Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Blitzes

Jun 30, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18030 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Flash-gesponnener Vliesstoff (FS-NW) gewinnt im PSA-Bereich aufgrund seiner hervorragenden Barriere- und mechanischen Eigenschaften, die sich aus seiner ungleichmäßigen Durchmesserverteilung und der einzigartigen Filamentmorphologie ergeben, zunehmend an Aufmerksamkeit. Die einzigartige Netzwerkstruktur von Flash-Spun-Filamenten (FSF), aus denen das FS-NW besteht, kann durch das Phasentrennungsverhalten im SCF-Prozess (Supercritical Fluid) gesteuert werden. Diese Studie schlägt eine einfache Methode zur Steuerung der Mikrostruktur von FSFs durch Steuerung des druckinduzierten Phasentrennungsprozesses (PIPS) in Polymer/SCF-Lösung vor. Dieses Phasentrennungsverhalten einer HDPE/SCF-Lösung wurde durch Verwendung einer Hochdruck-Sichtzelle bestätigt. Außerdem wurde eine mehrstufige Düse entwickelt, die einen phasengetrennten Druck zur Bildung verschiedener Phasen ermöglicht. HDPE-FSFs wurden durch Flash-Spinning synthetisiert und ihre Morphologie, Kristallinität und mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die durch PSP-Kontrolle bei 220 °C und mit einer HDPE-Konzentration von 8 Gew.-% erhaltenen Filamente eine Netzwerkstruktur aus Strängen aufwiesen, deren Durchmesser im Bereich von 1,39 bis 40,9 μm lagen. Der optimale FSF wurde bei 76 bar mit einer Kristallinität von 64,0 % und einer Festigkeit von 2,88 g/d erhalten. Die PIPS-Methode kann somit die Mikrostruktur effektiver steuern als temperatur- oder lösungsmittelinduzierte Techniken und kann die effektive Synthese verschiedener Produkte ermöglichen.

Die Sicherheit und das Wohlbefinden der Menschen in der modernen Gesellschaft sind anfällig für Faktoren, die den menschlichen Körper gefährden, wie zum Beispiel starke Luftverschmutzung, Krankheitserreger und Viren. Die neuartige Coronavirus-Krankheit (COVID-19) ist ein eindrucksvolles Beispiel für dieses Phänomen, da sie seit ihrer ersten Beobachtung im Jahr 2019 eine globale Pandemie verursacht hat und weiterhin erhebliche Todesopfer fordert1,2. Es ist typischerweise bekannt, dass sich Viren über kleine Aerosole (normalerweise definiert als < 5 µm) oder größere Atemtröpfchen, die beim Husten, Niesen oder Atmen ausgestoßen werden, verbreiten3,4. Daher gewinnt die Entwicklung persönlicher Schutzausrüstung (PSA) zur Verhinderung der Ausbreitung von Infektionen und zum Schutz von Patienten und medizinischem Personal vor gefährlicher Exposition zunehmend an Bedeutung.

Im Allgemeinen wird PSA getragen, um die Gefährdung durch Gefahren zu minimieren, die zu schweren Verletzungen und Krankheiten am Arbeitsplatz führen können. Dazu können Gegenstände gehören, von Handschuhen und Schutzbrillen bis hin zu Schuhen, Ohrstöpseln, Schutzhelmen, Atemschutzmasken und Ganzkörperanzügen5,6,7. PSA-Material erfordert bestimmte Eigenschaften, wie z. B. eine beträchtliche mechanische/strukturelle Festigkeit, die für anstrengende Aktivitäten geeignet ist, Barriereeigenschaften gegenüber der äußeren Umgebung und die Filterung von Schadstoffen6,7. Unter den Materialien, die zur Herstellung von PSA verwendet werden, erfreuen sich Mikro-/Nanofaservliesstoffe derzeit großer Beliebtheit als wesentlicher Bestandteil von Atemschutz- oder Ganzkörperschutzausrüstungen. Mikro-/Nanofaservliesstoffe weisen aufgrund mehrerer vorteilhafter Eigenschaften wie kleinem Faserdurchmesser, großem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, hoher Porosität und guter interner Konnektivität eine hohe Filtrationseffizienz auf6,8,9,10. Diese Vliesstoffe werden im Allgemeinen durch weit verbreitete Spun-Bond- oder Melt-Blown-Verfahren hergestellt, die eine hervorragende Luftdurchlässigkeit und Filtrationseffizienz ermöglichen. Es ist jedoch schwierig, mit diesen Methoden Produkte mit mechanischer Festigkeit zu erhalten, die starken menschlichen Aktivitäten standhalten können.

Flash-gesponnener Vliesstoff (FS-NW) erregt als vielversprechendes PSA-Material aufgrund seiner hervorragenden funktionellen Eigenschaften wie hoher Zug- und Reißfestigkeit und feuchtigkeitsdurchlässiger wasserdichter Eigenschaften Aufmerksamkeit7,11. FS-NW-Gewebe bestehen aus Mikrofasern mit einer Durchmesserverteilung im Bereich von mehreren zehn Mikrometern bis zu Hunderten von Nanometern, was zu einer höheren Zug- und Reißfestigkeit als typische Spinnvliesstoffe mit einem Faserdurchmesser von ≥ 10 μm und mit diesen vergleichbaren Barriereeigenschaften führt von Polymermembranen11,12,13. Die Netzwerkfilamentmorphologie, die dem Flash-Spinnprozess zugeschrieben wird, ermöglicht diese einzigartigen Eigenschaften von FS-NW. Flash-Spinnen ist ein High-End-Verfahren zur Herstellung von schmelzgesponnenen Vliesstoffen, bei dem ein SCF-Verfahren (Supercritical Fluid) zum Einsatz kommt12,14,15,16. SCFs können als hochwirksame Medien in der Polymerverarbeitung eingesetzt werden, da sie eine flüssigkeitsähnliche Dichte und Löslichkeit aufweisen und gleichzeitig gasähnliche Transporteigenschaften besitzen. Darüber hinaus kann das Phasenverhalten ihrer Lösungen einfach und bequem durch Temperatur- und Druckänderungen gesteuert werden17. Beim Flash-Spinnverfahren wird ein Polymer in einem Hochdruck- und Temperatur-SCF (HPT) gelöst und dann durch sofortigen Ausstoß bei Normaldruck und Temperatur (NPT) gesponnen12,15,16,18. Diese einphasige Polymer/SCF-Lösung, die durch spontanen Druck beim Erhitzen des Polymer-Lösungsmittel-Gemisches hergestellt wird, trennt sich durch einen Druckabfall und wird anschließend durch eine Öffnung in einen wesentlich niedrigeren Druck- und Temperaturbereich (normalerweise NPT) ausgestoßen, um das FSF12,16 zu bilden ,18. Eine Phasentrennung in der SCF-Mischung während dieses Verfahrens kann zu tiefgreifenden Strukturveränderungen in den Flash-Spinning-Filamenten (FSF) führen, deren Ausmaß von den Prozessparametern wie Temperatur, Druck und Konzentration abhängt. Obwohl Studien zum Phasentrennungsverhalten in Polymer/SCF-Lösungen durchgeführt werden19,20,21, ist es schwierig, den Forschungsansatz auf den tatsächlichen Flash-Spinnprozess anzuwenden, weshalb systematische Studien zum Einfluss des Phasenverhaltens auf die Materialeigenschaften des Polymers durchgeführt werden Das resultierende Produkt ist unzureichend.

In dieser Studie stellten wir eine Polymer/SCF-Lösung unter Verwendung von Trichlorfluormethan als Lösungsmittel und hochdichtem Polyethylen (HDPE) als Faservorläufer her und führten Flash-Spinnen durch druckinduzierte Phasentrennung (PIPS) durch. Um die Polymer/SCF-Lösung beim Flash-Spinnen zu verwenden, geht zwangsläufig eine Phasentrennung einher. PIPS hat den Vorteil, dass Druckänderungen als experimenteller, gleichmäßiger Kontrollparameter im gesamten Polymer/SCF-System bereitgestellt werden können22. In dieser Arbeit haben wir das Phasenverhalten der HDPE/SCF-Lösung im Verhältnis zu Druckänderungen beobachtet, die zur Steuerung des PIPS-Prozesses vorgenommen wurden. Basierend auf diesem phasengetrennten Druck (PSP) wurde eine mehrstufige Düse mit einem Bereich zur Erzwingung eines Druckabfalls entworfen und beim Flash-Spinnen eingesetzt. Schließlich wurde die Wirkung von PIPS auf die morphologischen, kristallographischen und mechanischen Eigenschaften von FSFs untersucht.

Die Bildung der HDPE/SCF-Lösung wurde visuell durch die scheinbare Phasenänderung zwischen HDPE und Lösungsmittel bestätigt, die über die Hochdruck-Sichtzelle beobachtet wurde. Abbildung 1a zeigt die Druckänderung im Behälter und die Phasenänderungen von HDPE und Lösungsmittel bei einem Temperaturanstieg bis zu 220 °C. Es ist zu beobachten, dass das Lösungsmittel bei steigender Temperatur verdampft, unter spontanem Druck kondensiert und sich mit dem geschmolzenen HDPE vermischt. Somit kann bestätigt werden, dass das Polymer/Lösungsmittel-Gemisch oberhalb des kritischen Punktes (der spontane Druck beträgt 134 bar bei 220 °C) eine Polymer/SCF-nahe-Lösung bildet. Um Polymere aus der SCF-Lösung zu verarbeiten, sind Informationen über das Phasenverhalten der Polymer-/SCF-Lösung erforderlich. Die S-L-V-Mischphase (Feststoff, Flüssigkeit bzw. Dampf) bildete sich aufgrund der Verdampfung des Lösungsmittels aus der SL-Mischphase (Abb. 1b) mit steigender Temperatur. Dies wurde beobachtet, da das Lösungsmittel eine leichte Komponente ist (Abb. 1c). Anschließend schmolz das Polymer über Tm, was zu einer L-Phase führte, und das verdampfte Lösungsmittel wurde durch den spontanen Druckanstieg kondensiert, wodurch die L-L-Phase entstand (Abb. 1d). Schließlich überschritt die L-L-Mischphase den kritischen Punkt und bildete eine Einzelphase (L) (Abb. 1e). Aus diesem Phasenverhalten lässt sich ableiten, dass das System für die Zusammensetzung des verwendeten HDPE/Lösungsmittels und das spezifische Molekulargewicht des HDPE dem allgemein bekannten HPT-Phasenverhalten in der Polymer/SCF-Lösung folgt19,20,23.

Druck-Temperatur-Variation der HDPE/Lösungsmittel-Mischung. (a) Profil der Druckschwankungen bis zu 220 °C und (b–e) optische Bilder beim Phasenwechsel in der Hochdruck-Sichtzelle; (b) zweiphasig (51 °C/3,4 bar), (c) dreiphasig (134 °C/18,1 bar), (d) zweiphasig (198 °C/38,8 bar) und (e) einphasig -Phase (220 °C/134 bar).

Das druckinduzierte Phasenverhalten der HDPE/SCF-Lösung bei 220 °C wurde beobachtet, indem das Innenvolumen der Hochdruck-Sichtzelle durch Verstellen des Kolbens verändert wurde. Abbildung 2 zeigt den Druckabfall aufgrund des erweiterten Innenvolumens und die optischen Bilder der Phasenänderungen bei jedem Druck. Es wurde beobachtet, dass der Druck der HDPE/SCF-Lösung mit zunehmendem Innenvolumen abnahm, wie in Abb. 2a dargestellt. Mit diesem Druckabfall wurde die transparente Phase allmählich trüb (Abb. 2c, d). Druckabfälle über 60 bar verdunkelten die Phase vollständig und die Phasen bei 69 bar und 65 bar sind schwer zu unterscheiden (Abb. 2e–g). Dieser Phasenwechsel wird auf die Phasentrennung der Polymerphase und der Lösungsphase zurückgeführt, wenn der Druck der HDPE/SCF-Lösung abnimmt; Der Druckabfall verringert die Dichte des Lösungsmittels, was wiederum die Löslichkeit des Polymers verringert, was letztendlich zu einer Phasentrennung führt20,21,23. Diese Phasenreaktion auf sich ändernden Druck legt nahe, dass unterschiedliche Phasentrennungen in der HDPE/SCF-Lösung einfach durch Druckkontrolle induziert werden können.

Druckabfall gegenüber dem erweiterten Volumen der HDPE/SCF-Lösung und optische Bilder der Phasenänderungen bei jedem reduzierten Druck. (a) Druck-Volumen-Beziehung und Phasen bei: (b) 134 bar, (c) 113 bar, (d) 87 bar, (e) 76 bar, (f) 69 bar und (e) 65 bar (der Anfangsdruck). Druck: 134 bar).

Die Flash-Spinnlösung wurde unter den gleichen Bedingungen hergestellt, wie sie in der Hochdruck-Sichtzelle beobachtet wurden. Die durch Flash-Spinning erhaltenen FSFs wurden nach dem phasengetrennten Druck (PSP) benannt. Das heißt, die Proben werden als PSP-134, -113, -87, -76, -69 und -65 bezeichnet. Abbildung 3 zeigt Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) der FSFs, die aus den entsprechenden PSPs in Abb. 2 erhalten wurden. Interessanterweise weisen FSFs im Gegensatz zu dem einzelnen Filament, das durch Verwendung einer Einlochdüse wie beim herkömmlichen Schmelzspinnen erhalten wird, eine netzartige Struktur auf Morphologie bestehend aus zahlreichen Strängen. Diese ungleichmäßige Filamentmorphologie mit unterschiedlichen Strangdurchmessern ist als Filmfibrillen-Plexifilament bekannt12,16,18. Insbesondere ist zu erkennen, dass der Durchmesser der Stränge bei niedrigeren PSP-Werten zunahm, bei dem relativ niedrigen PSP-Wert von 69 bar wurden die Stränge jedoch wieder dünner. Der Durchmesser von 200 Strängen wurde aus jedem REM-Bild gemessen, um die Variation in der Verteilung des Strangdurchmessers im erhaltenen FSF zu analysieren (Abb. 4). Die Verteilung des Strangdurchmessers steht in engem Zusammenhang mit den Barriereeigenschaften des FS-NW-Gewebes. Stränge unterschiedlicher Dicke erhöhen die Packungsdichte des Vliesstoffs und verbessern so die Barriereeigenschaften. Das PSP-134 ohne PSP-Kontrolle wies eine enge Verteilung der Strangdurchmesser von minimal 1,39 μm bis maximal 15,5 μm mit einem Varianzwert von 4,1 auf (Abb. 4a). Bei den niedrigeren PSP-Werten wurde festgestellt, dass die Strangdurchmesserverteilung von PSP-76 breit ist, von einem Minimum von 1,16 μm bis zu einem Maximum von 40,9 μm, und wies eine Varianz von 65,3 auf, die höchste aller Proben (Abb. 4d). ). PSP-65, der niedrigste PSP-Wert, hatte kleine Strangdurchmesser von mindestens 1,33 μm bis maximal 27,1 μm und wies einen niedrigen Dispersionswert von 17,3 auf (Abb. 4f). Diese Strangdurchmesser- und Verteilungsschwankungen können dem Phasentrennungsweg der Polymer/SCF-Lösung zugeschrieben werden.

Rasterelektronenmikroskopbilder von FSFs, aufgenommen bei verschiedenen PSP-Werten. Bilder entsprechend (a) PSP-134, (b) PSP-113, (c) PSP-87, (d) PSP-76, (e) PSP-69 und (f) PSP-65.

FSF-Strangdurchmesserverteilungen, erhalten bei verschiedenen PSP-Werten. Verteilungen für (a) PSP-134, (b) PSP-113, (c) PSP-87, (d) PSP-76, (e) PSP-69 und (f) PSP-65.

Bei konstanter Temperatur durchläuft die Polymer/SCF-Lösung einen PIPS-Weg, der durch die folgenden Regionen verläuft: eine stabile Region, die als einzelne Phase existiert, eine metastabile Region, in der zwei Phasen nebeneinander existieren, und eine instabile Region, in der die Phasen vollständig getrennt sind (wie in Abb. 5a gezeigt)22,24,25. Bei diesem typischen Phasentrennungsweg wird der metastabile Bereich beobachtet, wenn sich Moleküle versammeln, um mit der Keimbildung zu beginnen, gefolgt von Wachstum, was letztendlich zur Phasentrennung führt17,20,22. In diesem System bezieht sich der spinodale Zersetzungsmechanismus auf die Phasentrennung, die den metastabilen Bereich kaum durchläuft. Die getrennten Polymer- und Lösungsmittelphasen haben je nach Anteil von Polymer und Lösungsmittel drei Arten fester Formen; (i) diskontinuierliche lösungsmittelreiche Polymerphase (Partikel)26,27, (ii) kontinuierliche Polymer-/Lösungsmittelphase, in der Polymer und Lösungsmittel gleichzeitig erzeugt werden (Netzwerk)24,28,29,30 und (iii) diskontinuierliches Polymer -reiche Lösungsmittelphase (porös)31,32. In unserem speziellen Fall legen die in Abb. 3 beobachteten FSF-Morphologien nahe, dass der Polymeranteil in der vorbereiteten HDPE/SCF-Lösung die getrennte Phase von (ii) durchläuft. In der Momentanphase wird das getrennte HDPE/Lösungsmittel-Gemisch durch den Ausstoßdruck gestreckt und durch schnelles Abkühlen durch Expansion und Verdampfung des Lösungsmittels verfestigt. Letztendlich wird ein dreidimensionales Filament erhalten, das aus Strängen mit porösen Querschnitten besteht, wie in Abb. 5b und c dargestellt. Wir haben den Phasentrennungspunkt des PIPS-Wegs durch die spezifischen PSPs gesteuert, wie in Abb. 2a bestätigt. PSP-76 zeigte eine breite Strangdurchmesserverteilung, was auf ein ausreichendes Wachstum von Polymerkeimen im metastabilen Bereich des PIPS-Wegs schließen lässt. Andererseits weisen FSFs, die aus den frühen und späten Phasen der PIPS-Wege (mit Ausnahme von PSP-76) stammen und kaum im metastabilen Bereich bleiben, eine relativ enge Durchmesserverteilung auf (Abb. 4). Somit deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass der druckkontrollierte Phasentrennungspunkt am PIPS die intrinsische Morphologie der erhaltenen FSFs erheblich beeinflusst und die Verteilung der Strangdurchmesser verändert.

Darstellungen von Phasentrennungswegen und Netzwerkstrukturbildung. (a) Schematische Darstellung der Phasentrennungswege in Polymer/SCF-Lösung, (b) Netzwerkstrukturbildung im FSF durch Phasentrennung beim Flash-Spinning-Prozess und (c) Querschnitts-REM-Bild von FSF-76.

Das Röntgenbeugungsmuster (XRD) für die FSF-Proben ist in Abb. 6a dargestellt. XRD-Muster der FSFs zeigen hauptsächlich zwei Peaks bei 21,5° und 23,9°, die als (110)- bzw. (200)-Ebenen von HDPE identifiziert wurden33,34. Diese Daten deuten außerdem darauf hin, dass FSFs eine orthorhombische Struktur aufweisen35. Einige der anderen kleinen Peaks bestätigen die halbkristalline Natur des HDPE (dh das Vorhandensein kristalliner und amorpher Bereiche). Neben dem (110)-Peak in PSP-134 wird ein breiter Schulterpeak bei etwa 19,3° beobachtet, was bedeutet, dass PSP-134 eine amorphe HDPE-Struktur aufweist. Der Schulterpeak nahm mit abnehmendem PSP allmählich ab, was auf eine Abnahme im amorphen Bereich hindeutet (wie in PSP-76 zu sehen). Im Fall von PSP-65 nimmt jedoch der Schulterpeak zu, was darauf hindeutet, dass in dieser Probe ein amorpher Bereich zunimmt. Die Abbildungen 6b und c zeigen die Kurven der Differentialscanningkalorimetrie (DSC) der FSF-Proben. Die mittels DSC erhaltenen thermischen Eigenschaften sind in Tabelle S1 zusammengefasst. Das DSC-Verhalten von FSF zeigte die Tendenzen eines typischen halbkristallinen Polymers. Abhängig vom PSP zeigten die FSF-Proben unterschiedliche Schmelz- und Kristallisationstemperaturen (Tm und Tc). Es wurde festgestellt, dass PSP-134 einen Tm- und Tc-Wert von 131,3 °C bzw. 114,1 °C aufwies, wohingegen PSP-76, das bei relativ niedrigen Drücken phasengetrennt wurde, einen Tm- und Tc-Wert von 133,3 °C bzw. 115,2 °C aufwies. jeweils. Es ist ersichtlich, dass diese Parameter bei letzterem etwas höher waren. Andererseits zeigte PSP-65, das bei dem niedrigsten Druck eine Phasentrennung aufwies, im Vergleich zu PSP-134 einen niedrigeren Tm- und Tc-Wert bei 130,7 °C bzw. 113,4 °C. Diese Verschiebung von Tm und Tc legt nahe, dass die von PSP in FSF gebildeten Kristalle unterschiedlich sind. Abbildung 6d zeigt, dass die Kristallisationsenthalpie (∆Hc) von PSP-134 165,9 J/g betrug, was auf eine Kristallinität von 57,6 % basierend auf 100 % kristallisiertem HDPE (288 J/g)36 hinweist. Je niedriger der PSP, desto höher der ∆Hc, und dementsprechend zeigte PSP-76 den höchsten ∆Hc von 184,4 J/g mit einem Kristallinitätsgrad von 64,0 %. Andererseits hatte PSP-65 einen ∆Hc von 167,5 J/g und zeigte eine Kristallinität von 58,3 %, ähnlich der von PSP-134. Diese Ergebnisse ähneln auch der relativen Kristallinität, die aus den XRD-Ergebnissen erhalten wurde. Diese XRD- und DSC-Ergebnisse legen nahe, dass PSP die Keimbildung und das Wachstum von Polymeren beeinflusst, die während der Phasentrennung durch überkritische Flüssigkeiten solvatisiert werden22,37. Wie oben in Bezug auf den Phasentrennungsweg erwähnt, bildet PSP-134 ohne PSP-Kontrolle Polymerkeime im metastabilen Bereich, die jedoch vor dem Wachstum schnell destabilisiert werden, was zu einer geringen Kristallinität führt. Darüber hinaus führt die schnelle Phasentrennung vor dem Ausstoß selbst beim niedrigsten PSP (65 bar) zur Keimbildung und zum Ausstoß von Polymerkeimen in eine stationäre Phase, was zu einer geringen Kristallinität führt. Andererseits belegen die erhaltenen Daten, dass bei Beobachtung eines geeigneten PSP die im metastabilen Bereich gebildeten Polymerkeime vor dem Ausstoß ausreichend wachsen, wodurch ein hoher Kristallinitätsgrad erreicht wird. Darüber hinaus hängt eine Änderung der Kristallinität eng mit den beobachteten Trends in der Verteilung des Strangdurchmessers zusammen. Mit zunehmendem Kristallinitätsgrad nehmen die Stränge mit größerem Durchmesser zu, was zu einer breiteren Verteilung führt (wie in Abb. 4 dargestellt). Dieser Trend legt nahe, dass das Wachstum der Polymerkeime mit der Entwicklung der Netzwerkstruktur korrespondiert. Im Filamentbildungsschritt ist ersichtlich, dass die Variation des PSP zur Bildung unterschiedlicher Netzwerkstrukturen und folglich zu einer Variation in der Verteilung des Strangdurchmessers führt.

Charakterisierungsergebnisse für FSFs, die an verschiedenen PSPs erhalten wurden. (a) XRD-Muster, (b, c) DSC-Kurven und (d) Kristallinität von FSFs, erhalten über DSC-Ergebnisse.

Die mechanischen Eigenschaften von FSFs sind entscheidend für die Anwendung von Vliesstoffen. Aus den mechanischen Eigenschaften der FSFs lässt sich eine hohe Reißfestigkeit und Steifigkeit von FS-NW ermitteln. Die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen FSFs sind in Abb. 7 dargestellt. PSP-76 zeigte die höchste Zugfestigkeit von 2,88 g/d, wohingegen FSFs, die aus PSPs mit 67 bar und weniger erhalten wurden, eine relative Abnahme der Zugfestigkeit zeigten. Der Elastizitätsmodul der FSFs nahm mit abnehmendem PSP allmählich zu. Die Dehnung nahm bei PSP-113 schnell ab und nahm mit abnehmendem PSP zu, was auf den Grad des Wachstums der Polymerkeime aufgrund der Phasentrennung zurückzuführen ist. Es ist bekannt, dass die mechanischen Eigenschaften eines Materials im Allgemeinen von der Kristallinität des Polymers oder der Orientierung der Polymerkette beeinflusst werden12,14. Wir haben die Ausrichtung der Polymerkristalle von FSF anhand eines Azimutalscans mithilfe von Weitwinkel-Röntgenbeugung (WAXD) bestätigt (Abb. S1). Die bevorzugte Ausrichtung von FSF-134 ohne Verwendung von Mehrstufendüsen betrug 66,6 %, was niedrig war. Andererseits zeigten alle mit mehrstufigen Düsen erhaltenen FSFs eine Vorzugsorientierung von über 80 %, und FSF-76 wies mit 88,9 % die höchste Orientierung auf. FSF-69 und FSF-65 zeigten eine leicht verringerte Direktionalität. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass PSP die Ausrichtung der Polymerkette und die mechanischen Eigenschaften erheblich beeinflusst. Die durch PSP-Kontrolle erhaltene Änderung der Zähigkeit des FSF zeigt einen ähnlichen Trend wie die Korrelation zwischen Strangdurchmesserverteilung und prozentualer Kristallinität. Daher legen diese Ergebnisse nahe, dass die durch PSP-Steuerung im PIPS-Prozess erhaltene Kristallinität oder Netzwerkstruktur in direktem Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften des erhaltenen FSF steht. Darüber hinaus können die hohe Zugfestigkeit und eine breite Strangdurchmesserverteilung von PSP-76 durch optimale Phasentrennung die Barriere- und mechanischen Eigenschaften von FS-NW verbessern.

Mechanische Eigenschaften von FSFs, die an verschiedenen PSPs erhalten wurden. (a) Dehnungs-Spannungs-Kurven, (b) Zähigkeit, (c) Dehnung und (d) Elastizitätsmodul.

In dieser Arbeit haben wir eine Polymer/SCF-Lösung hergestellt und die relevanten druckinduzierten Phasenänderungen beobachtet. Es wurde bestätigt, dass die Polymer/SCF-Lösung durch den induzierten Druckabfall eine Phasentrennung erfährt und unter kontrollierter PSP unterschiedliche Phasen aufweist. Wir haben den FSF durch Flash-Spinning an den beobachteten PSPs über eine speziell für diesen Zweck entwickelte mehrstufige Düse erhalten. Durch PIPS erhaltene FSFs zeigten eine intrinsische Filamentmorphologie aus Strängen und hatten eine andere Strangdurchmesserverteilung im Vergleich zum kontrollierten PSP. Das aus PSP bei 76 bar erhaltene FSF zeigte die größte Varianz in der Strangdurchmesserverteilung und zeigte auch die höchste Kristallinität: 64,0 %. PSP beeinflusste nicht nur diese Eigenschaften, sondern auch die mechanischen Eigenschaften von FSF, wobei PSP-76 mit 2,88 g/d bzw. 9,35 g/d die höchste Zugfestigkeit und den höchsten Elastizitätsmodul aufwies. Daher konnten wir mithilfe des PIPS-Verfahrens in einer Polymer/SCF-Lösung optimale physikalische Eigenschaften von FSF untersuchen und erhalten. Es ist zu beachten, dass sich unsere Ergebnisse auf den Flash-Spinning-Prozess bezogen und daher nur für eine bestimmte Fraktion gelten. Die Kristallinität und Netzwerkstrukturbildung von FSFs, die mit dem PIPS-Verfahren für verschiedene Polymerfraktionen hergestellt wurden, werden unseren Ergebnissen nicht ähneln. Darüber hinaus laufen derzeit weitere FS-NW-bezogene Studien sowie mehrere andere Charakterisierungen von FSFs durch PIPS.

HDPE zum Flash-Spinnen hatte eine Schmelztemperatur (Tm) von 135 °C, einen Schmelzindex von 4,7 bei 190 °C und eine Dichte von 0,965 g/cm3. Nach zwei Filtrationen über einen Mikrofilter wurde Trichlorfluormethan als Lösungsmittel verwendet. Die Siedetemperatur von Trichlorfluormethan betrug 23,8 °C und die kritische Temperatur (TCr) und der kritische Druck (PCr) betrugen 197,9 °C bzw. 43,9 bar.

Die verwendete Flash-Spinnvorrichtung im Labormaßstab bestand aus einem Hochdruckbehälter, einer mehrstufigen Düse, einem Abflussrohr und einem Hochdruck-N2-Akkumulator (ein Schema der Flash-Spinnvorrichtung ist in Abb. S2a dargestellt). Die mehrstufige Düse bestand aus einer Primärdüse (Eingang zum Druckabfallbereich), einer Sekundärdüse (Ausgang zum NPT) und einem Volumen, um den Druckabfall zwischen ihnen zu ermöglichen. Sowohl die Primär- als auch die Sekundärdüse waren Einlochdüsen mit einem Durchmesser von 0,7 mm (ein Schema der mehrstufigen Düse ist in Abb. S2b dargestellt). Spinnlösung wurde zum Spinnen vorbereitet, indem 568 g Trichlorfluormethan und 8 Gew.-% HDPE gemischt wurden. Das Volumen der Mischung beträgt 87 % des Volumens des Hochdruckbehälters mit 500 ml. Das geschlossene Gefäß wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 5 °C/min auf 220 °C erhitzt und dabei mit 300 U/min gerührt. Anschließend wurde die HDPE/SCF-Lösung ausgeschleudert, indem sie durch die mehrstufige Düse zum NPT ausgestoßen wurde; Die durch diesen Auswurf verursachte Dekompression des Gefäßes wurde durch die Wirkung des Hochdruck-N2-Speichers ausgeglichen.

Zur Bewertung der Löslichkeit von HDPE in SCF wurde ein Hochdruck-Sichtzellensystem mit interner Beobachtungsfunktion verwendet. Die Hochdruck-Sichtzelle besteht aus einem Schauglas in einem Gefäß, das etwa 85 ml Flüssigkeit enthält, und einem Kolben zur Druckregelung, so dass der Druck und die Phasenänderung der inneren Flüssigkeit bei steigender Temperatur in Echtzeit beobachtet werden können (wie (siehe Abb. S3). Die Morphologie und Durchmesserverteilung der FSF-Faser wurde mittels REM beobachtet. Die kristallographische Struktur und die thermischen Eigenschaften des FSF wurden mittels XRD-Analyse unter Verwendung von Cu-Kα-Strahlung bzw. DSC bei einer Heizrate von 20 °C/min charakterisiert. Zur Berechnung der Kristallinität des FSF wurde die Kristallisationsenthalpie (∆Hc) durch Integration der Fläche unter der Schmelzkurve des DSC ermittelt. Mit WAXD wurde ein Azimutalscan durchgeführt, um die Ausrichtung der Polymerkette von FSFs zu bestätigen. Die mechanischen Eigenschaften des FSF wurden mit einer Universal-Zugprüfmaschine bestimmt. Für diese Messung wurden Faserproben durch zehnmaliges Verdrehen pro Zoll vorbereitet16,18.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Jae-Hyung Wee, Younghwan Bae, Nam Pil Cho und Sang Young Yeo

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Nam Pil Cho & Won Jun Lee

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Moo Sung Kim

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JHW – der Hauptautor, der das Forschungskonzept konzipierte, den Text im Manuskript verfasste und die Abbildungen vorbereitete. YHB – Umsetzung des Forschungskonzepts, experimentelle Analyse und Datenaufzeichnung. NPC – Abschnitt zur Literaturrezension, teilweise im Manuskript geschrieben. Experimentelle Analyse und aufgezeichnete Daten. MSK – experimentelle Analyse und aufgezeichnete Daten. WJL – formelle Analyse der Ergebnisse und Finanzierungsquelle für die durchgeführte Arbeit. SYY – Finanzierung, Begutachtung des Manuskripts und Überwachung der durchgeführten Arbeit. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Sang Young Yeo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wee, JH., Bae, Y., Cho, NP et al. Verbesserung der mechanischen Eigenschaften flashgesponnener Filamente durch druckinduzierte Phasentrennungskontrolle in überkritischer Polyethylenlösung hoher Dichte. Sci Rep 12, 18030 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22781-1

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Eingegangen: 16. August 2022

Angenommen: 19. Oktober 2022

Veröffentlicht: 27. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22781-1

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