플래시의 기계적 물성 향상

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18030(2022) 이 기사 인용

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플래시 방사 부직포(FS-NW)는 불균일한 직경 분포와 독특한 필라멘트 형태로 인해 우수한 차단성과 기계적 특성으로 인해 PPE 분야에서 주목받고 있습니다. FS-NW를 구성하는 플래시 방사 필라멘트(FSF)의 독특한 네트워크 구조는 초임계 유체(SCF) 공정의 상 분리 거동에 의해 제어될 수 있습니다. 본 연구에서는 폴리머/SCF 용액에서 압력 유도 상 분리(PIPS) 공정을 제어하여 FSF의 미세 구조를 제어하는 ​​간단한 방법을 제안합니다. HDPE/SCF 용액의 이러한 상 분리 거동은 고압 뷰 셀을 사용하여 확인되었습니다. 상분리 압력을 통해 서로 다른 상을 형성할 수 있는 다단계 노즐도 설계되었습니다. 플래시 방사를 통해 HDPE-FSF를 합성하고, 형태, 결정화도 및 기계적 특성을 조사하였다. 결과는 220°C 및 8wt%의 HDPE 농도에서 PSP 제어에 의해 얻은 필라멘트가 직경이 1.39~40.9μm 범위인 가닥으로 구성된 네트워크 구조를 나타냄을 보여줍니다. 최적의 FSF는 76bar에서 얻어졌으며 결정화도는 64.0%, 인성은 2.88g/d였습니다. 따라서 PIPS 방법은 온도 또는 용매 유도 기술보다 더 실현 가능하게 미세 구조를 효과적으로 제어할 수 있으며 다양한 제품의 효과적인 합성을 가능하게 할 수 있습니다.

현대사회에서 사람들의 안전과 건강은 심각한 대기오염, 병원체, 바이러스 등 인체를 위협하는 요인들에 취약합니다. 신종 코로나바이러스 질환(COVID-19)은 2019년 처음 관찰된 이후 전 세계적으로 유행하는 전염병을 일으켰고 계속해서 상당한 인명 피해를 입히고 있기 때문에 이러한 현상의 놀라운 예입니다1,2. 바이러스는 일반적으로 작은 에어로졸(일반적으로 5μm 미만으로 정의됨) 또는 기침, 재채기 또는 호흡 시 배출되는 더 큰 호흡기 비말을 통해 확산되는 것으로 알려져 있습니다3,4. 따라서 감염 확산을 예방하고, 환자와 의료진 모두를 위험한 노출로부터 보호하기 위한 개인보호장비(PPE)의 개발이 점점 더 중요해지고 있습니다.

일반적으로 PPE는 심각한 작업장 부상과 질병을 일으킬 수 있는 위험에 대한 노출을 최소화하기 위해 착용하며 장갑, 보안경, 신발, 귀마개, 안전모, 인공호흡기, 전신복에 이르는 품목이 포함될 수 있습니다5,6,7. PPE 소재는 격렬한 활동을 견딜 수 있는 상당한 기계적/구조적 강도, 외부 환경에 대한 장벽 특성, 오염 물질 여과와 같은 특정 특성을 요구합니다6,7. PPE를 구성하는 재료 중 마이크로/나노섬유 부직포는 현재 호흡기 또는 전신 보호 장비의 필수 구성 요소로 매우 인기가 높습니다. 마이크로/나노섬유 부직포는 작은 섬유 직경, 큰 표면적 대 부피 비율, 높은 다공성 및 우수한 내부 연결성과 같은 여러 가지 유리한 특성으로 인해 높은 여과 효율을 갖습니다6,8,9,10. 이러한 부직포는 일반적으로 우수한 공기 투과성과 여과 효율성을 허용하는 널리 사용되는 스펀본드 또는 멜트블로운 공정을 통해 얻어집니다. 그러나 이러한 방법을 통해 격렬한 인간 활동을 처리할 수 있는 기계적 강도를 갖춘 제품을 얻는 것은 어렵습니다.

플래시 방적 부직포(FS-NW) 직물은 높은 인장 강도와 인열 강도, 투습 방수 특성과 같은 우수한 기능적 특성으로 인해 유망한 PPE 소재로 주목받고 있습니다7,11. FS-NW 원단은 수십 마이크로미터에서 수백 나노미터에 이르는 직경 분포를 갖는 극세사로 구성되어 있어 섬유 직경이 10μm 이상인 일반 스펀본드 부직포에 비해 인장강도와 인열강도가 더 높으며, 이에 준하는 차단성도 갖췄습니다. 고분자막11,12,13. 플래시 회전 공정에 따른 네트워크 필라멘트 형태는 FS-NW의 이러한 독특한 특성을 허용합니다. 플래시 방사는 초임계 유체(SCF) 공정을 활용하여 용융 방사 부직포를 생산하는 고급 공정입니다. SCF는 액체와 같은 밀도와 용해도를 나타내면서 기체와 같은 수송 특성을 가지기 때문에 폴리머 가공에서 매우 효과적인 매체로 사용될 수 있습니다. 또한 솔루션의 위상 동작은 온도와 압력의 변화에 ​​따라 쉽고 편리하게 제어할 수 있습니다. 플래시 스피닝 공정에서는 폴리머가 고압 및 온도(HPT) SCF에 용해된 후 정상 압력 및 온도(NPT)에서 순간 방출을 통해 방사됩니다. 폴리머-용매 혼합물을 가열하는 동안 자연적인 압력에 의해 준비된 이 단일상 폴리머/SCF 용액은 압력 감소에 의해 분리된 후 오리피스를 통해 상당히 낮은 압력과 온도(보통 NPT) 영역으로 방출되어 FSF를 형성합니다12,16 ,18. 이 절차 동안 SCF 혼합물의 상 분리는 플래시 방사 필라멘트(FSF)의 심각한 구조적 변화로 이어질 수 있으며 그 정도는 온도, 압력 및 농도와 같은 공정 매개변수에 따라 달라집니다. 폴리머/SCF 용액의 상분리 거동에 대한 연구가 진행되고 있지만19,20,21 실제 플래시 방사 공정에 연구 접근법을 적용하는 것은 어렵기 때문에 상 거동이 재료 특성에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구가 진행되고 있습니다. 결과 제품이 부족합니다.