Functionalization of multiscale polymer fiber materials : from 1D yarns over 2D nonwovens to 3D sponges

Titelangaben

Fritze, Sophie:
Functionalization of multiscale polymer fiber materials : from 1D yarns over 2D nonwovens to 3D sponges.
Bayreuth , 2026 . - III, 135 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

This work focused on the fabrication and investigation of electrospun fiber materials with different dimensionalities. Special emphasis was placed on the implementation of orientation within hierarchically structured fiber scaffolds. The central challenge, apart from structural design, lay in the integration of various metallic and non-metallic components into functional composites. For the functionalization of non-conductive polymers, mainly silver nanowires (AgNWs) were used as one-dimensional and anisotropic additives. These nanofiller structures constituted the main subject of investigation for thermal and electrical transport analysis, which was crucial for understanding the relationships between local structural properties and macroscopic transport performance. The analysis and evaluation were carried out by Ina Klein (Physical Chemistry I, Prof. Dr. Markus Retsch). Based on a consistent manufacturing process, electrospinning permitted the construction of a wide variety of fiber architectures. In the first chapter, one-dimensional (1D) poly(acrylonitrile) (PAN) yarns with different stretch ratios were produced and subsequently functionalized via grafting reaction utilizing poly(ethyleneimine) (PEI). This led to the establishment of anchor groups for the final coating with silver nanowires. The analyses revealed that the combination of random nanowire distribution, geometric constraints of the yarn, and interfacial scattering decisively not only determined the conductivity for heat and electrons in the 1D system, but also introduced additional challenges for their measurement. The second chapter expanded the investigation into two-dimensional (2D) structures by producing polystyrene (PS) nonwovens with controlled degrees of fiber orientation. The orientation was achieved by rapid rotation of the drum collector during electrospinning, enabling uniaxial alignment of the fibers. Two different functionalization strategies were applied: the incorporation of silver nanowires directly into the polymer solution prior to processing, which allowed alignment of the nanowires within the fiber matrix, as well as a fiber enclosing post-processing copper coating. The results of the thermal analysis revealed a direct correlation between fiber orientation and thermal transport anisotropy. A higher degree of uniaxial orientation of the PS fibers significantly increased the thermal conductivity along the fiber axis compared to the direction perpendicular to the orientation axis. However, this effect on the measured conductivity values was limited in AgNW functionalized nonwovens by non-percolating networks and interfacial scattering, whereas copper-coated systems established continuous metallic conduction pathways. In the third chapter, three-dimensional (3D) sponges were realized by freeze-drying of short electrospun fibers. Fibers with the characteristic bead-on-string (BOS) morphology served as the starting material, whose unique structure was utilized for sponge formation. Within this most complex dimensional level, both structural control and functionalization proved particularly challenging. A method was developed that enabled homogeneous functionalization of the sponges with silver nanowires prior to freeze-drying. The fiber-forming polymers were synthesized and analyzed by Marius Schmidt (Macromolecular Chemistry II, Prof. Dr. Andreas Greiner) and processed in collaboration into the composite sponges. These structures exhibited increased mechanical stability in the presence of both BOS fibers and nanowires, while the analysis of electrical properties uncovered complex relationships between nanofiller distribution and percolation behavior in three-dimensional and thermally insulating networks. The developed fiber composites with varying compositions, structures, functionalization, and dimensionalities provide a solid foundation and an important building block on the path towards the development of multifunctional textiles. The concept of coating, alignment, and distribution of anisotropic nanofillers in differently extended fiber architectures was investigated across all dimensionalities. The results showed that the structural architecture of the fiber matrix, the orientation and distribution of the nanofiller, as well as the quality of the interfacial interactions, are decisive parameters for macroscopic transport properties. These findings contribute to the fundamental understanding of structure-property relationships in functionalized fiber materials.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Herstellung und Untersuchung elektrogesponnener Fasermaterialien unterschiedlicher Dimensionalitäten. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Implementierung von Orientierung in hierarchisch aufgebauten Fasergerüsten. Die zentrale Herausforderung bestand neben der strukturellen Gestaltung unter anderem auch in der Integration verschiedener metallischer und nicht-metallischer Komponenten zu funktionalen Kompositen. Zur Funktionalisierung der nicht-leitenden Polymere wurden vorwiegend Silbernanodrähte (AgNWs) als eindimensionale und anisotrope Additive eingesetzt. Diese Nanofillerstrukturen bildeten den Hauptuntersuchungsgegenstand für die thermische und elektrische Transportanalyse, welche für das Verständnis der Zusammenhänge zwischen lokalen Struktureigenschaften und makroskopischer Transportperformance entscheidend war. Diese Analyse und Auswertung wurde von Ina Klein (Physikalische Chemie I, Prof. Dr. Markus Retsch) durchgeführt. Auf Basis eines einheitlichen Herstellungsprozesses ermöglichte das Elektrospinnen die Konstruktion verschiedenster Faserarchitekturen. Im ersten Kapitel wurden eindimensionale (1D) Poly(acrylnitril) (PAN) Garne mit unterschiedlichen Verstreckungsgraden hergestellt und anschließend durch eine Graftingreaktion mit Poly(ethylenimin) (PEI) funktionalisiert. Dadurch konnten Ankergruppen für die finale Beschichtung mit Silbernanodrähten etabliert werden. Die Analysen zeigten, dass die Kombination aus ungerichteter Nanodraht-Verteilung, geometrischen Beschränkungen des Garns und Grenzflächenstreuung nicht nur die Leitfähigkeit für Wärme und Elektronen in dem 1D-System maßgeblich bestimmte, sondern auch zusätzliche Herausforderungen für eine präzise Messung dieser Eigenschaften mit sich brachte. Das zweite Kapitel erweiterte die Untersuchung auf zweidimensionale (2D) Strukturen durch die Herstellung von Polystyrol (PS) Nonwoven mit kontrollierten Faserorientierungsgraden. Die Orientierung wurde durch schnelle Rotation des Rollenkollektors während des Elektrospinnens erreicht, wodurch eine uniaxiale Ausrichtung der Fasern ermöglicht wurde. Zwei verschiedene Funktionalisierungsstrategien kamen zur Anwendung: die Einarbeitung von Silbernanodrähten direkt in die Polymerlösung vor der Verarbeitung, welche eine Ausrichtung der Nanodrähte innerhalb der Fasermatrix ermöglichte, sowie eine faserumschließende Kupferbeschichtung nach der Faserverarbeitung. Die Ergebnisse der thermischen Analyse offenbarten einen direkten Zusammenhang zwischen Faserorientierung und Wärmetransportanisotropie. Eine höhere uniaxiale Ausrichtung der PS-Fasern steigerte die Wärmeleitfähigkeit entlang der Faserachse signifikant gegenüber der quer zur Orientierung. Der Effekt auf diesen Wert wurde jedoch bei AgNW-funktionalisierten Nonwoven durch nicht-perkolierende Netzwerke und Grenzflächenstreuung begrenzt, während Cu-beschichtete Systeme durchgehende metallische Leitpfade etablierten. Im dritten Kapitel wurden durch Gefriertrocknung von elektrogesponnenen Kurzschnittfasern dreidimensionale (3D) Schwämme realisiert. Als Ausgangsmaterial dienten Fasern mit der charakteristischen Bead-on-String (BOS) Morphologie, deren einzigartige Struktur für die Schwammbildung genutzt wurde. In dieser komplexesten Dimensionsebene erwies sich die Strukturvorgabe und -funktionalisierung als besonders herausfordernd. Es wurde eine Methode entwickelt, mit der die Schwämme bereits vor der Gefriertrocknung homogen mit Silbernanodrähten funktionalisiert werden konnten. Die faserbildenden Polymere wurden von Marius Schmidt (Makromolekulare Chemie II, Prof. Dr. Andreas Greiner) synthetisiert, analysiert und in Kooperation zu den Komposit-Schwämmen verarbeitet. Diese Strukturen zeigten in Anwesenheit der BOS Fasern sowie der Nanodrähte eine gesteigerte mechanische Stabilität, wobei die Analyse der elektrischen Eigenschaften komplexe Zusammenhänge zwischen Nanofiller-Verteilung und Perkolationsverhalten in dreidimensionalen und thermisch isolierenden Netzwerken aufdeckte. Die entwickelten Faserkomposite mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, Strukturier-ungen, Funktionalisierungen und Dimensionalitäten liefern eine fundierte Basis und wichtigen Baustein auf dem Weg zur Entwicklung multifunktionaler Textilien. Das Konzept der Beschichtung, Ausrichtung und Verteilung anisotroper Nanofiller in unterschiedlich ausgedehnten Faserarchitekturen wurde über alle Dimensionalitäten hinweg untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die strukturelle Architektur der Fasermatrix, die Orientierung und Verteilung der Nanofiller sowie die Qualität der Grenzflächeninteraktionen entscheidende Parameter für die makroskopischen Transporteigenschaften darstellen. Diese Erkenntnisse tragen zum grundlegenden Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in funktionalisierten Fasermaterialien bei.