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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