Lektion 13.9Mikro & NanoKapitel 13 · Mikro- und Nanofertigung

Elektrospinnen

Zieht einen Polymerstrahl mit Hochspannung zu Nanofasern

Beim Elektrospinnen zieht eine Hochspannung eine Polymerlösung zu Fasern, die hundertmal dünner sind als ein Haar. Die Fasern türmen sich zu einem leichten, luftigen Gespinst auf, das Nanofaservlies genannt wird. Solche Vliese verbessern Luftfilter und Atemschutzmasken und dienen als Gerüste zum Züchten von Gewebe.

Foto: Farizat Aidyn, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Elektrospinnen · Aufbau, Zoom auf den Taylor-Kegel und FasergespinstDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; die zwei gerahmten Bilder zoomen auf die Nadelspitze und auf das fertige Gespinst.

So funktioniert es

Die Lösung vorbereiten. Ein Polymer wird in einem Lösungsmittel gelöst oder geschmolzen, bis die richtige Viskosität (wie dick und zähflüssig eine Flüssigkeit ist) erreicht ist.
Einen Tropfen zuführen. Eine Spritzenpumpe schiebt die Lösung langsam zur Spitze einer Metallnadel, wo ein Tropfen hängt.
Hochspannung anlegen. Eine Spannungsversorgung von meist 5 bis 50 Kilovolt lädt den Tropfen auf. Elektrische Kräfte überwinden die Oberflächenspannung und ziehen den Tropfen zu einer Spitze, dem Taylor-Kegel.
Strahl und Peitschen. Ein feiner Strahl schießt aus der Kegelspitze, dann spiralt er und peitscht wild. Er wird tausendfach gestreckt, während das Lösungsmittel verdunstet.
Die Fasern sammeln. Trockene Fasern landen auf einem geerdeten Kollektor: einer flachen Platte für ein Zufallsgespinst, einer schnell drehenden Trommel für ausgerichtete Fasern oder einem laufenden Gewebe in einer Fabrik. Das Vlies wird dann abgezogen, auf einen Träger laminiert oder für den medizinischen Einsatz sterilisiert.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Polymerlösungen oder -schmelzen: Nylon, Polyester (PET), PVDF, PAN, biologisch abbaubares PCL, PVA, Kollagen, Celluloseacetat; auch Keramik-Präkursoren
Typische Teile: Vliesstoffe (filzartig, nicht gewebt) aus Fasermatten, Filterschichten auf Geweben, Schläuche, ausgerichtete Garne
Bauteilgröße: Fasern von einigen zehn Nanometern bis wenigen Mikrometern Dicke; Vliese von Laborproben bis zu Industrierollen von Metern Breite
Präzision: Keine Maßtoleranz im eigentlichen Sinn: Rezept und Einstellungen steuern den Faserdurchmesser und seine Streuung
Oberfläche: Weiches, filzartiges Gespinst mit riesiger Oberfläche und feinen Poren, die Teilchen unterhalb eines Mikrometers einfangen
Geeignete Losgröße: Laborgramm bis Rolle-zu-Rolle-Produktionslinien von Metern Breite
Werkzeug- und Maschinenkosten: Laboraufbau ab einigen tausend Dollar; Industrielinien deutlich mehr
Geschwindigkeit: Eine einzelne Nadel erzeugt weit unter ein Gramm Faser pro Stunde; nadellose Fabriklinien beschichten Gewebe kontinuierlich

Stärken und Grenzen

Stärken

Ultrafeine Fasern mit riesiger Oberfläche
Einfacher, günstiger Laboraufbau
Riesige Auswahl an Polymeren, Mischungen und Zusätzen (Wirkstoffe, Partikel)
Ahmt das Fasernetz um Körperzellen nach, was das Zellwachstum fördert

Grenzen

Geringer Ausstoß bei einzelnen Nadeln
Viele Rezepte nutzen giftige oder brennbare Lösungsmittel
Die Fasergröße driftet mit Luftfeuchte, Spannung und Abstand
Schwache Vliese brauchen meist eine Stützschicht; Hochspannungs-Sicherheitsregeln gelten

Wo es eingesetzt wird

FiltrationNanofaserschichten in Gebäudelüftung, Motorluft- und Atemschutzmaskenfiltern
MedizinWundauflagen, Gerüste für das Tissue Engineering, Gefäßprothesen, Pflaster zur Wirkstofffreisetzung
EnergieBatterieseparatoren, Brennstoffzellenmembranen
TextilienAtmungsaktive wasserdichte Membranen, Schutzkleidung
KosmetikNanofaser-Gesichtsmasken und -Pflaster
ForschungSensoren, Katalysatoren, Keramik-Nanofasern

So erkennen Sie es

Einzelne Fasern sind für das Auge unsichtbar; nur das Gespinst zeigt sich, als hauchdünner weißer oder durchscheinender Film.
Schauen Sie sich einige hocheffiziente Luft-, Staubsauger- oder Motorfilter an: eine zarte Beschichtung auf einem gröberen Gewebe, die zu leicht scheint, um zu wirken.
Unter einem Elektronenmikroskop sieht das Gespinst wie verknotete Spaghetti aus, mit Strängen von nahezu gleicher Dicke.
Medizinische Versionen landen auf Wunden oder im Körper, als Auflagen und Gerüste, die sich langsam auflösen können.

Im Vergleich mit

Extrudieren3.3drückt Material durch eine geformte Düsenöffnung; es erzeugt gewöhnliche Fasern und Profile, weit dicker und schneller.Drahtziehen3.4dünnt massiven Metalldraht, indem er durch Ziehsteine gezogen wird; Elektrospinnen dünnt stattdessen einen Flüssigkeitsstrahl mit elektrischen Kräften aus.Zwei-Photonen-Polymerisation13.8platziert jedes Mikromerkmal exakt; Elektrospinnen erzeugt ein zufälliges Gespinst, günstig, mit wenig Kontrolle darüber, wo jede Faser landet.

Ansehen

Hosein Rostamani · Ein einfacher Laborrundgang von der Lösung zum Faservlies

Inovenso Ltd. Electrospinning Company · Nahaufnahme des Taylor-Kegels und Strahls an einer Düse

ELMARCO · Industrielle nadellose Strahlen, die von einer rotierenden Trommel aufsteigen

Foshan MBRT Nanofiberlabs Co.,Ltd · Ein Überblick über Nanofaserprodukte und ihre Anwendungen

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Elektrospinnen — Elektronenmikroskopaufnahme von Nanofasern, Aufbaudiagramme und eine Parametertabelle
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Die elektrische Kraft besorgt das Strecken: Tropfen, Kegel, peitschender Strahl, trockene Faser.
Fasern sind einige zehn Nanometer bis wenige Mikrometer dick, und das Gespinst hat eine riesige Oberfläche.
Einzelne Nadeln sind langsam; Fabriken nutzen nadellose Linien, um Filtergewebe zu beschichten.