Optimaliseren van Sol-Gel Elektrospinnen voor Hoog-Presterende Polyamide 6/66 Nanovezelbundels

Samenvatting

Polymeer nanovezels maken een breed scala aan textielfunctionaliteiten mogelijk. Deze studie onderzoekt polyamide 6/66 (PA 6/66) oplossingen bij 12, 17 en 22 wt% om nanovezels te produceren via een basale elektrospinnopzet. De vezels werden onderzocht met scanning elektronenmicroscopie (SEM) en productiviteitsmetingen. Vervolgens werden nanovezelbundels gefabriceerd met een elektrospinn sol-gel proces en gekarakteriseerd door SEM, trektesten en differentiele scanning calorimetrie (DSC). Statistische optimalisatie via eensijdige ANOVA en Tukey HSD onthulde dat een 17 wt% oplossing bundels oplevert met de hoogste productiviteit (1,39 ± 0,15 mg min⁻¹), trekverhouding (9,0 ± 1,2) en trekkracht (29,64 ± 7,40 MPa). DSC-analyse toonde verlaagde glasovergangs- en smelttemperaturen voor nanovezels vergeleken met PA 6/66 pellets en bundels, wat een veranderde kristallijn structuur aangeeft.

Achtergrond

Nylon, een polyamide polymere ontdekt door Wallace Hume Carothers in 1934, wordt geproduceerd als vezel of plastic afhankelijk van verwerkingscondities. Commerciële varianten – nylon 6, nylon 66, nylon 6,10 – delen de –CO–NH– amidegroep en worden gebruikt in geblazen films, monofilamenten en copolymeren. Polyamide 6/66, met een lagere smeltpunt dan nylon 6, wordt wijd gebruikt in textiel zoals kousen, parachutes, ritsen, vislijnen, sluieren, tapijten en touwen.

Conventionele spinnmethoden – nat, droog en gel – creëren filamenten van 20 µm tot 400 µm. Vezeldiameter, mechanische eigenschappen en processtabiliteit hangen sterk af van polymere concentratie. De elektrospintechniek, capabel van nanometer-schaal vezels te produceren, biedt controle over morfologie, porositeit en diameter door oplossingsconcentratie en procesparameters. Zoals Ramkrisna et al. opmerkten, verhoogt hogere concentratie de oplossingsviscositeit, wat direct vezelmorfologie beïnvloedt.

Elektrogesponnen polymere nanovezels vinden toepassingen in scaffolds, sensoren, filters, membranen, batterijen, beschermende kleding, wondverbanden en catalyse. In textiel maken ze zelf-reinigende stoffen, antimicrobiële kleding, temperatuurregulatie en filtratie mogelijk. Recent werk heeft elektrospinnen aangepast aan een coagulatiebad en trekcylinder, wat het sol-gel-proces creëert. Bijvoorbeeld, polyvinylalcohol (PVA) bundels versterkten ultra-fijne cementpasten, en polyamide 6/66 bundels geproduceerd door roterende verzamelaarrollen toonden belofte voor weefsel-scaffolds, composieten en ultrasensitieve sensoren. Op deze vooruitgang voortbouwend, optimaliseert deze studie statistisch PA 6/66 nanovezelbundels met een sol-gel-benadering, met beoordeling van morfologie, productiviteit, mechanische en thermische eigenschappen.

Elektrospinn sol-gel proces

Methoden

Materialen

PA 6/66 (Ultramid C40 L, BASF) werd opgelost in een 4:1 mengsel van mierenazuur en azijnzuur. Gedeioniseerd water diende als het coagulatiebad.

Bereiding van Polyamide Oplossingen

Oplossingen werden bereid bij 12%, 17% en 22 wt% per gewicht met het zuurmengsel bij kamertemperatuur met continue roering.

Basale Elektrospinnproces

Alle oplossingen werden elektrogesponnen bij 27,5 kV met een Gamma High Voltage Research Inc. Model E30 bron, met een 12 cm naald-verzamelaar afstand. Stroomsnelheden varieerden tussen 0,3 en 1 mL h⁻¹ met een Braintree Scientific spuitpomp.

Elektrospinn Sol-Gel Proces

Nanovezelbundels werden geproduceerd in een gedestilleerd-water coagulatiebad met een trekcylinder. Een volledig willekeurig eensijdig ontwerp (α = 0,05) evalueerde productiviteit, trekverhouding en trekkracht bij 12%, 17% en 22% concentraties, elk met drie replicaten.

Karakteriseringstechnieken

Productiviteit (mg min⁻¹) werd gemeten voor elke concentratie tijdens basale elektrospinnen, gevolgd door SEM-morfologische analyse.

Voor het sol-gel-proces, na stabilisatie van de straal door spanning, stroom en naald-verzamelaarafstand aan te passen, werd de trekverhouding bepaald. Bundels werden vervolgens onderzocht door SEM en trektesten. De geoptimaliseerde conditie werd verder geanalyseerd door DSC.

SEM

Monsters werden geguld (Denton Vacuum Desk IV, ~200 s) en geïmageerd op een JEOL JSM 6490 LV microscoop onder 30 Pa vacuüm. ImageJ-software meet gemiddelde diameters.

Trektest

Driehonderd draden van bundels werden getest op een EZ-Test L (Shimadzu) bij 30 mm min⁻¹ over 50 mm, volgens ASTM D3822.

DSC

Thermische overgangen werden gemeten met een TA Instruments Q20 DSC (5 mg monsters in gesegeld aluminium kruiken). Twee verwarmingscycli van 25 °C tot 250 °C bij 10 °C min⁻¹, met 5 min isothermen, werden uitgevoerd. Thermogrammen werden geanalyseerd per ASTM D3418-08 om T_g, T_m, ΔH_m en kristallijnheid (X_c) te bepalen.

Resultaten en Discussie

Productiviteit van het Basale Elektrospinnproces

Figuur 2 toont productiviteit (mg min⁻¹) voor elke concentratie. ANOVA (p = 0,015) wijst op significante verschillen; Tukey HSD toont aan dat 17% en 22% concentraties hogere productiviteit produceren dan 12%.

Productiviteit van het basale elektrospinnproces

Morfologie van PA 6/66 Nanovezels

Het verhogen van de polymere concentratie verhoogt de oplossingsviscositeit, wat leidt tot grotere vezeldiameters. SEM-beelden in Fig. 3 bevestigen dat 17% en 22% oplossingen vezels produceren die 85% en 204% dikker zijn, respectievelijk, dan de 12% basislijn.

SEM-beelden van PA 6/66 elektrogesponnen nanovezels bij 12% (a), 17% (b) en 22% (c)

Trekverhouding in het Sol-Gel Proces

Figuur 4 toont trekverhoudingsdata. ANOVA (p = 0,000) en Tukey HSD onthullen dat 17% concentratie een hogere trekverhouding bereikt dan 12% en 22%, die statistisch vergelijkbaar zijn.

Trekverhouding van het elektrospinn sol-gel proces

Morfologie van Nanovezelbundels

SEM-beelden in Fig. 5 wijzen erop dat bundels van de 17% oplossing de kleinste gemiddelde diameter hebben, ongeveer half van die van de 12% en 22% bundels, door hogere verzamelingsnelheid en trekverhouding.

SEM-beelden van PA 6/66 nanovezelbundels bij 12% (a), 17% (b) en 22% (c)

Trekkracht van Bundels

Figuur 6 toont trekkrachtverdelingen. ANOVA (p = 0,005) en Tukey HSD bevestigen dat 17% bundels significant hogere trekkracht (29,64 ± 7,40 MPa) vertonen dan de 12% en 22% bundels, die vergelijkbaar zijn.

Trekkracht van PA 6/66 nanovezelbundels bij verschillende concentraties

Deze waarden stemmen overeen met Wu et al., die trekkrachten nabij 30 MPa rapporteerden voor PA 6/66 bundels geproduceerd via elektrospinnen en buigen.

Optimale Procesconditie

Collectief tonen de data aan dat een 17 wt% PA 6/66 oplossing bundels oplevert met superieure productiviteit, trekverhouding en trekkracht. Figuur 7 benadrukt de verhoogde oppervlakteruwigheid van deze bundels, voordelig voor composietversterking door mechanische vergrendeling te verbeteren. De hoge oppervlakte-tot-volume-verhouding en aspectratio suggereren verder geschiktheid voor kleding, filtratie en nancomposiettoepassingen.

SEM-beeld van het oppervlak van PA 6/66 nanovezelbundels

DSC Thermische Analyse van de Optimale Conditie

DSC-thermogrammen (Fig. 8) voor de PA 6/66 pellet, nanovezel en bundel-stadia werden vergeleken. Berekende T_g, T_m, ΔH_m en X_c waarden (Tabel 1) onthullen dat 17% nanovezels lagere T_g en T_m vertonen dan de pellet, wat verhoogde vrije volume en verminderde kristallijn orde weerspiegelt. De bundel toont 44,71% kristallijnheid, hoger dan de nanovezel, wat aangeeft dat trekken kettinguitlijning herstelt en kristallijnheid herstelt. Entalpie van smelting waarden bevestigen lagere energievereisten om de nanovezelfase te smelten.

Resulterende optimale conditie nanovezelbundel thermogrammen verkregen via DSC

Conclusies

De sol-gel elektrospinning van PA 6/66 bij een 17% wt oplossing levert een statistisch geoptimaliseerd proces op, dat hoge productiviteit (1,39 ± 0,15 mg min⁻¹), een trekverhouding van 9,0 ± 1,2 en trekkracht van 29,64 ± 7,40 MPa bereikt. Deze methode produceert consistent uniforme nanovezelbundels geschikt voor geavanceerde textiel- en composiettoepassingen.

Afkortingen

DSC:

Differentiele scanning calorimetrie

PA 6/66:

Polyamide 6/66

PVA:

Polyvinylalcohol

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop