Zeitschrift für Nanomaterialien und molekulare Nanotechnologie

Vom Labor in den Pilotmaßstab: Schmelzelektrogesponnene Nanofasern aus Polypropylen mit leitfähigen Zusätzen

Koenig K, Langensiepen F, Seide G, Daenicke J und Schubert DW 

In diesem Artikel wurde die Machbarkeit der Herstellung von Polypropylen (PP)-Nanofasern unter Verwendung leitfähiger Additive wie Natriumstearat (NaSt), Natriumoleat (NaOl) und Irgastat beim Schmelzelektrospinnverfahren mit einem Einzeldüsenlabor und einem 600-Düsen-Pilotgerät untersucht. Es wurden verschiedene PP-Qualitäten mit hohen Schmelzflussindizes (MFI = 450 – 1200 g/10 min) mit unterschiedlichen Mengen an Additiven verwendet. Die Auswirkungen der Additive auf die Faserdurchmesser, thermischen Eigenschaften, elektrische Leitfähigkeit und den Polymerabbau wurden untersucht. Im Labormaßstab wurden Faserdurchmesser von weniger als 500 nm mit der Verbindung aus PP HL712FB, 4 Gew.-% NaSt und 2 Gew.-% Irgastat erreicht. Das Laborgerät wurde um eine beheizbare Spinnkammer erweitert, die eine Verringerung des Faserdurchmessers bewirkt. Die Herstellung der Nanofasern wurde im Prinzip auf die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit durch die Einführung der Additive zurückgeführt. Im Pilotmaßstab konnte mit PP HL508FB und 2 Gew.-% NaSt der kleinste Faserdurchmesser von 6,64 μm erreicht werden. Der Vergleich zwischen der Herstellung der Fasern mit einer Einzeldüse und der Pilotanlage hat ergeben, dass eine Übertragung der Ergebnisse nicht ohne weiteres möglich ist. Aufgrund der höheren Verweilzeit in der Düse konnte mit der Hochtemperatur-Größenausschlusschromatographie ein starker thermischer Abbau des Polymers festgestellt werden, wobei NaO den stärksten Einfluss auf den thermischen Abbau hatte. Das hochschmelzende PP HL712FB und seine Compounds konnten mit der Pilotanlage aufgrund seiner geringen Viskosität nicht verarbeitet werden, was zu einem unzureichenden Druckaufbau innerhalb der Spinndüse führte. Ein weiterer Grund für die Nichtverspinnenbarkeit des Materials ist die höhere thermische und mechanische Belastung durch die vorangegangene Schmelzeaufbereitung in einem Extrusionsschritt. Weitere Anpassungen an der Pilotanlage sind notwendig, um eine konstante Temperaturverteilung in der Düsenplatte zu gewährleisten und gleichmäßige Faserquerschnitte zu erzielen. Die Implementierung eines unebenen Kollektors hat erfolgreich zu einer gleichmäßigen Ablage der Fasern geführt, um einen isotropen Vliesstoff zu erhalten.