Miglioramento delle proprietà meccaniche del flash

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18030 (2022) Citare questo articolo

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Il tessuto non tessuto flash-spun (FS-NW) sta guadagnando attenzione nel campo dei DPI grazie alla sua eccellente barriera e alle proprietà meccaniche derivanti dalla distribuzione non uniforme del diametro e dalla morfologia unica dei filamenti. L'esclusiva struttura di rete di filamenti flash-spun (FSF) che comprende l'FS-NW può essere controllata dal comportamento di separazione di fase nel processo del fluido supercritico (SCF). Questo studio propone un metodo semplice per controllare la microstruttura degli FSF controllando il processo di separazione di fase indotta dalla pressione (PIPS) nella soluzione polimero/SCF. Questo comportamento di separazione di fase di una soluzione HDPE/SCF è stato confermato utilizzando una cella di visualizzazione ad alta pressione. È stato inoltre progettato un ugello multistadio che consente alla pressione separata di fase di formare fasi diverse. Gli HDPE-FSF sono stati sintetizzati mediante flash spinning e ne sono state studiate la morfologia, la cristallinità e le proprietà meccaniche. I risultati hanno dimostrato che i filamenti ottenuti mediante controllo PSP a 220 °C e con una concentrazione di HDPE dell'8% in peso mostravano una struttura a rete composta da fili, in cui i diametri variavano da 1,39 a 40,9 μm. La FSF ottimale è stata ottenuta a 76 bar, con una cristallinità del 64,0% e una tenacità di 2,88 g/giorno. Il metodo PIPS può quindi controllare efficacemente la microstruttura in modo più fattibile rispetto alle tecniche indotte dalla temperatura o dal solvente e può consentire la sintesi efficace di vari prodotti.

La sicurezza e il benessere delle persone nella società moderna sono vulnerabili a fattori che minacciano il corpo umano, come il grave inquinamento atmosferico, agenti patogeni e virus. La nuova malattia da coronavirus (COVID-19) è un esempio lampante di questo fenomeno poiché ha causato una pandemia globale da quando è stata osservata per la prima volta nel 2019 e continua a comportare un significativo tributo umano1,2. È generalmente noto che i virus si diffondono attraverso piccoli aerosol (solitamente definiti come < 5 µm) o goccioline respiratorie più grandi espulse quando si tossisce, si starnutisce o si respira3,4. Pertanto, lo sviluppo di dispositivi di protezione individuale (DPI) per prevenire la diffusione dell’infezione e per proteggere sia i pazienti che gli operatori sanitari da esposizioni pericolose sta acquisendo sempre più importanza.

In genere, i DPI vengono indossati per ridurre al minimo l'esposizione ai rischi che possono causare gravi infortuni e malattie sul posto di lavoro e possono includere articoli da guanti e occhiali di sicurezza a scarpe, tappi per le orecchie, elmetti di protezione, respiratori e tute integrali5,6,7. Il materiale DPI richiede alcune caratteristiche come una notevole resistenza meccanica/strutturale adeguata ad attività faticose, proprietà di barriera nei confronti dell'ambiente esterno e di filtrazione degli agenti inquinanti6,7. Tra i materiali utilizzati per costruire i DPI, il tessuto non tessuto in micro/nanofibra è attualmente molto popolare come componente essenziale dei dispositivi di protezione respiratoria o di protezione di tutto il corpo. I non tessuti in micro/nanofibra hanno un'elevata efficienza di filtrazione grazie a numerose proprietà vantaggiose come il diametro ridotto delle fibre, un ampio rapporto superficie/volume, elevata porosità e buona connettività interna6,8,9,10. Questi non tessuti sono generalmente ottenuti tramite processi spun-bond o melt-blown ampiamente praticati che consentono un'eccellente permeabilità all'aria ed efficienza di filtrazione. Tuttavia, è difficile ottenere prodotti con resistenza meccanica in grado di gestire un’attività umana vigorosa attraverso questi metodi.

Il tessuto non tessuto filato flash (FS-NW) sta attirando l'attenzione come materiale DPI promettente grazie alle sue eccellenti caratteristiche funzionali come l'elevata resistenza alla trazione e allo strappo e le proprietà impermeabili permeabili all'umidità7,11. Il tessuto FS-NW è costituito da microfibre con una distribuzione del diametro che varia da decine di micrometri a centinaia di nanometri, con conseguente maggiore resistenza alla trazione e allo strappo rispetto al tipico tessuto non tessuto spun-bond con un diametro della fibra ≥ 10 μm e proprietà barriera paragonabili a quelle delle membrane polimeriche11,12,13. La morfologia dei filamenti della rete, attribuita al processo di filatura flash, consente queste proprietà uniche di FS-NW. La filatura flash è un processo di fascia alta per la produzione di tessuto non tessuto filato a fusione, che utilizza un processo con fluido supercritico (SCF)12,14,15,16. Gli SCF possono essere utilizzati come mezzi altamente efficaci nella lavorazione dei polimeri poiché mostrano densità e solubilità simili a quelle dei liquidi e possiedono anche proprietà di trasporto simili a quelle dei gas. Inoltre, il comportamento di fase delle loro soluzioni può essere controllato facilmente e comodamente dai cambiamenti di temperatura e pressione17. Nel processo di flash spinning, un polimero viene disciolto in un SCF ad alta pressione e temperatura (HPT) e quindi filato tramite espulsione istantanea a pressione e temperatura normali (NPT)12,15,16,18. Preparata mediante pressione spontanea durante il riscaldamento della miscela polimero-solvente, questa soluzione monofase polimero/SCF si separa mediante una diminuzione della pressione e successivamente viene espulsa attraverso un orifizio in una regione di pressione e temperatura sostanzialmente inferiori (solitamente NPT) per formare l'FSF12,16 ,18. La separazione di fase nella miscela SCF durante questa procedura può portare a profondi cambiamenti strutturali nei filamenti flash-spinning (FSF), la cui entità dipende dai parametri di processo, come temperatura, pressione e concentrazione. Sebbene siano in corso studi sul comportamento della separazione di fase nelle soluzioni polimero/SCF19,20,21, è difficile applicare l'approccio di ricerca all'effettivo processo di flash spinning, quindi studi sistematici sull'effetto del comportamento di fase sulle proprietà del materiale del il prodotto risultante è insufficiente.