Unter Elektrospinnen versteht man das Herstellen von endlosen Nanofasern, Nanodrähten und Nanoröhren aus Lösungen, Suspensionen oder Schmelzen unter Ausnutzung eines starken elektrischen Felds, wobei die Fasern nicht nur auf polymerer (natürlicher und synthetischer), sondern auch auf anorganischer, metallischer und keramischer Basis beruhen.Seema Agarwal, Matthias Burgard, Andreas Greiner, Joachim H. Wendorff: Electrospinning – A Practical Guide to Nanofibers. Walter de Gruyter, Berlin/Boston 2016, ISBN 978-3-11-033180-6, S. 17.
Geschichtliche Entwicklung Georg Matthias Bose beschrieb 1745 die Bildung von Aerosolen an der Oberfläche elektrisch geladener Tropfen. John Strutt, 3. Baron Rayleigh ermittelte 1885 die zur Verformung von Tropfen erforderliche Ladung und John F. Cooley und William J. Morgan erhielten ein Patent auf einen Apparat zum Elektrospinnen.Dieter Veit: Geschichte, Erzeugung, Eigenschaften, Markt. Springer Vieweg, Berlin, 2023, ISBN 978 -3-662-64468-3, S. 609/610. Das US-Patent Nr. 6385 vom 5. April 1900 von John Francis Cooley trägt den Titel "Improved Methods of and Apparatus for Electrically Separating the Relatively Volatile Liquid Component from the Component of Relatively Fixe Substance of Composite Fluids". 1934 wurde A. Formhals das US-Patent Nr. 1 975 504 zum Elektrospinnen für synthetische Chemiefasern erteilt. 1938 wurden erstmals elektrogesponnene Fasern für Filter hergestellt.
Verfahrensweise Hierbei wird die Polymerlösung an einer Elektrode dosiert und durch das elektrische Feld von der Elektrode abgezogen und beschleunigt. Dabei wird die Polymerlösung in einem komplexen Prozess in kleine und kleinste Fasern und Gespinste aufgespalten, die sich schließlich auf der Gegenelektrode als eine Art Vlies ablagern. Beim Prozess entstehen typischerweise Fasern mit Durchmessern kleiner 1000 nm, weswegen die Produkte als Nanofasern bezeichnet werden (auch wenn die Definition strenggenommen einen Faserdurchmesser von unter 100 nm erfordert). Das Ergebnis des Elektrospinnens ist kaum vorhersagbar. Das gewünschte Zielprodukt wird daher empirisch durch eine langwierige Optimierung der Parameter erreicht. Ladungsdichte, Viskosität und Oberflächenspannung der Polymerlösung haben maßgeblich Einfluss auf die Morphologie der Fasern und deren Durchmesser.Nesrin Horzum, Mustafa M. Demir (Hrsg.): Green Electrospinning. Walter de Gruyter, Berlin/Boston 2019, ISBN 978-3-11-056180-7, S. 2. Eine Übersicht gibt hier und stellt eine neuartige Theorie zur Beschreibung des Faserdurchmessers und deren Verteilung vor. Um die Ausrichtung der Fasern zu kontrollieren, können sie auf einem rotierenden Kollektor gesammelt werden. Hier ist der Grad der Ausrichtung der Fasern von der Drehgeschwindigkeit des zylindrischen Kollektors abhängig. Mikrofasern können während des Herstellungsprozesses durch das Emulsions-Elektrospinnverfahren unter Zugabe von Proteinen oder genetischen Therapeutika modifiziert werden.
Technische Grundlagen Bei der Berechnung des extrudierten Fadens finden für die Geometrie die Gesetzmäßigkeiten des Taylor-Kegels Anwendung.Dieter Veit: Geschichte, Erzeugung, Eigenschaften, Markt. Springer Vieweg, Berlin, 2023, ISBN 978 -3-662-64468-3, S. 612/613.
Wirtschaftlichkeit Das Verfahren ist wenig produktiv und eher für Spezialprodukte geeignet. Anwendungen der Nanofasern liegen bislang vor allem im Bereich von Filterprozessen für Feinstäube und Ähnlichem, allerdings sind vielfältige weitere Anwendungen bis hin in die Medizintechnik in der Diskussion. Carbonisierte und aktivierte, mit dem Elektrospinnverfahren hergestellten Polyacrylnitrilfasern sind sehr interessant für die Nutzung in Elektroden, Katalysatoren und weiteren Anwendungen.Anthony r. Bunsel: Handbook of Properties of Textile and Technical Fibres, Second Edition, Elsevier Ltd 2018, ISBN 978-0-08-101272-7, S. 565.
Siehe auch Nassspinnen Schmelzspinnen Matrixspinnen
Literatur H. Fong, I. Chun & D. H. Reneker: Beaded nanofibers formed during electrospinning. Polymer, Vol. 40, 1999, 4585-4592. A. Greiner & J. H. Wendorff: Elektrospinnen: eine faszinierende Methode zur Präparation ultradünner Fasern. Angew. Chem. Vol. 119, No. 30, 2007, 5770-5805. J. H. Wendorff, S. Agarwal & A. Greiner: Electrospinning: Materials, Processing, and Applications. Wiley-VCH, Weinheim, Deutschland, 2012, ISBN 978-3-527-32080-6.
Einzelnachweise
Kategorie:Urformendes Fertigungsverfahren Kategorie:Verfahren (Chemiefaserherstellung) Kategorie:Fertigungstechnik