Resistência à tração da fibra de poliéster estimada por

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11759 (2023) Citar este artigo

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A combinação de aquecimento por irradiação a laser e fontes de raios X síncrotron tornou possível observar o desenvolvimento da estrutura da fibra que ocorre em escalas de tempo inferiores a milissegundos após o estreitamento durante a trefilação contínua. Através da análise de difração de raios X de grande ângulo (WAXD) e espalhamento de raios X de pequeno ângulo (SAXS) de fibras de poli(tereftalato de etileno) de três pesos moleculares diferentes desenhadas sob tensões equivalentes, uma boa correlação foi observada entre o espaçamento d da difração esmética (001ʹ) extrapolada para o ponto de estrangulamento e a resistência da fibra trefilada. Isto indica que as cadeias moleculares que suportam a tensão de estiramento também suportam a maior parte da tensão aplicada durante o teste de tração da fibra resultante. Além disso, considerando a dependência da tensão de estiramento do espaçamento d e a distribuição do peso molecular da fibra revelou que cadeias moleculares com pesos moleculares superiores a 23.000 g/mol suportam a maior parte da força de tração aplicada à fibra.

A fibra de poli(tereftalato de etileno) (PET) representa mais da metade de todas as fibras produzidas atualmente. Devido a esta enorme produção, numerosos estudos foram realizados sobre a estrutura e propriedades das fibras PET. Recentemente, o controle da propriedade física tornou-se fortemente desejado do ponto de vista ambiental. Especificamente, a resistência à tração da fibra não deve apenas atender aos requisitos de uso, mas também diminuir o mais rápido possível após o descarte para minimizar os danos ambientais, como a pesca fantasma.

Muitos modelos estruturais têm sido propostos para estimar as propriedades físicas das fibras1,2,3,4,5,6. A maioria deles assume estruturas de tamanho de poucos nanômetros chamadas microfibrilas, nas quais as fases cristalina e amorfa estão dispostas alternadamente ao longo do eixo da fibra. De acordo com estes modelos, a força de tração é aplicada intensamente às correntes esticadas nas fases amorfas que conectam os cristalitos. As propriedades em pequenas deformações, como módulo de Young e tensão de retração térmica, podem ser estimadas com precisão por modelos usando parâmetros estruturais médios, como cristalinidade e orientação molecular. Por outro lado, as propriedades em grandes deformações, em particular a resistência da fibra, são mal estimadas porque a estrutura inicial muda com a deformação por tração até a ruptura. No entanto, a quantidade de correntes esticadas que suportam a força de tração não é muito alterada pela deformação por tração. Portanto, focamos no embrião da cadeia esticada, a chamada 'fase esmética' intermediária7. A fase esmética tem formato fibrilar com proporção de aspecto de ~ 10 e acredita-se que seja transformada em microfibrilas na fibra resultante por cristalização induzida por orientação . Como a fase esmética compreende feixes de cadeias moleculares orientadas, esta fase suporta principalmente a força de tração durante o processo de estiramento da fibra antes da cristalização induzida pela orientação, e esses feixes de cadeias moleculares orientadas também suportam a força de tração aplicada à fibra resultante na quebra. .

Polímero de alto peso molecular é geralmente usado para obter fibra PET de alta resistência à tração, mas pesos moleculares excessivamente altos afetam negativamente a orientação molecular ao longo do eixo da fibra devido ao emaranhamento da cadeia molecular. Esta má orientação molecular diminui a quantidade de cadeias moleculares que suportam a força de tração aplicada à fibra, diminuindo a resistência à tração da fibra. Conseqüentemente, uma distribuição apropriada de peso molecular é essencial no projeto de fibras PET com propriedades de tração personalizadas. Particularmente, a resistência da fibra é decidida pela quantidade de cadeias moleculares que suportam a força de tração através dos emaranhados, e as cadeias de alto peso molecular tendem a ser aquelas que suportam a força de tração. Portanto, o conceito de um peso molecular de cadeia crítica capaz de suportar a força de tração forneceria uma diretriz para otimizar a distribuição do peso molecular das fibras.