the process according to the invention is generally carried out thermally, chemically, by radiation chemistry, physically, biologically, by plasma, ultrasound or by extraction with a solvent.
- the removal of the polymer preferably takes place thermally by means of calcining.
- the calcination is carried out generally over a period of 1 to 24 hours, preferably over a period of 3 to 6 hours at a temperature of 250 to 900 0 C, preferably at a temperature of 300 to 800 0 C, more preferably at a temperature of 400 to 700 ° C under an atmosphere which may contain in addition to nitrogen additionally oxygen or hydrogen.
- the calcination is carried out in an atmosphere containing about 78% by volume of nitrogen, 21% by volume of oxygen or in pure nitrogen or in a mixture of nitrogen with hydrogen (1 to 4% by volume) or a mixture of nitrogen with oxygen (> 21 vol.%).
- the metal oxide fibers obtained after calcining have a diameter in the range of 0.1 nm to 999 nm, preferably in the range of 10 nm to 300 nm, particularly preferably in the range of 50 nm to 200 nm, and an aspect ratio of> 10 to 1, preferably> 100 to 1.
- the fibers thus have a length in the range of several ⁇ m up to a few mm.
- the nanofibers are dried after electrospinning and before calcination.
- the drying of the nanofibers is usually carried out at a temperature of 80 to 180 0 C, preferably at a temperature of 100 to 150 0 C in ambient atmosphere in air or in vacuo.
- a process for the production of metal fibers is provided in which in a further process step (d) the metal oxide fibers obtained in process step (c) are reduced to the corresponding metal fibers. It is well known to those skilled in the art how to reduce metal oxides to the corresponding metals.
- Suitable reducing agents are hydrogen, carbon monoxide, gaseous hydrocarbons, carbon, furthermore metals which are less noble, ie have a negative standard potential, than the metal to be reduced, furthermore sodium borohydride, lithium aluminum hydride, alcohols and aldehydes.
- the metal oxide fibers can be reduced electrochemically. The person skilled in the art can apply these reduction methods with the aid of his general knowledge and thereby obtains the corresponding metal fibers with a diameter ⁇ 1 ⁇ m and an aspect ratio of> 10 to 1.
- the metal and metal oxide fibers according to the invention have a diameter of ⁇ 1 .mu.m, preferably ⁇ 300 nm and have a length of 10 .mu.m up to several millimeters.
- nanofibers have a variety of interesting magnetic, electrical and catalytic properties. They are therefore promising new materials for various and functional components in microelectronics and optoelectronics. There are also many possibilities for applications in catalysis and filtration.
- a solution consisting of 7.5% by weight of polyvinyl alcohol (PVA), 7.5% by weight of zinc acetate dihydrate and 85% by weight of water was spun into nanofibers using an electrospinning apparatus according to WO 2006/131081 A1 (electrode spacing : 20 cm, voltage: 82 kV).
- the nanofibers obtained were first dried (2 hours at 100 0 C) and then calcined to zinc oxide nanofibers (460 0 C, air atmosphere).
- the scanning electron micrograph showed, prior to calcination, fused nanofibers of different diameters. An aspect ratio could not be given due to this morphology (fused together fibers). After calcination, fiber morphology can no longer be observed.
- a solution consisting of 7.0% by weight of polyvinyl alcohol (PVA), 6.8% by weight of zinc acetate dihydrate, 3.0% by weight of citric acid and 83.2% by weight of water was treated with an electrospinning machine according to WO 2006/131081 A1 spun into nanofibers (electrode spacing: 20 cm, voltage: 82 kV).
- the nanofibers obtained were first dried ( 2 h at 100 0 C) and then calcined to zinc oxide nanofibers (480 0 C, air atmosphere).
- the scanning electron micrographs show discrete nanofibers, which have an average diameter of 200 to 400 nm before calcination and have an average diameter of 70 to 120 nm after calcination. In both cases the aspect ratio is> 100 to 1.
- a solution consisting of 6.3% by weight of polyvinyl alcohol (PVA), 6.3% by weight of zinc acetate dihydrate, 0.33% by weight of aluminum nitrate nonahydrate, 77.8% by weight of water and 9 , 3% by weight of ethanol was spun into nanofibers using an electrospinning machine similar to WO 2006/131081 A1 (electrode spacing: 12 cm, voltage: 65 kV).
- the resulting nanofibers were first dried (2 h at 100 ° C) and then calcined to aluminum-doped zinc oxide nanofibers (460 0 C, air atmosphere).
- the scanning electron micrographs show fused nanofibers with different diameters both before calcination and after calcining. An aspect ratio could not be determined due to this morphology (fused together fibers).
- a solution consisting of 6.8 wt .-% polyvinyl alcohol (PVA), 6.8 wt .-% zinc acetate dihydrate, 0.35 wt .-% aluminum nitrate nonahydrate, 3.0 wt .-% citric acid and 83 wt .-% water was spun with an electrospinning machine according to WO 2006/131081 A1 to nanofibers (electrode spacing: 20 cm, voltage 82 kV).
- the resulting nanofibers were first dried (2 h at 100 0 C) and then calcined to aluminum-doped zinc oxide nanofibers (480 0 C, air atmosphere).
- the scanning electron micrographs show discrete nanofibers with an average diameter of 100 to 200 nm before calcination and an average diameter of 70 to 120 nm after calcination. In both cases the aspect ratio is> 100 to 1.
- a solution consisting of 6.8% by weight of polyvinyl alcohol (PVA), 6.3% by weight of zinc citrate dihydrate, 0.35% by weight of aluminum nitrate nonahydrate, 0.2% by weight of citric acid, 71 Wt .-% water, 10 wt .-% ethanol and 5.2 wt .-% of a 25% aqueous ammonia solution was spun with an electrospinning machine according to WO 2006/131081 A1 to nanofibers (electrode spacing: 20 cm, voltage: 70 kV ).
- the conservation requested nanofibers were first dried (2 h at 100 0 C) and then aluminum-doped zinc oxide fibers, calcined (480 ° C, air atmosphere).
- the scanning electron micrographs show discrete nanofibers with an average diameter of 300 to 400 nm before calcining and an average diameter of 250 to 300 nm after calcination. In both cases the aspect ratio is greater than 100 to 1.
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Abstract
The invention relates to a method for producing metal-oxide fibers or metal fibers having a diameter in the range of 0.1 to 999 nm by electrospinning a solution containing one or more polymers, one or more metallic salts, one or more complexing agents, and a solvent, comprising the following steps: (a) providing a solution containing one or more polymers, one or more metallic salts, one or more complexing agents, and a solvent, wherein the solution has a water content of at least 50 wt%, (b) electrospinning the solution, and (c) removing the polymer.
Description
Wasserbasierte Herstellung von Metalloxid- und Metall-Nanofasern Water-based production of metal oxide and metal nanofibers
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metalloxid- bzw. Metallfasern mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 999 nm durch Elektrospin- nen von Mischungen aus einem oder mehreren Polymer(en), einem oder mehreren Metallsalz(en), einem oder mehreren Komplexbildner(n) in einem Lösungsmittel und anschließendem Entfernen des Polymers. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur wasserbasierten Herstellung von uniformen, diskreten Nanofasern mit einem Aspektverhältnis - Verhältnis von Faserlänge zu Faserdurchmesser - von > 10 zu 1.The present invention relates to a process for the production of metal oxide or metal fibers having a diameter in the range of 0.1 to 999 nm by electrospinning mixtures of one or more polymer (s), one or more metal salt (s), a or more complexing agent (s) in a solvent and then removing the polymer. The invention further relates to a process for the water-based production of uniform, discrete nanofibers with an aspect ratio - ratio of fiber length to fiber diameter - of> 10 to 1.
Nanofasern gewinnen in der Textilherstellung, Optik, Elektronik, Biotechnologie, Pharmazie, Medizin und Kunststofftechnik zunehmend an Bedeutung als Filtrations- und Separationsmedien. Der Begriff „Nanofasern" betrifft dabei Faserstrukturen, deren Durchmesser in einem Bereich von etwa 0,1 bis 999 nm (auch als Nano-Skala bezeichnet) liegt. Der Begriff betrifft ferner Nanostrukturen wie Nanodrähte und Nanoröh- ren, die beide einen Nanoskalen-Querschnitt aufweisen.Nanofibres are becoming increasingly important in textile production, optics, electronics, biotechnology, pharmacy, medicine and plastics technology as filtration and separation media. The term "nanofibers" refers to fibrous structures whose diameter lies in a range from about 0.1 to 999 nm (also referred to as nano-scale) .The term also refers to nanostructures such as nanowires and nanotubes, both of which have a nanoscale cross-section exhibit.
Das derzeit übliche Verfahren zur Herstellung von Nanofasern ist das so genannte Elektrospinnen. Hierbei wird eine Polymerlösung oder eine Polymerschmelze, die ein Metallsalz sowie gegebenenfalls weitere Additive enthält, mittels zweier Elektroden in ein starkes elektrisches Feld gebracht. Durch elektrostatische Aufladungen entstehen lokale Instabilitäten in der Lösung, die zunächst zu konusförmigen Strukturen und an- schließend zu Fasern geformt werden. Während sich die Fasern in Richtung einer Elektrode bewegen, verdampft ein Teil des Lösungsmittels und die Fasern werden zusätzlich gestreckt. Bei der anschließenden Kalzinierung der Fasern erfolgt die Transformation des Metallsalzes in das korrespondierende Metalloxid. Auf diese Weise werden oxidische Nanofasern mit einem Durchmesser von < 1 μm erhalten. Von techni- schem Interesse ist der Einsatz derartiger Fasern bei Filtrationsanwendungen, als Bestandteil von Gassensoren sowie in Katalyseanwendungen.The currently common method for the production of nanofibers is the so-called electrospinning. Here, a polymer solution or a polymer melt containing a metal salt and optionally further additives, brought by means of two electrodes in a strong electric field. Electrostatic charges cause local instabilities in the solution, which are first formed into conical structures and then into fibers. As the fibers move toward an electrode, some of the solvent evaporates and the fibers are additionally stretched. In the subsequent calcination of the fibers, the transformation of the metal salt into the corresponding metal oxide takes place. In this way, oxide nanofibers are obtained with a diameter of <1 micron. Of technical interest is the use of such fibers in filtration applications, as part of gas sensors, as well as in catalytic applications.
Die Herstellung von Nanofasern, insbesondere von ZnO-Nanofasern wird von Sidd- heswaran et al. beschrieben („preparation and characterisation of ZnO nanofibres by electrospinning", Cryst. Rest. Technol. 2006, 41 , 447-449). Siddheswaran et al. stellen zunächst eine Vorläuferlösung, bestehend aus Polyvinylalkohol, Zinkacetat und Wasser her, welche bei erhöhter Temperatur zu einem viskosen Gel transformiert wird. Daran anschließend wird diese Vorläuferlösung mit einem Elektrospinngerät („needle electrospinning") zu Nanofasern versponnen. Die Nanofasern werden anschließend zu ZnO-Fasern kalziniert. Die mit diesem Verfahren hergestellten ZnO-Nanofasern weisen eine sehr ungleichmäßige Oberflächenstruktur sowie variierende Durchmesser auf und
sind an den Kontaktstellen miteinander verschmolzen, woraus ein geringes Aspektverhältnis resultiert.The production of nanofibers, in particular of ZnO nanofibers, is described by Sidd heswaran et al. Technol. 2006, 41, 447-449) Siddheswaran et al., first prepare a precursor solution consisting of polyvinyl alcohol, zinc acetate and water, which are heated at elevated temperature Subsequently, this precursor solution is spun into nanofibers with a needle spinning electrospinning device. The nanofibers are then calcined to ZnO fibers. The ZnO nanofibers produced by this process have a very uneven surface structure and varying diameters and are fused together at the contact points, resulting in a low aspect ratio results.
Ein Verfahren zur Herstellung von SnC>2-Nanofasern wird von Zhang et al. beschrieben („fabrication and ethanol-sensing properties of micro gas sensor based on electrospun SnC>2-nanofibers", Sensors and Actuators B 2008, 67-73). Zhang et al. stellen eine Vorläuferlösung, bestehend aus Polyvinylalkohol, Zinn(IV)-Chlorid und Wasser, her und verspinnen diese mit einem Elektrospinngerät zu Nanofasern. Diese Nanofasern werden anschließend zu SnO2-Nanofasern kalziniert. Die mit Hilfe dieses Verfahrens her- gestellten SnO2-Nanofasern weisen variierende Durchmesser auf und sind ebenfalls an den Kontaktstellen miteinander verschmolzen, woraus auch hier ein geringes Aspektverhältnis resultiert.A method for producing SnC> 2 nanofibers is described by Zhang et al. Zhang et al., describe a precursor solution consisting of polyvinyl alcohol, tin (IV), and "Zhang et al."("Production and Ethanol-sensing Properties of Microspherical SnC> 2 Nanofibers"). chloride and water, make and spun them with an electrospinning device to nanofibers. these nano fibers are then calcined to form SnO 2 nanofibers. the SnO using this method manufacturing placed 2 nanofibers have varying diameter and are also fused together at the contact points , which also results in a low aspect ratio.
In der WO 2007/022770 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Nano und Metall-Mesofasern offenbart. Dieses Herstellungsverfahren umfasst das Elektrospin- nen einer Polymer/Metallsalz-Lösung sowie nachfolgendes Kalzinieren. Als Vorteil dieses Verfahrens gegenüber den in der Literatur beschriebenen Verfahren wird das hohe Verhältnis von Metall zu Polymer von 3 zu 1 bis 1 zu 1 (w/w) in der Vorläuferlösung genannt. Unter dem Verhältnis von Metall zu Polymer wird dabei das Verhältnis der Masse der Polymerkomponente zu der Masse des Metalls im Metallsalz verstanden. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass der beschriebene Vorteil nur dann realisiert werden kann, wenn eine sehr viskose Polymerkomponente verwendet wird, die nur eine geringe Löslichkeit in Wasser aufweist. In den Anwendungsbeispielen wird die Herstellung von Metall- sowie Metalloxidnanofasern unter Verwendung des wasserun- löslichen Polymers Polyvinylbutyral (PVB) beschrieben. Dieses erfordert die wenig ö- konomische bzw. ökologische Verwendung eines organischen Lösungsmittels, in diesem Falle Isopropanol, als Hauptkomponente der Vorläuferlösung.WO 2007/022770 A1 discloses a process for the production of metal nano and metal mesofibers. This production process comprises the electrospinning of a polymer / metal salt solution and subsequent calcining. An advantage of this method over the methods described in the literature is the high ratio of metal to polymer of 3 to 1 to 1 to 1 (w / w) in the precursor solution. The ratio of metal to polymer is understood to mean the ratio of the mass of the polymer component to the mass of the metal in the metal salt. However, it is known to those skilled in the art that the described advantage can only be realized if a very viscous polymer component having only a low solubility in water is used. The application examples describe the preparation of metal and metal oxide nanofibers using the water-insoluble polymer polyvinyl butyral (PVB). This requires the less economical or ecological use of an organic solvent, in this case isopropanol, as the main component of the precursor solution.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Metalloxid- oder Metallfasern mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 999 nm zur Verfügung zu stellen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Metalloxid- oder Metallfasern mit einem Durchmesser im Nanome- terbereich zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe dessen Nanofasern mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 999 nm und einem möglichst großen Aspektverhältnis er- halten werden können.The object of the present invention is to provide an improved process for the production of metal oxide or metal fibers having a diameter in the range of 0.1 to 999 nm. Furthermore, it is an object of the invention to provide a method for the production of metal oxide or metal fibers with a diameter in the nanometer range, by means of which nanofibers with a diameter in the range of 0.1 to 999 nm and the highest possible aspect ratio can be obtained.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Metalloxidfasern mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 999 nm durch Elektrospinnen einer Lösung enthaltend ein oder mehrere Polymer(e), ein oder mehrere Metallsalz(e), einen oder mehrere Komplexbildner sowie ein Lösungsmittel umfassend die Schritte:
(a) Bereitstellen einer Lösung enthaltend ein oder mehrere Polymer(e), ein oder mehrere Metallsalz(e), einen oder mehrere Komplexbildner sowie ein Lösungsmittel, wobei die Lösung einen Wassergehalt von mindestens 50 Gew.- % aufweist,This object is achieved by a process for the preparation of metal oxide fibers having a diameter in the range of 0.1 to 999 nm by electrospinning a solution containing one or more polymer (s), one or more metal salt (s), one or more complexing agents and a Solvent comprising the steps: (a) providing a solution comprising one or more polymer (s), one or more metal salt (s), one or more complexing agents and a solvent, the solution having a water content of at least 50% by weight,
(b) Elektrospinnen der Lösung und(b) electrospinning the solution and
(c) Entfernen des Polymers.(c) removing the polymer.
Dabei stellte sich heraus, dass mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens Metalloxidfasern mit einem Durchmesser im Nanometerbereich erhalten werden können, deren Aspektverhältnis - Verhältnis von Faserlänge zu Faserdurchmesser - größer 10 zu 1 beträgt. Der Zusatz des Komplexbildners und der Wassergehalt von mindestens 50 Gew.-% in der in Verfahrensschritt (a) bereitgestellten Lösung ermöglichen es, unvernetzte bzw. diskrete oxidische Nanofasern zu erhalten, die denen des Stands der Technik überlegen sind.It turned out that with the aid of the method described above metal oxide fibers with a diameter in the nanometer range can be obtained whose aspect ratio - ratio of fiber length to fiber diameter - is greater than 10 to 1. The addition of the complexing agent and the water content of at least 50% by weight in the solution provided in process step (a) make it possible to obtain uncrosslinked or disperse oxide nanofibers which are superior to those of the prior art.
Allgemein wird bei der Bereitstellung der Lösung in Verfahrensschritt (a) zunächst das mindestens eine Polymer in dem Lösungsmittel mit einem Wassergehalt von mindes- tens 50 Gew.-% gelöst. Daran anschließend wird das Metallsalz bzw. eine Metallsalzlösung zu dieser Lösung zugegeben.In general, when the solution is provided in process step (a), the at least one polymer is first dissolved in the solvent having a water content of at least 50% by weight. Subsequently, the metal salt or a metal salt solution is added to this solution.
Als geeignete Polymere haben sich im Rahmen der Erfindung Polymere ausgewählt aus der Gruppe Polyether, Polyethylenoxide, Polyvinylalkohole, Polyvinylacetate, PoIy- vinylpyrrolidone, Polyacrylsäuren, Polyurethane, Polyactide, Polyglycoside, Polyvinyl- formamide, Polyvinylamine, Polyvinylimine und Polyacrylnitrile oder Mischungen von zwei oder mehreren der vorstehend genannten Polymere erwiesen. Als bevorzugte Polymere haben sich dabei Polyvinylalkohole, Polyvinylacetate, Polyvinylpyrrolidone herausgestellt. Als ferner geeignet haben sich auch Copolymere der vorstehend ge- nannten Polymere, wie Polyvinylalkohol-Polyvinylacetat-Copolymere, oder Mischungen von Copolymeren herausgestellt.Polymers selected from the group consisting of polyethers, polyethylene oxides, polyvinyl alcohols, polyvinyl acetates, polyvinylpyrrolidones, polyacrylic acids, polyurethanes, polyactides, polyglycosides, polyvinylformamides, polyvinylamines, polyvinylimines and polyacrylonitriles, or mixtures of two or more of these proved above polymers. Polyvinyl alcohols, polyvinyl acetates, polyvinylpyrrolidones have proven to be preferred polymers. Also suitable as copolymers of the abovementioned polymers, such as polyvinyl alcohol-polyvinyl acetate copolymers, or mixtures of copolymers have been found.
Allgemein handelt es sich bei dem einen Polymer oder den mehreren Polymeren im Sinne der vorliegenden Erfindung um thermisch, chemisch, strahlenchemisch, physika- lisch, biologisch, mit Plasma, Ultraschall oder durch Extraktion mit einem Lösungsmittel abbaubares polymeres Material. Der Anteil des Polymers in der in Verfahrensschritt (a) bereitgestellten Lösung kann über weite Bereiche variieren. Allgemein liegt der Anteil des Polymers im Bereich von 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 5 bis 15 Gew.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 6,0 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die in Verfahrensschritt (a) bereitgestellte Lösung.
Bei dem mindestens einen Metallsalz handelt es sich um anorganische oder organische Salze von einem oder mehreren Metall(en) ausgewählt aus der Gruppe Cu, Ag, Au, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Ni, Pd, Co, Rh, Ir, Sb, Sn, In, AI, Ga und Zn. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Metall ausgewählt aus der Gruppe Sb, Sn, In, AI, Ga und Zn. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um eine Mischung enthaltend Zinn (Sn) und Indium (In) oder um eine Mischung enthaltend Indium (In) bzw. Zinn (Sn) und Antimon (Sb). Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Mischung enthaltend Zink (Zn) und Aluminium verwendet. Der Anteil des Metallsalzes bzw. der Metallsalze in der in Verfahrensschritt (a) bereitgestellten Lösung kann über weite Bereiche variieren. Allgemein liegt der Anteil des Metallsalzes bzw. der Metallsalze im Bereich von 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 5 bis 15 Gew.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 6 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die in Verfahrensschritt (a) bereitgestellte Lösung. Das Verhältnis von Metallsalz(en) zu Polymer beträgt allge- mein 1 zu 1 (w/w).In general, the one or more polymers within the meaning of the present invention are thermal, chemical, radiation-chemical, physical, biological, plasma-degradable, ultrasound-degradable or polymeric material which can be degraded by extraction with a solvent. The proportion of the polymer in the solution provided in step (a) can vary over a wide range. In general, the proportion of the polymer is in the range of 1 to 20 wt .-%, preferably in the range of 5 to 15 wt .-% and particularly preferably in the range of 6.0 to 10 wt .-%, based on the in process step ( a) provided solution. The at least one metal salt is inorganic or organic salts of one or more metal (s) selected from the group Cu, Ag, Au, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn , Re, Fe, Ru, Ni, Pd, Co, Rh, Ir, Sb, Sn, In, Al, Ga and Zn. According to a preferred embodiment of the invention, the metal is selected from the group Sb, Sn, In, Al, Ga and Zn According to a preferred embodiment, it is a mixture containing tin (Sn) and indium (In) or a mixture containing indium (In) or tin (Sn) and antimony (Sb). According to another preferred embodiment of the invention, a mixture containing zinc (Zn) and aluminum is used. The proportion of the metal salt or metal salts in the solution provided in process step (a) can vary over a wide range. In general, the proportion of the metal salt or metal salts is in the range of 1 to 20 wt .-%, preferably in the range of 5 to 15 wt .-% and particularly preferably in the range of 6 to 10 wt .-%, based on the Process step (a) provided solution. The ratio of metal salt (s) to polymer is generally 1 to 1 (w / w).
Anorganische Salze im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Chloride, Sulfate und Nitrate, sofern diese Kombinationen aus anorganischen Anionen und den jeweiligen Metallkationen existent sind. Organische Salze im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Salze von Carbonsäuren, beispielsweise Formiate, Acetate, Citrate und Acetylacetonate mit den entsprechenden Metallen, sofern Kombinationen aus organischen Anionen und dem jeweiligen Metallkation existent sind.Inorganic salts in the context of the present invention are, for example, chlorides, sulfates and nitrates, provided that these combinations of inorganic anions and the respective metal cations are present. Organic salts in the context of the present invention are salts of carboxylic acids, for example formates, acetates, citrates and acetylacetonates with the corresponding metals, if combinations of organic anions and the respective metal cation are present.
Allgemein wird das Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch, welches mindestens 50 Gew.-% Wasser enthält, so gewählt, dass sowohl das eine oder die mehreren Polymere) als auch das eine Metallsalz oder die mehreren Metallsalze in ihm löslich sind. Unter löslich wird dabei verstanden, dass das Polymer und das Metallsalz eine Löslichkeit von mindestens jeweils 1 Gew.-% in dem entsprechenden Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch aufweisen. Dem Fachmann ist bekannt, dass er hierzu die PoIa- ritäten des Polymers, Metallsalzes und Lösungsmittels aufeinander abstimmen muss. Er kann dies mit Hilfe seines allgemeinen Fachwissens tun.Generally, the solvent or solvent mixture containing at least 50% by weight of water is selected so that both the one or more polymers) and the one or more metal salts are soluble in it. Soluble is understood to mean that the polymer and the metal salt have a solubility of at least in each case 1% by weight in the corresponding solvent or solvent mixture. It is known to the person skilled in the art that he must coordinate the polymer, metal salt and solvent with one another for this purpose. He can do this with the help of his general knowledge.
Allgemein ist das verwendete Lösungsmittel entweder Wasser oder ein Lösungsmittelgemisch mit einem Wassergehalt von mindestens 50 Gew.-%. Die Lösungsmittel, die zur Herstellung von Lösungsmittelgemischen mit Wasser verwendet werden, sind mit Wasser mischbar und bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe Methanol, Ethanol, Ethandiol, n-Propanol, 2-Propanol, n-Butanol, Iso-Butanol, Tertiärbutanol, Cyclohexa- nol, Ameisensäure, Essigsäure, Trifluoressigsäure, Diethylamin, Diisopropylamin, Phe- nylethylamin, Aceton, Acetylaceton, Acetonitril, Diethylenglycol, Formamid, Dimethyl- formamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Toluol, Dimethylacetamid, N-Methyl- pyrrolidon (NMP) und Tetrahydrofuran. Bevorzugt handelt es sich bei dem Lösungsmit-
tel, das zur Herstellung von Lösungsmittelgemischen mit Wasser verwendet wird um eines oder mehrere ausgewählt aus Methanol, Ethanol, Ethandiol und iso-Propanol. Das Verhältnis (w/w) von Wasser zu dem weiteren Lösungsmittel bzw. zu den weiteren Lösungsmitteln beträgt allgemein 9 zu 1 bis 2 zu 1 , bevorzugt 9 zu 1 bis 5 zu 1. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Lösungsmittel Wasser.Generally, the solvent used is either water or a solvent mixture having a water content of at least 50% by weight. The solvents which are used for the preparation of solvent mixtures with water are miscible with water and are preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, ethanediol, n-propanol, 2-propanol, n-butanol, isobutanol, tert-butanol, cyclohexanol , Formic acid, acetic acid, trifluoroacetic acid, diethylamine, diisopropylamine, phenylethylamine, acetone, acetylacetone, acetonitrile, diethylene glycol, formamide, dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), toluene, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone (NMP) and tetrahydrofuran. The solvent is preferably tel used to prepare solvent mixtures with water, one or more selected from methanol, ethanol, ethanediol and iso-propanol. The ratio (w / w) of water to the other solvent (s) is generally 9 to 1 to 2 to 1, preferably 9 to 1 to 5 to 1. According to a particularly preferred embodiment, the solvent is water.
Bei dem Komplexbildner, der in der in Schritt (a) bereitgestellten Lösung vorhanden ist, handelt es sich allgemein um eine organische oder anorganische Verbindung, die Metallkationen zu komplexieren vermag. Diese ist allgemein ausgewählt aus Monocar- bonsäuren, Dicarbonsäuren, Tricarbonsäuren, Hydroxycarbonsäuren, Ketocarbonsäu- ren, Diketonen, Aminosäuren, Aminopolycarbonsäuren, polymergebundenen Carbonsäuren, Aminen, Diaminen, Ammoniak, Nitrat-Ionen, Nitrit-Ionen, Halogenid-Ionen und Hydroxid-Ionen bzw. einem Salz der vorstehend genannten Säuren. Bevorzugt handelt es sich bei den Komplexbildnern um Monocarbonsäuren, wie Ameisensäure, Essigsäu- re und Propionsäure, um Dicarbonsäuren wie Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure und Weinsäure, um Tricarbonsäuren wie Zitronensäure, um Hydroxycarbonsäuren, wie Weinsäure, um Ketocarbonsäuren wie Brenztraubensäure, um Diketo- ne, wie Acetylaceton und um Aminopolycarbonsäuren wie Ethylendiamintetraessigsäu- re bzw. um ein Salz der vorstehend genannten Säuren. Gemäß einer weiteren bevor- zugten Ausführungsform ist der Komplexbildner eine Verbindung ausgewählt aus Ethy- lendiamintetraessigsäure, Triethanolamin, Ameisensäure, Essigsäure, Panthothensäu- re, Folsäure, Biotin, Arachidonsäure, Malonsäure, α-Aminobuttersäuren, ß-Amino- buttersäuren, γ-Aminobuttersäuren, Glutathion, Isozitronensäure, eis- und trans-Aconit- säure, Hydroxyzitronensäure, Nicotinsäure, Benzoesäure, Oxalsäure, Mesoxalsäure, Oxalessigsäure, Bernsteinsäure, Sorbinsäure, Propantricarbonsäure, Crotonsäure, Itaconsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Mesaconsäure, Phenylessigsäure, Salicyl- säure, 4-Hydroxybenzoesäure, Zimtsäure, Mandelsäure, 2-Furancarbonsäure, Acetes- sigsäure, Glucuronsäure, Gluconsäure, Glucarsäure, Glycerinsäure, Glycolsäure, Buttersäure, Isobuttersäure, Hexansäure, Heptansäure, Octansäure, Decansäure, Unde- cansäure, Dodecansäure, Tetradecansäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Methacrylsäure, Urocansäure, Pyrrolidonsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Sube- rinsäure, Acelainsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Terephthalsäure, 2- und 3- Hydroxybenzoesäure, Milchsäure und Zitronensäure bzw. ein Salz der vorstehend genannten Säuren.The complexing agent present in the solution provided in step (a) is generally an organic or inorganic compound capable of complexing metal cations. This is generally selected from monocarboxylic acids, dicarboxylic acids, tricarboxylic acids, hydroxycarboxylic acids, ketocarboxylic acids, diketones, amino acids, aminopolycarboxylic acids, polymer-bound carboxylic acids, amines, diamines, ammonia, nitrate ions, nitrite ions, halide ions and hydroxide ions or a salt of the abovementioned acids. The complexing agents are preferably monocarboxylic acids such as formic acid, acetic acid and propionic acid, dicarboxylic acids such as oxalic acid, malonic acid, glutaric acid and tartaric acid, tricarboxylic acids such as citric acid, hydroxycarboxylic acids such as tartaric acid and ketocarboxylic acids such as pyruvic acid, diketo - ne, such as acetylacetone and aminopolycarboxylic acids such as ethylenediaminetetraacetic acid or a salt of the abovementioned acids. According to a further preferred embodiment, the complexing agent is a compound selected from ethylenediaminetetraacetic acid, triethanolamine, formic acid, acetic acid, pantothenic acid, folic acid, biotin, arachidonic acid, malonic acid, α-aminobutyric acids, β-aminobutyric acids, γ-aminobutyric acids, Glutathione, isocitric acid, cis- and trans aconitic acid, hydroxycitric acid, nicotinic acid, benzoic acid, oxalic acid, mesoxalic acid, oxaloacetic acid, succinic acid, sorbic acid, propane tricarboxylic acid, crotonic acid, itaconic acid, acrylic acid, methacrylic acid, mesaconic acid, phenylacetic acid, salicylic acid, 4-hydroxybenzoic acid , Cinnamic acid, mandelic acid, 2-furancarboxylic acid, acetic acid, glucuronic acid, gluconic acid, glucaric acid, glyceric acid, glycolic acid, butyric acid, isobutyric acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, tetradecanoic acid, palmitic acid, stearic acid, methacrylic acid, urocans acid, rinsäure Pyrrolidonsäure, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, Sube-, the above-mentioned acids azelaic acid, sebacic acid, phthalic acid, terephthalic acid, 2- and 3-hydroxybenzoic acid, lactic acid and citric acid or a salt.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Komplexbildner um Zitronensäure und/oder Essigsäure und/oder Acetylaceton bzw. um ein oder mehrere Salz(e) der vorstehend genannten Säuren.The complexing agent is preferably citric acid and / or acetic acid and / or acetylacetone or one or more salts of the abovementioned acids.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt das molare Verhältnis von Metallion in dem Metallsalz zu Komplexbildner in der in Verfahrensschritt (a) bereitgestellten
Lösung im Bereich von 1 : 0,2 bis 1 : 1 , bevorzugt im Bereich von 1 :0,4 bis 1 : 0,6, besonders bevorzugt beträgt das molare Verhältnis von Metallion in dem Metallsalz zu Komplexbildner in der in Verfahrensschritt (a) bereitgestellten Lösung 1 : 0,5.In one embodiment of the invention, the molar ratio of metal ion in the metal salt to complexing agent is that provided in step (a) Solution in the range of 1: 0.2 to 1: 1, preferably in the range of 1: 0.4 to 1: 0.6, particularly preferably the molar ratio of metal ion in the metal salt to complexing agent in the in process step (a) provided solution 1: 0.5.
Die in Schritt (a) bereitgestellten Lösung kann ferner Tenside sowie ggf. Basen wie Ammoniak oder quartäre Ammoniumsalze enthalten.The solution provided in step (a) may further comprise surfactants and optionally bases such as ammonia or quaternary ammonium salts.
Die Herstellung der Nanofasern - bestehend aus einem oder mehreren Polymer(en), einem oder mehreren Metallsalz(en), einem oder mehreren Komplexbildner(n) aus der in Verfahrensschritt (a) bereitgestellten Lösung erfolgt mittels Elektrospinnen aus dieser Lösung heraus. Elektrospinnverfahren sind dem Fachmann bekannt. Das Elektrospinnen kann beispielsweise mit einem Elektrospinngerät erfolgen, dessen Aufbau den in der Literatur beschriebenen (Xia et al., Adv. Mater. 2004, 16, 1151 ) Elektrospinnge- räten gleicht oder ähnelt. Das Elektrospinnen kann aber auch mit einem Elektrospinn- gerät erfolgen, wie es beispielsweise in der WO 2006/131081 A1 oder der WO 2007/137530 A2 beschrieben ist.The preparation of the nanofibers - consisting of one or more polymer (s), one or more metal salt (s), one or more complexing agent (s) from the solution provided in process step (a) takes place by means of electrospinning out of this solution. Electrospinning processes are known to the person skilled in the art. Electrospinning can be carried out, for example, with an electrospinning device whose structure is similar to or similar to the electrospinning devices described in the literature (Xia et al., Adv. Mater. 2004, 16, 1151). However, electrospinning can also be carried out with an electrospinning device, as described, for example, in WO 2006/131081 A1 or WO 2007/137530 A2.
Das Entfernen des Polymers in Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht allgemein thermisch, chemisch, strahlenchemisch, physikalisch, biologisch, mit Plasma, Ultraschall oder durch Extraktion mit einem Lösungsmittel. Bevorzugt geschieht das Entfernen des Polymers thermisch mittels Kalzinierung. Die Kalzinierung erfolgt dabei allgemein über einen Zeitraum von 1 bis 24 Stunden, bevorzugt über einen Zeitraum von 3 bis 6 Stunden bei einer Temperatur von 250 bis 9000C, bevorzugt bei einer Temperatur von 300 bis 8000C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 400 bis 700°C unter einer Atmosphäre, die neben Stickstoff zusätzlich Sauerstoff oder Wasserstoff enthalten kann. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird die Kalzinierung in einer Atmosphäre die ca. 78 Vol.-% Stickstoff, 21 Vol.-% Sauerstoff oder in reinem Stickstoff oder in einer Mischung aus Stickstoff mit Wasserstoff (1 bis 4 Vol.-%) oder in einer Mischung aus Stickstoff mit Sauerstoff (> 21 Vol.%) durchgeführt. Die nach dem Kalzinieren erhaltenen Metalloxidfasern haben einen Durchmesser im Bereich von 0,1 nm bis 999 nm, bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 300 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 200 nm, sowie ein Aspektverhältnis von > 10 zu 1 , bevorzugt > 100 zu 1. Die Fasern weisen somit eine Länge im Bereich von mehreren μm bis hin zu einigen mm auf.The removal of the polymer in step (c) of the process according to the invention is generally carried out thermally, chemically, by radiation chemistry, physically, biologically, by plasma, ultrasound or by extraction with a solvent. The removal of the polymer preferably takes place thermally by means of calcining. The calcination is carried out generally over a period of 1 to 24 hours, preferably over a period of 3 to 6 hours at a temperature of 250 to 900 0 C, preferably at a temperature of 300 to 800 0 C, more preferably at a temperature of 400 to 700 ° C under an atmosphere which may contain in addition to nitrogen additionally oxygen or hydrogen. According to preferred embodiments of the invention, the calcination is carried out in an atmosphere containing about 78% by volume of nitrogen, 21% by volume of oxygen or in pure nitrogen or in a mixture of nitrogen with hydrogen (1 to 4% by volume) or a mixture of nitrogen with oxygen (> 21 vol.%). The metal oxide fibers obtained after calcining have a diameter in the range of 0.1 nm to 999 nm, preferably in the range of 10 nm to 300 nm, particularly preferably in the range of 50 nm to 200 nm, and an aspect ratio of> 10 to 1, preferably> 100 to 1. The fibers thus have a length in the range of several μm up to a few mm.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Nanofasern nach dem Elektrospinnen und vor dem Kalzinieren getrocknet. Die Trocknung der Nanofasern erfolgt dabei üblicherweise bei einer Temperatur von 80 bis 1800C, bevorzugt bei einer Temperatur von 100 bis 1500C in Umgebungsatmosphäre an der Luft oder im Vakuum.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Metallfasern zur Verfügung gestellt, bei dem in einem weiteren Verfahrensschritt (d) die in Verfahrensschritt (c) erhaltenen Metalloxidfasern zu den korrespondierenden Metallfasern reduziert werden. Dem Fachmann ist allgemein bekannt, wie er Metalloxide zu den entsprechenden Metallen reduzieren kann. Geeignete Reduktionsmittel sind dabei Wasserstoff, Kohlenmonoxid, gasförmige Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoff, ferner Metalle, die weniger edel sind, d.h. ein negatives Standardpotenzial haben, als das zu reduzierende Metall, des Weiteren Natriumborhydrid, Lithiumaluminiumhydrid, Alkohole und Aldehyde. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin- düng können die Metalloxidfasern elektrochemisch reduziert werden. Der Fachmann kann diese Reduktionsmethoden mit Hilfe seines allgemeinen Fachwissens anwenden und erhält dadurch die korrespondierenden Metallfasern mit einem Durchmesser < 1 μm und einem Aspektverhältnis von > 10 zu 1.According to one embodiment of the invention, the nanofibers are dried after electrospinning and before calcination. The drying of the nanofibers is usually carried out at a temperature of 80 to 180 0 C, preferably at a temperature of 100 to 150 0 C in ambient atmosphere in air or in vacuo. According to a further embodiment of the invention, a process for the production of metal fibers is provided in which in a further process step (d) the metal oxide fibers obtained in process step (c) are reduced to the corresponding metal fibers. It is well known to those skilled in the art how to reduce metal oxides to the corresponding metals. Suitable reducing agents are hydrogen, carbon monoxide, gaseous hydrocarbons, carbon, furthermore metals which are less noble, ie have a negative standard potential, than the metal to be reduced, furthermore sodium borohydride, lithium aluminum hydride, alcohols and aldehydes. According to a further embodiment of the invention, the metal oxide fibers can be reduced electrochemically. The person skilled in the art can apply these reduction methods with the aid of his general knowledge and thereby obtains the corresponding metal fibers with a diameter <1 μm and an aspect ratio of> 10 to 1.
Die erfindungsgemäßen Metall- und Metalloxidfasern weisen einen Durchmesser von < 1 μm, bevorzugt < 300 nm auf und haben eine Länge von 10 μm bis hin zu mehreren Millimetern.The metal and metal oxide fibers according to the invention have a diameter of <1 .mu.m, preferably <300 nm and have a length of 10 .mu.m up to several millimeters.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ergeben sich dabei vielfältige Möglichkeiten für die Herstellung unterschiedlicher Metalloxid- und Metallfasern, basierend auf dem Elektro- spinnen von Polymer/Metallverbindung/Lösungsmittel/Komplexbildner enthaltenden Lösungen und gegebenenfalls anschließender Reduktion. Die erhaltenen Nanofasern weisen eine Vielzahl von interessanten magnetischen, elektrischen und katalytischen Eigenschaften auf. Sie sind daher viel versprechende neue Materialien für verschiede- ne und funktionelle Bauteile in der Mikroelektronik und Optoelektronik. Auch für Anwendungen in Katalyse und Filtration ergeben sich vielfältige Möglichkeiten.With the aid of the present invention, there are manifold possibilities for the production of different metal oxide and metal fibers, based on the electrospinning of solutions containing polymer / metal compound / solvent / complexing agent and optionally subsequent reduction. The resulting nanofibers have a variety of interesting magnetic, electrical and catalytic properties. They are therefore promising new materials for various and functional components in microelectronics and optoelectronics. There are also many possibilities for applications in catalysis and filtration.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele näher erläutert:The invention is further illustrated by the following examples and comparative examples:
Vergleichsbeispiel 1Comparative Example 1
Herstellung von Nanofasern aus Zinkoxid ohne Verwendung eines Komplexbildners:Preparation of nanofibers from zinc oxide without the use of a complexing agent:
Eine Lösung bestehend aus 7,5 Gew.-% Polyvinylalkohol (PVA) 7,5 Gew.-% Zinkace- tat-dihydrat und 85 Gew.-% Wasser wurde mit einem Elektrospinngerät gemäß der WO 2006/131081 A1 zu Nanofasern versponnen (Elektrodenabstand: 20 cm; Spannung: 82 kV). Die erhaltenen Nanofasern wurden zunächst getrocknet (2 Stunden bei 1000C) und anschließend zu Zinkoxid-Nanofasern kalziniert (4600C, Luftatmosphäre). Die ras- terelektronenmikroskopische Aufnahme zeigte vor der Kalzinierung miteinander verschmolzene Nanofasern mit unterschiedlichen Durchmessern. Ein Aspektverhältnis
konnte aufgrund dieser Morphologie (miteinander verschmolzene Fasern) nicht angegeben werden. Nach der Kalzinierung kann eine Fasermorphologie nicht mehr beobachtet werden.A solution consisting of 7.5% by weight of polyvinyl alcohol (PVA), 7.5% by weight of zinc acetate dihydrate and 85% by weight of water was spun into nanofibers using an electrospinning apparatus according to WO 2006/131081 A1 (electrode spacing : 20 cm, voltage: 82 kV). The nanofibers obtained were first dried (2 hours at 100 0 C) and then calcined to zinc oxide nanofibers (460 0 C, air atmosphere). The scanning electron micrograph showed, prior to calcination, fused nanofibers of different diameters. An aspect ratio could not be given due to this morphology (fused together fibers). After calcination, fiber morphology can no longer be observed.
Beispiel 1example 1
Herstellung von Nanofasern aus Zinkoxid unter Verwendung eines Komplexbildners:Preparation of nanofibers from zinc oxide using a complexing agent:
Eine Lösung bestehend aus 7,0 Gew.-% Polyvinylalkohol (PVA), 6,8 Gew.-% Zinkace- tat-dihydrat, 3,0 Gew.-% Zitronensäure und 83,2 Gew.-% Wasser wurde mit einem Elektrospinngerät gemäß der WO 2006/131081 A1 zu Nanofasern versponnen (Elektrodenabstand: 20 cm; Spannung: 82 kV). Die erhaltenen Nanofasern wurden zunächst getrocknet (2h bei 1000C) und anschließend zu Zinkoxid-Nanofasern kalziniert (4800C, Luftatmosphäre). Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen diskrete Nanofasern, die vor der Kalzinierung einen Durchmesser von durchschnittlich 200 bis 400 nm haben und nach der Kalzinierung einen Durchmesser von durchschnittlich 70 bis 120 nm aufweisen. In beiden Fällen ist das Aspektverhältnis > 100 zu 1.A solution consisting of 7.0% by weight of polyvinyl alcohol (PVA), 6.8% by weight of zinc acetate dihydrate, 3.0% by weight of citric acid and 83.2% by weight of water was treated with an electrospinning machine according to WO 2006/131081 A1 spun into nanofibers (electrode spacing: 20 cm, voltage: 82 kV). The nanofibers obtained were first dried ( 2 h at 100 0 C) and then calcined to zinc oxide nanofibers (480 0 C, air atmosphere). The scanning electron micrographs show discrete nanofibers, which have an average diameter of 200 to 400 nm before calcination and have an average diameter of 70 to 120 nm after calcination. In both cases the aspect ratio is> 100 to 1.
Vergleichsbeispiel 2Comparative Example 2
Herstellung von Nanofasern aus Aluminium-dotiertem Zinkoxid ohne Verwendung eines Komplexbildners:Preparation of nanofibers from aluminum-doped zinc oxide without using a complexing agent:
Eine Lösung bestehend aus 6,3 Gew.-% Polyvinylalkohol (PVA), 6,3 Gew.-% Zinkace- tat-dihydrat, 0,33 Gew.-% Aluminiumnitrat-nonahydrat, 77,8 Gew.-% Wasser und 9,3 Gew.-% Ethanol wurde mit einem Elektrospinngerät analog WO 2006/131081 A1 zu Nanofasern versponnen (Elektrodenabstand: 12 cm; Spannung: 65 kV). Die erhaltenen Nanofasern wurden zunächst getrocknet (2h bei 100°C) und anschließend zu Aluminium-dotierten Zinkoxid-Nanofasern kalziniert (4600C, Luftatmosphäre). Die rasterelekt- ronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen sowohl vor der Kalzinierung als auch nach der Kalzinierung miteinander verschmolzene Nanofasern mit unterschiedlichen Durchmessern. Ein Aspektverhältnis konnte aufgrund dieser Morphologie (miteinander verschmolzene Fasern) nicht bestimmt werden.A solution consisting of 6.3% by weight of polyvinyl alcohol (PVA), 6.3% by weight of zinc acetate dihydrate, 0.33% by weight of aluminum nitrate nonahydrate, 77.8% by weight of water and 9 , 3% by weight of ethanol was spun into nanofibers using an electrospinning machine similar to WO 2006/131081 A1 (electrode spacing: 12 cm, voltage: 65 kV). The resulting nanofibers were first dried (2 h at 100 ° C) and then calcined to aluminum-doped zinc oxide nanofibers (460 0 C, air atmosphere). The scanning electron micrographs show fused nanofibers with different diameters both before calcination and after calcining. An aspect ratio could not be determined due to this morphology (fused together fibers).
Beispiel 2Example 2
Herstellung von Nanofasern aus Aluminium-dotierten Zinkoxid (AZO) unter Verwendung eines KomplexbildnersPreparation of Nanofibers from Aluminum-doped Zinc Oxide (AZO) Using a Complexing Agent
Ein Lösung bestehend aus 6,8 Gew.-% Polyvinylalkohol (PVA), 6,8 Gew.-% Zinkace- tat-dihydrat, 0,35 Gew.-% Aluminiumnitrat-nonahydrat, 3,0 Gew.-% Zitronensäure und
83 Gew.-% Wasser wurde mit einem Elektrospinngerät gemäß der WO 2006/131081 A1 zu Nanofasern versponnen (Elektrodenabstand: 20 cm, Spannung 82 kV). Die erhaltenen Nanofasern wurden zunächst getrocknet (2 h bei 1000C) und anschließend zu Aluminium-dotierten Zinkoxid-Nanofasern kalziniert (4800C, Luftatmosphäre). Die ras- terelektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen diskrete Nanofasern, die vor der Kalzinierung einen Durchmesser von durchschnittlich 100 bis 200 nm und nach der Kalzinierung einen Durchmesser von durchschnittlich 70 bis 120 nm aufweisen. In beiden Fällen ist das Aspektverhältnis > 100 zu 1.A solution consisting of 6.8 wt .-% polyvinyl alcohol (PVA), 6.8 wt .-% zinc acetate dihydrate, 0.35 wt .-% aluminum nitrate nonahydrate, 3.0 wt .-% citric acid and 83 wt .-% water was spun with an electrospinning machine according to WO 2006/131081 A1 to nanofibers (electrode spacing: 20 cm, voltage 82 kV). The resulting nanofibers were first dried (2 h at 100 0 C) and then calcined to aluminum-doped zinc oxide nanofibers (480 0 C, air atmosphere). The scanning electron micrographs show discrete nanofibers with an average diameter of 100 to 200 nm before calcination and an average diameter of 70 to 120 nm after calcination. In both cases the aspect ratio is> 100 to 1.
Beispiel 3Example 3
Herstellung von Nanofasern aus Aluminium-dotiertem Zinkoxid (AZO) unter Verwendung von Zinkeitrat, Aluminiumnitrat und Zitronensäure:Preparation of Nanofibers from Aluminum-doped Zinc Oxide (AZO) Using Zinotin Rat, Aluminum Nitrate and Citric Acid:
Eine Lösung bestehend aus 6,8 Gew.-% Polyvinylalkohol (PVA), 6,3 Gew.-% Zinkcit- rat-dihydrat, 0,35 Gew.-% Aluminiumnitrat-nonahydrat, 0,2 Gew.-% Zitronensäure, 71 Gew.-% Wasser, 10 Gew.-% Ethanol sowie 5,2 Gew.-% einer 25%igen wässrigen Ammoniaklösung wurde mit einem Elektrospinngerät gemäß der WO 2006/131081 A1 zu Nanofasern versponnen (Elektrodenabstand: 20 cm; Spannung: 70 kV). Die erhal- tenen Nanofasern wurden zunächst getrocknet (2h bei 1000C) und anschließend zu Aluminium-dotierten Zinkoxid-Fasern kalziniert (480°C, Luftatmosphäre). Die raster- elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen diskrete Nanofasern, die vor der Kalzinierung einen Durchmesser von durchschnittlich 300 bis 400 nm und nach der Kalzinierung einen Durchmesser von durchschnittlich 250 bis 300 nm haben. In beiden Fäl- len ist das Aspektverhältnis größer 100 zu 1.
A solution consisting of 6.8% by weight of polyvinyl alcohol (PVA), 6.3% by weight of zinc citrate dihydrate, 0.35% by weight of aluminum nitrate nonahydrate, 0.2% by weight of citric acid, 71 Wt .-% water, 10 wt .-% ethanol and 5.2 wt .-% of a 25% aqueous ammonia solution was spun with an electrospinning machine according to WO 2006/131081 A1 to nanofibers (electrode spacing: 20 cm, voltage: 70 kV ). The conservation requested nanofibers were first dried (2 h at 100 0 C) and then aluminum-doped zinc oxide fibers, calcined (480 ° C, air atmosphere). The scanning electron micrographs show discrete nanofibers with an average diameter of 300 to 400 nm before calcining and an average diameter of 250 to 300 nm after calcination. In both cases the aspect ratio is greater than 100 to 1.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung von Metalloxidfasern mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 999 nm durch Elektrospinnen einer Lösung enthaltend ein oder mehrere Polymer(e), ein oder mehrere Metallsalz(e), einen oder mehrere Komplexbildner sowie ein Lösungsmittel umfassend die Schritte:A process for preparing metal oxide fibers having a diameter in the range of 0.1 to 999 nm by electrospinning a solution containing one or more polymer (s), one or more metal salt (s), one or more complexing agents and a solvent comprising the steps :
(a) Bereitstellen einer Lösung enthaltend ein oder mehrere Polymer(e), ein oder mehrere Metallsalz(e), einen oder mehrere Komplexbildner sowie ein Lösungsmittel, wobei die Lösung einen Wassergehalt von mindestens(A) providing a solution containing one or more polymer (s), one or more metal salt (s), one or more complexing agents and a solvent, wherein the solution has a water content of at least
50 Gew.-% aufweist,50% by weight,
(b) Elektrospinnen der Lösung und(b) electrospinning the solution and
(c) Entfernen des Polymers.(c) removing the polymer.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe Polyether, Polyethylenoxide, Polyvinylalkohole, Polyvinylalkohol-Polyvinylacetat- Copolymere, Polyvinylacetate, Polyvinylpyrrolidone, Polyacrylsäuren, Polyu- rethane, Polyactide, Polyglycoside, Polyvinylformamide, Polyvinylamine, Polyvi- nylimine und Polyacrylnitrile oder eine Mischung von zweien oder mehreren der der vorstehend genannten Polymere ist.2. The method of claim 1, wherein the polymer is selected from the group consisting of polyethers, polyethylene oxides, polyvinyl alcohols, polyvinyl alcohol-polyvinyl acetate copolymers, polyvinyl acetates, polyvinylpyrrolidones, polyacrylic acids, polyurethanes, polyactides, polyglycosides, polyvinylformamides, polyvinylamines, Polyvi- nylimine and polyacrylonitriles or a mixture of two or more of the aforementioned polymers.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metallsalz ein Metallsalz eines Metalls ausgewählt aus der Gruppe Cu, Ag, Au, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W,3. The method of claim 1 or 2, wherein the metal salt is a metal salt of a metal selected from the group Cu, Ag, Au, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W,
Mn, Re, Fe, Ru, Ni, Pd, Co, Rh, Ir, Sb, Sn, In, AI, Ga, und Zn ist.Mn, Re, Fe, Ru, Ni, Pd, Co, Rh, Ir, Sb, Sn, In, Al, Ga, and Zn.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Komplexbildner ausgewählt ist aus der Gruppe der Monocarbonsäuren, Dicarbonsäuren, Tricarbonsäu- ren, Hydroxycarbonsäuren, Ketocarbonsäuren, Diketonen, Aminosäuren, Amino- polycarbonsäuren, polymergebundenen Carbonsäuren, Aminen, Diaminen, Ammoniak, Halogenid-Ionen und Hydroxid-Ionen.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the complexing agent is selected from the group of monocarboxylic acids, dicarboxylic acids, tricarboxylic acids, hydroxycarboxylic acids, ketocarboxylic acids, diketones, amino acids, amino polycarboxylic acids, polymer-bound carboxylic acids, amines, diamines, ammonia, halide Ions and hydroxide ions.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Komplexbildner Zitro- nensäure oder ein Salz davon ist.5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the complexing agent is citric acid or a salt thereof.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lösungsmittel neben Wasser ein oder mehrere weitere Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe, Methanol, Ethanol, n-Propanol, 2-Propanol, n-Butanol, iso-Butanol, tert.-Butanol, Cyclohexanol, Ameisensäure, Essigsäure, Trifluoressigsäure, Diethylamin, Dii- sopropylamin, Phenylethylamin, Aceton, Acetylaceton, Acetonitril, Diethylen- glykol, Formamid, Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethy- lacetamid, N-Methylpyrrolidon und Tetrahydrofuran enthält.6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the solvent in addition to water, one or more further solvents selected from the group consisting of methanol, ethanol, n-propanol, 2-propanol, n-butanol, iso-butanol, tert-butanol , Cyclohexanol, formic acid, acetic acid, trifluoroacetic acid, diethylamine, diisopropylamine, phenylethylamine, acetone, acetylacetone, acetonitrile, diethylene glycol, formamide, dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and tetrahydrofuran.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Entfernen des Polymers thermisch, chemisch, strahlenchemisch, physikalisch, mit Plasma, Ultraschall o- der durch Extraktion mit einem Lösungsmittel erfolgt.7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the removal of the polymer takes place thermally, chemically, radiation-chemically, physically, with plasma, ultrasound or by extraction with a solvent.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Anschluss an das Entfernen des Polymers in Verfahrensschritt (c) eine Reduktion der Metalloxidfasern zu den korrespondierenden Metallfasern erfolgt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein subsequent to the removal of the polymer in process step (c), a reduction of the metal oxide fibers to the corresponding metal fibers.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das das Molverhältnis von Metallsalz zu Komplexbildner in der in Verfahrensschritt (a) bereitgestellten Lösung im Bereich von 1 : 0,2 bis 1 : 1 liegt.9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the molar ratio of metal salt to complexing agent in the solution provided in step (a) in the range of 1: 0.2 to 1: 1.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die in Verfahrensschritt (a) bereitgestellte Lösung einen Polymergehalt von mindestens 1 Gew.-% aufweist.10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the provided in step (a) solution has a polymer content of at least 1 wt .-%.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Reduktion der Metall- oxidfasern mit Hilfe eines Reduktionsmittels ausgewählt aus der Gruppe Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenstoff, einem Metall mit einem niedrigeren Standardpotential als das zu reduzierende Metall, Natriumborhydrid, Lithiumaluminiumhydrid, Alkoholen und Aldehyden erfolgt.1 1. The method according to any one of claims 8 to 10, wherein the reduction of the metal oxide fibers with the aid of a reducing agent selected from the group hydrogen, carbon monoxide, carbon, a metal having a lower standard potential than the metal to be reduced, sodium borohydride, lithium aluminum hydride, alcohols and aldehydes take place.
12. Metalloxidfasern, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.12. Metal oxide fibers obtainable by a process according to one of claims 1 to 7.
13. Metallfasern, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1.13. Metal fibers obtainable by a process according to any one of claims 8 to 11.
14. Metall- oder Metalloxidfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Fasern einen Durchmesser von < 1 μm ein Aspektverhältnis von > 10 zu 1 aufweisen. 14. metal or metal oxide fibers according to any one of claims 1 to 12, wherein the fibers have a diameter of <1 micron, an aspect ratio of> 10 to 1.
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