Solvent crazing as a means to prepare poly(ethylene terephthalate) composite fibers

Narangerel, Tsolmon; Pich, Andrij; Möller, Martin

doi:HT018664980

Solvent crazing as a means to prepare poly(ethylene terephthalate) composite fibers

Narangerel, Tsolmon

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tsolmon Narangerel

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangV, 108 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Pich, Andrij (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-04-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-022535
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466693/files/466693.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466693/files/466693.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; solvent crazing (frei) ; polymer based composite materials (frei) ; nanosized porosity (frei) ; polymer matrix (frei) ; composite materials (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Das Ziel dieser Forschung war zum einen das Erarbeiten von experimentellen Bedingungen für das „solvent crazing“ von PET-Fasern unter denen definierte Bereiche mit Crazes entstehen, die entlang der Faser durch ungestörtes Fasermaterial voneinander getrennt werden und zum zweiten solche Strukturen zur Herstellung von polymeren Verbundmaterialen mit spezifischen Anwendungen zu einzusetzten. Seit mehr als 60 Jahren ist Crazing im generellen Forschungsinteresse. Für die meiste Zeit wurde Crazing jedoch als destruktiver und daher unerwünschter Mechanismus angesehen, der enorme wirtschaftliche Schäden auf Grund von Strukturversagen in polymeren Materialien bringt.Auf der anderen Seite kann Crazing allerdings auch zur Schaffung neuer Strukturen genutzt werden. Diese Ansatz wurde zuerst von A. L. Volinskii und N. F. Bakeev mitte der 1980er aufgebracht. Seitdem wurden vor allem in dieser Gruppe Verfahren zu Herstellung polymerer Verbundmaterialien entwickelt, die in der Polymermatrix von einem Netzwerk aus Poren und Fibrillen durchzigen sind. Um diese Struktur zu erhalten, bedarf es der Stabilisierung durch eine oberflächenaktive Flüssigkeit.Crazing in oberflächenaktiven Flüssigkeiten stellt ist ein komplexer Prozess, der trotz langer intensiver Forschung nicht vollständig verstanden ist. In dieser Arbeit wurde versucht, mittels „solvent crazing“ eine vordefinierte Struktur in PET-Fasern zu erreichen, und diese zur Herstellung verschiedener polymerer Verbundmaterialien zu verwenden.„Solvent crazing“ ist der Prozess der in in oberflächenaktiven Flüssigkeiten durchgeführt wird. Im Allgemeinen kann der Prozess in vier Schritte unterteilt werden; Nukleation der Mikrorisse (craze nucleation), Mikrorissöffnung (craze widening), Mikrorisswachstum (craze propagation) und Einsturz (collapse). Eine richtige Wahl der oberflächenaktiven Flüssigkeit spielt eine wichtige Rolle, da die Flüssigkeit die Oberflächenenergie an der Phasengrenze zur Polymatrix verringert und dadurch den Kollaps verhindert. Darüber hinaus dienen die oberflächenaktiven Flüssigkeiten als Medium, mit deren Hilfe gelöste Additive in der Öffnungs- und Wachstumsphase in die Polymermatrix eingeschleppt werden, wodurch Verbundmaterialien entstehen. Da Additive in der Flüssigkeit gelöst sind, die relevanten Wechselwirkungen jeodch zwischen Flüssigkeit und Polymer sind, werden Additive in die Crazes transportiert, wobei thermodynamische Unverträglichkeiten zwischen Polymer und Additiv vernachlässigt werden können.Im Rahmen dieser Arbeit wurde „solvent crazing“ zur selekitven Metallisierung von PET-Fasen eingesetzt. Dazu wurden PET-Fasern zunächst bei einer sehr langsamen Geschwindigkeit von 1 mm / min bis auf 5 % Dehnung verstreckt. Danach wurde die Geschwindigkeit auf 20 mm / min erhöht, wodurch eine Abfolge von Bereichen mit und ohne Crazes entlang der Faser erhalten wurde. Anschließend wurde die Bereiche mit Crazes selektiv durch stromloses Abscheiden von Silber metallisiert.Die langsame Geschwindigkeit ermöglicht dabei die Ausbildung von gut getrennten Bereichen mit und ohne Crazes, wohingegen die hohe Geschwindigkeit zu einer selektiven Verbreiterung der Bereiche mit Crazes führt. Eine selektive Metallisierung der Bereiche mit Crazes, getrennt durch isolierendes, ungestörtes Polymermaterial machte die erhaltenen Fasern anisotrop elektrisch. Der Widerstand der Fasern wurde parallel und senkrecht zur Faserachse unter Verwendung des Vier-Elektroden-Verfahrens gemessen. Auf Grund von Unregelmäßigkeiten in der geometrischen Struktur und des leitenden Pfads können die gemessenen Widerstandswerte variiert und erreichen im Höchstwert ca. 1 Ohm.Die selektiv erzeugten Bereiche mit Crazes wurden auch verwendet, um Metallkeime in den Mikrorissen wachsen zu lassen, so dass die Fasern von Metall umgeben werden. Hierzu wurde ein „seed-mediated growth“ Ansatz in Kombination mit „solvent crazing“ von PET-Fasern verwendet. Als Ergebnis wurden kontinuierlich verbundene Kristalle erhalten, die abgetrennte Metallringe entlang der Faser bilden. Weiterhin wurde erkannt, dass mit zunehmender Tiefe und Breite der Crazes die Bildung von miteinander verbundenen kontinuierlichen "Kristallitbändern" zunimmt.Darüber hinaus wurde aus hydrolysiertem Keratin gewonnene Oligopeptide mittels „solvent crazing“ in PET-Fasern eingebracht. Ziel war hier das Feuchtemanagement wie z. B. die Feuchtigkeitsaufnahme von Synthesefasern am Beispiel von PET positiv zu beeinflussen. In Abhängigkeit vom Verstreckungsgrad der PET Fasern konnte die Feuchtigkeitsaufnahme auf das bis zu 10-fache gesteigert werden.

The purpose of this study was first to find an optimum condition for solvent crazing of PET fibers producing crazed areas distinctly separated by non crazed bulk polymer along the fibers; second to use such order of crazes for obtaining polymer based composites of specific uses. Crazing as a general topic has been a research interest for more than 60 years. It had mostly been considered to be a destructive, unwanted mechanism that brings enormous economic loss and structural failure in polymeric materials. But on the other side, it can also be used in creating composite materials. That very idea was initiated by A.L.Volinskii and N.F Bakeev in the middle1980s. Since then they have been making attempts to turn the process into a method of producing polymer based composites using a network of pores and fibrils within polymer matrix. Such structure of network, i.e. fibrils spanning pores, can be kept with the support of a surface active liquid which is the essence of solvent crazing process. Crazing, especially the solvent crazing phenomenon is very complicated and is not easy to tackle. Although the process has actively been studied for long, mechanisms of craze development are not completely understood. In this thesis, it was attempted to achieve a predesigned craze structure in PET fibers and use the structure for producing various polymer composites. Solvent crazing is a process carried out in the presence of surface active liquids. Generally the process may take place in four stages; craze nucleation, craze propagation, craze widening and craze collapse. A proper choice of surface active liquid plays an important role as the liquid reduces the surface energy at phase boundary of craze and bulk polymer, and prevents the collapse of crazes. In addition to that, the surface active liquids serve as delivery agents of additives into the polymer matrix for producing the composites. As the additives dissolve in the liquid, they will be transported inside the crazes and thermodynamic incompatibility between the polymer and additives can be neglected.By taking advantage of such properties of the solvent crazing, silver deposition through electroless plating was carried out in order to metallize selectively crazed zones in PET fibers. The fibers were crazed in prior to obtain array of crazes isolated by bulk polymer. In order to create such array of crazes along the fibers, crazing was performed first at very slow rate of 1mm/min to as low as 5% strain and then the rate was increased to 20 mm/min to widen the crazes that are located in the above mentioned manner. Slow rate enabled the formation of well separated crazes from non crazed bulk polymer and high rate allowed to expand the crazes. The chosen conditions were set with great deal of efforts. After figuring out the optimum condition that led to desired array of crazes, metal deposition was effected. Locally metallized crazes made the fibers anisotropically electroconductive. The resistance of the fibres was measured in parallel and perpendicular to the fiber axis by using the four-probe method. Due to the variation of the geometrical structure of the conductive path, the measured values of resistance varied and can be as high as 1 Ohm. The selectively formed crazes were also used to grow metal seeds inside the crazes so that the fibers were encircled by metal. Seed mediated growth approach was used with the combination of solvent crazing of PET fibers. As a result, continuously connected crystals were formed as separated metal rings along the fiber. It was recognized that the deeper and wider the crazes were the better the formation of interconnected and continuous “bands” of crystals was. Last but not least, hydrolized keratin based oligopeptides were incorporated into the PET fibers via solvent crazing. The purpose of this work was to alter the hydrophobic nature of PET fibers into hydrophilic and to obtain synthetic and natural fibers composite. Depending on the strain, PET fibers’ moisture uptake was increased more than 10 times at maximum. It’s recognized that producing natural and synthetic fibers composites via solvent crazing is possible. Characterization of crazed fibers and composite materials were performed using optical and fluorescence microscopy, FESEM, SEM EDX, Elemental analysis technique, Keithley 2400 SourceMeter, VHX-1000 Digital Microscope (Keyence Corp).

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