Water stable, antimicrobial active nanofibres generated by electrospinning from aqueous spinning solutions [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Wiebke Vivien Voigt

Wiebke Bruhns

Description

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.

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 56
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

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.

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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

sklaT

“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

Chapter 1
Summary
Zusammenfassung

Chapter 2 Introduction
2.1 Electrospinning
2.1.1 Historic aspects
2.1.2 Basic electrospinning setup
2.1.3 Theory of jet modelling
2.1.4 Set up modifications and commercialisation
2.2 Environmentally friendly electrospinning
2.3 Electrospinning of poly(vinyl alcohol) (PVA) and water stabilisation
2.4 Antimicrobial functionalisation of nanofibres
2.5 Contents of this thesis
2.6 References

Chapter 3 Nano-Ag containing poly(vinyl alcohol) nanofibres and
stabilisation via physical crosslinking for application in filter
media
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Experimental Part

1

3 5

7 7 7 9 0121 41 41 51 61 81

32 3242 72

3.4 Results and Discussion
3.4.1 Effect of solution and process parameters on PVA fibre
morphology
3.4.2 Incorporation of Ag nanoparticles into PVA nanofibres
3.4.3 Water stabilisation by increase of crystallinity
3.4.4 Antimicrobial activity of PVA fibres with nano-Ag and
release behaviour
3.4.5 Electrospinning on support fleeces and application of test
dust
3.5 Conclusions
3.6 References

Chapter 4 Antimicrobial functionalisation of PVA nanofibres by
application of an antimicrobial quaternary ammonium silane
compound
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Experimental Part
4.4 Results and Discussion
4.4.1 PVA/TMS-QAC18 composite nanofibres
4.4.2 PVA nanofibres coated with TMS-QAC18
4.5 Conclusions
4.6 References

Chapter 5 Chemical crosslinking methods for stabilisation of
poly(vinyl alcohol) nanofibres against disintegration in water
5.1 Abstract
5.2 Introduction
5.3 Experimental Part
5.4 Results and Discussion
5.4.1 Stabilisation by formation of a semi-interpenetrating network
5.4.2 Transesterfication of PVA with GMA and susequent
crosslinking of the electrospun PVA-MA nanofibres
5.4.3 Crosslinking in the presence of a sensitizer
5.5 Conclusions
5.6 References

03 03 63 04 34 54 84 05

55 55 55 85 16 16 86 17 37

77 77 77 08 38 38 88 39 49 69

Chapter 6 Antimicrobial poly(vinyl alcohol) / silica hybrid nanofibres
with incorporated silver nanoparticles
6.1 Abstract
6.2 Introduction
6.3 Experimental Part
6.4 Results and Discussion
6.4.1 Adjustment of the PVA content and of the reaction time
between PVA and silica
6.4.2 Integration of nano-Ag witin the fibre matrix
6.4.3 Impact of heat on particle morphology
6.4.4 Antimicrobial activity of PVA/silica nanofibres with
nano-Ag and impact of heat
6.4.5 Water stability
6.5 Conclusions
6.6 References

Chapter 7 PVA/silica hybrid and silica nanofibres with photocatalytical
titanium dioxide
7.1 Abstract
7.2 Introduction
7.3 Experimental Part
7.4 Results and Discussion
7.4.1 PVA/silica hybrid nanofibres sprayed with TiO2 dispersion
7.4.2 Silica nanofibres sprayed with TiO2 dispersion
7.5 Conclusions
7.6 References

99 99 99 101 301 301 601 601 801 901 011 111

511 511 511 811 021 021 621 821 921

-List of Abbreviations-

dimethyl sulfoxide
deoxyribonucleic acid
thanoleglycidyl methacrylate
nolmethapoly(acrylic acid)