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Inhaltsverzeichnis

1 Zusammenfassung ................................................................................................................................ 3

2 Motivation ............................................................................................................................................ 3

3 Zielsetzung ............................................................................................................................................ 3

4 Theorie.................................................................................................................................................. 3

5 Versuchsaufbau .................................................................................................................................... 4

5.1 Polymerlösungen ........................................................................................................................... 5

5.2 Polymerschmelzen ........................................................................................................................ 5

5.3 Gegenelektrode ............................................................................................................................. 5

6 Auswahl der Materialien ...................................................................................................................... 5

7 Versuchsreihen ..................................................................................................................................... 6

7.1 Indium............................................................................................................................................ 6

7.2 Polyethylenterephthalat (PET) ...................................................................................................... 6

7.3 Polyanilin ....................................................................................................................................... 7

7.4 Polyamid ........................................................................................................................................ 7

8 Diskussion und Ausblick ....................................................................................................................... 8

9 Linkliste ................................................................................................................................................. 9

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1 Zusammenfassung In meinem Jugend-forscht-Projekt ist es mir gelungen mit schulischen Mitteln preiswert

Polymerfasern im Mikrometerbereich zu erzeugen. Hierzu benutzte ich das Elektrospinning-

Verfahren. Ein 1929 patentiertes Verfahren, welches zeitweise in Vergessenheit geraten war, heute

jedoch wieder topaktuell ist. Schrittweise konnte ich meine Methode immer weiter verbessern,

sodass ich zuversichtlich bin, in den nächsten Wochen in den Nanometerbereich vorzudringen und

eventuell leitfähige Polymere zu erzeugen.

2 Motivation Heute, in einer Zeit, in der die Technologie immer kleiner und leistungsfähiger werden muss, liegen

Nano- und Mikrostrukturen voll im Trend – vor allem dank ihrer sehr vielseitigen Einsetzbarkeit in

verschiedensten Gebieten. Man braucht Nanostrukturen in der Technik zur Verdrahtung ultrakleiner

Bauteile, in der Chemie lassen sie sich dank ihrer großen Oberfläche trotz geringen Volumens sehr

gut als Katalysatoren oder Filter benutzen, in der Medizin kann man Nanostrukturen als Schablonen

zur Gewebezüchtung nutzen, im Alltag kann man mit ihnen wasserabweisende Beschichtungen

(Lotuseffekt) herstellen, um nur einige Beispiele zu nennen. Da nicht nur alles kleiner und schneller,

sondern am besten auch noch günstiger werden soll, lag meine Motivation darin, solche

Strukturierung preiswert mit schulischen Mitteln zu erzeugen. Dabei entdeckte ich das sogenannte

Elektrospinning. Eine Methode, in der Mikro- und Nanometer dicke Fasern mittels Hochspannung

erzeugt werden.

3 Zielsetzung Ziel meines Projektes ist es in verschiedenen Schritten mit schulischen Mitteln preiswert

Polymerfasern im Mikro- und Nanometerbereich zu erzeugen.

4 Theorie Zum Thema „Elektrospinning“ stieß ich bei meiner Recherche auf ein Patent von 1929. Heute ist das

zeitweise in Vergessenheit geratene Thema wieder topaktuell.

In einer Spritze befindet sich eine Polymerschmelze oder –lösung, an die ein elektrisches Potential

von einigen Kilovolt (ca. 10-30) angelegt wird. In einigem Abstand darunter befindet sich eine

Gegenelektrode, welche meist geerdet ist, sodass eine Potentialdifferenz entsteht. Durch die hohe

elektrische Spannung, werden im Polymer Ladungen erzeugt. Diese führen dazu, dass die Flüssigkeit

am Anfang der Spritze (Nadel, Kapillarröhre) die Oberflächenspannung überwinden kann. Es bildet

sich nun ein Kegel aus dem Tropfen, danach ein feiner Strahl, welcher durch die im Polymer

verketteten Moleküle zusammenhält. Tut er dies nicht, bilden sich feinste Tropfen und man spricht

von Elektrospraying. Der Strahl wird nun in Richtung Gegenelektrode beschleunigt, dabei noch feiner

auseinander gezogen. Auf dem Weg verdampft das Lösungsmittel bzw. trocknet die Schmelze, sodass

der Faden erhärtet auftrifft.

Für die Dicke des entstehenden Fadens sind vor allem die Lösungseigenschaften verantwortlich.

Höhere Viskosität und Oberflächenspannung ermöglichen die Bildung eines feineren Strahls. Durch

höhere Leitfähigkeit können besser Ladungen erzeugt werden, was auch zu einem dünneren Strahl

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Abbildung 4.1 – Schematischer Versuchsaufbau

Abbildung 5.1 – Versuchsaufbau

führt. Prozessparameter wie Feldstärke, Flussrate, Distanz der Gegenelektrode oder

Kanülendurchmesser haben keinen nennenswerten Einfluss auf die Dicke; sie sollten lediglich

passend zum Polymer gewählt werden, sodass der Spinnprozess reibungslos ablaufen kann.

Durch Umgebungsparameter wie Luftfeuchtigkeit oder Temperatur lässt sich außerdem einstellen,

wie weit der Strahl getrocknet sein soll, wenn er auf Gegenelektrode trifft. Durch einen nicht ganz

erhärteten Strahl lässt sich zum Beispiel ein Netz statt eines Fadens erhalten.

Vorteil des Elektrospinnings ist, dass es mit den entsprechenden Parametereinstellungen praktisch

für alle Polymere anwendbar ist. Des Weiteren können dem Polymer problemlos Zusätze hinzugefügt

werden, welche die spätere Funktionalität erweitern, zum Beispiel für Filter, Katalysatoren oder

leitfähige Fäden.

Abbildung 4.1 zeigt den schematischen Aufbau des Elektrospinnings.

Die Fasern, welche sich als Vlies an der Gegenelektrode sammeln, können auf einem Trägermaterial,

zum Beispiel Glas oder Papier aufgefangen werden.

5 Versuchsaufbau Nach einigen Vorversuchen, konnte ich nun einen festen

Versuchsaufbau für weitere Experimente entwickeln. Zum Schutz vor

der Hochspannung baute ich eine Holzkiste mit durchsichtiger

Plexiglasscheibe zum Beobachten. Darin befand sich ein Stativ, an

welchem die Vorrichtungen für die Polymerlösungen und –schmelzen

befestigt wurden. In das flüssige Polymer wurde eine Elektrode

geleitet, die an das sich auf dem Kasten befindliche

Hochspannungsgerät (mit 0 bis +25 kV) angeschlossen wurde. Auf

einem höhenverstellbaren Tisch befand sich die Gegenelektrode,

welche geerdet wurde.

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Abbildung 5.2.1 – Aufbau für Schmelzen

Abbildung 5.1.1 – Aufbau für Lösungen

5.1 Polymerlösungen Meine Polymerlösungen befinden sich in einer üblichen

Plastikspritze. Am unteren Ende führte ich luftdicht einen Draht als

Elektrode ein. Um einen gleichmäßigen Fluss zu gewährleisten und

ohne mich dabei in die Nähe der Hochspannung begeben zu

müssen, befestigte ich eine zweite Spritze verkehrtherum über der

ersten. An diese schloss ich einen kleinen Schlauch, durch den ich

von außen mittels einer kleinen Handpumpe Luft hineinpumpen

konnte. Diese Spritze wirkte nun als Kolben, der die Polymerlösung

herausdrücken konnte.

5.2 Polymerschmelzen Um ein ähnliches Ergebnis mit Polymerschmelzen zu erreichen,

brauchte es eine andere Apparatur. Ich nahm zunächst ein

Glasröhrchen mit sehr dünner Öffnung, damit die Lösung nicht

gleich herausfließt. Um dieses Röhrchen wickelte ich einen

Heizdraht. Um nun neue Schmelze nachdrücken zu können,

befestige ich am oberen Ende des Glases einen Gummischlauch,

durch den ich luftdicht den Elektrodendraht bis unten in die Lösung

führte. Den Schlaucht leitete ich hinaus und schloss ihn ebenfalls an

eine Handpumpe an. Die hineingepumpte Luft konnte nun Schmelze

herausdrücken.

5.3 Gegenelektrode Während meiner Versuche variierte ich meine Gegenelektrode. Sie ist beliebig ersetzbar, so habe ich

entweder Alufolie oder ein Gefäß mit destilliertem Wasser und einer Kupferelektrode darin

genommen. Bei der zweiten Variante sammelten sich die Fäden sehr schön im Wasser und man

konnte sie besser beobachten und auf zum Beispiel einen Objektträger legen.

6 Auswahl der Materialien Das zu beschleunigende Material sollte auf jeden Fall in der Lage sein, Fäden zu bilden. Dadurch sind

generell schon einmal die meisten Polymere mögliche Substanzen. Ich probierte zunächst allgemein

übliche wie PP (Polypropylen), PS (Polystyrol) oder PET (Polyethylenterephthalat) aus. Diese schmolz

ich ein und beschleunige sie. Außerdem probierte ich, um mein Ziel der leitenden Fäden zu

verwirklichen, das Metall Indium aus, da es eine sehr niedrige Schmelztemperatur hat.

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7 Versuchsreihen

7.1 Indium Die offensichtlichste Methode zur Herstellung leitender Fäden ist es wohl, diese aus Metall zu

erzeugen. In meiner oben beschriebenen Apparatur schmolz ich Indium ein, welches sich aufgrund

einer geringen Schmelztemperatur von ca. 157 °C besonders eignet. Ich musste jedoch feststellen,

dass sich das Indium nicht im Geringsten vom E-Feld beeinflussen ließ. Ich veränderte meine

Apparatur so, dass ich ein extrem

starkes E-Feld hatte. Der Abstand der

Elektroden wurde auf wenige cm bis

sogar mm verringert. Die

Gegenelektrode wurde durch eine

Spitze ersetzt (siehe Abbildung 7.1.1).

Ich untersuchte ein dazwischen

gehaltenes Trägermaterial gründlich,

doch zu meiner Verwunderung flog

tatsächlich kein Indium Richtung

Gegenelektrode. Ich schloss hieraus,

dass diese Methode aufgrund der Metalleigenschaften wie Oberflächenspannung nicht für

Metallschmelzen geeignet ist.

7.2 Polyethylenterephthalat (PET) Mit geschmolzenem PET hatte ich auf Anhieb mehr Erfolg. So gelangen es mir Fäden zu erzeugen, die

einen Durchmesser von weniger als 10 µm aufwiesen(siehe Abbildung 7.2.1). Hierbei verwendete ich

eine Spannung von 25 kV bei einem Elektrodenabstand von ca. 15 cm. Als Gegenelektrode diente

eine mit Alufolie überzogene Scheibe, die einen Durchmesser von ca. 10 cm hatte.

Abbildung 7.1.1 – Mit Indium gefülltes Glasröhrchen und Gegenelektrode

Abbildung 7.2.1 – Fließ mit Maßstab (Abstand zweier Striche entspricht 10 µm) Abbildung 7.2.1 – Vergleich mit einem menschlichen Haar

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Abbildung 5.3.1 – Polyanilinfäden

Abbildung 5.4.1 – Polyamidvlies Abbildung 5.4.2 – Ultradünne Polyamidfäden (Abstand zweier Striche entspricht 10 µm)

7.3 Polyanilin Nach einem ersten Erfolg mit PET, ging ich dem Thema der leitenden Fäden weiter auf die Spur. Ich

fand eine Anleitung Polyanilin durch Dotierung leitfähig zu machen. So besorgte ich mir diesen

Kunststoff, der als Pulver vorlag. Ich löste und dotierte ihn

mit Schwefelsäure. Nach vielen missglückten Versuchen

schaffte ich es Fäden im Bereich einiger Mikrometer zu

erzeugen. Diese waren jedoch nicht leitfähig, was wohl

auf falsche Dotierung (zu viel oder zu wenig)

zurückzuführen ist. Das Problem war nun mittels richtiger

Dosierung von Schwefelsäure, Polyanilin und Wasser eine

Konsistenz zu erzeugen, die in der Lage war, Fäden zu

ziehen, welche im getrockneten Zustand leitfähig sind.

Leider gelang es mir nicht dieses Problem zu lösen, was

vor allem am Zeitmangel lag.

7.4 Polyamid Mit Polyamid versuchte ich mein zweites Ziel – den Nanometerbereich – zu erreichen. Ich zermahlte

Polyamidstücke und löste sie in hochprozentiger Ameisensäure. Polyamid erwies sich als sehr

geeignet für das Elektrospinning, es bildete sehr gleichmäßige und relativ feste Fäden. Aufnahmen

unter dem Dunkelfeldmikroskop zeigen, dass ich mit der Dicke dieser Fäden an der Grenze des

Sichtbaren (ca. 400 nm) bin (siehe Abbildung 5.4.2). Weiter ließen sich diese Fäden leider mit

schulischen Mitteln nicht untersuchen, eine Aufnahme unter einem Elektronenrastermikroskop

könnte eventuell zeigen, dass ich bereits Fäden im Nanometerbereich erzeugt habe.

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Abbildung 5.4.3 – Polyamidnetz auf der Wasseroberfläche

8 Diskussion und Ausblick Meine bisher erreichten Ergebnisse sind schon ein großer Schritt in die richtige Richtung. Ich habe

eine Apparatur entworfen, um mit einfachsten Mitteln ein Vlies zu spinnen, dessen Fäden bloß einige

hundert Nanometer dick sind. Hiermit ist die Grundlage für Weiterentwicklungen dieser Fäden

geschaffen, die in nächsten Schritt sinnvoll eingesetzt werden sollen.

Der Nutzen dieser Fäden wird ernorm gesteigert, wenn man sie leitfähig machen kann. Da es mit

reinem Metall nicht funktioniert, werde ich im Bereich der Halbleiter und leitenden Polymere weiter

forschen. Versuche mit Polyanilin, welches man mit Hilfe von Dotierung leitfähig machen kann,

werde ich weiter verfolgen.

Andererseits müssen meine Fäden weiter verkleinert werden, sodass ich in den Nanometerbereich

komme, was eventuell sogar geschafft wurde, wobei ein Nachweis durch eine REM-Aufnahme zur

Zeit fehlt. Ist dieses Ziel noch nicht erreicht, bin ich sehr zuversichtlich dieses durch Variation der

Lösungseigenschaften zu erreichen.

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9 Linkliste (1) http://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?action=pdf&docid=DE000000584801A

12.11.2009, Anton Formhals, Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von künstlichen Fasern

(2) http://www.internetchemie.info/news/2009/jul09/dna-elektrospinnen.html

27.12.2009, Andreas Jaeck, Weißes Leuchten

(3) http://www.ansoft.com/maxwellsv/

20.12.09, Anasoft, Maxwell SV

(4) http://www.mpi-halle.mpg.de/mpi/publi/pdf/5109_05.pdf

20.12.09, Prof. Dr. J. H. Wendorff, Nanofasern und Nanoröhrchen

(5) http://www.uni-ulm.de/oc3/Paper_synthetische_Metalle.pdf

15.12.09, Alan G. MacDiarmid, Synthetische Metalle: eine neue Rolle für organische Polymere

(6) http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2007/0783/pdf/dmvb.pdf

15.02.10, Max von Bistram, Strukturierte funktionelle Nanofasern durch Elektrospinnen

(7) http://de.wikipedia.org/wiki/Indium

15.12.09, Wikimedia Foundation Inc., Indium