フラッシュの機械的特性の向上

Jun 30, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18030 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

フラッシュ紡糸不織布 (FS-NW) は、その不均一な直径分布と独特のフィラメント形態による優れたバリア性と機械的特性により、PPE 分野で注目を集めています。 FS-NWを構成するフラッシュ紡糸フィラメント（FSF）の独特なネットワーク構造は、超臨界流体（SCF）プロセスにおける相分離挙動によって制御できます。 この研究では、ポリマー/SCF 溶液における圧力誘起相分離 (PIPS) プロセスを制御することにより、FSF の微細構造を制御する簡単な方法を提案します。 HDPE/SCF 溶液のこの相分離挙動は、高圧ビューセルを使用して確認されました。 相分離圧力によって異なる相を形成できる多段ノズルも設計されました。 HDPE-FSF はフラッシュ紡糸によって合成され、その形態、結晶化度、および機械的特性が調査されました。 その結果、220℃、HDPE濃度8wt%のPSP制御により得られたフィラメントは、直径が1.39〜40.9μmの範囲のストランドからなるネットワーク構造を示した。 最適な FSF は 76 bar で得られ、結晶化度は 64.0%、靭性は 2.88 g/d でした。 したがって、PIPS 法は、温度や溶媒による手法よりも微細構造を効果的に制御でき、さまざまな生成物の効果的な合成を可能にします。

現代社会における人々の安全と健康は、深刻な大気汚染、病原体、ウイルスなどの人体を脅かす要因に対して脆弱です。 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）は、2019 年に初めて観察されて以来、世界的なパンデミックを引き起こし、引き続き多大な犠牲者を出し続けており、この現象の顕著な例です 1,2。 ウイルスは通常、小さなエアロゾル (通常 < 5 μm と定義される)、または咳、くしゃみ、呼吸時に排出される大きな呼吸器飛沫を介して広がることが知られています 3、4。 したがって、感染の拡大を防ぎ、患者と医療従事者の両方を危険な暴露から守るための個人用保護具 (PPE) の開発の重要性が高まっています。

一般に、PPE は職場での重大な怪我や病気を引き起こす可能性のある危険への曝露を最小限に抑えるために着用され、手袋や安全メガネから靴、耳栓、ヘルメット、呼吸用保護具、全身スーツに至るまでのアイテムが含まれる場合があります5、6、7。 PPE 材料には、激しい活動に耐えられるかなりの機械的/構造的強度、外部環境に対するバリア特性、汚染物質の濾過など、特定の特性が必要です6、7。 PPE の構築に使用される材料の中で、マイクロ/ナノファイバー不織布は現在、呼吸器または全身保護具の必須構成要素として非常に人気があります。 マイクロ/ナノファイバー不織布は、小さな繊維直径、大きな表面積対体積比、高い多孔性、良好な内部接続性などのいくつかの有利な特性により、高い濾過効率を備えています6、8、9、10。 これらの不織布は一般に、優れた空気透過性と濾過効率を可能にする、広く実施されているスパンボンドまたはメルトブローンプロセスによって得られます。 しかし、これらの方法では人間の激しい活動に耐えられる機械的強度を備えた製品を得るのは困難です。

フラッシュ紡糸不織布（FS-NW）は、高い引張強度、引裂強度、透湿防水性などの優れた機能特性により、有望な PPE 素材として注目されています 7,11。 FS-NW生地は、数十μmから数百nmの直径分布を持つ極細繊維で構成されており、繊維径10μm以上の一般的なスパンボンド不織布と比較して引張強度、引裂強度が高く、バリア性も同等です。高分子膜の11、12、13。 フラッシュ紡糸プロセスに起因するネットワーク フィラメントの形態により、FS-NW のこれらのユニークな特性が可能になります。 フラッシュスピニングは、超臨界流体 (SCF) プロセスを利用した溶融紡糸不織布製造のハイエンドプロセスです12、14、15、16。 SCF は液体のような密度と溶解度を示しながら、気体のような輸送特性も備えているため、ポリマー加工において非常に効果的な媒体として使用できます。 さらに、その溶液の相挙動は、温度と圧力の変化によって簡単かつ便利に制御できます17。 フラッシュ紡糸プロセスでは、ポリマーを高圧高温 (HPT) SCF に溶解し、常圧高温 (NPT) で瞬間的に排出して紡糸します 12、15、16、18。 ポリマーと溶媒の混合物を加熱しながら自発的な圧力によって調製されるこの単相ポリマー/SCF 溶液は、圧力の低下によって分離し、その後オリフィスを通って実質的に低い圧力と温度 (通常は NPT) 領域に噴出して FSF を形成します 12,16 、18． この手順中の SCF 混合物における相分離は、フラッシュ紡糸フィラメント (FSF) に重大な構造変化を引き起こす可能性があり、その程度は温度、圧力、濃度などのプロセス パラメーターによって異なります。 ポリマー/SCF 溶液中の相分離挙動に関する研究は行われている 19,20,21 が、研究アプローチを実際のフラッシュ紡糸プロセスに適用することは困難であるため、相挙動がポリマー/SCF 溶液の材料特性に及ぼす影響に関する体系的な研究が行われています。得られた製品が不十分です。