Modification of Interfacial Properties of Polypropylene Fibers using Hydrophilic Melt Additives - Interactions with Crystallization
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Abstract
Melt additives are low molar mass molecules which are added to polymers during processing. If the molecules migrate to the surface, the properties of the polymer surface can be tailored. Therefore, melt additives offer an easy to implement method to hydrophilize hydrophobic polymers, such as polypropylene. For reproducible product quality, it is necessary to control and understand the complex migration process, influenced by diffusion, surface segregation, miscibility or polymer morphology. Various commercially available surfactants (ethoxylated alcohols, PEO-PPO block copolymers, sorbitan esters) are investigated to determine which requirements have to be met by molecules to be utilized as hydrophilic melt additives. In order to correlate polymer morphology and additive migration, a method was developed which determines the degree of crystallinity and the additive concentration at the surface and in the bulk of samples using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). It is demonstrated, that the hydrophilization of the surface is a function of the additive surface concentration and the ability of the additive to enable wetting. Ethoxylated alcohols with a low molar mass, a long hydrophobic and a short hydrophilic part of the surfactant impart the highest hydrophilicity. Novel models for structure formation during injection molding, film casting and fiber spinning are developed using a combination of X-ray diffraction (XRD) and FTIR. The migration of additives with varying molecular architectures was determined over a period of 1000 hours and described using a semiempirical migration equation. Coefficients characterizing the kinetics and thermodynamics of migration are described as a function of the most relevant process parameters and the associated change in polymer morphology. The experiments revealed that migration depends on the packing density of polymer chains given by molecular orientation and (post-)crystallization of the polymer. Besides polymer morphology, the miscibility and molecular dimensions of the additive as well as the storage conditions after production (time and temperature) affect migration. Within the scope of the work, permanent and durable melt additives for polypropylene as well as methods for the selective activation of hydrophilicity were found.
Abstract
Schmelzadditive sind Moleküle mit niedriger Molmasse, die Kunststoffen während der Verarbeitung zugesetzt werden können. Migrieren diese Moleküle an die Oberfläche, können die Eigenschaften der Polymeroberfläche spezifisch angepasst werden. Damit bieten Schmelzadditive eine einfach zu implementierende Methode zur Hydrophilierung hydrophober Polymere, wie z.B. Polypropylen. Um eine reproduzierbare Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, den komplexen Migrationsprozess zu verstehen und zu kontrollieren . Dieser wird durch Diffusion, Oberflächensegregation, Mischbarkeit oder die Polymermorphologie bestimmt. Verschiedene kommerziell erhältliche Tenside (ethoxylierte Alkohole, PEO-PPO-Blockcopolymere, Sorbitanester) werden auf ihre Eignung als hydrophiles Schmelzadditiv untersucht. Um die Polymermorphologie und die Additivmigration zu korrelieren, wird eine Methode unter Verwendung der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) entwickelt, mit der sich der Kristallinitätsgrad und die Additivkonzentration an der Oberfläche und im Gesamtvolumen der Proben bestimmen lassen. Es wird gezeigt, dass die Hydrophilierung der Oberfläche von der Additivoberflächenkonzentration, sowie von der Fähigkeit des Additivs, die Oberfläche benetzbar zu machen, abhängig ist. Ethoxylierte Alkohole mit einer niedrigen Molmasse, einem langen hydrophoben und einem kurzen hydrophilen Teil des Tensids ermöglichen die stärkste Hydrophilierung der Oberfläche. Durch die Untersuchung mittels Röntgenbeugung (XRD) und FTIR können neuartige Modelle für die Morphologieausbildung beim Spritzgießen, bei der Castfolienherstellung sowie dem Faserspinnen entwickelt werden. Die Migration von Additiven mit unterschiedlichen molekularen Architekturen wird über einen Zeitraum von 1000 Stunden bestimmt und mit Hilfe einer semiempirischen Migrationsgleichung beschrieben. Koeffizienten, die die Kinetik und Thermodynamik der Migration charakterisieren, werden in Abhängigkeit der wichtigsten Prozessparametern und der damit verbundenen Änderung der Polymermorphologie beschrieben. Die Experimente zeigen, dass die Migration von der Packungsdichte der Polymerketten abhängt, die durch die molekulare Orientierung und (Nach-)Kristallisation des Polymers bestimmt ist. Neben der Polymermorphologie beeinflussen die Mischbarkeit von Additiv und Polymermatrix, die molekularen Dimensionen des Additivs und die Lagerbedingungen nach der Produktion (Zeit und Temperatur) die Migration. Im Rahmen dieser Arbeit konnten permanente Schmelzadditive für Polypropylen sowie Methoden zur selektiven Aktivierung der Hydrophilie gefunden werden.
