Résistance à la traction de la fibre de polyester estimée par molécule

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11759 (2023) Citer cet article

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La combinaison du chauffage par irradiation laser et des sources de rayons X synchrotron a permis d'observer le développement de la structure des fibres qui se produit à des échelles de temps inférieures à la milliseconde après la striction pendant l'étirage continu. Grâce à l'analyse par diffraction des rayons X aux grands angles (WAXD) et par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) de fibres de poly(téréphtalate d'éthylène) de trois poids moléculaires différents étirées sous des contraintes équivalentes, une bonne corrélation a été observée entre l'espacement d de diffraction smectique (001ʹ) extrapolée au point de striction et à la résistance de la fibre étirée. Cela indique que les chaînes moléculaires qui supportent la contrainte d'étirage supportent également la majeure partie de la contrainte appliquée lors de l'essai de traction de la fibre résultante. De plus, la prise en compte de la dépendance de l'espacement D à la contrainte d'étirage et de la distribution du poids moléculaire de la fibre a révélé que les chaînes moléculaires ayant un poids moléculaire supérieur à 23 000 g/mol supportent la majorité de la force de traction appliquée à la fibre.

Les fibres de polyéthylène téréphtalate (PET) représentent plus de la moitié de toutes les fibres actuellement produites. En raison de cette énorme production, de nombreuses études ont été menées sur la structure et les propriétés des fibres PET. Récemment, le contrôle des propriétés physiques est devenu fortement souhaité du point de vue environnemental. Plus précisément, la résistance à la traction de la fibre doit non seulement répondre aux exigences d'utilisation, mais elle doit également diminuer le plus rapidement possible après son élimination afin de minimiser les dommages environnementaux, tels que la pêche fantôme.

De nombreux modèles structurels ont été proposés pour estimer les propriétés physiques des fibres1,2,3,4,5,6. La plupart d’entre eux supposent des structures de quelques nanomètres appelées microfibrilles dans lesquelles les phases cristallines et amorphes sont alternativement disposées le long de l’axe de la fibre. Selon ces modèles, la force de traction est appliquée de manière intensive aux chaînes de liaison tendues dans les phases amorphes reliant les cristallites. Les propriétés aux petites déformations, telles que le module d'Young et la contrainte de retrait thermique, peuvent être estimées avec précision par des modèles utilisant des paramètres structurels moyennés, tels que la cristallinité et l'orientation moléculaire. A l’inverse, les propriétés aux grandes déformations, notamment la résistance des fibres, sont mal estimées car la structure initiale évolue avec la déformation en traction jusqu’à la rupture. Cependant, la quantité de chaînes à attaches tendues supportant la force de traction n'est pas beaucoup modifiée par la déformation en traction. Nous nous sommes donc concentrés sur l'embryon de la chaîne tendue, la phase intermédiaire dite « smectique »7. La phase smectique a une forme fibrillaire avec un rapport de forme d'environ 10 et on pense qu'elle est transformée en microfibrilles dans la fibre résultante par cristallisation induite par l'orientation8. Étant donné que la phase smectique comprend des faisceaux de chaînes moléculaires orientées, cette phase supporte principalement la force de traction pendant le processus de fibrage avant la cristallisation induite par l'orientation9, et ces faisceaux de chaînes moléculaires orientées supportent également la force de traction appliquée à la fibre résultante à la rupture. .

Un polymère de poids moléculaire élevé est généralement utilisé pour obtenir des fibres PET à haute résistance à la traction10, mais des poids moléculaires excessivement élevés affectent négativement l'orientation moléculaire le long de l'axe de la fibre en raison de l'enchevêtrement des chaînes moléculaires. Cette mauvaise orientation moléculaire diminue la quantité de chaînes moléculaires supportant la force de traction appliquée à la fibre, diminuant ainsi la résistance à la traction de la fibre. En conséquence, une distribution appropriée du poids moléculaire est essentielle dans la conception de fibres PET dotées de propriétés de traction adaptées. En particulier, la résistance des fibres dépend du nombre de chaînes moléculaires supportant une force de traction à travers les enchevêtrements, et les chaînes de poids moléculaire élevé ont tendance à être celles qui supportent une force de traction. Par conséquent, le concept d’un poids moléculaire de chaîne critique capable de supporter une force de traction fournirait une ligne directrice pour optimiser la répartition du poids moléculaire des fibres.