Optimierung von Sol-Gel-Elektrospinnen für hochleistungsfähige Polyamid 6/66 Nanofaserbündel

Zusammenfassung

Polymere Nanofasern ermöglichen ein breites Spektrum textiler Funktionalitäten. Diese Studie untersucht Polyamid 6/66 (PA 6/66) Lösungen bei 12, 17 und 22 Gew-% zur Nanofaserherstellung via Basis-Elektrospinnen. Die Fasern wurden mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Produktivitätsmessungen untersucht. Anschließend wurden Nanofaserbündel mittels Elektrospinn-Sol-Gel-Prozess gefertigt und durch REM, Zugprüfung und Differential Scanning Calorimetry (DSC) charakterisiert. Statistische Optimierung via Einfaktorielle ANOVA und Tukey HSD zeigte, dass eine 17 Gew-% Lösung Bündel mit höchster Produktivität (1,39 ± 0,15 mg min⁻¹), Zugverhältnis (9,0 ± 1,2) und Zugfestigkeit (29,64 ± 7,40 MPa) liefert. DSC-Analyse zeigte reduzierte Glasübergangs- und Schmelztemperaturen für Nanofasern im Vergleich zu PA 6/66 Pellets und Bündeln, was auf veränderte kristalline Struktur hindeutet.

Hintergrund

Nylon, ein Polyamid-Polymer, entdeckt von Wallace Hume Carothers 1934, wird als Faser oder Kunststoff je nach Verarbeitungsbedingungen produziert. Kommerzielle Varianten – Nylon 6, Nylon 66, Nylon 6,10 – teilen die –CO–NH– Amidgruppe und werden in Blasfolien, Monofilamente und Copolymere genutzt. Polyamid 6/66, mit niedrigerem Schmelzpunkt als Nylon 6, wird breit in Textilien wie Strümpfen, Fallschirmen, Reißverschlüssen, Angelschnüren, Schleiern, Teppichen und Seilen eingesetzt.

Konventionelle Spinnmethoden – Nass-, Trocken- und Gel-Spinnen – erzeugen Filamente von 20 µm bis 400 µm. Faserdurchmesser, mechanische Eigenschaften und Prozessstabilität hängen stark von Polymerkonzentration ab. Die Elektrospinn-Technik, fähig Nanometer-skaliere Fasern zu produzieren, bietet Kontrolle über Morphologie, Porosität und Durchmesser durch Lösungs-Konzentration und Prozessparameter. Wie Ramkrisna et al. anmerkten, erhöht höhere Konzentration Lösungsviskosität, direkt beeinflussend Faser-Morphologie.

Elektrogesponnene polymere Nanofasern finden Anwendungen in Scaffolds, Sensoren, Filtern, Membranen, Batterien, Schutzbekleidung, Wundauflagen und Katalyse. In Textilien ermöglichen sie selbstreinigende Stoffe, antimikrobielle Wear, Temperaturregulierung und Filtration. Jüngste Arbeiten adaptierten Elektrospinn an ein Koagulationsbad und Zugzylinder, creando den Sol-Gel-Prozess. Zum Beispiel verstärkten Polyvinylalkohol (PVA) Bündel ultrafeine Zementpasten, und Polyamid 6/66 Bündel, produziert via rotierende Sammelrollen, zeigten Versprechen für Gewebescaffolds, Verbundwerkstoffe und ultrasensitive Sensoren. Aufbauend auf diesen Fortschritten optimiert diese Studie statistisch PA 6/66 Nanofaserbündel mit Sol-Gel-Ansatz, bewertend Morphologie, Produktivität, mechanische und thermische Eigenschaften.

Methoden

Materialien

PA 6/66 (Ultramid C40 L, BASF) wurde in einem 4:1 Gemisch aus Ameisensäure und Essigsäure gelöst. Destilliertes Wasser diente als Koagulationsbad.

Herstellung der Polyamid-Lösungen

Lösungen wurden bei 12 %, 17 % und 22 Gew-% Gewicht mit dem Säuregemisch bei Raumtemperatur unter kontinuierlichem Rühren hergestellt.

Basis-Elektrospinn-Prozess

Alle Lösungen wurden bei 27,5 kV elektrogesponnen mit einer Gamma High Voltage Research Inc. Model E30 Quelle, mit 12 cm Nadel-zu-Sammler-Distanz. Flussraten variierten zwischen 0,3 und 1 mL h⁻¹ mittels Braintree Scientific Spritzenpumpe.

Elektrospinn-Sol-Gel-Prozess

Nanofaserbündel wurden in einem destillierten-Wasser-Koagulationsbad mit Zugzylinder produziert. Ein vollständig randomisiertes Einfaktor-Design (α = 0,05) evaluierte Produktivität, Zugverhältnis und Zugfestigkeit bei 12 %, 17 % und 22 % Konzentration, jeweils mit drei Replikaten.

Charakterisierungstechniken

Produktivität (mg min⁻¹) wurde für jede Konzentration während Basis-Elektrospinn gemessen, gefolgt von REM morphologischer Analyse.

Für den Sol-Gel-Prozess, nach Stabilisierung des Strahls durch Anpassung von Spannung, Fluss und Nadel-zu-Sammler-Distanz, wurde das Zugverhältnis bestimmt. Bündel wurden dann per REM und Zugprüfung untersucht. Die optimierte Bedingung wurde weiter via DSC analysiert.

REM

Proben wurden goldbeschichtet (Denton Vacuum Desk IV, ~200 s) und auf einem JEOL JSM 6490 LV Mikroskop unter 30 Pa Vakuum abgebildet. ImageJ Software maß durchschnittliche Durchmesser.

Zugprüfung

Dreihundert Fäden der Bündel wurden auf EZ-Test L (Shimadzu) bei 30 mm min⁻¹ über 50 mm getestet, folgend ASTM D3822.

DSC

Thermische Übergänge wurden mit TA Instruments Q20 DSC gemessen (5 mg Proben in versiegelten Aluminiumtiegeln). Zwei Heizzyklen von 25 °C bis 250 °C bei 10 °C min⁻¹, mit 5 min Isothermen, wurden durchgeführt. Thermogramme wurden per ASTM D3418-08 analysiert zur Bestimmung von T_g, T_m, ΔH_m und Kristallinität (X_c).

Ergebnisse und Diskussion

Produktivität des Basis-Elektrospinn-Prozesses

Abbildung 2 zeigt Produktivität (mg min⁻¹) für jede Konzentration. ANOVA (p = 0,015) zeigt signifikante Unterschiede; Tukey HSD zeigt 17 % und 22 % Konzentrationen produzieren höhere Produktivität als 12 %.

Morphologie der PA 6/66 Nanofasern

Erhöhte Polymerkonzentration erhöht Lösungsviskosität, führend zu größeren Faserdurchmessern. REM-Bilder in Abb. 3 bestätigen, dass 17 % und 22 % Lösungen Fasern 85 % bzw. 204 % dicker als die 12 % Baseline produzieren.

Zugverhältnis im Sol-Gel-Prozess

Abbildung 4 zeigt Zugverhältnis-Daten. ANOVA (p = 0,000) und Tukey HSD offenbaren, dass 17 % Konzentration höheres Zugverhältnis erreicht als 12 % und 22 %, die statistisch ähnlich sind.

Morphologie der Nanofaserbündel

REM-Bilder in Abb. 5 zeigen, dass Bündel aus der 17 % Lösung den kleinsten durchschnittlichen Durchmesser haben, etwa halb so groß wie 12 % und 22 % Bündel, aufgrund höherer Sammelgeschwindigkeit und Zugverhältnis.

Zugfestigkeit der Bündel

Abbildung 6 zeigt Zugfestigkeitsverteilungen. ANOVA (p = 0,005) und Tukey HSD bestätigen, dass 17 % Bündel signifikant höhere Zugfestigkeit (29,64 ± 7,40 MPa) aufweisen als 12 % und 22 % Bündel, die vergleichbar sind.

Diese Werte stimmen mit Wu et al. überein, die Zugfestigkeiten nahe 30 MPa für PA 6/66 Bündel berichteten, produziert via Elektrospinn und Biegen.

Optimale Prozessbedingung

Kollektiv demonstrieren die Daten, dass eine 17 Gew-% PA 6/66 Lösung Bündel mit überlegener Produktivität, Zugverhältnis und Zugfestigkeit liefert. Abbildung 7 hebt die erhöhte Oberflächenrauheit dieser Bündel hervor, vorteilhaft für Verbundverstärkung durch verbessertes mechanisches Verhaken. Das hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis und Aspektverhältnis deuten weiter auf Eignung für Bekleidung, Filtration und Nanokompositanwendungen hin.

DSC Thermische Analyse der optimalen Bedingung

DSC-Thermogramme (Abb. 8) für PA 6/66 Pellet, Nanofaser und Bündel-Stadien wurden verglichen. Berechnete T_g, T_m, ΔH_m und X_c Werte (Tabelle 1) offenbaren, dass 17 % Nanofasern niedrigere T_g und T_m als das Pellet aufweisen, was erhöhtes Freivolumen und reduzierte kristalline Ordnung reflektiert. Das Bündel zeigt 44,71 % Kristallinität, höher als die Nanofaser, was anzeigt, dass Ziehen Ketten ausrichtet und Kristallinität wiederherstellt. Enthalpiewerte der Schmelze bestätigen niedrigere Energieanforderungen zum Schmelzen der Nanofaser-Phase.

Schlussfolgerungen

Der Sol-Gel-Elektrospinn von PA 6/66 bei 17 % Gew-Lösung liefert einen statistisch optimierten Prozess, der hohe Produktivität (1,39 ± 0,15 mg min⁻¹), Zugverhältnis von 9,0 ± 1,2 und Zugfestigkeit von 29,64 ± 7,40 MPa erreicht. Diese Methode produziert konsistent uniforme Nanofaserbündel geeignet für fortschrittliche Textil- und Verbundwerkstoffanwendungen.

Abkürzungen

DSC:

Differential Scanning Calorimetry

PA 6/66:

Polyamid 6/66

PVA:

Polyvinylalkohol

REM:

Rasterelektronenmikroskop