Оптимизация соль-гель электроспиннинга для высокопроизводительных пучков нановолокон полиамида 6/66

Аннотация

Полимерные нановолокна обеспечивают широкий спектр текстильных функциональностей. Это исследование изучает полиамид 6/66 (PA 6/66) растворы при 12, 17 и 22 м.% для производства нановолокон через базовую установку электроспиннинга. Волокна изучали растровой электронной микроскопией (РЭМ) и измерениями продуктивности. Последовательно нановолоконные пучки изготавливались с использованием электроспиннингового соль-гель процесса и характеризовались РЭМ, натяжным тестированием и дифференциальной сканирующей калориметрией (DSC). Статистическая оптимизация через однфакторный ANOVA и Tukey HSD раскрыла, что 17 м.% раствор дает пучки с наивысшей продуктивностью (1,39 ± 0,15 мг/мин), коэффициентом вытяжения (9,0 ± 1,2) и натяжной прочностью (29,64 ± 7,40 МПа). DSC анализ показал сниженные температуры стеклования и плавления для нановолокон по сравнению с PA 6/66 гранулами и пучками, указывая на измененную кристаллическую структуру.

Введение

Нейлон, полиамидный полимер, открытый Уолласом Хьюмом Кэротерсом в 1934 году, производится как волокно или пластик в зависимости от условий обработки. Коммерческие варианты — нейлон 6, нейлон 66, нейлон 6,10 — делят –CO–NH– амидную группу и используются в выдувных пленках, монофиламентах и кополимерах. Полиамид 6/66, с более низкой точкой плавления чем нейлон 6, широко применяется в текстиле таких как колготки, парашюты, молнии, рыболовные лески, вуали, ковры и канаты.

Конвенционные прядильные методы — мокрый, сухой и гелевой — создают филаменты диапазоном 20 мкм до 400 мкм. Диаметр волокна, механические свойства и стабильность процесса сильно зависят от полимерной концентрации. Техника электроспиннинга, способная производить нанометровые волокна, предлагает контроль над морфологией, пористостью и диаметром через концентрацию раствора и параметры процесса. Как отмечал Рамкришна и соавт., более высокая концентрация увеличивает вязкость раствора, напрямую влияя на волокнистую морфологию.

Электроспинненые полимерные нановолокна находят применения в скаффолдах, сенсорах, фильтрах, мембранах, батареях, защитной одежде, раневых перевязках и катализе. В текстиле они позволяют самоочищающиеся ткани, антимикробную одежду, терморегуляцию и фильтрацию. Недавняя работа адаптировала электроспиннинг к коагуляционной ванне и натяжному цилиндру, создавая соль-гель процесс. Например, поливиниловый спирт (PVA) пучки усиливали ультратонкие цементные пасты, а полиамид 6/66 пучки, произведенные вращающимися коллекторными ролями, показывали перспективы для тканевых скаффолдов, композитов и ультрачувствительных сенсоров. Строя на этих достижениях, это исследование статистически оптимизирует PA 6/66 нановолоконные пучки с использованием соль-гель подхода, оценивая морфологию, продуктивность, механические и термические свойства.

Методы

Материалы

PA 6/66 (Ultramid C40 L, BASF) растворяли в 4:1 смеси муравьиной и уксусной кислот. Дистиллированная вода служила коагуляционной ванной.

Приготовление полиамидных растворов

Растворы готовили при 12 %, 17 % и 22 м.% по массе с использованием кислотной смеси при комнатной температуре с непрерывным перемешиванием.

Базовый процесс электроспиннинга

Все растворы электроспиннили при 27,5 кВ используя Gamma High Voltage Research Inc. Model E30 источник, с расстоянием игла-сборщик 12 см. Расходы варьировали между 0,3 и 1 мл/ч используя Braintree Scientific шприц-насос.

Электроспиннинг соль-гель процесс

Нановолоконные пучки производили в дистиллированной воде коагуляционной ванне с натяжным цилиндром. Полностью рандомизированный однофакторный дизайн (α = 0,05) оценивал продуктивность, коэффициент вытяжения и натяжную прочность при 12 %, 17 % и 22 % концентрациях, каждое с тремя репликатами.

Техники характеристики

Продуктивность (мг/мин) измеряли для каждой концентрации во время базового электроспиннинга, за которым следовал РЭМ морфологический анализ.

Для соль-гель процесса, после стабилизации струи настройкой напряжения, расхода и расстояния игла-сборщик, определяли коэффициент вытяжения. Пучки затем изучали РЭМ и натяжным тестированием. Оптимизированное условие дополнительно анализировали DSC.

РЭМ

Образцы золотились (Denton Vacuum Desk IV, ~200 с) и образовывались на JEOL JSM 6490 LV микроскопе под 30 Па вакуумом. Программа ImageJ измеряла средние диаметры.

Натяжное тестирование

Триста нитей пучков тестировали на EZ-Test L (Shimadzu) при 30 мм/мин на 50 мм, следуя ASTM D3822.

DSC

Термические переходы измеряли на TA Instruments Q20 DSC (5 мг образцов в герметичных алюминиевых тиглях). Два цикла нагрева от 25 °C до 250 °C при 10 °C/мин с 5 мин изотермами выполняли. Термограммы анализировали по ASTM D3418-08 для определения T_g, T_m, ΔH_m и кристалличности (X_c).

Результаты и обсуждение

Продуктивность базового процесса электроспиннинга

Рисунок 2 показывает продуктивность (мг/мин) для каждой концентрации. ANOVA (p = 0,015) указывает на значимые различия; Tukey HSD показывает 17 % и 22 % концентрации дают более высокую продуктивность чем 12 %.

Морфология PA 6/66 нановолокон

Увеличение полимерной концентрации повышает вязкость раствора, приводя к большим диаметрам волокон. РЭМ изображения на Рис. 3 подтверждают, что 17 % и 22 % растворы производят волокна на 85 % и 204 % толще соответственно чем 12 % база.

Коэффициент вытяжения в соль-гель процессе

Рисунок 4 показывает данные коэффициента вытяжения. ANOVA (p = 0,000) и Tukey HSD раскрывают, что 17 % концентрация достигает более высокого коэффициента вытяжения чем 12 % и 22 %, которые статистически похожи.

Морфология нановолоконных пучков

РЭМ изображения на Рис. 5 указывают, что пучки из 17 % раствора имеют наименьший средний диаметр, примерно половину того, что у 12 % и 22 % пучков, из-за более высокой скорости сбора и коэффициента вытяжения.

Натяжная прочность пучков

Рисунок 6 показывает распределения натяжной прочности. ANOVA (p = 0,005) и Tukey HSD подтверждают, что 17 % пучки демонстрируют значимо более высокую натяжную прочность (29,64 ± 7,40 МПа) чем 12 % и 22 % пучки, которые сравнимы.

Эти значения согласуются с Wu et al., которые сообщали натяжные прочности около 30 МПа для PA 6/66 пучков, произведенных через электроспиннинг и изгиб.

Оптимальное условие процесса

Коллективно данные демонстрируют, что 17 м.% PA 6/66 раствор дает пучки с превосходной продуктивностью, коэффициентом вытяжения и натяжной прочностью. Рисунок 7 подчеркивает увеличенную шероховатость поверхности этих пучков, выгодную для композитного усиления за счет улучшения механического зацепления. Высокое соотношение площадь/объем и аспектное отношение дополнительно предполагают пригодность для одежды, фильтрации и нанокомпозитных применений.

DSC термический анализ оптимального условия

DSC термограммы (Рис. 8) для стадий PA 6/66 гранулы, нановолокно и пучок сравнивали. Рассчитанные T_g, T_m, ΔH_m и X_c значения (Таблица 1) раскрывают, что 17 % нановолокна демонстрируют более низкие T_g и T_m чем гранула, отражая увеличенный свободный объем и сниженную кристаллическую упорядоченность. Пучок показывает 44,71 % кристалличность, выше чем нановолокно, указывая на то, что вытяжение выравнивает цепи и восстанавливает кристалличность. Энтальпии плавления подтверждают более низкие энергетические требования для плавления нановолоконной фазы.

Заключение

Соль-гель электроспиннинг PA 6/66 при 17 м.% растворе доставляет статистически оптимизированный процесс, достигая высокой продуктивности (1,39 ± 0,15 мг/мин), коэффициента вытяжения 9,0 ± 1,2 и натяжной прочности 29,64 ± 7,40 МПа. Этот метод последовательно производит однородные нановолоконные пучки, пригодные для продвинутых текстильных и композитных применений.

Аббревиатуры

DSC:

Дифференциальная сканирующая калориметрия

PA 6/66:

Полиамид 6/66

PVA:

Поливиниловый спирт

SEM:

Растровая электронная микроскопия