분자로 추정되는 폴리에스테르 섬유의 인장강도

Oct 31, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11759(2023) 이 기사 인용

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레이저 조사 가열과 싱크로트론 X선 소스의 결합으로 연속 연신 중 넥킹 후 밀리초 미만의 시간 단위로 발생하는 섬유 구조 발달을 관찰할 수 있게 되었습니다. 등가 응력 하에서 연신된 세 가지 다른 분자량의 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) 섬유에 대한 광각 X선 회절(WAXD) 및 소각 X선 산란(SAXS) 분석을 통해 d-간격 사이에 좋은 상관관계가 관찰되었습니다. 네킹 지점과 연신된 섬유의 강도로 외삽된 스멕틱(001') 회절. 이는 인발 응력을 견디는 분자 사슬이 결과 섬유의 인장 시험 중에 적용된 응력의 대부분을 또한 견디는 것을 나타냅니다. 또한 d-간격의 인장 응력 의존성과 섬유의 분자량 분포를 고려하면 분자량이 23,000g/mol을 넘는 분자 사슬이 섬유에 가해지는 인장력의 대부분을 견디는 것으로 나타났습니다.

폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET) 섬유는 현재 생산되는 전체 섬유의 절반 이상을 차지합니다. 이러한 대규모 생산으로 인해 PET 섬유의 구조와 특성에 대한 수많은 연구가 수행되었습니다. 최근에는 환경적인 관점에서 물성관리에 대한 요구가 강하게 요구되고 있습니다. 특히, 섬유의 인장 강도는 사용 요구 사항을 충족해야 할 뿐만 아니라 폐기 후 가능한 한 빨리 감소하여 유령 낚시와 같은 환경 피해를 최소화해야 합니다.

섬유의 물리적 특성을 추정하기 위해 많은 구조 모델이 제안되었습니다. 이들 중 대부분은 결정상과 비정질상이 섬유 축을 따라 교대로 배열되어 있는 마이크로피브릴이라고 불리는 수 나노미터 크기의 구조를 가정합니다. 이들 모델에 따르면, 인장력은 결정자를 연결하는 비정질 상의 팽팽한 타이 체인에 집중적으로 가해집니다. 영률 및 열 수축 응력과 같은 작은 변형에서의 특성은 결정화도 및 분자 방향과 같은 평균 구조 매개변수를 사용하는 모델을 통해 정확하게 추정할 수 있습니다. 반대로, 초기 구조가 파손될 때까지 인장 변형에 따라 변하기 때문에 큰 변형에서의 특성, 특히 섬유 강도는 제대로 추정되지 않습니다. 그러나 인장력을 받는 팽팽한 타이 체인의 양은 인장 변형에 의해 크게 변하지 않습니다. 따라서 우리는 소위 '스메틱 단계'라고 불리는 중간 단계인 팽팽한 연결 고리의 배아에 초점을 맞췄습니다. 스멕틱 상은 종횡비가 ~10인 원섬유 모양을 가지며 배향 유도 결정화에 의해 생성된 섬유에서 미세섬유로 변환되는 것으로 생각됩니다8. 스멕틱 상은 배향된 분자 사슬 다발로 구성되어 있기 때문에 이 상은 주로 배향 유도 결정화 이전에 섬유 연신 공정 동안 인장력을 견디고 이러한 배향된 분자 사슬 다발은 또한 파손 시 생성된 섬유에 가해지는 인장력을 견뎌냅니다. .

고분자량 폴리머는 일반적으로 고강도 PET 섬유를 얻기 위해 사용되지만, 지나치게 높은 분자량은 분자 사슬 얽힘으로 인해 섬유 축을 따라 분자 배향에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 열악한 분자 배향은 섬유에 가해지는 인장력을 지탱하는 분자 사슬의 양을 감소시켜 섬유의 인장 강도를 감소시킵니다. 따라서 맞춤형 인장 특성을 갖는 PET 섬유를 설계하려면 적절한 분자량 분포가 필수적입니다. 특히, 섬유의 강도는 얽힘을 통해 인장력을 받는 분자 사슬의 양에 따라 결정되며, 고분자량 사슬은 인장력을 받는 경향이 있습니다. 따라서 인장력을 견딜 수 있는 임계 사슬 분자량의 개념은 섬유의 분자량 분포를 최적화하기 위한 지침을 제공할 것입니다.