Kemisk ytmodifiering av nanopartiklar avsedda för inkorporering i termoplastiska filament

Sammanfattning: Textilier med vatten- och smutsavvisande effekt fyller en viktig funktion inom många olika områden och branscher. Dock finns det flera allvarliga problem kopplat till produktionen och användningen utav dem. Per och polyfluoroalkylsubstanser (PFAS´s), användes länge för att erhålla den vattenavvisande effekten hos textilier. Sådana substanser har dock visat sig kunna brytas ned till persistenta miljö-och hälsoskadliga ämnen och därför omfattas de idag av både förbud och utfasningskrav i REACH, en förordning antagen för Europeiska unionen för att minimera risker kring miljö och hälsa. Trots att långa fluorerade alkylkedjor är förbjudna så används liknande men kortare alkylkedjor för att åstadkomma vattenavvisande effekt. Det finns även andra varianter på marknaden, men inga klarar att vara både slitage- och nötningståliga samt hälso- och miljöriskfria. I syfte att skapa nya hållbara alternativ är Swerea IVF del av ett projekt som syftar till att utveckla en lotusfiber. I en sådan fiber är förhoppningen att den vattenavvisande effekten skall kunna inkluderas redan under fiberspinning och på så vis resultera i mer slitagetåliga och miljövänliga textila produkter. Material med superhydrofoba ytor, så som lotusblads, har både en primär och sekundär grovlek. Därför krävs anpassning av både mikro- och nanostruktur när en sådan yta skapas. I detta examensarbete, som är en del av ovan nämnda projekt, har fokus legat vid nanostrukturen. Syftet har varit att undersöka om man kan påverka nanopartiklars dispersion i termoplastiska filament genom att modifiera dem så att de blir hydrofoba och termiskt stabila. Förhoppningen har varit att få nanopartiklarna att dispergera homogent ända ut till filamentens yta. Detta för att både ge filamentet en struktur och en potentiell sänkning av dess ytenergi. Projektet påbörjades genom litteraturstudier för att bestämma material och metoder för det experimentella arbetet. Som partikelsubstrat valdes sfäriska nanopartiklar av kiseldioxid, (AEROSIL® OX 50) med en medeldiameter av 40 nm. Som ytmodifierare valdes två typer av silaner med olika alkylkedjelängd, dels triklor(oktyl)silan och dels triklor(oktadekyl)silan. Två modifieringsreaktioner med varierande halt av ovan silaner utfördes för både typer, (6 resp. 20% (w/w) i 50 ml vattenfri toluen). Efter modifieringen analyserades nanopartiklarna genom karaktä- riseringsmetoderna: Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR, Termogravimetrisk analys, TGA, Differential Scanning Calorimetry, DSC och Kontaktvinkelmätning, (drop shape analysis), DSA. Tillsammans pekar analysernas resultat på att nanopartiklar av kiseldioxid kan uppnå god hydrofob och termiskt stabil effekt genom modifiering med båda silantyperna. Beräkningar visar dock att den kortare kedjan reagerat med högst molekylhalt. Därför valdes denna till projektets följande experiment, vilka innefattade inkludering av två procenthalter av partiklar till XPURE® Polyester 701K. För att analysera partiklarnas dispersion i de därefter extruderade filamenten utfördes Svepelektronmikroskopi, SEM över filamentens tvärsnitt. Resultaten indikerar att de hydrofobt ytmodifierade partiklarna är mer benägna att dispergera homogent ända ute vid filamentens fasgränsyta, än vad de hydrofila partiklarna är. Lotusfibern kan således vara möjlig att skapa med tillämpande av liknande principer och tekniker som i detta projekt.