WO2008049397A2 - Method for producing nano- and mesopolymer fibers by electrospinning polyelectrolytes of opposite charge - Google Patents
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Abstract
The invention relates to a method for producing polymer fibers, especially nano- and mesofibers, according to the electrospinning technique, wherein an aqueous solution including polyelectrolytes of opposite charge is electrospun. The fibers obtained according to said technique are stable in water. The solution to be spun can optionally contain at least one nonionic surfactant and/or at least one water-soluble polymer. The invention also relates to the fibers that can be obtained by said method.
Description
Verfahren zur Herstellung von Nano- und Mesopolymerfasern durch Elektrospinnen von Polyelektrolyten gegensätzlicher Ladung Process for the preparation of nano- and mesopolymer fibers by electrospinning polyelectrolytes of opposite charge
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern, insbesondere von Nano- und Mesofasem, wobei eine wässrige Lösung von gegensinnig geladenen Polyelektrolyten elektroversponnen wird, sowie mit diesem Verfahren erhältliche Fasern. Nach anschließendem Wasserkontakt erfolgt keine Desintegration der erfindungsgemäßen Fasern.
The present invention relates to a process for the preparation of polymer fibers, in particular of nano- and mesofasem, wherein an aqueous solution of oppositely charged polyelectrolytes is electro-spun, and fibers obtainable by this process. After subsequent contact with water there is no disintegration of the fibers according to the invention.
Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der ErfindungDescription and introduction of the general field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft die Gebiete makromolekulare Chemie, Verfahrenstechnik und Materialwissenschaften.The present invention relates to the fields of macromolecular chemistry, process engineering and materials science.
Stand der TechnikState of the art
Zur Herstellung von Nano- und Mesofasem sind dem Fachmann eine Vielzahl an Verfahren bekannt, von denen dem Elektrospinnverfahren („Electrospinning") derzeit die größte Bedeutung zukommt. Bei diesem Verfahren, welches beispielsweise von D.H. Reneker, H. D. Chun in Nanotechn. 7 (1996), Seite 216 f beschrieben ist, wird üblicherweise eine Polymerschmelze oder eine Polymerlösung an einer als Elektrode dienenden Kante einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Polymerschmelze oder Polymerlösung in einem elektrischen Feld unter geringem Druck durch eine mit einem Pol einer Spannungsquelle verbundene Kanüle extrudiert wird. Auf Grund der dadurch erfolgenden elektrostatischen Aufladung der Polymerschmelze oder Polymerlösung entsteht ein auf die Gegenelektrode gerichteter Materialstrom, der sich auf dem Weg zur Gegenelektrode verfestigt. In Abhängigkeit von den Elektrodengeometrien werden mit diesem Verfahren Vliese bzw. so genannte Nonwo- vens oder Ensambles geordneter Fasern erhalten.For the production of nanofibres and mesofasems, the skilled worker is familiar with a large number of processes, of which the electrospinning process is of greatest importance at present.This process, which is described, for example, by DH Reneker, HD Chun in Nanotechn. , Page 216 f, a polymer melt or a polymer solution is usually exposed to a high electric field at an edge serving as an electrode, which can be achieved, for example, by subjecting the polymer melt or polymer solution in an electric field under low pressure to a pole Due to the resulting electrostatic charging of the polymer melt or polymer solution, a material flow directed onto the counterelectrode, which solidifies on the way to the counterelectrode, is produced with this method depending on the electrode geometries called nonwovens or ensembles of ordered fibers.
In der DE 101 33 393 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Hohlfasern mit einem Innendurchmesser von 1 bis 100 nm offenbart, bei dem eine Lösung eines wasserunlöslichen Polymers - beispielsweise eine Poly-L-Iactid-Lösung in Dich- lormethan oder eine Polyamid-46-Lösung in Pyridin - elektroversponnen wird. Ein ähnliches Verfahren ist auch aus der WO 01/09414 A1 und der DE 103 55 665 A1 bekannt.
Aus DE 196 00 162 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Rasenmäherdraht oder textilen Flächengebilden bekannt, bei dem Polyamid, Polyester oder Polypropylen als fadenbildendes Polymer, ein maleinsäureanhydrid-modifizierter Po- lyethylen/Polypropylen-Kautschuk sowie ein oder mehrere Alterungsstabilisatoren zusammengegeben, aufgeschmolzen und miteinander vermischt werden, bevor diese Schmelze schmelzversponnen wird.DE 101 33 393 A1 discloses a process for producing hollow fibers having an inner diameter of 1 to 100 nm, in which a solution of a water-insoluble polymer-for example a poly-L-lactide solution in dichloromethane or a polyamide-46 Solution in pyridine - is electrospun. A similar method is also known from WO 01/09414 A1 and DE 103 55 665 A1. DE 196 00 162 A1 discloses a process for producing lawn mower wire or textile fabrics in which polyamide, polyester or polypropylene as a thread-forming polymer, a maleic anhydride-modified polyethylene / polypropylene rubber and one or more aging stabilizers are combined, melted together and melted together are mixed before this melt is melt-spun.
Die DE 10 2004 009 887 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fasern mit einem Durchmesser von < 50 μm durch elektrostatisches Verspinnen oder Versprühen einer Schmelze von mindestens einem thermoplastischen Polymeren.DE 10 2004 009 887 A1 relates to a process for the production of fibers with a diameter of <50 μm by electrostatic spinning or spraying of a melt of at least one thermoplastic polymer.
Durch das Elektrospinnen von Polymerschmelzen lassen sich nur Fasern mit Durchmessern größer 1 μm herstellen. Für eine Vielzahl von Anwendungen, z.B. Filtrationsanwendungen, werden jedoch Nano- und/oder Mesofasem mit einem Durchmesser von weniger als 1 μm benötigt, die sich mit den bekannten Elektro- spinnverfahren nur durch Einsatz von Polymerlösungen herstellen lassen.The electrospinning of polymer melts allows only fibers with diameters greater than 1 μm to be produced. For a variety of applications, e.g. Filtration applications, however, nano- and / or mesofasem are required with a diameter of less than 1 micron, which can be prepared by the known electrospinning process only by using polymer solutions.
Allerdings weisen diese Verfahren den Nachteil auf, dass die zu verspinnenden Polymere zunächst in Lösung gebracht werden müssen. Für wasserunlösliche Polymere, wie Polyamide, Polyolefine, Polyester und Polyurethane, müssen daher nicht-wässrige Lösungsmittel - regelmäßig organische Lösungsmittel - eingesetzt werden, die in der Regel toxisch, brennbar, reizend, explosiv und/oder korrosiv sind.
Bei wasserlöslichen Polymeren, wie Polyvinylalkohol, Polyethylenoxid, Polyvinyl- pyrrolidon oder Hydroxypropylcellulose, kann zwar auf den Einsatz nicht-wässriger Lösungsmittel verzichtet werden, jedoch sind die auf diese Weise erhaltenen Fasern naturgemäß in Wasser löslich, weshalb deren technische Anwendung stark eingeschränkt ist. Aus diesem Grund müssen diese Fasern nach dem Elektro- spinnen durch mindestens einen weiteren Verarbeitungsschritt, beispielsweise durch chemische Vernetzung, gegenüber Wasser stabilisiert werden, was einen erheblichen technischen Auswand darstellt und die Herstellungskosten der Fasern erhöht.However, these methods have the disadvantage that the polymers to be spun first have to be brought into solution. For water-insoluble polymers, such as polyamides, polyolefins, polyesters and polyurethanes, it is therefore necessary to use nonaqueous solvents - regularly organic solvents - which are generally toxic, flammable, irritant, explosive and / or corrosive. In the case of water-soluble polymers, such as polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone or hydroxypropylcellulose, although the use of nonaqueous solvents can be dispensed with, the fibers obtained in this way are naturally soluble in water, which is why their technical application is severely restricted. For this reason, after electrospinning, these fibers must be stabilized against water by at least one further processing step, for example by chemical crosslinking, which represents a considerable technical expense and increases the manufacturing costs of the fibers.
Die WO 2004 / 080681 A1 betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur elektrostatischen Verarbeitung von Polymerformulierungen. Die Polymerformulierungen können Lösungen, Dispersionen, Suspensionen, Emulsionen, Mischungen davon oder Polymerschmelzen sein. Als Verfahren zur elektrostatischen Verarbeitung ist unter Anderem Elektrospinning genannt. In der WO 2004 / 080681 A1 sind jedoch keine konkreten Polymerformulierungen erwähnt, die zum Elektrospinnen geeignet sind.WO 2004/080681 A1 relates to devices and methods for the electrostatic processing of polymer formulations. The polymer formulations may be solutions, dispersions, suspensions, emulsions, mixtures thereof or polymer melts. As a method of electrostatic processing, among others, electrospinning is mentioned. In WO 2004/080681 A1, however, no concrete polymer formulations are mentioned which are suitable for electrospinning.
In der WO 2004 / 048644 A2 ist die Elektrosynthese von Nanofasern und Nano- Composit-Filmen offenbart. Zum Elektroverspinnen werden Lösungen von geeigneten Ausgangssubstanzen eingesetzt. Gemäß der Beschreibung umfasst der Begriff „Lösungen" dabei auch heterogene Mischungen wie Suspensionen oder Dispersionen. Unter anderem können gemäß WO 2004 / 048644 A2 Fasern aus elektrisch leitfähigen Polymeren hergestellt werden. Diese werden gemäß WO
2004 / 046644 A2 bevorzugt aus den die entsprechenden Monomeren enthaltenden Lösungen erhalten.WO 2004/048644 A2 discloses the electrosynthesis of nanofibers and nano-composite films. For Elektroverspinnen solutions of suitable starting materials are used. According to the description, the term "solutions" also encompasses heterogeneous mixtures such as suspensions or dispersions, inter alia, fibers from electrically conductive polymers can be produced according to WO 2004/048644 A2 2004/046644 A2 preferably obtained from the solutions containing the corresponding monomers.
Die DE 10 2005 008 926 A1, „Verfahren zur Herstellung von Nano- und Mesofa- sern durch Elektrospinning von kolloidalen Dispersionen" betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern, wobei eine kolloidale Dispersion wenigstens eines im Wesentlichen wasserunlöslichen Polymers in einem wässrigen Medium elekt- roversponnen wird. In diesem Verfahren ist es erstmals gelungen, wässrige Polymerdispersionen mittels eines Elektrospinnverfahrens zu verspinnen, wobei PoIy- merfasern, insbesondere Nano- und Mesofasem, erhalten werden.DE 10 2005 008 926 A1, "Process for the Production of Nanofibres and Mesofibers by Electrospinning of Colloidal Dispersions" relates to a process for producing polymer fibers, wherein a colloidal dispersion of at least one substantially water-insoluble polymer is electrospun in an aqueous medium In this process, it has been possible for the first time to spin aqueous polymer dispersions by means of an electrospinning process, with polymer fibers, in particular nano- and mesofasem, being obtained.
Mit Hilfe des in DE 10 2005 008 926 A1 beschriebenen Verfahrens ist es gelungen, die vorstehend erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zur Herstellung von wasserstabilen Polymerfasern, insbesonde- re von Nano- und Mesofasern, nach dem Elektrospinnverfahren bereitszustellen, bei dem auf den Einsatz von nicht wässrigen Lösungsmitteln zur Herstellung einer Polymerlösung sowie eine Nachbehandlung der elektroversponnenen Fasern zur Stabilisierung derselben gegenüber Wasser verzichtet werden kann.With the aid of the process described in DE 10 2005 008 926 A1, it has been possible to avoid the above-mentioned disadvantages of the prior art and to provide a process for producing water-stable polymer fibers, in particular nano- and mesofibres, by the electrospinning process can be dispensed with the use of non-aqueous solvents for the preparation of a polymer solution and a post-treatment of the electro-spun fibers to stabilize the same with respect to water.
Die prioritätsältere nicht vorveröffentlichte Anmeldung EP 06119248.0 vom 21.08.2006 beschreibt ein gegenüber der DE 10 2005 008 926 A1 optimiertes Verfahren zum Elektrosverspinnen von wässrigen Polymerdispersionen, mit dem Polymerfasern mit optimierten strukturellen und/oder mechanischen Eigenschaften erhalten werden können. Dabei wird eine kolloidale Dispersion wenigstens ei- nes im Wesentlichen wasserunlöslichen Polymers in einem wässrigen Medium
elektroversponnen. Das Verfahren gemäß EP 06119248.0 ist dadurch gekennzeichnet, dass die kolloidale Dispersion mindestens ein nichtionisches Tensid enthält.EP 06119248.0 dated 21.08.2006, which has priority over prior unpublished applications, describes a process optimized for the electrospinning of aqueous polymer dispersions which is optimized with respect to DE 10 2005 008 926 A1 and with which polymer fibers having optimized structural and / or mechanical properties can be obtained. In this case, a colloidal dispersion of at least one substantially water-insoluble polymer in an aqueous medium electrospun. The process according to EP 06119248.0 is characterized in that the colloidal dispersion contains at least one nonionic surfactant.
Mit dem Verfahren gemäß EP 06119248.0 können Fasern mit einer hohen Wasserbeständigkeit erhalten werden, die sich durch eine gute mechanische Stabilität auszeichnen. Es ist möglich, mit dem Verfahren gemäß EP 06119248.0 Nano- und Mesofasem mit einem Durchmesser von weniger als 1 μm aus wässrigen Dispersionen herzustellen, so dass der Einsatz von nicht wässrigen, toxischen, brennbaren, reizenden, explosiven und/oder korrosiven Lösungsmitteln vermieden werden kann. Da die gemäß dem Verfahren gemäß EP 06119248.0 hergestellten Fasern aus im Wesentlichen wasserunlöslichen Polymeren aufgebaut sind, ist ein nachfolgender Verfahrensschritt zur Wasserstabilisierung der Fasern nicht erforderlich.With the method according to EP 06119248.0 fibers with a high water resistance can be obtained, which are characterized by a good mechanical stability. It is possible with the method according to EP 06119248.0 to produce nano- and mesofasem with a diameter of less than 1 μm from aqueous dispersions, so that the use of non-aqueous, toxic, combustible, irritating, explosive and / or corrosive solvents can be avoided , Since the fibers produced according to the process according to EP 06119248.0 are composed of essentially water-insoluble polymers, a subsequent process step for water stabilization of the fibers is not required.
Bislang gibt es jedoch kein Verfahren, dass es gestattet, wässrige Lösungen umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte zu Fasern zu verarbeiten und dabei Fasern zu erhalten, die nicht wasserlöslich sind.
So far, however, there is no method that allows aqueous solutions comprising oppositely charged polyelectrolytes to be processed into fibers, thereby obtaining fibers which are not water-soluble.
Aufgabetask
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Elektrospinnen wässriger Polymersysteme bereitzustellen, mit dem wasserstabile Polymerfasern erhalten werden können, bei denen keine Desintegration der Fasern nach anschließendem Wasserkontakt erfolgt.The object of the present invention is to provide a process for electrospinning aqueous polymer systems which can be used to obtain water-stable polymer fibers in which there is no disintegration of the fibers after subsequent contact with water.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei dem wäss- rige Lösungen umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte elektroverspon- nen werden.This object is achieved according to the invention by a process in which aqueous solutions comprising oppositely charged polyelectrolytes are electrospun.
Es wurde überraschenderweise gefunden,, dass wässrige Lösung von gegensin- ning geladenen Polyektrolyten nach dem Elektrospinnen in Wasser unlöslich sind. Bei anschließender Wasserbehandlung wird keine Desintegration der elektroge- sponnenen Fasern beobachtet.Surprisingly, it has been found that aqueous solutions of oppositely charged polyelectrolytes are insoluble in water after electrospinning. Upon subsequent water treatment, no disintegration of the electrospun fibers is observed.
Gegenüber dem bisherigen technischen Stand können jetzt auch wasserlösliche Polymere mit Hilfen von Polyektrolyten aus wässrigen Systemen versponnen werden, ohne dass eine weitere Nachbehandlung, z. B. thermische oder photochemische Vernetzung, notwendig ist. Damit wird die Verwendung von korrosiven, toxischen, brennbaren, reizenden, explosiven etc. Lösungsmitteln obsolet. Die da- durch vielfach notwendige Verwendung wasserlöslicher Polymere mit anschließendem Vernetzungsschritt wird unnötig, woraus wesentliche technische Vorteile resultieren.Compared to the prior art, water-soluble polymers can now also be spun with the aid of polyelectrolytes from aqueous systems, without any further after-treatment, eg. As thermal or photochemical crosslinking is necessary. Thus, the use of corrosive, toxic, combustible, irritating, explosive, etc. solvents is obsolete. The often necessary use of water-soluble polymers with subsequent crosslinking step becomes unnecessary, resulting in significant technical advantages.
Polyelektrolyte sind Polymere, die an jeder Repetiereinheit ionische Gruppen tra- gen. Damit die Polyektrolyteigenschaften hervortreten, muss es zur Dissoziation kommen, die jedoch selbst in Wasser eingeschränkt sein kann. Durch entsprechende Zusätze, z. B. Säuren oder Basen, kann die Dissoziationsfähigkeit und damit die Polyektrolytstärke gesteigert werden. Werden gegensinnig geladene Po-
lyektrolyte eingesetzt, kann es unter Ladungsausgleich zur Bildung von Polyektro- lytenkomplexen kommen, die in der Regel nur schwer wieder hydrolysierbar sind.Polyelectrolytes are polymers that carry ionic groups at each repeat unit. In order for the electrolyte properties to emerge, dissociation must occur, but this may be limited even in water. By appropriate additives, for. As acids or bases, the dissociation ability and thus the Polyektrolytstärke can be increased. If oppositely charged posi- When electrolytes are used, charge balance can lead to the formation of polyelectrolyte complexes, which are generally difficult to rehydrolysable.
Es gibt eine Reihe technisch verfügbarer Polyelektrolyte bzw. Polymere, die durch Säure bzw. Basenbehandlung Polyektrolytcharakter annehmen. Beispielsweise, aber nicht erschöpfend, seien genannt:There are a number of technically available polyelectrolytes or polymers which assume the character of an electrolyte by means of acid or base treatment. For example, but not exhaustive, may be mentioned:
Positiv geladene Polyektrolyte: Polyvinylamin, Poly(diallyldimethyl- ammoniumchlorid), Polypyridin, Polyethylenimin.Positively charged polyelectrolytes: polyvinylamine, poly (diallyldimethylammonium chloride), polypyridine, polyethylenimine.
Negativ geladene Polyelektrolyte: Polyacrylsäure, Polyalkohol, Polystyrolsulfon- säure.Negatively charged polyelectrolytes: polyacrylic acid, polyalcohol, polystyrenesulfonic acid.
Dem Fachmann sind zahlreich weitere Polyelektrolyte bekannt. Er kann sie einsetzen, ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen.Numerous other polyelectrolytes are known to the person skilled in the art. He can use them without departing from the scope of the claims.
Geeignete Basen, mit deren Hilfe die Polyelektrolytstärke der erfindungsgemäß einzusetzenden negativ geladenen Polyelektrolyten eingestellt werden kann, sind beispielsweise, aber nicht erschöpfend, LiOH, NaOH, KOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2 und Ba(OH)2.Suitable bases by means of which the polyelectrolyte strength of the negatively charged polyelectrolytes to be used according to the invention can be adjusted, for example, but not exhaustively, LiOH, NaOH, KOH, Ca (OH) 2 , Mg (OH) 2 and Ba (OH) 2 .
Erfindungsgemäß werden ladungstragende Gruppen der eingesetzten Polysäuren zu 0,01 bis 99,99 % vor dem Elektrospinnen neutralisiert, bevorzugt zu 0,1 bis 10 % und besonders bevorzugt zu 0,1 bis 1 %.According to the invention, charge-carrying groups of the polyacids used are neutralized to from 0.01 to 99.99% before electrospinning, preferably from 0.1 to 10% and particularly preferably from 0.1 to 1%.
Geeignete Säuren, mit deren Hilfe die Polyelektrolytstärke der erfindungsgemäß einzusetzenden positiv geladenen Polyelektrolyte eingestellt werden kann, sind beispielsweise, aber nicht erschöpfend, HCl, HBr, Hl, H2SO4.Suitable acids, with the aid of which the polyelectrolyte strength of the positively charged polyelectrolytes to be used according to the invention can be adjusted, are, for example but not exhaustive, HCl, HBr, Hl, H 2 SO 4 .
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Fremdionenzusätze entfernt, bevor die Lösung elektroversponnen wird. Dem Fachmann ist bekannt, wie er Fremdionen entfernen kann, beispielsweise mit Hilfe von Ionenaustauschern.In a preferred embodiment, impurity additives are removed before the solution is electrospun. The person skilled in the art knows how to remove foreign ions, for example with the aid of ion exchangers.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das molare Verhältnis der negativ geladenen zu den positiv geladenen Polyelektrolyten 6:4 bis 4:6, besonders bevorzugt 1:1.In a preferred embodiment, the molar ratio of the negatively charged to the positively charged polyelectrolytes is 6: 4 to 4: 6, more preferably 1: 1.
Bei dem wässrigen Medium, in dem die Polyelektrolyte vorliegen, handelt es sich im Allgemeinen um Wasser. Das wässrige Medium kann neben Wasser weitere
Zusatzstoffe enthalten, z.B. Zusatzstoffe zur Neutralisation ladungstragender Gruppen oder zur Veränderung von Leitfähigkeit und Oberflächenspannung der zu verspinnenden Lösung. Geeignete Zusatzstoffe sind dem Fachmann bekannt. Optional kann die zum Elektrospinnen eingesetzte wässrige Lösung von PoIy- elektrolyten mindestens ein nichtionisches Tensid enthalten.The aqueous medium in which the polyelectrolytes are present is generally water. The aqueous medium can in addition to water more Contain additives, such as additives for the neutralization of charge-carrying groups or for changing the conductivity and surface tension of the solution to be spun. Suitable additives are known in the art. Optionally, the aqueous solution of polyelectrolyte used for electrospinning may contain at least one nonionic surfactant.
Mit Hilfe nichtionischer Tenside können physikalische Eigenschaften der zu verspinnenden wässrigen Polyelektrolytlösungen gezielt verändert werden, beispielsweise Viskosität, Oberflächenspannung und Leitfähigkeit. Des Weiteren beeinflussen Nichtiontenside die Verfahrensbedingungen beim Elektrospinnen sowie die Stabilität und die Morphologie der erhaltenen Fasern, insbesondere im Falle von Meso- und Nanofasem.With the help of nonionic surfactants, physical properties of the aqueous polyelectrolyte solutions to be spun can be specifically changed, for example viscosity, surface tension and conductivity. Furthermore, nonionic surfactants influence the process conditions of electrospinning and the stability and morphology of the resulting fibers, especially in the case of meso- and nanofibers.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können grundsätzlich beliebige dem Fachmann bekannte Tenside eingesetzt werden.In principle, any surfactants known to the person skilled in the art can be used in the process according to the invention.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein wird angenommen, dass durch den Einsatz nichtionischer Tenside eine sterische Stabilisierung der Polyelektrolyte erzielt wird. Dadurch kann die mechanische Stabilität der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Fasern verbessert werden. Des Weiteren wurde gefunden, dass durch den Einsatz von nichtionischen Tensiden die Bildung von Fasern durch Elektrospinning gegenüber einem Versprühen der wässrigen Poyelektrolyt- lösung verbessert werden kann. Weiterhin wurde gefunden, dass durch die Anwesenheit von ionischen Tensiden eine Abnahme der Viskosität der kolloidalen Dispersion erreicht werden kann, wodurch die Herstellung dünnerer und kompakterer Fasern als ohne Zusatz von nichtionischen Tensiden möglich ist. Des Weiteren kann eine Zunahme der Leitfähigkeit der Dispersionen sowie eine Abnahme der Oberflächenspannung festgestellt werden.Without being bound by theory, it is believed that the use of nonionic surfactants provides steric stabilization of the polyelectrolytes. Thereby, the mechanical stability of the fibers obtained by the method according to the invention can be improved. Furthermore, it has been found that the use of nonionic surfactants can improve the formation of fibers by electrospinning compared with spraying the aqueous polyelectrolyte solution. Furthermore, it has been found that by the presence of ionic surfactants, a decrease in the viscosity of the colloidal dispersion can be achieved, whereby the production of thinner and more compact fibers than without addition of nonionic surfactants is possible. Furthermore, an increase in the conductivity of the dispersions and a decrease in the surface tension can be detected.
Geeignete nichtionische Tenside sind dem Fachmann bekannt und werden z.B. aus der Gruppe bestehend aus (Oligo)oxyalkylengruppen enthaltenden Tensiden, Kohlenhydratgruppen enthaltenden Tensiden und Aminoxiden ausgewählt.Suitable nonionic surfactants are known to those skilled in the art and are e.g. selected from the group consisting of (oligo) oxyalkylene-containing surfactants, carbohydrate-containing surfactants and amine oxides.
Unter „(Oligo)oxyalkylen" -(OR1)n- ist dabei zu verstehen, dass die (OH- go)oxyalkylengruppen enthaltenden Tenside eine oder mehrere Oxyalkylengrup-
pen aufweisen können. In der allgemeinen Formel -(OR1 )n- bedeutet R1 eine Alky- lengruppe, bevorzugt eine Alkylengruppe mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen und n steht für eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 , bevorzugt 3 bis 30. Dabei stellt n herstellungsbedingt üblicherweise einen Mittelwert der Zahl der Oxalkylengrup- pen dar. Wenn n größer als 1 ist, können die Reste R1 in den Oxalkylengruppen gleich oder verschieden sein.By "(oligo) oxyalkylene" - (OR 1 ) n - is to be understood that the (OH go) oxyalkylene groups containing surfactants one or more Oxyalkylengrup- may have pen. In the general formula - (OR 1 ) n -, R 1 is an alkylene group, preferably an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms and n is a natural number greater than or equal to 1, preferably 3 to 30. In this case, n is usually a When n is greater than 1, the radicals R 1 in the oxalkylene groups may be the same or different.
Geeignete (Oligo)oxalkylengruppen enthaltende Tenside sind z.B. ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (Oligo)oxyethylengruppen (= Polyethylenglycolgrup- pen) enthaltenden Tensiden, (Oligo)oxypropylengruppen enthaltenden Tensiden, (Oligo)oxybutylengruppen enthaltenden Tensiden und Tensiden, die zwei oder mehr verschiedene Oxyalkylengruppen, z.B. (Oligo)oxyethylengruppen und (Oli- go)oxypropylengruppen, in statistischer Reihenfolge oder in Form von Blöcken (Blockcopolymerisat) enthalten, z.B. Blockcopolymerisate auf Basis von Polypro- pylenoxid und Ethylenoxid. Bevorzugt sind die (Oligo)oxyalkylengruppen enthaltenden Tenside ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fettalkohol- alkoxylaten, alkoxylierten Triglyceriden und beidseitig alkylierten Polyalkylen- glykolethem. Geeignete Alkoxylate oder alkoxylierte Verbindungen sind z.B. Ethoxylate, Propoxylate, Butoxylate oder statistische oder Blockcopolymere (oder -oligomere) aufgebaut aus zwei oder mehr verschiedenen Alkoxylaten, z.B. Etho- xylaten und Propoxylaten.Suitable (oligo) oxalkylene group-containing surfactants are e.g. selected from the group consisting of (oligo) oxyethylene groups (= polyethylene glycol groups) surfactants, (oligo) oxypropylene group-containing surfactants, (oligo) oxybutylene group-containing surfactants, and surfactants containing two or more different oxyalkylene groups, e.g. (Oligo) oxyethylene groups and (oligo) oxypropylene groups, in random order or in the form of blocks (block copolymer), e.g. Block copolymers based on polypropylene oxide and ethylene oxide. The surfactants containing (oligo) oxyalkylene groups are preferably selected from the group consisting of fatty alcohol alkoxylates, alkoxylated triglycerides and polyalkylene glycol ethers alkylated on both sides. Suitable alkoxylates or alkoxylated compounds are e.g. Ethoxylates, propoxylates, butoxylates, or random or block copolymers (or oligomers) composed of two or more different alkoxylates, e.g. Ethoxylates and propoxylates.
Geeignete Kohlenhydratgruppen enthaltende Tenside sind z.B. ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkylpolyglycosiden, Saccharoseestern, Sorbina- nestern (Sorbitane), z.B. Polyoxyethylensorbitantrioleat, und Fettsäure-N- methylglucamiden (Fettsäureglucamide).Suitable carbohydrate group-containing surfactants are e.g. selected from the group consisting of alkyl polyglycosides, sucrose esters, sorbitan esters (sorbitans), e.g. Polyoxyethylene sorbitan trioleate, and fatty acid N-methylglucamides (fatty acid glucamides).
Wie aus der vorstehend genannten Gruppe von Tensiden hervorgeht, können die erfindungsgemäß geeigneten nichtionischen Tenside entweder (ON- go)oxyalkylengruppen oder Kohlenhydratgruppen oder sowohl (OH- go)oxyalkylengruppen als auch Kohlenhydratgruppen enthalten.
Geeignete Aminoxide sind insbesondere Alkyldimethylaminoxide.As can be seen from the above-mentioned group of surfactants, the nonionic surfactants suitable according to the invention may contain either (ON-go) oxyalkylene groups or carbohydrate groups or both (OH) oxyalkylene groups and carbohydrate groups. Suitable amine oxides are, in particular, alkyldimethylamine oxides.
Es ist möglich, einzelne Tenside oder Mischungen zweier oder mehrer Tenside in dem erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen.It is possible to use individual surfactants or mixtures of two or more surfactants in the process according to the invention.
Die vorstehend genannten nichtionischen Tenside sind dem Fachmann bekannt und kommerziell erhältlich oder nach dem Fachmann bekannten Verfahren herstellbar.The abovementioned nonionic surfactants are known to the person skilled in the art and are commercially available or can be prepared by processes known to the person skilled in the art.
Die erfindungsgemäßen nichtionischen Tenside können grundsätzlich in solchen Mengen in den wässrigen Lösungen enthalten sein, die nicht zur Koagulation führen. Die optimalen Mengen sind dabei unter anderem von dem eingesetzten Ten- sid und der Anwendungstemperatur abhängig. Bevorzugt ist das mindestens eine nichtionische Tensid in einer Menge von 0,5 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bis 5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der eingesetzten Polyelektroly- te, in den wässrigen Lösungen enthalten. Es wurde gefunden, dass besonders gute Verfahrensergebnisse - sowohl in Bezug auf die Bildung der Polymerfasern als auch in Bezug auf die Qualität, z.B. die mechanische Stabilität der Polymerfasern - erzielt werden, wenn 0,3 bis 1 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 1 Gew.-%, bezo- gen auf das Gesamtgewicht der wässrigen Lösung, des nichtionischen Tensids, z.B. eines Blockcopolymers auf Basis verschiedener Alkylenoxide, z.B. auf Basis von Propylenoxid und Ethylenoxid, eingesetzt werden.The nonionic surfactants according to the invention can in principle be present in amounts in the aqueous solutions which do not lead to coagulation. The optimum quantities depend, among other things, on the surfactant used and the application temperature. The at least one nonionic surfactant is preferably present in the aqueous solutions in an amount of from 0.5 to 10% by weight, particularly preferably from 0.3 to 5% by weight, based on the total weight of the polyelectrolyte used. It has been found that particularly good process results - both in terms of the formation of polymer fibers and in terms of quality, e.g. the mechanical stability of the polymer fibers is achieved when 0.3 to 1% by weight, preferably 0.5 to 1% by weight, based on the total weight of the aqueous solution, of the nonionic surfactant, e.g. a block copolymer based on various alkylene oxides, e.g. based on propylene oxide and ethylene oxide.
Das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in den wässrigen Polyelektrolytlö- sungen enthaltene mindestens eine nichtionische Tensid kann entweder bereits während der Herstellung der wässrigen Polyelektrolytlösungen oder nachträglich im Anschluss an die Herstellung der wässrigen Polyelektrolytlösungen zugegeben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das mindestens eine nichtionische Tensid nachträglich zu der fertigen wässrigen Polyelektrolytlösung vor Be- ginn des Elektrospinnverfahrens zugegeben.The at least one nonionic surfactant contained in the aqueous polyelectrolyte solutions according to the process of the invention can either be added during the preparation of the aqueous polyelectrolyte solutions or subsequently after the preparation of the aqueous polyelectrolyte solutions. In a preferred embodiment, the at least one nonionic surfactant is added subsequently to the final aqueous polyelectrolyte solution prior to the start of the electrospinning process.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die zu verspinnenden Polyelektrolyte nicht zwingend vernetzt sein müssen und auch die Vernetzung nach dem Elektroverspinnen nicht zwingend notwendig ist.
Optional können jedoch auch Lösungen vemetzter Polyelektrolyte oder Lösungen von Gemische vernetzter und unvemetzter Polyelektrolyte elektroversponnen werden, und/oder es kann optional nach dem Elektroverspinnen eine zusätzliche Vernetzung durchgeführt werden.A particular advantage of the present invention is that the polyelectrolytes to be spun do not necessarily have to be crosslinked and crosslinking after electrospinning is not absolutely necessary. Optionally, however, it is also possible to electrospun solutions of crosslinked polyelectrolytes or solutions of mixtures of crosslinked and unvarnished polyelectrolytes, and / or it is optionally possible to carry out additional crosslinking after electrospinning.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte neben den gegensinnig geladenen Polyelektrolyten und dem mindestens einen nichtionischen Tensid zusätzlich wenigstens ein wasserlösliches Polymer, wobei unter wasserlöslichem Polymer im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Polymer mit einer Löslichkeit in Wasser von mindestens 0,1 Gew.-% verstanden wird.According to a further preferred embodiment of the present invention, the solution comprising reversely charged polyelectrolytes in addition to the oppositely charged polyelectrolyte and the at least one nonionic surfactant additionally at least one water-soluble polymer, wherein water-soluble polymer according to the present invention, a polymer having a solubility in water of at least 0.1 wt .-% is understood.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann das bevorzugt zusätzlich in den Lösungen umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte vorliegende wenigs- tens eine wasserlösliche Polymer als sogenanntes Templatpolymer dienen. Mit Hilfe des Templatpolymers wird die Faserbildung aus der Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte (Elektrospinning) gegenüber einem Versprühen (Elektrospraying) weiter begünstigt. Das Templatpolymer dient dabei als eine Art „Klebstoff" für die Polyelektrolyte in der Spinnlösung.Without being bound by theory, it is preferred that at least one water-soluble polymer be used as the so-called template polymer in addition to the solutions comprising oppositely charged polyelectrolytes. With the help of the template polymer, the fiber formation from the solution comprising oppositely charged polyelectrolytes (electrospinning) is further favored over spraying (electrospraying). The template polymer serves as a kind of "glue" for the polyelectrolytes in the spinning solution.
Bei dem wasserlöslichen Polymer kann es sich um ein Homopolymer, Copolymer, Blockcopolymer, Pfropfcopolymer, Sternpolymer, hochverzweigtes Polymer, Dendrimer oder eine Mischung aus zwei oder mehreren der vorgenannten Polymertypen handeln. Nach den Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung be- schleunigt / begünstigt der Zusatz wenigstens eines wasserlöslichen Polymers nicht nur die Faserbildung. Es wird vielmehr auch die Qualität der erhaltenen Fasern deutlich verbessert.The water-soluble polymer may be a homopolymer, copolymer, block copolymer, graft copolymer, star polymer, hyperbranched polymer, dendrimer, or a mixture of two or more of the foregoing types of polymers. According to the findings of the present invention, the addition of at least one water-soluble polymer not only accelerates / promotes fiber formation. Rather, the quality of the resulting fibers is significantly improved.
Grundsätzlich können der Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektroly- te in einem wässrigen Medium alle dem Fachmann bekannten wasserlöslichen Polymere zugesetzt sein, wobei insbesondere mit aus der aus Polyvinylalkohol; Polyalkylenoxiden, z.B. Polyethylenoxiden; Poly-N-vinylpyrrolidon; Hydroxymethyl- cellulosen; Hydroxyethylcellulosen; Hydroxypropylcellulosen; Carboxymethylcellu- losen; Maleinsäuren; Alginaten; Collagenen; Kombinationen aufgebaut aus zwei
oder mehr der vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten, Copolymeren aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten, Pfropfcopolymeren aufgebaut aus zwei oder mehr der die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten, Sternpo- lymeren aufgebaut aus zwei oder mehr der die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten und Dendrimeren aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten bestehenden Gruppe ausgewählten wasserlöslichen Polymeren besonders gute Ergebnisse erzielt werden.In principle, the solution comprising oppositely charged polyelectrolytes in an aqueous medium may be admixed with all the water-soluble polymers known to the person skilled in the art, in particular with those of polyvinyl alcohol; Polyalkylene oxides, eg polyethylene oxides; Poly-N-vinylpyrrolidone; Hydroxymethylcelluloses; hydroxyethylcelluloses; hydroxypropyl; Carboxymethylcelluloses; maleic; alginates; collagens; Combinations made up of two or more of the above-mentioned polymer-forming monomer units, copolymers composed of two or more of the above-mentioned polymer-forming monomer units, graft copolymers composed of two or more of the above-mentioned polymers forming monomer units, star polymers formed from two or more of the above-mentioned polymers Monomer units and dendrimers composed of two or more of the aforementioned polymer-forming monomer units existing group selected water-soluble polymers particularly good results can be achieved.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das wasserlösliche Polymer ausgewählt aus Polyvinylalkohol, Polyethylenoxiden und PoIy-N- vinylpyrrolidon. Die vorstehend genannten wasserlöslichen Polymere sind kommerziell erhältlich bzw. können gemäß dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt werden.In a preferred embodiment of the present invention, the water-soluble polymer is selected from polyvinyl alcohol, polyethylene oxides and poly-N-vinylpyrrolidone. The abovementioned water-soluble polymers are commercially available or can be prepared according to processes known to those skilled in the art.
Unabhängig von der Ausführungsform beträgt der Feststoffgehalt der erfindungsgemäß einzusetzenden Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte - bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung - vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 50 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 10 bis 40 Gew.-%.Regardless of the embodiment, the solids content of the solution to be used according to the invention comprising oppositely charged polyelectrolytes - based on the total weight of the solution - preferably 5 to 60 wt .-%, more preferably 10 to 50 wt .-% and most preferably 10 to 40 wt. -%.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die in dem erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzende Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte mindestens ein nichtionisches Tensid und gegebenenfalls wenigstens ein wasserlösliches Polymer in einem wässrigen Medium, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, 0 bis 25 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 20 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 1 bis 15 Gew.-%, wenigstens eines wasserlöslichen Polymers.
Somit enthalten die erfindungsgemäß eingesetzten Lösungen umfassen gegensinnig geladene Polyelektrolyte in einer bevorzugten Ausführungsform, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge der Lösung,In a further embodiment of the present invention, the solution comprising oppositely charged polyelectrolytes in the process according to the invention contains at least one nonionic surfactant and optionally at least one water-soluble polymer in an aqueous medium, based on the total weight of the solution, from 0 to 25% by weight preferably 0.5 to 20 wt .-% and most preferably 1 to 15 wt .-%, of at least one water-soluble polymer. Thus, the solutions used according to the invention comprise oppositely charged polyelectrolytes in a preferred embodiment, in each case based on the total amount of the solution,
i. 5 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bisi. 5 to 60 wt .-%, preferably 10 to 50 wt .-%, particularly preferably 10 bis
40 Gew.-% an gegensinnig geladenen Polyelektrolyten, ii. 0 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,3 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bis40% by weight of oppositely charged polyelectrolytes, ii. 0 to 10 wt .-%, preferably 0.3 to 5 wt .-%, particularly preferably 0.3 to
1 Gew.-% wenigstens eines nichtionischen Tensids,1% by weight of at least one nonionic surfactant,
Hi. 0 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 15 Gew.-% mindestens einen wasserlöslichen Polymers, und iv. 5 bis 94,9 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 89,2 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 88,5 Gew.-% Wasser.Hi. 0 to 25 wt .-%, preferably 0.5 to 20 wt .-%, particularly preferably 1 to 15 wt .-% of at least one water-soluble polymer, and iv. 5 to 94.9 wt .-%, preferably 10 to 89.2 wt .-%, particularly preferably 15 to 88.5 wt .-% water.
Das Gewichtsverhältnis von gegensinnig geladenen Polyelektrolyten zu dem be- vorzugt in den wässrigen Lösungen vorliegendenm wasserlöslichen Polymer ist abhängig von den eingesetzten Polymeren. Beispielsweise können die gegensinnig geladenen Polyelektrolyten und das bevorzugt eingesetzte wasserlösliche Polymer in einem Gewichtsverhältnis von 10:1, bevorzugt 9:1, besonders bevorzugt 8:2 bis 2:8 eingesetzt werden.The weight ratio of oppositely charged polyelectrolytes to the water-soluble polymer preferably present in the aqueous solutions depends on the polymers used. For example, the oppositely charged polyelectrolytes and the water-soluble polymer preferably used in a weight ratio of 10: 1, preferably 9: 1, more preferably 8: 2 to 2: 8 are used.
Die erfindungsgemäß einzusetzende Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte kann auf alle dem Fachmann bekannte Arten elektroversponnen werden, beispielsweise durch Extrusion der Lösung unter geringem Druck durch eine mit einem Pol einer Spannungsquelle verbundene Kanüle auf eine in Ab- stand zu dem Kanülenausgang angeordnete Gegenelektrode. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen der Kanüle und der als Kollektor fungierenden Gegenelektrode sowie die Spannung zwischen den Elektroden derart eingestellt, dass sich zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld von vorzugsweise 0,5 bis 2 kV/cm,
besonders bevorzugt 0,75 bis 1 ,5 kV/cm und ganz besonders bevorzugt 0,8 bis 1 kV/cm ausbildet.The solution to be used according to the invention, comprising oppositely charged polyelectrolytes, can be electrospun in any manner known to the person skilled in the art, for example by extruding the solution under low pressure through a cannula connected to one pole of a voltage source to a counter electrode arranged at a distance from the cannula outlet. Preferably, the distance between the cannula and the counterelectrode acting as a collector and the voltage between the electrodes is set such that between the electrodes an electric field of preferably 0.5 to 2 kV / cm, particularly preferably 0.75 to 1.5 kV / cm and very particularly preferably 0.8 to 1 kV / cm is formed.
Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn der Innendurchmesser der Kanüle 50 bis 500 μm beträgt.In particular, good results are obtained when the inner diameter of the cannula is 50 to 500 μm.
Je nach Verwendungszweck der gewonnenen Fasern kann es zweckmäßig sein, diese nachträglich chemisch miteinander zu verknüpfen oder z.B. durch einen chemischen Vermittler miteinander zu vernetzen. Dadurch lässt sich beispielswei- se die Stabilität einer von den Fasern gebildeten Faserlage weiter verbessern, insbesondere in Bezug auf die Wasser- und Temperaturbeständigkeit.Depending on the intended use of the fibers obtained, it may be expedient to subsequently chemically bond them together or, for example, through a chemical intermediary to network with each other. As a result, for example, the stability of a fiber layer formed by the fibers can be further improved, in particular with regard to water and temperature resistance.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Fasern, insbesondere Nano- und Mesofasern, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind. Die erfindungsgemäßen Fasern zeichnen sich dadurch aus, dass die auf Grund der erfindungsgemäßen Zugabe des nichtionischen Tensids gegenüber Fasern, die ohne Zugabe des nichtionischen Tensids hergestellt werden, optimierte strukturelle und/oder mechanische Eigenschaften, insbesondere auf die Gleichmäßigkeit, Kompaktheit und Stabilität, aufweisen.Another object of the present invention are fibers, in particular nano- and mesofibers, which are obtainable by the method according to the invention. The fibers according to the invention are distinguished by the fact that the addition of the nonionic surfactant according to the invention to fibers prepared without addition of the nonionic surfactant has optimized structural and / or mechanical properties, in particular uniformity, compactness and stability.
Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der erfindungsgemäßen Fasern 10 nm bis 50 μm, besonders bevorzugt 50 nm bis 2 μm und ganz besonders bevorzugt 100 nm bis 1 μm. Die Länge der Fasern hängt vom Verwendungszweck ab und beträgt in der Regel 50 μm bis hin zu mehreren Kilometern.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung Lösungen umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte in einem wässrigen Medium, welche zudem wenigstens 0,5 Gew.-% eines wasserlöslichen Polymers mit einer Löslichkeit in Wasser von mindestens 0,1 Gew.-% und mindestens ein nichtionisches Tensid enthalten.The diameter of the fibers according to the invention is preferably 10 nm to 50 μm, particularly preferably 50 nm to 2 μm and very particularly preferably 100 nm to 1 μm. The length of the fibers depends on the purpose and is usually 50 microns to several kilometers. Furthermore, the present invention relates to solutions comprising oppositely charged polyelectrolytes in an aqueous medium, which also contain at least 0.5 wt .-% of a water-soluble polymer having a solubility in water of at least 0.1 wt .-% and at least one nonionic surfactant.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die erfindungsgemäßen Lösungen umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, i. 5 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 40 Gew.-% gegensinnig geladene Polyelektrolyte, ii. 0 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,3 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bisIn a preferred embodiment, the solutions according to the invention comprise comprehensively charged polyelectrolytes, in each case based on the total weight of the solution, i. 5 to 60 wt .-%, preferably 10 to 50 wt .-%, particularly preferably 10 to 40 wt .-% oppositely charged polyelectrolytes, ii. 0 to 10 wt .-%, preferably 0.3 to 5 wt .-%, particularly preferably 0.3 to
1 Gew.-% wenigstens eines nichtionischen Tensid, iii. 0 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis1% by weight of at least one nonionic surfactant, iii. 0 to 25 wt .-%, preferably 0.5 to 20 wt .-%, particularly preferably 1 to
15 Gew.-% mindestens einen wasserlöslichen Polymers, und iv. 5 bis 94,9 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 89,2 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 88,5 Gew.-% Wasser.15% by weight of at least one water-soluble polymer, and iv. 5 to 94.9 wt .-%, preferably 10 to 89.2 wt .-%, particularly preferably 15 to 88.5 wt .-% water.
Geeignete gegensinnig geladene Polyelektrolyte, wässrige Medien, wasserlösliche Polymere und nichtionische Tenside und geeignete Mengen dieser Komponenten in den Lösungen umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte sind vorstehend genannt. Die erfindungsgemäßen Lösungen umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte werden bevorzugt in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von nichtionischen Tensiden in einem Verfahren zur Herstellung von Polymerfasem durch ein Elektrospinnverfahren.Suitable oppositely charged polyelectrolytes, aqueous media, water-soluble polymers and nonionic surfactants and suitable amounts of these components in the solutions comprising oppositely charged polyelectrolytes are mentioned above. The solutions according to the invention comprising oppositely charged polyelectrolytes are preferably used in the process according to the invention. Furthermore, the present invention relates to the use of nonionic surfactants in a process for producing polymer fibers by an electrospinning process.
Ein bevorzugtes Elektrospinnverfahren und geeignete Tenside hierzu sind vorstehend genannt.A preferred electrospinning process and suitable surfactants for this purpose are mentioned above.
Durch die Verwendung der nichtionischen Tenside in dem Elektrospinnverfahren kann zum Einen eine Verbesserung des Elektrospinnverfahrens im Hinblick auf eine Begünstigung der Faserbildung (Elektrospinning) gegenüber einem Versprühen der bevorzugt in dem Elektrospinnverfahren eingesetzten kolloidalen Dispersion erzielt werden. Zum Anderen können die strukturellen und mechanischen Eigenschaften der gemäß dem Elektrospinnverfahren hergestellten Polymerfasern verbessert werden, insbesondere in Bezug auf die Faserqualität, Gleichmäßigkeit und Stabilität und die Verspinnbarkeit der Fasern.By using the nonionic surfactants in the electrospinning process, on the one hand, an improvement in the electrospinning process can be achieved with a view to favoring fiber formation (electrospinning) over spraying the colloidal dispersion preferably used in the electrospinning process. On the other hand, the structural and mechanical properties of the polymer fibers produced according to the electrospinning process can be improved, in particular with regard to the fiber quality, uniformity and stability and the spinnability of the fibers.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich darge- stellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
AusführungsbeispieleOther objects, features, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and the drawings. All described and / or illustrated features alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their combination in the claims or their dependency. embodiments
Es wurden zwei technisch verfügbare Polyelektrolyte eingesetzt: Polyacrylsäure (PAS) und Poly(diallyldimethylammoniumchlorid) (PoIy(DADMAC)).Two technically available polyelectrolytes were used: polyacrylic acid (PAS) and poly (diallyldimethylammonium chloride) (poly (DADMAC)).
Es wurden eine 25 % Gew.-%ige Lösung von PAS und eine Lösung mit 20 Gew.- % PoIy(DADMAC) angesetzt.A 25% by weight solution of PAS and a solution containing 20% by weight of poly (DADMAC) were prepared.
Des Weiteren wurde eine wässrige NaOH-Lösung mit 4 Gew.-% NaOH angesetzt. 1 g dieser Lösung wurde entnommen und mit H2O auf 20 g aufgefüllt.Furthermore, an aqueous NaOH solution with 4 wt .-% NaOH was prepared. 1 g of this solution was taken and made up to 20 g with H 2 O.
Es wurden PAS/ Poly(DADMAC)-Lösungen im Verhältnis 1 :1 hergestellt, d.h. 1 gPAS / poly (DADMAC) solutions were prepared in the ratio 1: 1, i. 1 g
PAS-Lösung wurde jeweils mit 1 ,25 g Poly(DADMAC)-Lösung gemischt und elekt- roversponnen.Each PAS solution was mixed with 1.25 g of poly (DADMAC) solution and electrospun.
Ein Teil der Acrylsäure-Gruppen wurde mit obiger NaOH-Lösung neutralisiertA part of the acrylic acid groups was neutralized with the above NaOH solution
(Versuche 2 bis 5). Beim Kontrollversuch (Versuch 1 ) erfolgte keine Neutralisation der Acrylsäuregruppen.(Experiments 2 to 5). In the control experiment (experiment 1), no neutralization of the acrylic acid groups took place.
Die Fasern wurde nach dem Elektrospinnen jeweils für 1 h bei 20 O mit Wasser behandelt, um das Ausmaß einer möglichen Desintegration der elektrogesponne- nen Fasern zu ermitteln.The fibers were each treated with water after electrospinning for 1 h at 20 ° C to determine the extent of possible disintegration of the electrospun fibers.
Die Fasern des Kontrollversuchs wurden nach der Wasserbehandlung unter demThe fibers of the control experiment were after the water treatment under the
Digitalmikroskop untersucht und fotografiert.Digital microscope examined and photographed.
Diejenigen Fasern, bei denen die Acrylsäuregruppen vor dem Elektrospinnen teil- weise mit NaOH neutralisiert worden waren, wurden sowohl unmittelbar nach dem
Spinnen (d.h. vor Wasserbehandlung) als auch nach 1 h Wasserbehandlung bei 20 1C unter dem Rasterelektronenmikroskop untersuch t und fotografiert.Those fibers in which the acrylic acid groups had been partially neutralized with NaOH prior to electrospinning were used both immediately after Spinning (ie before water treatment) and after 1 h water treatment at 20 1 C under the scanning electron microscope examined t and photographed.
Die Elektrospinnbedingungen zeigt Tab. 1:The electrospinning conditions are shown in Tab. 1:
Tab. 1: Elektrospinnbedingungen für die PAS / Poly(DADMAC)-FasernTable 1: Electrospinning conditions for the PAS / poly (DADMAC) fibers
Eine Übersicht über die Versuche 1 bis 5 gibt Tabelle 2:An overview of the experiments 1 to 5 is given in Table 2:
Tab. 2: Neutralisation und Nachbehandlung der FasernTab. 2: Neutralization and post-treatment of the fibers
1 Spannungsquelle1 voltage source
2 Kapillardüse 3 Spritze2 capillary nozzle 3 syringe
4 Polyelektrolytlösung4 polyelectrolyte solution
5 Gegenelektrode5 counter electrode
6 Faserbildung6 fiber formation
7 Fasermatte7 fiber mat
AbbildungslegendenFigure legends
Fiq. 1 Fig 1 zeigt eine schematische Darstellung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Elektrospinnverfahrens geeigneten Vorrichtung.Fiq. 1 shows a schematic representation of a device suitable for carrying out the electrospinning process according to the invention.
Die Vorrichtung umfasst eine Spritze 3, an deren Spitze sich eine Kapillardüse 2 befindet. Diese Kapillardüse 2 ist mit einem Pol einer Spannungsquelle 1 verbunden. Die Spritze 3 nimmt die zu verspinnenden Polyelektrolytlösungen 4 auf. Ge- genüber dem Ausgang der Kapillardüse 2 ist in einem Abstand von etwa 20 cm eine mit dem anderen Pol der Spannungsquelle 1 verbundene Gegenelektrode 5 angeordnet, die als Kollektor für die gebildeten Fasern fungiert. Während der Betriebs der Vorrichtung wird an den Elektroden 2 und 5 eine Spannung zwischen 18 kV und 35 kV eingestellt und die Polyelektrolytlösung 4 unter einem geringen Druck durch die Kapillardüse 2 der Spritze 3 ausgetragen. Auf Grund der durch das starke elektrische Feld von 0,9 bis 2 kV/cm erfolgenden elektrostatischen Aufladung der Polyelektrolyte in der Lösung entsteht ein auf die Gegenelektrode 5 gerichteter Materialstrom, der sich auf dem Wege zur Gegen-
elektrode 5 unter Faserbildung 6 verfestigt, infolge dessen sich auf der Gegene- lekrode 5 Fasern 7 mit Durchmessern im Mikro- und Nanometerbereich abscheiden.The device comprises a syringe 3, at the tip of which is a capillary nozzle 2. This capillary nozzle 2 is connected to a pole of a voltage source 1. The syringe 3 receives the polyelectrolyte solutions 4 to be spun. Opposite the outlet of the capillary nozzle 2, a counterelectrode 5 connected to the other pole of the voltage source 1 is arranged at a distance of about 20 cm, which acts as a collector for the fibers formed. During operation of the device, a voltage between 18 kV and 35 kV is set at the electrodes 2 and 5, and the polyelectrolyte solution 4 is discharged through the capillary nozzle 2 of the syringe 3 at a low pressure. Due to the electrostatic charge of the polyelectrolytes in the solution due to the strong electric field of 0.9 to 2 kV / cm, a material flow directed towards the counterelectrode 5 is formed, which on the way to the opposite Electrode 5 solidifies with fiber formation 6, as a result of which 5 fibers 7 with diameters in the micron and nanometer range are deposited on the counterelectrode.
Fig. 2:Fig. 2:
Digitalmikroskopische Aufnahme elektrogesponnener Polyelektrolytkomplexfasem (PEKOF) mit Polyacrylsäure (PAS) : PoIy(DADMAC) = 1 : 1. Bei der Herstellung dieser Fasern wurde die Polyacrylsäure vor dem Spinnen nicht neutralisiert ( 0 % neutralisiert). Die Fasern wurden nach dem Spinnen einer einstündigen Wasser- behandlung bei 20 O unterzogen. Fig. 2 zeigt die F asern nach dieser einstündigen Wasserbehandlung bei 20 O.Digital micrograph of electrospun polyelectrolyte complex fibers (PEKOF) with polyacrylic acid (PAS): poly (DADMAC) = 1: 1. In the preparation of these fibers, the polyacrylic acid was not neutralized (0% neutralized) prior to spinning. The fibers were subjected to water treatment at 20 ° C for one hour after spinning. Fig. 2 shows the fibers after this one-hour water treatment at 20 ° C.
Fig. 3Fig. 3
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme elektrogesponnener PEKOF mit Po- lyacrylsäure (PAS) : PoIy(DADMAC) = 1 : 1. Vor dem Spinnen wurden 0,1 % der Acrylsäuregruppen mit einer 0,2 Gew.-% NaOH-Lösung neutralisiert. Fig. 3 zeigt diese Fasern unmittelbar nach dem Spinnen und vor der Wasserbehandlung.Scanning electron micrograph of electrospun PEKOF with polyacrylic acid (PAS): poly (DADMAC) = 1: 1. Prior to spinning, 0.1% of the acrylic acid groups were neutralized with a 0.2% by weight NaOH solution. Fig. 3 shows these fibers immediately after spinning and before water treatment.
Fig. 4 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme elektrogesponnener PEKOF mit Polyacrylsäure (PAS) : PoIy(DADMAC) = 1 : 1. Vor dem Spinnen wurden 0,1 % der Acrylsäuregruppen mit einer 0,2 Gew.-% NaOH-Lösung neutralisiert. Nach dem Spinnen wurden die Fasern einer einstündigen Wasserbehandlung bei 20 O unterzogen. Fig. 4. zeigt die Fasern nach einstündiger Wasserbehandlung bei 20 O.
Fig. 5Fig. 4 Scanning electron micrograph of electrospun PEKOF with polyacrylic acid (PAS): poly (DADMAC) = 1: 1. Prior to spinning, 0.1% of the acrylic acid groups were neutralized with a 0.2 wt% NaOH solution. After spinning, the fibers were subjected to a one hour water treatment at 20 ° C. Fig. 4. shows the fibers after one hour of water treatment at 20 O. Fig. 5
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme elektrogesponnener PEKOF mit Po- lyacrylsäure (PAS) : PoIy(DADMAC) = 1 : 1. Vor dem Spinnen wurden 1 % der Acrylsäuregruppen mit einer 0,2 Gew.-% NaOH-Lösung neutralisiert. Fig. 5 zeigt diese Fasern unmittelbar nach dem Spinnen und vor der Wasserbehandlung.Scanning electron micrograph of electrospun PEKOF with polyacrylic acid (PAS): poly (DADMAC) = 1: 1. Prior to spinning, 1% of the acrylic acid groups were neutralized with a 0.2% by weight NaOH solution. Fig. 5 shows these fibers immediately after spinning and before water treatment.
Fig. 6Fig. 6
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme elektrogesponnener PEKOF mit Po- lyacrylsäure (PAS) : PoIy(DADMAC) = 1 : 1. Vor dem Spinnen wurden 1 % der Acrylsäuregruppen mit einer 0,2 Gew.-% NaOH-Lösung neutralisiert. Nach dem Spinnen wurden die Fasern einer einstündigen Wasserbehandlung bei 20 O unterzogen. Fig. 6. zeigt die Fasern nach einstündiger Wasserbehandlung bei 20 O.
Scanning electron micrograph of electrospun PEKOF with polyacrylic acid (PAS): poly (DADMAC) = 1: 1. Prior to spinning, 1% of the acrylic acid groups were neutralized with a 0.2% by weight NaOH solution. After spinning, the fibers were subjected to a one hour water treatment at 20 ° C. Fig. 6. shows the fibers after 1 hour of water treatment at 20 O.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern, wobei eine wässrige Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte elektroversponnen wird.1. A process for producing polymer fibers, wherein an aqueous solution comprising oppositely charged polyelectrolytes is electrospun.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass positiv geladene Polyelektrolyte ausgewählt aus der Gruppe Polyvinylamin, Po- ly(diallyldimethylammoniumchlorid), Polypyridin und Polyethylenimin eingesetzt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that positively charged polyelectrolytes selected from the group polyvinylamine, poly (diallyldimethylammoniumchlorid), polypyridine and polyethyleneimine are used.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass negativ geladene Polyelektrolyte ausgewählt aus der Gruppe Polyacryl- säure, Polyalkohol und Polystyrolsulfonsäure eingesetzt werden.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that negatively charged polyelectrolytes selected from the group polyacrylic acid, polyalcohol and polystyrene sulfonic acid are used.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ladungstragenden Gruppen der eingesetzten Polysäuren vor dem Elektrospinnen zu 0,01 bis 99,99 % neutralisiert werden, bevorzugt zu 0,1 bis 10 %, besonders bevorzugt zu 0,1 bis 1 %.4. The method according to claim 3, characterized in that the charge-carrying groups of the polyacids used before electrospinning are neutralized to 0.01 to 99.99%, preferably 0.1 to 10%, particularly preferably 0.1 to 1% ,
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Fremdionenzusätze vor dem Elektrospinnen entfernt werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that foreign ion additives are removed prior to electrospinning.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis der negativ geladenen zu den positiv geladenen Polyelektrolyten 6:4 bis 4:6 beträgt, bevorzugt 1 :1.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the molar ratio of the negatively charged to the positively charged polyelectrolyte is 6: 4 to 4: 6, preferably 1: 1.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte des Weiteren mindestens ein nichtionisches Tensid enthält.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the aqueous solution comprising oppositely charged polyelectrolytes further contains at least one nonionic surfactant.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine nichtionische Tensid in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,3 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3 bis 1 Gew.-%, ganz be- sonders bevorzugt 0,5 bis 1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässrigen Lösung, eingesetzt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the at least one nonionic surfactant in an amount of 0.1 to 10 wt .-%, preferably 0.3 to 5 wt .-%, particularly preferably 0.3 to 1 wt. -%, quite more preferably 0.5 to 1 wt .-%, based on the total weight of the aqueous solution, is used.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet. dass die wässrige Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte zusätzlich mindestens ein wasserlösliches Polymer mit einer Löslichkeit in Wasser von mindestens 01, Gew.-% enthält.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized. in that the aqueous solution comprising in opposite directions charged polyelectrolytes additionally contains at least one water-soluble polymer having a solubility in water of at least 01,% by weight.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wasser- lösliche Polymer aus der aus Homopolymeren, Copolymeren, Pfropfcopoly- meren, Sternpolymeren, hochverzweigten Polymeren und Dendrimeren bestehenden Gruppe ausgewählt ist.10. The method according to claim 9, characterized in that the water-soluble polymer is selected from the group consisting of homopolymers, copolymers, graft copolymers, star polymers, highly branched polymers and dendrimers.
11. Verfahren nach anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Polymer aus der aus Polyvinylalkohol, Polyalkylenoxiden, Po- ly-N-vinylpyrrolidon, Hydroxymethylcellulosen, Hydroxyethylcellulosen, Hydroxypropylcellulosen, Carboxymethylcellulosen, Maleinsäuren, Alginaten, Collagenen, Kombinationen aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten, Copolymeren aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten, Pfropfcopolymeren aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten, Sternpolymeren aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten, hochverzweigten Polymeren aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten und Dendrimeren aufgebaut aus zwei oder mehr die vorstehend genannten Polymere bildenden Monomereinheiten bestehenden Gruppen ausgewählt ist.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the water-soluble polymer composed of the polyvinyl alcohol, polyalkylene oxides, poly-N-vinylpyrrolidone, hydroxymethylcelluloses, hydroxyethylcelluloses, hydroxypropylcelluloses, carboxymethylcelluloses, maleic acids, alginates, collagen, combinations of two or more the monomeric units constituting the above-mentioned polymers, copolymers composed of two or more monomer units constituting the above-mentioned polymers, graft copolymers composed of two or more monomer units constituting the above-mentioned polymers, star polymers composed of two or more monomer units constituting the above-mentioned polymers, highly branched polymers is selected from two or more of the above-mentioned polymer-forming monomer units and dendrimers composed of two or more of the above-mentioned polymer-forming monomer units existing groups.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffgehalt der wässrigen Lösung, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, 5 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 40 Gew.-% beträgt. 12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the solids content of the aqueous solution, based on the total weight of the solution, 5 to 60 wt .-%, preferably 10 to 50 wt .-%, particularly preferably 10 to 40 Wt .-% is.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, 0 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 20 Gew.-% und besonders bevorzugt 1 bis 15 Gew.-% eines wasserslöslichen Polymers enthält.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the solution, based on the total weight of the solution, 0 to 25 wt .-%, preferably 0.5 to 20 wt .-% and particularly preferably 1 to 15 wt .-% of a water-soluble polymer.
14. Faser erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.14. Fiber obtainable by a process according to one of claims 1 to 13.
15. Faser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Durchmesser von 10 nm bis 50 μm, bevorzugt 50 nm bis 2 μm und beson- ders bevorzugt von 100 nm bis 1 μm aufweist.15. A fiber according to claim 14, characterized in that it has a diameter of 10 nm to 50 microns, preferably 50 nm to 2 microns and more preferably from 100 nm to 1 micron.
16. Faser nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Länge von mindestens 50 μm aufweist.16. A fiber according to claim 14 or 15, characterized in that it has a length of at least 50 microns.
17. Wässrige Lösung umfassend gegensinnig geladene Polyelektrolyte, des Weiteren enthaltend wenigstens 0,5 %, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, eines wasserlöslichen Polymers mit einer Löslichkeit in Wasser von wenigstens 0,1 Gew.-% und mindestens ein nichtionisches Tensid.17. An aqueous solution comprising oppositely charged polyelectrolytes, further comprising at least 0.5%, based on the total weight of the solution, of a water-soluble polymer having a solubility in water of at least 0.1 wt .-% and at least one nonionic surfactant.
18. Verwendung von nichtionischen Tensiden in einem Verfahren zur Herstellung von Polyelektrolytkomplexfasern durch Elektrospinnen. 18. Use of nonionic surfactants in a process for producing polyelectrolyte complex fibers by electrospinning.
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