Neue Herstellungsverfahren und Anwendungspotential von ultrafeinen Fasern und Vliesen aus Biopolymeren

Titelangaben

Müller, Fabian:
Neue Herstellungsverfahren und Anwendungspotential von ultrafeinen Fasern und Vliesen aus Biopolymeren.
Bayreuth , 2022 . - XXII, 164, XXX S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Materialien aus Biopolymeren sind aufgrund ihrer mechanischen und biochemischen Eigenschaften in Kombination mit ihrer nachhaltigen Gewinnung extrem interessant. Ihr Einsatzgebiet erstreckt sich von Verpackungsmaterialien über Verbundwerkstoffe für den Leichtbau hin zu biomedizinischen Anwendungen. Neben verbesserten mechanischen Eigenschaften sind Mikro- und Nanofasern durch ihre im Verhältnis zu ihrem Volumen und Masse vergrößerte Oberfläche für technische und medizinische Anwendungen von großer Bedeutung. Durch Nassspinnen wurden Filamente aus Celluloseacetat hergestellt. Die Deacetylierung der Filamente und anschließende Carbonisierung der entstandenen Cellulose-Filamente bei Temperaturen bis zu 2200 ◦C, ermöglichte die Herstellung von Carbon-Mikrofasern mit Durchmessern unter 10 μm und einer Zugfestigkeit von über 0,9 GPa. Für die Produktion von Nanofasern wurde die Eignung eines Hochdurchsatzverfahrens, welches Elektro- mit Zentrifugalspinnen vereint, untersucht. Ultradünne Nanofasern mit Durchmessern unter 100 nm konnten aus Lösungen von Polyethylenoxid, Polymilchsäure und biotechnologisch hergestellter Spinnenseide hergestellt werden. Die Produktivität des vorgestellten Zentrifugalelektrospinnverfahrens hinsichtlich Nanofaser-Vliesen aus wässriger und organischer Lösung war im Vergleich zu den traditionellen Herstellungsverfahren um Größenordnungen höher. Die Entwicklung einer Roll-to-Roll-Produktion ermöglichte die kontinuierliche Herstellung von Filterflachware mit Feinfiltrationsschicht aus artifizieller Spinnenseide. Die hergestellten Filtermaterialien zeichneten sich durch sehr hohe Filtereffizienz für Feinstaub mit Partikelgrößen unter 2,5 μm sowie extrem geringen Strömungswiderstand aus, sodass sehr gute Filterqualitäten erzielt wurden. Es konnten Filter hergestellt werden, die Partikel mit Durchmessern von 200 nm mit einer Effizienz von 99,3 % bei einer Luftpermeabilität von 517 l/m2 filtern konnten, sodass ein Qualitätsfaktor von 25 mPa-1 erzielt wurde

Abstract in weiterer Sprache

Biopolymers show extraordinary mechanical and biochemical properties making them interesting materials for the production of bioplastics. Their field of applications ranges from packaging materials to composites for lightweight constructions, biomaterials, and biomedical applications. Beside their improved mechanical properties, the increased ratio of surface area to volume and mass makes micro- and nanofibers highly interesting for technical and medical applications. Filaments of cellulose acetate were produced using wet spinning. Deacetylation of cellulose acetate filaments followed by carbonization of the deacetylated cellulose filaments at temperatures up to 2200 ◦C, enabled the production of biopolymer-based carbon microfibers. The carbon microfibers show diameters below 10 μm and tensile strengths above 0.9 GPa. Nanofibers investigating the applicability of a high throughput production method were produced, combining solution-based electrospinning with centrifugal spinning. Ultrathin nanofibers with diameters below 100 nm made of polyethylene glycol, polylactic acid, and artificial spider silk, were obtained. The productivity of the established centrifugal electrospinning method in manufacturing highly interconnected nanofiber nonwoven meshes from aqueous and organic polymer solutions was several orders of magnitude higher compared to that of traditional electrospinning methods. Developing a roll-to-roll production, enabled the continuous manufacturing of nonwoven meshes made of recombinant spider silk proteins. The produced nanofiber filter layers showed high filtration efficiency for fine particulate matter below 2.5 μm and a low flow resistance resulting in excellent filter quality. The manufactured filter material showed a filtration efficiency of 99,3 % for the filtration of particles with 200 nm in diameter. The air permeability of the filter material was 517 l/m2 resulting in a quality factor of 25 mPa-1.