分子量から推定したポリエステル繊維の引張強さ

Oct 31, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11759 (2023) この記事を引用

184 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

レーザー照射加熱とシンクロトロンX線源の組み合わせにより、連続延伸中のネッキング後にサブミリ秒のタイムスケールで起こる繊維構造の発達を観察することが可能になりました。 同等の応力下で延伸された 3 つの異なる分子量のポリ (エチレン テレフタレート) 繊維の広角 X 線回折 (WAXD) および小角 X 線散乱 (SAXS) 分析を通じて、d 間隔の間に良好な相関関係が観察されました。ネッキングポイントと延伸繊維の強度に外挿されたスメクティック (001ʹ) 回折の値。 これは、延伸応力に耐える分子鎖が、得られた繊維の引張試験中に加えられる応力の大部分にも耐えることを示しています。 さらに、d間隔の延伸応力依存性と繊維の分子量分布を考慮すると、分子量が23,000 g/molを超える分子鎖が繊維にかかる引張力の大部分を担うことがわかりました。

ポリ（エチレンテレフタレート）（PET）繊維は、現在生産されている全繊維の半分以上を占めています。 この膨大な生産量のため、PET 繊維の構造と特性について多くの研究が行われてきました。 近年、環境の観点から物性制御が強く望まれています。 具体的には、繊維の引張強度は使用要件を満たすだけでなく、ゴーストフィッシングなどの環境被害を最小限に抑えるために、廃棄後にできるだけ早く低下する必要があります。

繊維の物理的特性を推定するために、多くの構造モデルが提案されています 1、2、3、4、5、6。 その多くは、繊維軸に沿って結晶相と非晶質相が交互に並んだミクロフィブリルと呼ばれる数ナノメートルサイズの構造をとっている。 これらのモデルによると、微結晶を接続する非晶質相のピンと張ったタイチェーンに引張力が集中的にかかります。 ヤング率や熱収縮応力などの小さな変形時の特性は、結晶化度や分子配向などの平均化された構造パラメータを使用するモデルによって正確に推定できます。 逆に、初期構造は破断するまでの引張変形によって変化するため、大きな変形時の特性、特に繊維強度は十分に推定されません。 しかし、タイチェーンが張った張力を受ける量は、引張変形によってあまり変化しません。 したがって、我々は、中間のいわゆる「スメクチック相」である、ピンと張ったタイチェーンの胚に焦点を当てた7。 スメクチック相はアスペクト比が約 10 のフィブリル形状をしており、配向誘起結晶化によって得られた繊維中でミクロフィブリルに変換されると考えられています 8。 スメクチック相は配向した分子鎖の束で構成されているため、この相は主に配向による結晶化に先立つ繊維の延伸プロセス中の引張力に耐え、9、配向した分子鎖の束は切断時に得られる繊維にかかる引張力にも耐えます。 。

一般に、高引張強度の PET 繊維を得るには高分子量ポリマーが使用されます10が、分子量が高すぎると分子鎖の絡み合いにより繊維軸方向の分子配向に悪影響を及ぼします。 この分子配向の不良により、繊維にかかる引張力を支える分子鎖の量が減少し、繊維の引張強度が低下します。 したがって、適切な分子量分布は、調整された引張特性を備えた PET 繊維の設計において不可欠です。 特に繊維の強度は、絡み合って引張力を担う分子鎖の量によって決まり、高分子量の鎖が引張力を担う傾向にある。 したがって、引張力に耐えられる臨界鎖分子量の概念は、繊維の分子量分布を最適化するためのガイドラインを提供すると考えられます。