Tuning spinnability and properties of centrifugally spun fibers

Abstract

The manufacturing of polymer fibers has drawn a lot of attention over the years, due to their extraordinary properties, such as an ultra-high surface-to-volume ratio, porosity and flexibility. This increase in interest has led to the development of several new techniques for the fabrication of fibers covering a wide range of diameters, which can go even below the microscale. By the creation of so-called nanofibers, new horizons within nanotechnology are being explored and many new applications have been developed, ranging from drug delivery, antimicrobial filters, battery separators, photovoltaics, and membranes for environmental applications. One technique that has shown to be highly promising for competition with other currently established techniques on the industrial scale, such as Electrospinning (ES) and Solution Blow Spinning (SBS), is Centrifugal Fiber Spinning (CFS). Cotton candy as a product highlights the ease, rate, flexibility, and allure of this fiber/nonwoven manufacturing process and its scalability. The CFS technique has been developed in 2010, and it was shown that it could overcome the many drawbacks of the other techniques, such as the low production rate, high voltage sources and a limited range of solvents. However, the exact mechanisms and events during fiber formation in CFS have not yet been fully understood and fundamental questions remain about the exact role of processing conditions, rheology and evaporation rate in dictating spinnability. Therefore, a systematic study is carried out to determine the structure property relationships between process parameters, solution properties, rheology and their influence on the final morphology and both the mechanical as well as thermal properties. The effect of both the experimental parameters as well as the intrinsic solution properties are examined in this work, using a homebuilt CFS device. The surface flow properties of the polymer solutions through the nozzle at the solid-liquid interface were examined by a comparative study of different materials for the nozzle heads. By doing so, we showed that the solid-liquid interface played an important role on the final fiber morphology. Furthermore, the occurrence of defects in the fiber mats was examined into detail for a liquid polystyrene (PS) system, in terms of the molecular weight and dispersity of the polymer material. Optimization of these parameters led to even finer fiber diameters with an improved mechanical performance, making the fiber mats relevant for water-oil separation applications. The transition of defected to defect-free fibers was shown to follow a well-known power law, that has been established before. Eventually, we also charted a processability map for CFS of a PEO system by plotting extensional relaxation time against time-of-flight by scaling both timescales with an evaporation time. The processability map incorporates the influence of angular velocity, orifice diameter, distance from the collector, and the ambient conditions, in addition to solvent and polymer properties, and establishes an imitable paradigm for distinguishing between spinnable and sprayable formulations. So, with this work we have shown the ease of implementing a homebuilt CFS setup into a basic engineering lab, together with a thorough parameter screening and evaluation of the device. Furthermore we have clarified a few unresolved questions within the field of CFS, such as the importance of experimental parameters, molecular weight, dispersity, solvent choice, and filler materials on the fiber formation process. All the new insights that were acquired in this work could lead to the future development of many new high-tech applications within the field of fiber technology.

Vezelproductie heeft in de laatste jaren heel wat aandacht getrokken bij vele wetenschappers wereldwijd, dankzij de uitzonderlijke eigenschappen van de vezelmatte, zoals een ultrahoog oppervlak, porositeit en flexibiliteit. Deze grote interesse heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende technieken, waarmee een breed gamma aan vezels geproduceerd kan worden, zelfs op de nanoschaal. Door het creëren van dergelijke nanovezels kunnen er nieuwe horizonten geëxploreerd worden, en zijn er ondertussen al veel nieuwe toepassingen mee ontwikkeld, variërend van medicijnafgifte, antimicrobiële filters, batterijseparatoren, fotovoltaïsche cellen en membranen voor milieutoepassingen. Een van deze nieuwe technieken is een veelbelovende techniek gebleken, die de concurrentie kan aangaan met de huidige technieken op de industriële schaal, zoals Electrospinning (ES) en Solution Blow Spinning (SBS), is het Centrifugale Vezel Spinnen (CFS). Deze CFS techniek werd ontwikkeld in 2010, en er is aangetoond dat het de nadelen van alle andere technieken kan overkomen, zoals de lage productiesnelheid, een zeer hoge spanningsbron en het werken met een beperkt gamma oplosmiddelen. Op die manier is de techniek een veelbelovend alternatief geworden voor de productie van allerlei soorten nanovezels op grote industriële schaal. De exacte mechanismen van vezelvorming tijdens de techniek zijn echter nog niet volledig begrepen. Daarom zijn de effecten van enkele belangrijke parameters, die een rol spelen tijdens dit proces, in deze uiteenzetting bestudeerd. Dit om bij te dragen aan een dieper begrip van het CFS proces voor de wereldwijde vezelgemeenschap. Zowel het effect van experimentele parameters als de intrinsieke eigenschappen van de oplossingen zijn in dit werk onderzocht via een zelf ontworpen CFS apparaat. De vloeibare eigenschappen van de polymeeroplossingen aan het grensoppervlak in de opening van de spuitkop werden onderzocht door een vergelijkende studie te maken van verschillende materialen. Zodoende, hebben wij de invloed kunnen aantonen van de mogelijke gebeurtenissen aan het grensvlak tussen vast en vloeibaar op de uiteindelijke vezelmorfologie. Verder werd de transitie van misvormde naar defectvrije vezels in detail onderzocht. Optimalisatie van het molecuulgewicht en de dispersie van de polymeer oplossingen werden gebruikt om de vezelmatten te verbeteren. Dit leidde tot zelfs dunnere vezels met verbeterde mechanische prestaties op vlak van de scheiding van water-olie mengsels. De transitie van misvormde vezels naar defectvrije vezels bleek ook een reeds bekende machtsfunctie te volgen, wat betreft de spinbaarheid van polymeer oplossingen. Tenslotte hebben we ook een verwerkbaarheidsmap voor PEO oplossingen die gebruikt kunnen worden voor het al dan niet spinnen van fibers. Deze map werd opgesteld d.m.v. de extensionele relaxatietijd uit te zetten in functie van de vluchttijd, en vervolgens beide tijdsconstanten te schalen met de bijhorende verdampingstijd. Naast de eigenschappen van het oplosmiddel en het polymeer, houdt deze map ook nog rekening met de invloed van de draaisnelheid, de diameter van de spuitkop, de afstand tot de collector en de omgevingsomstandigheden van het experiment, en vormt deze map een paradigma om de overgang te vinden tussen spinbare en sproeibare oplossingen. Met dit werk hebben wij dus aangetoond dat het zeer gemakkelijk is een zelfgebouwde CFS opstelling te implementeren in een ingenieurs lab, samen met een grondige parameter screening en evaluatie van het apparaat. Verder hebben we een aantal onopgeloste vragen op het gebied van CFS opgehelderd, zoals de belangrijke rol van experimentele parameters, molecuulgewicht, dispersie, keuze van het solvent, en additieven op het vezelvormingsproces. Alle nieuwe inzichten die in dit werk zijn verworven, kunnen leiden tot de toekomstige ontwikkeling van vele nieuwe en hoog technologische toepassingen op het gebied van vezeltechnologie.