Water stable, antimicrobial active nanofibres generated by electrospinning from aqueous spinning ...

141 Pages·2010·2.83 MB·English

Water stable, antimicrobial active
nanofibres generated by electrospinning
from aqueous spinning solutions
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der RWTH Aachen
University zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Lebensmittelchemikerin
Wiebke Vivien Voigt
aus München
Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Martin Möller
Professorin Dr. rer. nat. Doris Klee
Tag der mündlichen Prüfung: 14. Dezember 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.
„The whole of science is nothing more than a refinement of everyday thinking“
Albert Einstein
Danksagung
Die vorliegende Dissertation entstand unter Leitung von Herrn Prof. Martin Möller am DWI
an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen e.V. im Zeitraum von
Februar 2004 bis Juni 2007.
Herrn Prof. Martin Möller danke ich für die interessante Themenstellung, seine
Diskussionsbereitschaft und wissenschaftliche Unterstützung.
Frau Dr. Helga Thomas danke ich herzlich für zahlreiche Diskussionen, ihre stete Hilfs-
bereitschaft und wissenschaftliche Betreuung.
Herrn Stefan Rütten und Herrn Dr. Hô Pham danke ich für die Unterstützung bei den
zahlreichen elektronenmikrospischen Untersuchungen und ihre stete Hilfsbereitschaft.
Frau Dr. Elisabeth Heine und Frau Rita Gartzen danke ich für die Durchführung der
antimikrobiologischen Messungen.
Frau Birgit Mohr, Frau Renate Janssen und Frau Brigitte Nellessen danke ich herzlich für
die AAS-Messungen und zahlreiche andere Messungen und ihr Hilfsbereitschaft.
Der Chemiestudentin Frau Ting Liu danke ich für ihre gute Mitarbeit im Rahmen ihres
Forschungspraktikums unter meiner Anleitung.
Für die kritische Durchsicht dieses Manuskriptes danke ich Herrn Christof Schmitz und Frau
Dr. Helga Thomas.
Allen Mitarbeitern des Institutes und meiner ehemaligen Arbeitsgruppe danke ich für die
gute Zusammenarbeit und die freundliche Arbeitsatmosphäre.
Insbesondere bedanken möchte ich mich herzlich bei meinen ehemaligen Kollegen
Jan Waerder, Mi Ran Yu, Stephanie Vonscheidt, Christiane Kulik, Michaela Hoffmann,
Nina Keusgen, Christina Klaus, Nicole Fricke, Alexandra Hullmann und Aleksandra
Mendrik für die angenehme und kollegiale Atmosphäre.
Besonderer Dank gilt meiner Familie und meinem Freund Christof.
List of Publications
Parts of this thesis are published, submitted to be published or presented at conferences
Talks
“Nanostructured nonwovens from water soluble polymers via electrospinning”
W. Voigt, H. Thomas, E. Heine, M. Möller
FAO/ESCORENA International Conference, Textiles for sustainable development, 23-27
October 2005, Port Elizabeth (South Africa)
“Herstellung antimikrobiell wirksamer Nanofasern”
W. Voigt, H. Thomas, E. Heine, M. Möller
6. Textilveredlertag, 18 May 2007, Baden-Baden
“Environmentally friendly electrospinning of nanofibres from aqueous polymer solutions“
W. Voigt, H. Thomas, M. Bozukov, M. Yu, M. Möller
Nano for the 3rd millennium–Nano for Life, 17/18 October 2007, Prague
“Herstellung von Nanofasern für den Einsatz in Filtermedien”
W. Voigt, H. Thomas, E. Heine, M. Möller
8. Int. Symposium, Stand der Technik der Filtration in industriellen Prozessen, 27/28
October 2007, Stuttgart
Book article
”Electrospinning and stabilisation of poly(vinyl alcohol) nanofibre webs with antimicrobial
activity”
W. Voigt, H. Thomas, E. Heine, M. Möller
in „Textiles for sustainable development“, R. Anandjiwala, L. Hunter, R. Kozlowski,
G. Zaikov, (Eds.), Nova Science Publishers, Inc., New York IV(33) (2007) 373-383
Papers (in preparation or submitted)
“Antimicrobial poly(vinyl alcohol) / silica hybrid nanofibres with incorporated silver
nanoparticles”
W. Voigt, H. Thomas, E. Heine, M. Möller, in preparation
“Chemical crosslinking methods for stabilisation of poly(vinyl alcohol) nanofibres against
disintegration in water”
W. Voigt, H.Thomas, M. Möller, in preparation
“Nano-Ag containing poly(vinyl alcohol) nanofibres and stabilisation via physical cross-
linking for application in filter media”
W. Voigt, H. Thomas, E. Heine, M. Möller, in preparation
"Electrospun silica-nanofibres as reinforcements for epoxy resins"
Oliver Weichold*, Britta Tigges, Wiebke Voigt, and Martin Möller, submitted
Poster presentations
“Antimikrobielle Nanofasern aus wässrigen Polymerlösungen für Filtermedien”
W.Voigt, H. Thomas, E. Heine, M. Möller
Aachener Textiltagung 24/25 November 2005, Aachen
“Electrospun nanofibres for application in filter materials“
W.Voigt, H. Thomas, E. Heine, M. Möller
Aachener Textiltagung, 29/30 October 2006, Aachen
“Electrospun antimicrobial nanofibres from water-based polymer solutions for application
in high efficiency filter materials”
W.Voigt, H. Thomas, E. Heine, M. Möller
Chemical Nanotechnology Talks VII, 23/24 October 2006, Frankfurt
“Stabilisation strategies for nanofibres derived from aqueous polymer solutions”
W. Voigt, M. Bozukov, M. Yu, H. Thomas, M. Möller
1st Aachen-Dresden International Textile Conference, 29/30 November 2007, Aachen
“Electrospun silica nanofibres as reinforcements for epoxy resins”
B. Tigges, O. Weichold, W. Voigt, M. Möller
14th Rudolc Polymer Meeting, From commoditiy plastics to specialty polymers?, 18-21 May
2008, Kerkrade (Netherlands)
Table of Contents
Water stable, antimicrobial active nanofibres generated by electrospinning
from aqueous spinning solutions
Seite
List of Abbreviations 1
Chapter 1
Summary 3
Zusammenfassung 5
Chapter 2 Introduction 7
2.1 Electrospinning 7
2.1.1 Historic aspects 7
2.1.2 Basic electrospinning setup 9
2.1.3 Theory of jet modelling 10
2.1.4 Set up modifications and commercialisation 12
2.2 Environmentally friendly electrospinning 14
2.3 Electrospinning of poly(vinyl alcohol) (PVA) and water stabilisation 14
2.4 Antimicrobial functionalisation of nanofibres 15
2.5 Contents of this thesis 16
2.6 References 18
Chapter 3 Nano-Ag containing poly(vinyl alcohol) nanofibres and 23
stabilisation via physical crosslinking for application in filter
media
3.1 Abstract 23
3.2 Introduction 24
3.3 Experimental Part 27
3.4 Results and Discussion 30
3.4.1 Effect of solution and process parameters on PVA fibre 30
morphology
3.4.2 Incorporation of Ag nanoparticles into PVA nanofibres 36
3.4.3 Water stabilisation by increase of crystallinity 40
3.4.4 Antimicrobial activity of PVA fibres with nano-Ag and 43
release behaviour
3.4.5 Electrospinning on support fleeces and application of test 45
dust
3.5 Conclusions 48
3.6 References 50
Chapter 4 Antimicrobial functionalisation of PVA nanofibres by 55
application of an antimicrobial quaternary ammonium silane
compound
4.1 Abstract 55
4.2 Introduction 55
4.3 Experimental Part 58
4.4 Results and Discussion 61
4.4.1 PVA/TMS-QAC composite nanofibres 61
18
4.4.2 PVA nanofibres coated with TMS-QAC 68
18
4.5 Conclusions 71
4.6 References 73
Chapter 5 Chemical crosslinking methods for stabilisation of 77
poly(vinyl alcohol) nanofibres against disintegration in water
5.1 Abstract 77
5.2 Introduction 77
5.3 Experimental Part 80
5.4 Results and Discussion 83
5.4.1 Stabilisation by formation of a semi-interpenetrating network 83
5.4.2 Transesterfication of PVA with GMA and susequent 88
crosslinking of the electrospun PVA-MA nanofibres
5.4.3 Crosslinking in the presence of a sensitizer 93
5.5 Conclusions 94
5.6 References 96
Chapter 6 Antimicrobial poly(vinyl alcohol) / silica hybrid nanofibres 99
with incorporated silver nanoparticles
6.1 Abstract 99
6.2 Introduction 99
6.3 Experimental Part 101
6.4 Results and Discussion 103
6.4.1 Adjustment of the PVA content and of the reaction time 103
between PVA and silica
6.4.2 Integration of nano-Ag witin the fibre matrix 106
6.4.3 Impact of heat on particle morphology 106
6.4.4 Antimicrobial activity of PVA/silica nanofibres with 108
nano-Ag and impact of heat
6.4.5 Water stability 109
6.5 Conclusions 110
6.6 References 111
Chapter 7 PVA/silica hybrid and silica nanofibres with photocatalytical 115
titanium dioxide
7.1 Abstract 115
7.2 Introduction 115
7.3 Experimental Part 118
7.4 Results and Discussion 120
7.4.1 PVA/silica hybrid nanofibres sprayed with TiO dispersion 120
2
7.4.2 Silica nanofibres sprayed with TiO dispersion 126
2
7.5 Conclusions 128
7.6 References 129
-List of Abbreviations-
List of Abbreviations

Chemicals

DMSO dimethyl sulfoxide
DNA deoxyribonucleic acid
EtOH ethanol
GMA glycidyl methacrylate
MeOH methanol
PAA poly(acrylic acid)
PEGDMA poly(ethylene glycol)dimethacrylate
PVA poly(vinyl alcohol)
PVP poly(vinylpyrrolidone)
RNA ribonucleic acid
TEMED N,N,N’,N’-tetramethylethylendiamine
TEOS tetraethyl orthosilicate
TiP tetraisopropyl orthotitanate
TMS-QAC 3-(trimethoxysilyl)-propyldimethyloctadecyl ammonium chloride
18
Triton® X-100 octylphenoldecaethylenglycolether

Units, symbols and general

°C degree Celsius
µm micrometre
µS micro Siemens
AD average diameter
AAS atomic adsorption spectrocopy
c concentration
cm centimetre
d day(s)
DS degree of substitution
DSC differential scanning calorimetry
EDX energy dispersive analysis of X-rays
-1-
-List of Abbreviations-
FESEM field emission scanning electron microscope
g gram
h hour(s)
ID inner diameter
IR infra red
kV kilo volt
m metre
mg milligram
min minute(s)
mL millilitre
mN milli-Newton
nm nanometre
NMR nuclear magnetic resonance
rpm rounds per minute
RT room temperature (21°C)
SEM scanning electron microscope
TEM transmission electron microscope
UV ultraviolet light
VIS visible light
wt.-% weight percentage

-2-