Aplikovaná reologie pro výrobu polymerních nanovláken

Ing. Bc. Jiří Drábek

Doctoral thesis

Applied Rheology for Production of Polymeric Nanofibers

Abstract:

The first part of this work summarizes the current state of knowledge in area of melt blown technology, which allows production of polymeric nanofibers, with specific attention to the most commonly utilized polymers (including linear and branched polypropylenes), description of methodologies to produce nanofibers, the role of processing conditions on produced fibers, related flow instabilities and high shear rate rheology. In the second part of this work, chosen polymers, methodologies and instruments are provided in order to understand complicated relationship between polymer melt rheology, their molecular structure, process conditions and formation of polymeric fibers produced via melt blown technology. For such purpose, different polypropylenes (PPs) (namely linear, branched and their blends) having well defined molecular architecture were chosen and rheologically characterized in very wide shear rate range utilizing advanced constitutive equations. Then, the chosen PPs were used to produce polymeric fibers on the melt blown pilot plant line under different processing conditions in order to perform particular correlations. It has been found that the melt strength of branched PP can increase at short degradation times due to, presumably, creation of a high number of short branches, even if the molecular weight decreased due to chain scission. For the first time, it has been discovered that the secondary Newtonian viscosity (occurring above shear rates of 2×106 s-1), depends linearly on the average molecular weight, which suggests that polymer chains are fully disentangled at the secondary Newtonian plateau region. It was found that introduction of long-chain branching into PP, keeping the average molecular weight and polydispersity index the same, can firstly, decrease the secondary Newtonian plateau, which can primarily be attributed to smaller coils size and higher availability of the free volume for the branched PP in comparison with pure linear PP melt and secondly, it stabilizes melt blown process due to increased elasticity. Obtained scientific knowledge can help to understand production of polymeric nanofibers and its optimization considerably.

Abstract:

První část předložené práce shrnuje současný stav poznání v oblasti melt blown technologie umožňující produkci polymerních nanovláken se specifickým důrazem na nejčastěji používané polymery, popis metodik pro produkci nanovláken, roli procesních podmínek, typické tokové nestability a reologické chování polymerních tavenin při vysokých smykových rychlostech. Druhá část práce pak sumarizuje použité polymery, metodiky a experimentální zařízení, které byly použity pro porozumění komplikovaných vztahů mezi reologickým chováním polymerů, jejich molekulární strukturou, procesními podmínkami a tvorbou vláken pomocí technologie melt blown. Pro tento účel byly použity různé typy polypropylenů (lineární, rozvětvené a jejich blendy) s dobře definovanou molekulární strukturou, které byly reologicky charakterizovány ve velmi širokém rozsahu deformačních rychlostí s využitím pokročilých konstitutivních rovnic. Vybrané polypropyleny byly následně použity k produkci vláken na výrobní melt blown lince za různých procesních podmínek s cílem provést dané korelace. Bylo zjištěno, že pevnost taveniny rozvětveného PP může při krátkých degradačních časech růst (pravděpodobně díky vzniku vysokého počtu krátkých větví), a to i přesto, že jeho molekulová váha, v důsledku štěpení jednotlivých řetězců, klesá. Poprvé bylo objeveno, že smyková viskozita tavenin PP je v oblasti druhého Newtonského plató (tj. při deformačních rychlostech vyšších než 2×106 s-1) lineárně závislá na molekulové hmotnosti, což svědčí o celkovém rozpletení jednotlivých řetězů. Bylo objeveno, že při zavedení bočních větví do PP (při zachování jeho molekulové hmotnosti a stupně polydisperzity) dochází k poklesu jeho viskozity v oblasti druhého Newtonského plató, růstu elasticity a stabilizaci produkce vláken pomocí technologie melt blown (jako přímý důsledek poklesu gyračního poloměru makromolekulárních klubek a zvýšení dostupnosti volného objemu mezi nimi). Získané vědecké poznatky mohou výrazně přispět k porozumění a optimalizaci výroby polymerních nanovláken.

Keywords

Technologie melt blown, Polymerní nanovlákna, Polypropylen, Konstituční rovnice, Termální degradace, Smyková reologie, Elongační reologie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 10. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 7. 12. 2018
• Supervisor: prof. Ing. Martin Zatloukal, Ph.D., DSc.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds