Verfahren zum Aufbringen eines Fadenmusters auf ein flaches Substrat, Vorrichtung hierzu sowie flaches Substrat mit aufgebrachtem Fadenmuster

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Fadenmusters aus feinen, durch Elektrospinnen gewonnenen Fasern oder Fasersträngen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Fadenmusters aus feinen durch Elektrospinnen gewonnenen Fasern oder Fasersträngen auf ein flaches Substrat gemäß Oberbegriff von Anspruch 6 sowie ein flaches Substrat mit einem darauf aufgebrachten Fadenmuster aus feinen durch Elektrospinnen gewonnenen Fasern oder Fasersträngen nach Anspruch 8.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Fadenmuster werden insbesondere auf textile Flächen, Substrate, wie Gewebe, Gewirke, Fliese oder dergleichen unter anderem zu Zierzwecken, als Gebrauchsinformation oder dergleichen aufgebracht, indem ein aus einer Vielzahl von Fasern bestehender Faden an vorgegebenen oder frei gewählten Punkten des textilen Substrates mittels

einer den Faden führenden Nadel hindurch geführt und auf der Rückseite durch einen Gegenfaden gesichert wird. Maschinen die diese Arbeit ausführen können sind z.B. als Stickmaschinen bekannt. Sie bestehen aus vielen Einzelteilen und haben einen komplizierten Aufbau. Außerdem muss auf beiden Oberflächen des textilen Substrates der Stickfaden bzw. der Gegenfaden manipuliert und nach Schlaufenbildungen jedes Mal wieder eine bestimmte Fadenspannung erzeugt werden. Durch den Gegenfaden, der in der Regel nicht dazu bestimmt ist, auch seinerseits ein bestimmtes Muster zu erzeugen, entsteht ein in der Regel sehr wenig ansehnliches Gebilde auf der Rückseite des textilen Substrats.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um den Prozess der Ausbildung eines Fadenmusters auf einem flachen Substrat zu vereinfachen und ein besonders ansehnliches Ergebnis zu erhalten, schlägt die Erfin- düng Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein flächiges Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vor. Demnach ist es hinsichtlich eines Verfahrens vorgesehen, das Substrat in mindestens einer Koordinatenrichtung relativ zu einer Fadenspinnelektrode dem gewünschten Muster entsprechend während des Fadenspinnens zu verfahren und die Fasern oder Faserstränge zumindest punktweise auf dem Substrat zu fixieren.

Grundsätzlich kann die Spinnelektrode und die zur Erzeugung des zum Elektrospinnen notwendigen starken elektrischen Feldes notwendige Gegenelektrode in jeder beliebigen Richtung orientiert sein. Bevorzugt wird allerdings eine vertikale Ausrichtung zwi- sehen Spinnelektrode und Gegenelektrode, um den Einfluss der Schwerkraft auf die gesponnene Faser optimal für die Musterbildung nutzen zu können.

Die Gegenelektrode kann sich in vielen verschiedenen Positionen bezogen auf das flache mit einem Fadenmuster zu versehene Substrat befinden. Bevorzugt befindet sich die Gegenelektrode in einem geringen Abstand auf der nicht mit dem Fadenmuster zu

versehenden Rückseite des flachen Substrates. Dieser Abstand muss groß genug sein, um beim Relatiwerfahren zwischen Gegenelektrode und flachem Substrat zufällige Berührungen zwischen beiden vermieden werden. Er muss aber auch klein genug sein, um u.a. eine bestimmte Fadenausrichtung auf dem Substrat zu gewährleisten. Das schließt nicht aus, dass zu bestimmten Zwecken der Musterbildung Berührungen zwischen Substrat und Gegenelektrode sogar bewusst herbeigeführt werden. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, dass die Gegenelektrode kurzzeitig an die Substratrückseite heran und nachfolgend wieder von ihr fortgeführt wird. Das kann sowohl aus Gründen der Ausbildung eines bestimmten elektrischen Potentials und/oder zur Ver- besserung der Fixierung der frisch gesponnenen Faser an einem bestimmten Punkt des flachen Substrates erfolgen.

Das Fixieren der frisch gesponnenen Faser auf dem Substrat kann grundsätzlich auf der gesamten Teillänge der Faser zwischen zwei vorgegebenen Punkten des ge- wünschten Fadenmusters erfolgen. In diesen Fällen ist die Haftung der durch Elektro- spinnen gewonnenen Faser auf der Muster- oder Sichtseite des flachen Substrates besonders hoch. Will man hingegen den optischen Eindruck eines gestickten Musters erzielen, so wird man bemüht sein, die durch Elektrospinnen gewonnene Faser hauptsächlich an Endpunkten von geraden Faserteillängen vorzunehmen, wie dies beim Sti- cken nach dem Stand der Technik ebenfalls der Fall ist. In diesen Fällen muss an dem Fixierpunkt die durch Elektrospinnen gewonnene Faser ausreichend stark in die mit dem Fadenmuster zu versehene Sichtseite des flächigen Substrates „eingeschossen" werden. Durch ein Steuern der Hochspannung, wie zum Beispiel ein Pulsieren nach einem vorgegebenen Spannungsmuster über die Zeit, zwischen der Spinn- und der Gegenelektrode kann die Fadenausbildung und Musterbildung den Vorgaben entsprechend beeinflusst werden. Dies läuft bevorzugt in Koordination mit dem Verlauf der Relativbewegung zwischen Substrat und Elektroden ab. Spannungsverlauf und Bewegungsverlauf können also aufeinander abgestimmt sein.

Anders als bei herkömmlichen Stickmaschinen benötigt das erfindungsgemäße Verfahren weder einen Gegenfaden noch eine Schlaufenbildung mit dem musterbildenden Faden. Die Bearbeitung des flächigen Substrates und Musterbildung mit der durch E- lektrospinnen gewonnenen Faser erfolgt also ausschließlich von der Sicht- oder Mus- terseite her. Die „Fixierung" ähnelt der einer so genannten Hot-melt-Verklebung, wobei „Klebepunkte" aber nicht mit bloßem Auge wahrnehmbar sind, weil durch das Elektro- spinnen Fasern im Durchmesserbereich einiger μm bis deutlich unter einem μm erzielt werden. Derart feine, auch Nanofasern genannte Fasern haben sich in besonderer Weise als geeignet für die Verankerung auf einem flachen Substrat, insbesondere auf einem solchem aus textilem Flachmaterial erwiesen.

Die Ausbildung des elektrischen Feldes zwischen Spinnelektrode und Gegenelektrode wird überraschend wenig von dem zwischen beiden bevorzugt zwischengefügten flachen Substrat beeinflusst.

Eine im weitesten Sinne zur Spitze geformte Gegenelektrode verringert die ansonsten bekannte Deformation des Elektrospinnfadens die auch als „Whipping Modes" bekannt sind.

Da die durch Elektrospinnen gewonnenen Fasern wie erwähnt meist sehr fein sind, müssen, wie bei einem ganz normalen Textilfaden eine Vielzahl von Fasern oder Faserstränge verarbeitet werden. Hierzu werden entweder Elektroden verwendet, die gleichzeitig eine Mehrzahl von Fasern oder einen Faserstrang bilden, oder aber es werden Monofasern im Bedarfsfall mehrfach über dieselbe Teilstrecke des Fadenmusters auf das Substrat aufgebracht.

Die Relativbewegung zwischen der Spinn- und Gegenelektrode einerseits und dem mit dem Fadenmuster zu versehenen flachen Substrat andererseits kann sowohl durch

Bewegen der Elektroden als auch durch Bewegen des flachen Substrates oder durch kombinierte Bewegungen beider erfolgen. Außerdem kann, wie erwähnt, der Abstand

der Elektroden zu dem Substrat während des Musterbildungsprozesses verändert werden.

Flache Substrate aus textilem Material neigen in der Regel sehr deutlich zum „Durch- hängen" aufgrund der Schwerkraft. Auf dieses Phänomen kann in verschiedener Weise reagiert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass flache Substrate in einem rahmenähnlichen Gebilde zu Spannen, wie es beim Sticken allgemein bekannt ist. Zum anderen kann das Phänomen des „Durchhängens" durch eine bestimmte Orientierung des flachen Substrates genutzt werden, indem die Flächennormale des Substrates ho- rizontal oder in einem vorgegebenen Winkel zur Horizontalen orientiert wird, so dass der „Durchhang" gering oder einfach kalkulierbar ist. Es ist also auch möglich, flächige Substrate sehr geringer Steifigkeit mit einem Fadenmuster durch Elektrospinnen zu versehen.

Unter einem flachen Substrat im Sinne der Erfindung werden vor allem solchen verstanden, deren Schichtdicke im Verhältnis zur seitlichen Ausdehnung der Schicht vergleichsweise gering ist. Hierzu zählen unter anderem gewebte, gewirkte oder filzartige textile Materialien, insbesondere in Bahnenform, wie sie als Vorprodukt z.B. von Wickeln abgezogen und auf Wickel wieder aufgezogen werden können. Flächige Substra- te im Sinne der Erfindung sind aber auch nicht textile Substrate, wie z.B. Folien aus Kunststoff, Metall, Keramik und anderen flächig herstellbaren Produkten. Grundsätzlich ist eine Fadenmusterbildung im Sinne der Erfindung auch auf solchen Substraten möglich, die eine unregelmäßige Dicke haben. Hierbei muss dafür gesorgt werden, dass die Gegenelektrode in geeigneter Weise positioniert werden kann.

Der Vorgang des Elektrospinnens und die hierbei verwendbaren Materialien sind durch technische und wissenschaftliche Veröffentlichungen bekannt. Die Nanofaserbildung erfolgt mittels einer hohen elektrischen Spannung angelegt zwischen einer Düse und einer Gegenelektrode. Das aufgrund der zwischen Düse (Fadenspinnelektrode) und Gegenelektrode anliegenden elektrischen Hochspannung erzeugte zu verspinnende

Material liegt als Schmelze oder Lösung vor und wird durch die Düse transportiert. Das elektrische Feld verformt über induzierte Ladungen den aus der Düse austretenden Tropfen und bewirkt den Austritt eines feinen Materialstrahls. Das Verfahren eignet sich für so unterschiedliche natürliche und synthetische Polymere wie Polyamid, Polycarbo- nat, Polymethylmethacrylat, Polynorbomen, Polyvinylidenflourid, Cellulose, Polylactid, Blockcopolymere und Polymerlegierungen. Voraussetzung ist eine auf das jeweilige Material abgestimmte Einstellung der Spinnparameter. Wichtig sind z.B. das Elektrodenmaterial, die Elektrodenform und -anordnung, die Gegenwart von Hilfs- und Steuerelektroden, die Viskosität, die Oberflächenspannung und die Leitfähigkeit der zu ver- spinnenden Flüssigkeit. Neben Vollfasern können auch Holfasern oder ummantelte Fasern für die Erfindung zum Einsatz kommen. Das Verfahren als solches ist also nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen be- schriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung und Tabelle, in der - beispielhaft - ein Ausführungsbeispiel eines durch Elektrospinnen hergestellten Fadenmusters gezeigt wird.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Aufbringen eines

Fadenmusters auf ein flaches Substrat durch Elektrospinnen.

Ein Maschinengestell 10 gestattet es, ein flächiges Substrat 12, z.B. aus textilem Material horizontal zu spannen und als Ganzes in einer horizontalen Ebene in X- und Y- Richtung zu verfahren. Unter dem gespannten Teil des Substrates befindet sich die Gegenelektrode mit dem Minuspol in einer festen Position oder ebenfalls in einer Hori- zontalebene verfahrbar bzw. in Z-Richtung heb- und senkbar. Oberhalb des gespannten Substrates befindet sich auf positivem Potential eine Elektrospinnelektrode 16 bekannter Bauart mit einem vorgeschalteten Vorrat 18 eines noch flüssigen Produktes welches zur Faserherstellung sehr feiner Fasern, insbesondere so genannter Nanofasern geeignet ist. Der Pluspol ist durch eine geeignete an sich bekannte Stromquelle 20 auf eine ausreichend hohe Spannung von z.B. 20.000 Volt gegenüber der Gegenelektrode 14 bringbar.

Wie der Detailansicht entnehmbar, werden die Nanofasern auf das gespannte Substrat welches sich gleichzeitig einem vorgegebenen Muster entsprechend unter dem Faser- strahl hinweg bewegt, geschossen, so dass das gewünschte Muster der Nanofasern auf dem Substrat entsteht.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Maschinengestell

12 Substrat

14 Gegenelektrode

16 Spinnelektrode

18 Flüssigkeitsvorrat

20 Spannungsquelle

22 Nanofaserbündel