Optimisation de l'électrofilage sol-gel pour faisceaux nanofibres polyamide 6/66 haute performance

Résumé

Les nanofibres polymériques permettent une large gamme de fonctionnalités textiles. Cette étude examine des solutions de polyamide 6/66 (PA 6/66) à 12, 17 et 22 % pds pour produire des nanofibres via une configuration d'électrofilage basique. Les fibres ont été examinées par microscopie électronique à balayage (MEB) et mesures de productivité. Par la suite, des faisceaux nanofibres ont été fabriqués utilisant un procédé d'électrofilage sol-gel et caractérisés par MEB, essais de traction et calorimétrie différentielle à balayage (DSC). L'optimisation statistique via ANOVA à un facteur et Tukey HSD a révélé qu'une solution 17 % pds produit des faisceaux avec la productivité la plus élevée (1,39 ± 0,15 mg min⁻¹), ratio de tirage (9,0 ± 1,2) et résistance à la traction (29,64 ± 7,40 MPa). L'analyse DSC a montré des températures de transition vitreuse et de fusion réduites pour les nanofibres comparées aux granulés et faisceaux PA 6/66, indiquant une structure cristalline altérée.

Contexte

Le nylon, polymère polyamide découvert par Wallace Hume Carothers en 1934, est produit comme fibre ou plastique selon conditions de traitement. Variantes commerciales — nylon 6, nylon 66, nylon 6,10 — partagent le groupe amide –CO–NH– et sont utilisés en films soufflés, monofilaments et copolymères. Le polyamide 6/66, avec un point de fusion plus bas que nylon 6, est largement employé dans textiles comme bas, parachutes, fermetures éclair, lignes de pêche, voiles, tapis et cordes.

Les méthodes de filage conventionnelles — humide, sec et gel — créent des filaments de 20 µm à 400 µm. Le diamètre de fibre, propriétés mécaniques et stabilité du processus dépendent fortement de la concentration polymère. La technique d'électrofilage, capable de produire des fibres à l'échelle nanométrique, offre un contrôle sur morphologie, porosité et diamètre via concentration solution et paramètres processus. Comme noté par Ramkrisna et al., une concentration plus élevée augmente la viscosité solution, influençant directement la morphologie fibre.

Les nanofibres polymériques électrofilées trouvent applications dans échafaudages, capteurs, filtres, membranes, batteries, vêtements protecteurs, pansements et catalyse. Dans textiles, elles permettent tissus auto-nettoyants, vêtements antimicrobiens, régulation température et filtration. Travaux récents ont adapté l'électrofilage à un bain de coagulation et cylindre de traction, créant le procédé sol-gel. Par exemple, des faisceaux polyvinyl alcool (PVA) renforçaient pâtes ciment ultra-fines, et des faisceaux polyamide 6/66 produits par rouleaux collecteurs rotatifs montraient promesse pour échafaudages tissulaires, composites et capteurs ultrasensibles. S'appuyant sur ces avancées, cette étude optimise statistiquement les faisceaux nanofibres PA 6/66 via approche sol-gel, évaluant morphologie, productivité, propriétés mécaniques et thermiques.

Procédé d'électrofilage sol-gel

Méthodes

Matériaux

PA 6/66 (Ultramid C40 L, BASF) était dissous dans un mélange 4:1 d'acide formique et acide acétique. L'eau distillée servait de bain de coagulation.

Préparation des solutions polyamide

Les solutions étaient préparées à 12 %, 17 % et 22 % pds en poids en utilisant le mélange acide à température ambiante avec agitation continue.

Procédé d'électrofilage basique

Toutes solutions étaient électrofilées à 27,5 kV utilisant une source Gamma High Voltage Research Inc. Modèle E30, avec distance aiguille-collecteur 12 cm. Les débits variaient entre 0,3 et 1 mL h⁻¹ utilisant une pompe seringue Braintree Scientific.

Procédé d'électrofilage sol-gel

Des faisceaux nanofibres étaient produits dans un bain de coagulation eau distillée avec cylindre de traction. Un plan complètement randomisé unifactorial (α = 0,05) évaluait productivité, ratio de tirage et résistance à la traction aux concentrations 12 %, 17 % et 22 %, chacun avec trois répétitions.

Techniques de caractérisation

La productivité (mg min⁻¹) était mesurée pour chaque concentration pendant l'électrofilage basique, suivie d'analyse morphologique MEB.

Pour le procédé sol-gel, après stabilisation du jet par ajustement tension, débit et distance aiguille-collecteur, le ratio de tirage était déterminé. Les faisceaux étaient ensuite examinés par MEB et essai de traction. La condition optimisée était analysée davantage par DSC.

MEB

Les échantillons étaient enrobés or (Denton Vacuum Desk IV, ~200 s) et imagés sur microscope JEOL JSM 6490 LV sous vide 30 Pa. Le logiciel ImageJ mesurait diamètres moyens.

Essai de traction

Trois cents fils de faisceaux étaient testés sur EZ-Test L (Shimadzu) à 30 mm min⁻¹ sur 50 mm, suivant ASTM D3822.

DSC

Les transitions thermiques étaient mesurées avec TA Instruments Q20 DSC (échantillons 5 mg en creusets aluminium scellés). Deux cycles chauffe 25 °C à 250 °C à 10 °C min⁻¹, avec isothermes 5 min, étaient effectués. Les thermogrammes étaient analysés selon ASTM D3418-08 pour déterminer T_g, T_m, ΔH_m et cristallinité (X_c).

Résultats et Discussion

Productivité du procédé d'électrofilage basique

La Figure 2 montre la productivité (mg min⁻¹) pour chaque concentration. ANOVA (p = 0,015) indique différences significatives ; Tukey HSD montre 17 % et 22 % produisent productivité plus élevée que 12 %.

Productivité du procédé d'électrofilage basique

Morphologie des nanofibres PA 6/66

L'augmentation de concentration polymère augmente la viscosité solution, menant à diamètres fibres plus grands. Images MEB Fig. 3 confirment que solutions 17 % et 22 % produisent fibres 85 % et 204 % plus épaisses respectivement que la base 12 %.

Images MEB de nanofibres PA 6/66 électrofilées à 12 % (a), 17 % (b) et 22 % (c)

Ratio de tirage dans le procédé sol-gel

La Figure 4 montre données ratio de tirage. ANOVA (p = 0,000) et Tukey HSD révèlent que concentration 17 % atteint ratio tirage plus élevé que 12 % et 22 %, qui sont statistiquement similaires.

Ratio de tirage du procédé électrofilage sol-gel

Morphologie des faisceaux nanofibres

Images MEB Fig. 5 indiquent que faisceaux de solution 17 % ont le plus petit diamètre moyen, environ moitié de ceux 12 % et 22 %, dû à vitesse collecte plus élevée et ratio tirage.

Images MEB de faisceaux nanofibres PA 6/66 à 12 % (a), 17 % (b) et 22 % (c)

Résistance à la traction des faisceaux

La Figure 6 montre distributions résistance traction. ANOVA (p = 0,005) et Tukey HSD confirment que faisceaux 17 % exhibent résistance traction significativement plus élevée (29,64 ± 7,40 MPa) que faisceaux 12 % et 22 %, qui sont comparables.

Résistance à la traction de faisceaux nanofibres PA 6/66 à différentes concentrations

Ces valeurs s'alignent avec Wu et al., qui rapportaient résistances traction près 30 MPa pour faisceaux PA 6/66 produits via électrofilage et cintrage.

Condition de procédé optimale

Collectivement, les données démontrent qu'une solution 17 % pds PA 6/66 produit des faisceaux avec productivité, ratio tirage et résistance traction supérieurs. La Figure 7 met en évidence la rugosité de surface accrue de ces faisceaux, avantageuse pour renforcement composite par interlock mécanique amélioré. Le rapport surface/volume élevé et ratio d'aspect suggèrent davantage adéquation pour habillement, filtration et applications nanocomposites.

Image MEB de la surface de faisceaux nanofibres PA 6/66

Analyse thermique DSC de la condition optimale

Les thermogrammes DSC (Fig. 8) pour granulés PA 6/66, nanofibre et faisceaux étaient comparés. Valeurs calculées T_g, T_m, ΔH_m et X_c (Tableau 1) révèlent que nanofibres 17 % exhibent T_g et T_m plus bas que granulés, reflétant volume libre accru et ordre cristallin réduit. Le faisceau montre 44,71 % cristallinité, plus haute que nanofibre, indiquant que le tirage aligne chaînes et restaure cristallinité. Les valeurs enthalpie fusion confirment besoins énergétiques plus bas pour fondre phase nanofibre.

Thermogrammes résultants de la condition optimale faisceaux nanofibres obtenus par DSC

Conclusions

L'électrofilage sol-gel de PA 6/66 à solution 17 % pds délivre un procédé statistiquement optimisé, atteignant haute productivité (1,39 ± 0,15 mg min⁻¹), ratio tirage 9,0 ± 1,2 et résistance traction 29,64 ± 7,40 MPa. Cette méthode produit de façon consistante des faisceaux nanofibres uniformes adaptés aux applications textiles avancées et composites.

Abréviations

DSC

Calorimétrie différentielle à balayage

PA 6/66

Polyamide 6/66

PVA

Polyvinyl alcool

MEB

Microscope électronique à balayage