Melhorando as propriedades mecânicas do flash

Jun 30, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18030 (2022) Citar este artigo

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O não tecido flash-spun (FS-NW) está ganhando atenção no campo do EPI devido à sua excelente barreira e propriedades mecânicas resultantes de sua distribuição de diâmetro não uniforme e morfologia única do filamento. A estrutura de rede exclusiva de filamentos fiados em flash (FSF) que compreende o FS-NW pode ser controlada pelo comportamento de separação de fases no processo de fluido supercrítico (SCF). Este estudo propõe um método simples para controlar a microestrutura de FSFs, controlando o processo de separação de fases induzida por pressão (PIPS) em solução polímero/SCF. Este comportamento de separação de fases de uma solução HDPE/SCF foi confirmado usando uma célula de visualização de alta pressão. Um bocal multiestágio que permite que a pressão separada por fases forme diferentes fases também foi projetado. HDPE-FSFs foram sintetizados por flash-spinning e sua morfologia, cristalinidade e propriedades mecânicas foram investigadas. Os resultados demonstraram que os filamentos obtidos pelo controle PSP a 220 °C e com concentração de HDPE de 8% em peso apresentaram uma estrutura de rede composta por fios, onde os diâmetros variaram de 1,39 a 40,9 μm. O FSF ideal foi obtido a 76 bar, com cristalinidade de 64,0% e tenacidade de 2,88 g/d. O método PIPS pode, assim, controlar eficazmente a microestrutura de forma mais viável do que as técnicas induzidas pela temperatura ou pelo solvente e pode permitir a síntese eficaz de vários produtos.

A segurança e o bem-estar das pessoas na sociedade moderna são vulneráveis ​​a factores que ameaçam o corpo humano, tais como poluição atmosférica grave, agentes patogénicos e vírus. A nova doença por coronavírus (COVID-19) é um exemplo notável deste fenómeno, pois causou uma pandemia global desde que foi observada pela primeira vez em 2019 e continua a causar um impacto humano significativo1,2. Sabe-se normalmente que os vírus se espalham através de pequenos aerossóis (normalmente definidos como < 5 µm) ou de gotículas respiratórias maiores expelidas ao tossir, espirrar ou respirar3,4. Portanto, o desenvolvimento de equipamentos de proteção individual (EPI) para prevenir a propagação de infeções e para proteger tanto os pacientes como os profissionais de saúde de exposições perigosas está a ganhar cada vez mais importância.

Geralmente, o EPI é usado para minimizar a exposição a perigos que podem causar lesões e doenças graves no local de trabalho, e pode incluir itens desde luvas e óculos de segurança até sapatos, protetores de ouvido, capacetes, respiradores e trajes de corpo inteiro5,6,7. O material do EPI requer certas características, como considerável resistência mecânica/estrutural que pode representar atividade extenuante, propriedades de barreira contra o ambiente externo e filtragem de poluentes6,7. Entre os materiais utilizados na construção de EPI, o não tecido de micro/nanofibra é atualmente muito popular como constituinte essencial de equipamentos de proteção respiratória ou de corpo inteiro. Os nãotecidos de micro/nanofibras apresentam alta eficiência de filtração devido a diversas propriedades vantajosas, como pequeno diâmetro de fibra, grande relação área superficial/volume, alta porosidade e boa conectividade interna6,8,9,10. Esses não-tecidos são geralmente obtidos através de processos spun-bond ou melt-blown amplamente praticados que permitem excelente permeabilidade ao ar e eficiência de filtração. No entanto, é um desafio obter produtos com resistência mecânica capazes de suportar atividades humanas vigorosas através destes métodos.

O tecido não tecido flash-spun (FS-NW) está atraindo a atenção como um material de EPI promissor devido às suas excelentes características funcionais, como alta resistência à tração e ao rasgo e propriedades impermeáveis ​​permeáveis ​​à umidade7,11. O tecido FS-NW consiste em microfibras com uma distribuição de diâmetro que varia de dezenas de micrômetros a centenas de nanômetros, resultando em maior resistência à tração e ao rasgo do que o típico tecido não tecido spun-bond com diâmetro de fibra ≥ 10 μm e propriedades de barreira comparáveis ​​àquelas de membranas poliméricas11,12,13. A morfologia do filamento da rede, atribuída ao processo de fiação flash, permite essas propriedades únicas do FS-NW. A fiação flash é um processo de alta qualidade para a produção de tecido não tecido fiado por fusão, utilizando um processo de fluido supercrítico (SCF)12,14,15,16. Os SCFs podem ser usados ​​como meios altamente eficazes no processamento de polímeros, pois exibem densidade e solubilidade semelhantes a líquidos, ao mesmo tempo que possuem propriedades de transporte semelhantes a gases. Além disso, o comportamento de fase de suas soluções pode ser controlado de maneira fácil e conveniente por mudanças de temperatura e pressão . No processo de flash-spinning, um polímero é dissolvido em um SCF de alta pressão e temperatura (HPT) e depois girado por ejeção instantânea a pressão e temperatura normais (NPT) . Preparada por pressão espontânea enquanto aquece a mistura polímero-solvente, esta solução monofásica de polímero/SCF separa-se por uma diminuição na pressão e subsequentemente é ejetada através de um orifício em uma região de pressão e temperatura substancialmente mais baixa (geralmente NPT) para formar o FSF12,16 ,18. A separação de fases na mistura SCF durante este procedimento pode levar a profundas mudanças estruturais nos filamentos giratórios flash (FSF), cujas extensões dependem dos parâmetros do processo, como temperatura, pressão e concentração. Embora estudos sobre o comportamento de separação de fases em soluções de polímero/SCF estejam sendo conduzidos 19,20,21, é difícil aplicar a abordagem de pesquisa ao processo real de flash-spinning, portanto, estudos sistemáticos sobre o efeito do comportamento de fase nas propriedades do material do produto resultante são insuficientes.