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Warum können durch Schmelzelektrospinnen neue Materialien in einer ungiftigen Umgebung entstehen? Welche Wissenschaft steckt dahinter?
Mit dem zunehmenden Bewusstsein für den Umweltschutz sind viele Produktionsbereiche bestrebt, ungiftige Materialverarbeitungsprozesse zu finden. Die Schmelzelektrospinntechnologie ist eine der führenden Technologien. Diese Technologie kann nicht nur effektiv Faserstrukturen herstellen, sondern auch ohne den Einsatz flüchtiger Lösungsmittel, was der Industrie neue Möglichkeiten eröffnet.
Historischer Hintergrund der Schmelzelektrospinntechnologie
Die Technologie des Schmelzelektrospinnens wurde erstmals 1936 von Charles Norton patentiert. Allerdings dauerte es bis 1981, bis Larondo und Manley die Technologie in drei Forschungsarbeiten ausführlich beschrieben. Mit der Vertiefung der wissenschaftlichen Forschung erregte diese Technologie im Jahr 2001 erneut Aufmerksamkeit und es wurden zahlreiche Anwendungsstudien durchgeführt. Im Jahr 2011 wurde die Kombination aus Fusions-Elektrospinning-Technologie und mobilen Kollektoren offiziell als neues 3D-Druckverfahren vorgeschlagen.
Grundprinzipien der Schmelzelektrospinntechnologie
Die grundlegenden physikalischen Prinzipien des Schmelzelektrospinnens sind die gleichen wie beim elektrostatischen Faserziehen, es wird jedoch eine Polymerschmelze anstelle einer Lösung verwendet. Polymerschmelzen sind typischerweise viskoser als Lösungen, sodass elektrisch polarisierte Strahlen vorhersehbaren Bahnen folgen können. Geschmolzene Strahlen müssen zum Erstarren gekühlt werden, auch im Gegensatz zum Lösungselektrospinnen, das auf Verdampfung beruht.
Schlüsselparameter des Schmelzelektrospinnens
Temperatur
Um ein vollständiges Schmelzen des Polymers zu gewährleisten, muss eine geeignete Mindesttemperatur eingehalten werden. Die Länge des Rotators ist kürzer als beim Lösungselektrospinnen, was ebenfalls ein nicht zu vernachlässigender Faktor ist.
Verkehr
Der wichtigste Parameter zur Steuerung des Faserdurchmessers ist die Polymerflussrate durch den Spinner. Generell gilt: Je größer die Durchflussrate, desto größer der Faserdurchmesser.
Molekulargewicht
Das Molekulargewicht des Polymers bestimmt auch, ob es elektrogesponnen werden kann. Lineare homogene Polymere unter 30.000 g/mol führen zu einer schlechten Faserqualität, während hohe Molekulargewichte über 100.000 g/mol Schwierigkeiten haben, durch die Schleuder zu fließen.
Spannung
Die Anpassung der Spannung hat kaum Auswirkungen auf den Faserdurchmesser, es ist jedoch notwendig, eine optimierte Spannung sicherzustellen, um qualitativ hochwertige Fasern herzustellen.
Schmelzelektrospinnausrüstung
Bei der Herstellung von Fusions-Elektrospinnmaschinen stehen verschiedene Designs zur Verfügung, mit sowohl vertikal als auch horizontal montierter Ausrüstung und einer Vielzahl von Wärmequellenoptionen, einschließlich Elektroheizungen, Heißgas und Umlaufheizungen.
Beteiligte Polymermaterialien
Die Schmelzelektrospinntechnologie wird hauptsächlich für Polymere mit Schmelzpunkten oder Glasübergangstemperaturen eingesetzt. Zu den gängigen schmelzbaren elektrogesponnenen Polymeren gehören:
Polycaprolacton, Polymilchsäure, Poly(milchsäure-glykolsäure), Polymethacrylat, Polyethylen, Polypropylen usw.
Anwendung des Schmelzelektrospinnens
Gewebetechnik
Bei der Herstellung biomedizinischer Materialien wird das Schmelzelektrospinnen in der Tissue-Engineering-Forschung häufig eingesetzt, da keine Lösungsmittel erforderlich sind. Mithilfe der Schmelzelektrospinntechnologie hergestellte Fasern können ein gutes Gerüst für Zellen bilden und dadurch das Zellwachstum und die Bildung einer externen Matrix fördern.
Arzneimittelabgabe
Mit der Schmelzelektrospinning-Technologie können auch wirkstoffbeladene Fasern hergestellt werden. Diese neue Formulierungstechnologie kann eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Arzneimittellöslichkeit spielen und kombiniert die Vorteile der Lösungsmittelextrusion und des Elektrospinnens.
Melt Electrospinning Writing (MEW)
Schmelzelektrospinnen ist ein 3D-Druckverfahren, das durch die Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Kollektors eine präzise Faserablage ermöglicht, um komplexe Strukturen zu erzeugen.
Zukunftsaussichten
Die Weiterentwicklung der Schmelzelektrospinning-Technologie bietet unbegrenzte Möglichkeiten für die Schaffung neuer Materialien, die nicht nur das Gesicht der Materialwissenschaft verändern werden, sondern möglicherweise auch tiefgreifende Auswirkungen auf die Umweltoptimierung haben können. Doch während wir neue Technologien vorantreiben, sollten wir auch darüber nachdenken: Kann die Materialtechnologie der Zukunft wirklich in eine nachhaltige Entwicklung integriert werden und der Menschheit zugute kommen?
