Resistenza alla trazione della fibra di poliestere stimata mediante molecolare

Oct 31, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11759 (2023) Citare questo articolo

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La combinazione del riscaldamento con irradiazione laser e delle sorgenti di raggi X di sincrotrone ha reso possibile osservare lo sviluppo della struttura della fibra che si verifica su scale temporali inferiori al millisecondo dopo la formazione di striature durante la trafilatura continua. Attraverso l'analisi di diffrazione di raggi X ad ampio angolo (WAXD) e di diffusione di raggi X a piccolo angolo (SAXS) di fibre di poli(etilene tereftalato) di tre diversi pesi molecolari disegnate sotto sollecitazioni equivalenti, è stata osservata una buona correlazione tra la spaziatura d della diffrazione smectica (001′) estrapolata al punto di strizione e alla resistenza della fibra trafilata. Ciò indica che le catene molecolari che sopportano lo stress da stiramento sopportano anche la maggior parte dello stress applicato durante la prova di trazione della fibra risultante. Inoltre, considerando la dipendenza dallo stress da stiramento della spaziatura d e la distribuzione del peso molecolare della fibra, è emerso che le catene molecolari con pesi molecolari superiori a 23.000 g/mol sopportano la maggior parte della forza di trazione applicata alla fibra.

La fibra di poli(etilene tereftalato) (PET) rappresenta oltre la metà di tutte le fibre attualmente prodotte. A causa di questa enorme produzione, sono stati condotti numerosi studi sulla struttura e sulle proprietà delle fibre PET. Recentemente, il controllo della proprietà fisica è diventato fortemente auspicato dal punto di vista ambientale. Nello specifico, la resistenza alla trazione della fibra non deve solo soddisfare i requisiti di utilizzo, ma dovrebbe anche diminuire il più rapidamente possibile dopo lo smaltimento per ridurre al minimo i danni ambientali, come la pesca fantasma.

Sono stati proposti molti modelli strutturali per stimare le proprietà fisiche delle fibre1,2,3,4,5,6. La maggior parte di questi assume strutture di pochi nanometri chiamate microfibrille in cui le fasi cristalline e amorfe sono disposte alternativamente lungo l'asse della fibra. Secondo questi modelli, la forza di trazione viene applicata intensamente alle catene tese nelle fasi amorfe che collegano i cristalliti. Le proprietà a piccole deformazioni, come il modulo di Young e lo stress da contrazione termica, possono essere stimate con precisione da modelli utilizzando parametri strutturali medi, come la cristallinità e l'orientamento molecolare. Al contrario, le proprietà a grandi deformazioni, in particolare la resistenza delle fibre, sono scarsamente stimate perché la struttura iniziale cambia con la deformazione a trazione fino alla rottura. Tuttavia, la quantità di catene tese che sopportano la forza di trazione non viene modificata molto dalla deformazione a trazione. Pertanto, ci siamo concentrati sull'embrione della catena tesa, la cosiddetta "fase smectica"7. La fase smectica ha una forma fibrillare con un rapporto di aspetto di ~ 10 e si pensa che venga trasformata in microfibrille nella fibra risultante mediante cristallizzazione indotta dall'orientamento8. Poiché la fase smectica comprende fasci di catene molecolari orientate, questa fase sopporta principalmente la forza di trazione durante il processo di stiramento delle fibre prima della cristallizzazione indotta dall'orientamento9, e questi fasci di catene molecolari orientate sopportano anche la forza di trazione applicata alla fibra risultante al momento della rottura .

I polimeri ad alto peso molecolare vengono generalmente utilizzati per ottenere fibre PET ad alta resistenza alla trazione10, ma pesi molecolari eccessivamente elevati influiscono negativamente sull'orientamento molecolare lungo l'asse della fibra a causa dell'intreccio delle catene molecolari. Questo scarso orientamento molecolare diminuisce la quantità di catene molecolari che sopportano la forza di trazione applicata alla fibra, diminuendo la resistenza alla trazione della fibra. Di conseguenza, un’appropriata distribuzione del peso molecolare è essenziale nella progettazione di fibre PET con proprietà di trazione su misura. In particolare, la resistenza della fibra viene decisa dalla quantità di catene molecolari che sopportano la forza di trazione attraverso gli intrecci, e le catene ad alto peso molecolare tendono ad essere quelle che sopportano la forza di trazione. Pertanto, il concetto di un peso molecolare critico della catena in grado di sopportare la forza di trazione fornirebbe una linea guida per ottimizzare la distribuzione del peso molecolare delle fibre.