Электропрядение расплава
Электропрядение расплава — это технология производства волокнистых структур из расплавов полимеров для применения в тканевой инженерии , текстиле и фильтрации . В общем, электроформование можно осуществлять с использованием либо расплавов полимеров, либо растворов полимеров. Однако электропрядение расплава отличается тем, что сбор волокна может быть очень целенаправленным; В сочетании с движущимися коллекторами электропрядение расплава является способом выполнения 3D-печати . Поскольку летучие растворители не используются, это дает преимущества для некоторых применений, где токсичность растворителей и их накопление в процессе производства вызывают беспокойство.
История
[ редактировать ]Первое описание электропрядения из расплава было сделано Чарльзом Нортоном в патенте, одобренном в 1936 году. После этого первого открытия только в 1981 году электропрядение из расплава было описано как часть серии из трех статей. [ 1 ] Тезисы совещания по электропрядению расплава в вакууме были опубликованы Ренекером и Рангкупаном 20 лет спустя, в 2001 году. [ 2 ] Со времени этой научной публикации в 2001 году по электропрядению расплава регулярно появлялись статьи, включая обзоры на эту тему. [ 3 ] В 2011 году электропрядение расплава в сочетании с перемещающимся коллектором было предложено как новый класс 3D-печати . [ 4 ]
Принципы
[ редактировать ]Та же самая физика электростатического волочения волокна применима и к электропрядению расплава. Отличие заключается в физических свойствах расплава полимера по сравнению с раствором полимера. При сравнении расплавов полимеров и растворов полимеров первые обычно более вязкие , чем растворы полимеров, и сообщалось об удлиненных электрифицированных струях. [ 5 ] Расплавленная наэлектризованная струя также требует охлаждения для затвердевания, тогда как электроформование из раствора основано на испарении . Хотя электропрядение из расплава обычно приводит к получению волокон микронного диаметра, траекторию электрифицированной струи при электропрядении из расплава можно предсказать. [ 6 ]
Параметры
[ редактировать ]Температура
[ редактировать ]Минимальная температура необходима для обеспечения расплавления полимера вплоть до кончика фильеры. Спиннереты имеют относительно небольшую длину по сравнению с электропрядением из раствора.
Скорость потока
[ редактировать ]Наиболее важным параметром для контроля диаметра волокна является скорость потока полимера в фильеру - обычно, чем выше скорость потока, тем больше диаметр волокна. Хотя заявленные скорости потока низкие, вся жидкость, образующаяся электропрядением, собирается, в отличие от электропрядения в растворе, при котором большая часть растворителя испаряется .
Молекулярный вес
[ редактировать ]Молекулярная масса важна для определения возможности электропрядения полимера из расплава. Для линейных гомогенных полимеров низкая молекулярная масса (ниже 30 000 г/моль) может привести к разрыву волокон и ухудшению их качества. [ 7 ] При высоких молекулярных массах (более 100 000 г/моль) полимеру может быть очень трудно течь через фильеру. Сообщается, что многие волокна, полученные методом электропрядения из расплава, имеют молекулярную массу от 40 000 до 80 000 г/моль. [ 4 ] или представляют собой смеси полимеров с низкой и высокой молекулярной массой. [ 8 ]
Напряжение
[ редактировать ]Изменение напряжения не оказывает существенного влияния на конечный диаметр волокна, однако сообщалось, что для изготовления высококачественных и однородных волокон необходимо оптимальное напряжение. Для плавления электроспинового сплава использовались напряжения от 0,7 до 60 кВ. [ 9 ] [ 10 ]
Аппарат
[ редактировать ]Были построены различные машины для электропрядения расплава, некоторые из которых установлены вертикально, а некоторые - горизонтально. Подходы к нагреву полимера различаются и включают электрические нагреватели, нагретый воздух и циркуляционные нагреватели. [ 3 ] Один из подходов к электропрядению расплава заключается в помещении твердой полимерной нити в лазер , который плавится и подвергается электропрядению.
Полимеры
[ редактировать ]полимеры, имеющие температуру плавления или температуру стеклования Для электроформования расплава необходимы (Tg), за исключением термореактивных материалов (таких как бакелит ) и полимеров биологического происхождения (таких как коллаген ). На сегодняшний день полимеры, полученные электропрядением из расплава, включают:
- Поликапролактон [ 4 ] [ 11 ]
- Полимолочная кислота [ 12 ]
- Поли(лактид-когликолид) [ 13 ]
- Поли(метилметакрилат) [ 14 ] [ 15 ]
- Полипропилен [ 1 ] [ 5 ]
- полиэтилен [ 10 ]
- Поли(капролактон-блок-этиленгликоль) [ 7 ]
- Полиуретан [ 16 ]
Эти полимеры являются примерами наиболее часто используемых полимеров, а более полный список можно найти в другом месте. [ 3 ]
Использование
[ редактировать ]Потенциальные применения электропрядения из расплава аналогичны электропрядению из раствора. Отсутствие использования растворителей для обработки полимера помогает в тканевой инженерии, где растворители часто токсичны. Кроме того, некоторые полимеры, такие как полипропилен или полиэтилен, растворяются с трудом, поэтому электропрядение из расплава является одним из подходов к электропрядению их в волокнистый материал.
Тканевая инженерия
[ редактировать ]Электропрядение расплава используется для обработки биомедицинских материалов для исследований в области тканевой инженерии. Летучие растворители часто токсичны, поэтому отказ от использования растворителей имеет преимущества в этой области. Волокна, полученные электропрядением из расплава, использовались как часть «бимодального тканевого каркаса », где одновременно осаждаются волокна как микронного, так и наноразмерного масштаба. [ 13 ] Каркасы, изготовленные методом электропрядения из расплава, могут быть полностью пронизаны клетками, которые, в свою очередь, производят внеклеточный матрикс внутри каркаса. [ 17 ]
Доставка лекарств
[ редактировать ]Электропрядение из расплава также позволяет создавать волокна с содержанием лекарственного средства для доставки лекарств . Это многообещающий новый метод приготовления рецептур в области фармацевтических технологий для приготовления аморфных твердых дисперсий или твердых растворов с усиленным или контролируемым растворением лекарственного средства, поскольку он может сочетать в себе преимущества экструзии расплава (например, без растворителя, эффективная аморфизация, непрерывный процесс) и растворителя. - на основе электроспиннинга (увеличенная площадь поверхности). [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
Электропрядение расплава
[ редактировать ]Электрифицированная струя расплава, создаваемая электропрядением расплава, имеет более предсказуемый путь, а полимерные волокна можно точно наносить на коллектор. Когда коллектор перемещается с достаточной скоростью (называемой критической скоростью перемещения), прямые электропряденые волокна из расплава могут быть осаждены слой за слоем. Это позволяет создавать сложные, упорядоченные конструкции. [ 4 ] В этом отношении электропрядение расплава (MEW) можно рассматривать как класс 3D-печати . Запись электроспиннингом расплава осуществлялась с использованием либо перемещающейся плоской поверхности, либо [ 4 ] или вращающийся цилиндр/оправка. [ 11 ] Большинство полимеров, которые можно получить методом электропрядения из расплава, также можно написать, предполагая, что параметры можно настроить таким образом, чтобы создать стабильную струю. Также было показано, что пьезоэлектрические полимеры, такие как поливинилидендифторид (ПВДФ), можно перерабатывать с помощью MEW, что открывает потенциальные возможности применения в 3D-печатных датчиках, мягкой робототехнике и других применениях в биопроизводстве . [ 21 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Л. Ларрондо, Р. Дж. Мэнли, Журнал науки о полимерах, часть B, физика полимеров, 1981, 19, 909.
- ^ Р. Рангкупан, Д. Х. Ренекер, «Новые рубежи в продуктах на основе волокна», The Fiber Society, Роли, Северная Каролина, США, 2001.
- ^ Jump up to: а б с Хатмахер Д.В. и Далтон П.Д. (2011) Электропрядение в расплаве. Чем Азиат Джей, 6, 44–5.
- ^ Jump up to: а б с д и Браун Т.Д., Далтон П.Д., Хатмахер Д.В. (2011) Прямое письмо методом электроформования расплава. Передовые материалы, 23, 5651-57.
- ^ Jump up to: а б Далтон П.Д., Графаренд Д., Клинкхаммер К., Клее Д., Мёллер М. (2007)Электропрядение расплавов полимеров: феноменологические наблюдения. Полимер, 48, 6823-6833.
- ^ Далтон П.Д., Вакетт С., Фарруджа Б., Даргавилл Т.Р., Браун Т.Д., Хатмахер Д.В. (2013) Электропрядение и аддитивное производство: конвергентные технологии. Биоматер Сай, 1, 171.
- ^ Jump up to: а б Далтон П.Д., Кальвет Дж.Л., Мурран А., Клее Д., Мёллер М. (2006)Электропрядение поли(этиленоксид-блок-ε-капролактона) в расплаве. Биотехнология J, 1, 998-1006.
- ^ Далтон П.Д., Йоргенсен Н., Гролл Дж., Мёллер М. (2008) Формирование рисунка электропряденых из расплава подложек для тканевой инженерии. Биомед Матер, 3, 034139.
- ^ CS Kong, KJ Jo, NK Jo, HS Kim, Polymer Engineering and Science 2009, 49, 391
- ^ Jump up to: а б Р.Дж. Денг, Ю. Лю, Ю.М. Дин, ПК Се, Л. Луо, В.М. Ян, Журнал прикладной науки о полимерах, 2009, 114, 166.
- ^ Jump up to: а б Браун Т.Д., Слотош А., Тибодо Л., Таубенбергер А., Лесснер Д., Вакетт С., Далтон П.Д., Хутмахер Д.В. (2012)Проектирование и изготовление трубчатых каркасов методом прямого письма в режиме электроформования расплава. Биоинтерфазы, 7, 13, DOI 10.1007/s13758-011-0013-7.
- ^ HJ Чжоу, TB Green, YL Joo, Polymer 2006, 47, 7497.
- ^ Jump up to: а б Ким С.Дж., Джанг Д.Х., Парк В.Х., Мин Б.М. (2010)Изготовление и определение характеристик трехмерных композитных каркасов из нановолокна/микроволокна PLGA. Полимерная, 51, 1320-7
- ^ XF Wang, ZM Huang, Китайский журнал науки о полимерах, 2010, 28, 45.
- ^ К. П. Кэрролл, Э. Жмаев, В. Калра, Ю. Л. Джу, Корейско-австралийский журнал реологии, 2008, 20, 153.
- ^ Карчин А, Симоновский Ф.И., Ратнер Б.Д., Сандерс Дж.Э. (2011)Электропрядение биоразлагаемых полиуретановых каркасов из расплава. Акта Биоматер, 7, 3277-84.
- ^ Фарруджа Б., Браун Т.Д., Хатмахер Д.В., Аптон З., Далтон П.Д., Даргавилл Т.Р. (2013)Инфильтрация дермальными фибробластами каркасов из поли(ε-капролактона), изготовленных методом электроформования расплава в режиме прямой записи. Биофабрикация 5, 025001.
- ^ Надь З.К., Балог А., Драваволги Г., Фергюсон Дж., Патаки Х., Вайна Б. и Марози Г. (2013). «Электропрядение из расплава без растворителя для приготовления быстрорастворимых систем доставки лекарственных средств и сравнение с системами электропрядения и экструдирования из расплава на основе растворителей». Журнал фармацевтических наук . 102 (2): 508–517 (www.fiberpharma.co.nf) . дои : 10.1002/jps.23374 . ПМИД 23161110 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Балог, А., Драваволдьи, Г., Фараго, К., Фаркас, А., Виг, Т., Соти, П.Л., Вагнер, И., Мадарас, Дж., Патаки, Х., Мароши, Г., Надь , ЗК (2014). «Пластифицированные полимерные маты из расплава, наполненные лекарственными средствами, полученные электропрядением: характеристика, термическая деградация и кинетика высвобождения». Журнал фармацевтических наук . 103 (4): 1278-1287 (www.fiberpharma.co.nf) . дои : 10.1002/jps.23904 . ПМИД 24549788 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Балог А., Фаркас Б., Фараго К., Фаркас А., Вагнер И., Ван Аш И., Веррек Г., Надь З.К., Марози Г. (2015). «Маты из полимерного волокна, наполненного лекарственными средствами, полученные методом экструзии из расплава и электроформования, для улучшения растворения: сравнительное исследование» (PDF) . Журнал фармацевтических наук . 104 (5): 1767-1776 (www.fiberpharma.co.nf) . дои : 10.1002/jps.24399 . ПМИД 25761776 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Флорчак, С; Лорсон, Т; Чжэн, Т; Мрлик, М; Хутмахер, Д.В.; Хиггинс, MJ; Люксенхофер, Р; Далтон, П.Д. (2019). «Электропись в расплаве электроактивных поли(винилидендифторидных) волокон» . Полимер Интернэшнл . 68 (4): 735–745. дои : 10.1002/pi.5759 . hdl : 10072/385769 . S2CID 104438365 .