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)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005955

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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.