• No results found

Molecular Orientation and Fine Structure Development in Polymer Fiber Formation.

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2020

Share "Molecular Orientation and Fine Structure Development in Polymer Fiber Formation."

Copied!
177
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

ABSTRACT 

ARVIDSON, SARA ASHLEY. Molecular Orientation and Fine Structure Development in 

Polymer Fiber Formation. (Under the direction of Drs. Saad A. Khan and Russell E. Gorga).   

Understanding  structure‐property  relationships  is  key  to  developing  useful 

polymeric materials.   Developing specific structures in polymer fibers requires precise 

control over processing conditions and well understood characterization techniques.   We 

consider melt spun fibers of polypropylene, which have been in development for decades 

but which are still poorly understood in many regards.   We use differential scanning 

calorimetry and wide angle x‐ray diffraction to study first, what processing conditions result 

in formation of the mesomorphic form of isotactic polypropylene, and then, how the 

mesomorphic‐to‐α‐crystalline phase transition in polypropylene is affected by processing 

conditions, such as extruding the polymer into fibers versus quenching the polymer.   We 

evaluate the mesomorphic structure for its influence on fiber strength as well as discuss the 

duality of mesomorphic phases, which are by definition neither fully crystalline nor fully 

amorphous in nature.  We also correlate the mechanical properties of polypropylene fibers 

with the molecular orientation within fibers to develop a method for estimating molecular 

orientation quickly without using methods which are not readily available and/or have 

limited applicability. 

Developing novel materials and/or properties though alloying polymers provides 

additional challenges; incompatible materials suffer from poor adhesion, while complete 

mixing  can  result  in  loss  of  the  individual,  desirable  properties  of  each  polymer.  

(2)

ii

However,  it  requires  the  use  of  petroleum‐based  raw  materials  and  is  difficult  to 

functionalize.  Poly(lactic acid), in comparison, requires significantly less energy per pound 

to produce, results in the release of less greenhouse gas, and can be composted, but often 

costs more, is more brittle, and made degrade prematurely during storage or use.  To solve 

some of the issues associated with both polymers, we fabricate fibers of polypropylene‐

poly(lactic acid) where  the  two polymers  are contacted  in  the  molten state  to form 

core/sheath filaments.   By contacting rather than blending the polymers, the potential 

exists where the properties of each polymer can be combined to produce a fiber with the 

benefits of both polymers with the negatives of neither.     We find that the stress‐strain 

profiles, obtained by applying a constant rate of extension, depend on the polymer that is 

the sheath component.   The stress‐strain profiles are compared to those obtained from 

fibers of either polypropylene or poly(lactic acid) spun individually to evaluate the relative 

molecular orientation developed in the sheaths of bicomponent fibers.   

As more engineered materials require the properties of multiple components, the 

use  of “compatibilizers,”  or  agents which act  to reduce the surface  tension between 

components, continues to become more important.   While polypropylene and poly(lactic 

acid) spin well together, the mismatch in mechanical properties (such as elongation‐to‐

break or modulus) of  the  polymers may  result in composites that  may  be prone to 

delaminate.    We investigate the use of a block copolymer, poly(styrene‐block‐ethylene‐co

butylene‐block‐styrene) (SEBS) to compatibilize the polypropylene‐poly(lactic acid) interface 

in core/sheath fibers by melt blending it with the poly(lactic acid) in the extruder prior to 

(3)

iii

concentrate at the interface and affect the morphology of the polymers at the interface in 

such a way that the interfacial layer contains both polymers entangled with each other.  We 

discuss the morphology of the block copolymer in fibers, in blends, and in solution cast films 

and how altering the processing history of the SEBS can results in interesting morphologies.  

We also evaluate the ability of the copolymer, added to poly(lactic acid), to influence the 

mechanical properties of the polypropylene‐poly(lactic acid) core/sheath fibers.    

(4)

Molecular Orientation and Fine Structure Development in Polymer Fiber Formation.   

 

by 

Sara Ashley Arvidson   

 

A dissertation submitted to the Graduate Faculty of 

North Carolina State University 

in partial fulfillment of the  

requirements for the degree of 

Doctor of Philosophy   

Chemical Engineering 

 

 

Raleigh, North Carolina 

2011 

 

APPROVED BY: 

 

 

_______________________________    ______________________________ 

Saad A. Khan      Russell E. Gorga 

Co‐Committee Chair      Co‐Committee Chair 

   

________________________________    ________________________________ 

(5)

ii DEDICATION 

 

This thesis is dedicated to my parents, 

in loving gratitude, 

for their lifelong support and encouragement. 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6)

iii BIOGRAPHY 

Sara Arvidson was born in Wilmington, NC to parents Robert and Brenda.  She was 

raised in Cheraw, SC with her sister Morgan.   After graduating from high school, she 

attended University of South Carolina in Columbia, SC.  Upon completion of her Bachelor of 

Science in Chemical Engineering in 2005, she  worked as a Production and  Validation 

Engineer at 3V, Inc. in Georgetown, SC.   Sara joined the Department of Chemical and 

Biomolecular Engineering at North Carolina State University in 2006 and the group led by 

Prof. Saad Khan in 2007.  She was co‐advised by Prof. Russell Gorga in the department of 

Textile Engineering Chemistry and Science in the College of Textiles.  Following completion 

of her graduate studies, she will join the groups of Frank S. Bates and Timothy P. Lodge as a 

(7)

iv

ACKNOWLEDGMENTS

 

 

Primarily, and with deep gratitude, I must acknowledge my advisors, who have made this 

endeavor possible.   I am grateful to Dr. Khan for his daily involvement, positive spin, the 

atmosphere  he  provides  for  his  students  to  work  and  support  each  other,  and  the 

camaraderie he provides.   To Dr. Gorga, I am thankful for all of the great discussions and 

your honest advice, trust in me, and deep caring for students as individuals. 

 

Thank you too to the others who have helped in my academic pursuits:  the undergraduates 

and high school students who graciously worked with me that the beginnings of their 

promising  careers,  Dr.  Richard  Spontak,  Dr.  Kirill  Efimenko,  Dr.  Medhi  Afshari,  Dr. 

Eunkyoung Shim, and especially Dr. Jan Genzer whose generosity of time and resources 

helped me through the roughest of patches. 

 

I have enjoyed my time in the department more than I could have imagined.  Thank you to 

all of the support staff, with my utmost affection, including Mrs. Sandra Bailey, Saundra 

Doby, Diane Harper, Clarice Whitmarsh and Sheila Hayes, for all the “little” things you 

quietly do for us. 

 

Thank you to my committee members:   Dr. Pourdeyhimi, for your efforts to further my 

(8)

v

 

And, finally, to my friends and colleagues:  Certainly, I cannot mention everyone who has 

helped me quickly pass my time here, but here are a few who have made the biggest 

impact:  Michelle, for your eagerness to share your time and because you see the good in 

everyone; Kristen, for your deep friendship, exposing me to new people, places and things, 

and your  professional guidance;  Morgan,  for understanding what  grad school is  like; 

Christina Tang and Alina, for making the office such a pleasant place to be; Christina Devine 

and all of the Joshs for being both fun and sincere; Jeremy, for keeping me in a constant 

supply of coffee; Jairus, for being there, always, with a soap box for me to stand on; and to 

Wade, for the wonderful person you are and for making that call five years ago today that 

has made all the difference in my life. 

 

(9)

vi

TABLE

 

OF

 

CONTENTS

 

LIST OF TABLES ... viii 

LIST OF FIGURES ...ix 

CHAPTER 1 ... 1 

1.1  INTRODUCTION ... 1 

1.2  BACKGROUND AND MOTIVATION ... 2 

1.2.1  SPUNBOND SPINNING PROCESS ... 2 

1.2.2  NONWOVENS APPLICATIONS ... 3 

1.2.3  SELECTED FIBER STRUCTURE‐PROPERTY RELATIONSHIPS ... 6 

1.3  RESEARCH GOALS AND ORGANIZATION OF DISSERTATION ... 7 

REFERENCES ... 13 

CHAPTER 2 ... 16 

ABSTRACT ... 17 

2.1  INTRODUCTION ... 19 

2.2  EXPERIMENTAL ... 22 

2.2.1 MATERIALS AND SAMPLE PROCESSING. ... 22 

2.2.2 DSC Measurements ... 24 

2.2.3 WIDE ANGLE X‐RAY DIFFRACTION (WAXD) MEASUREMENTS ... 24 

2.2.4 FIBER MECHANICAL TESTING ... 25 

2.2.5 MICROSCOPY ... 26 

2.3  RESULTS AND DISCUSSION ... 27 

2.3.1 FIBER EXTRUSION:  MORPHOLOGY AND MOLECULAR ORIENTATION ... 27 

2.3.2 POLYMER QUENCHING:  MORPHOLOGY... 35 

2.3.3 RESIN PROPERTIES:  IPPS AND IPPE ... 35 

2.3.4 THERMAL PROCESSING AND MESOMORPHIC FORMATION ... 36 

2.3.5 MECHANISM OF MESO‐TO‐α PHASE TRANSITION ... 38 

2.4  CONCLUSIONS ... 39 

REFERENCES ... 55 

CHAPTER 3 ... 61 

ABSTRACT ... 62 

3.1  INTRODUCTION ... 64 

3.2  EXPERIMENTAL ... 68 

(10)

vii

3.2.2  WIDE ANGLE X‐RAY DIFFRACTION ... 69 

3.2.3  MECHANICAL TESTING ... 70 

3.2.4  FOCUSED ION BEAM (FIB) AND SCANNING ELECTRON MICROSCOPY (SEM) ... 70 

3.2.5  OPTICAL MICROSCOPY ... 70 

3.3  RESULTS AND DISCUSSION ... 71 

3.3.1  FIBER SPINNING ... 71 

3.3.2  FIBER MORPHOLOGY ... 72 

3.3.3  TENSILE PROPERTIES OF BICOMPONENT FIBERS ... 74 

3.3.4  MOLECULAR ORIENTATION ... 78 

3.4  CONCLUSIONS ... 83 

ACKNOWLEDGEMENTS ... 84 

REFERENCES AND NOTES ... 99 

CHAPTER 4 ... 104 

ABSTRACT ... 105 

4.1  INTRODUCTION ... 107 

4.2  MATERIALS AND METHODS ... 110 

4.2.1  POLYMER MATERIALS AND FIBER SPINNING ... 110 

4.2.2  WIDE ANGLE X‐RAY DIFFRACTION ... 111 

4.2.3  MECHANICAL TESTING ... 112 

4.2.4  SCANNING ELECTRON MICROSCOPY (SEM) AND TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY (TEM) ... 112 

4.2.5 RHEOLOGY ... 113 

4.3 RESULTS AND DISCUSSION ... 113 

4.3.1 BICOMPONENT FIBERS ... 113 

4.3.2 COMPATIBILIZER IN PP/PLA BLENDS ... 115 

4.3.3  RHEOLOGY OF BICOMPONENT LAYERED MELT ... 117 

4.3.4 MECHANICAL PROPERTIES OF FIBERS WITH SEBS COPOLYMER ... 120 

4.3.5  MORPHOLOGY OF SEBS COPOLYMER IN FIBERS, BLENDS, AND SOLUTION CAST FILMS ... 123 

4.4  CONCLUSIONS ... 127 

ACKNOWLEDGEMENTS ... 128 

REFERENCES ... 146 

CHAPTER 5 ... 149 

5.1  CONCLUSIONS ... 149 

5.1.1  MOLECULAR ORIENTATION ... 149 

5.1.2  MORPHOLOGY ... 150 

5.2  FUTURE WORK ... 151 

5.2.1  MESOMORPHIC‐α‐MONOCLINIC PHASE TRANSITION IN PP ... 151 

5.2.2  BICOMPONENT FIBER SPINNING ... 153 

5.2.3  BLOCK COPOLYMERS IN FIBER EXTRUSION ... 155 

(11)

viii

LIST

 

OF

 

TABLES

 

CHAPTER 2 ... 16 

TABLE 2.1  PHYSICAL PROPERTIES OF IPP RESINS. ... 41 

CHAPTER 3 ... 61 

TABLE 3.1  PHYSICAL PROPERTIES OF FIBER FORMING POLYMERS. ... 85 

  TABLE 3.2   POLYMER MORPHOLOGY AND SPINNING VELOCITY WITH CHANGING CORE/SHEATH POLYMER AND  ASPIRATOR PRESSURE FOR 50 WT% CORE/50 WT% SHEATH FIBERS.  “TRACE” INDICATES THAT THERE ARE ONLY  TRACE AMOUNTS OF THE CRYSTALLINE MATERIAL PRESENT BY XRD.   THE HIGHEST ASPIRATOR PRESSURE FOR  EACH CONFIGURATION INDICATES THE MAXIMUM PRESSURE AT WHICH GOOD QUALITY FIBERS COULD BE  OBTAINED. ... 87 

CHAPTER 4 ... 104 

TABLE 4.1  POLYMER PROPERTIES AND CONSTANTS. ... 130 

  TABLE 4.2  MEASURED AND PREDICTED VISCOSITY OF MULTILAYERED PP‐PLA MELTS. ... 135 

  TABLE 4.3  FEATURE SIZE OF SEBS COPOLYMER MORPHOLOGIES DEVELOPED IN MELT SPUN FIBERS. ... 144 

CHAPTER 5 ... 149 

(12)

ix

LIST

 

OF

 

FIGURES

 

CHAPTER 1 ... 1 

FIGURE 1.1   APPROXIMATE SHEAR RATES POLYMERS ARE SUBJECTED TO DURING COMMON COMMERCIAL 

PROCESSING (ADAPTED FROM [24]). ... 9 

 

FIGURE 1.2  MOLTEN POLMER IS METERED THROUGH THE SPIN PACK BY AN EXTRUSION PUMP (NOT SHOWN).  

AS MOLTEN POLYMER EXITS THE SPIN PACK, IT IS QUENCHED BY COLD AIR, AND THEN DRAWN BY WARM AIR.  

SUCTION LOCATED UNDERNEATH THE REVOLVING FORMING BELT AIDS IN LAYDOWN.  AFTER LEAVING THE BELT, 

FIBERS ARE FIRST COMPACTED AND THEN CALENDARED.  WEBS ARE COLLECTED ON THE WINDER.  MD DENOTES 

MACHINE DIRECTION AND TD THE TRAVERSE DIRECTION. ... 10 

 

FIGURE  1.3    SCHEMATIC  SHOWING  ESSENTIAL  FEATURES  THAT  DIFFERENTIATE  TWO  NONWOVENS 

MANUFACTURING PROCESSES, SPUN BONDING AND MELT BLOWING.  SPUN BONDING INVOLVES QUENCHING THE 

MOLTEN POLYMER WITH COOLED AIR FOLLOWED BY ATTENUATION (DRAWING) WITH WARMER AIR, WHEREAS 

MELT BLOWING REQUIRES APPLYING HOT ATTENUATION AIR TO THE MOLTEN POLYMER NEAR THE EXIT OF THE 

SPIN PACK ORIFICE. ... 11 

 

FIGURE 1.4  COMMON CONSUMER END USES OF SYNTHETIC NONWOVENS [10]. ... 12 

CHAPTER 2 ... 16 

FIGURE 2.1  WAXD SPECTRA FOR ISOTATIC POLYPROPYLENE (IPP) FIBERS.  SUBSRIPTS “S” AND “E” REFER TO 

SOURCE OF POLYMER, S CORRESPONDING TO SUNOCO AND E TO EXXON.  A. SPUNBOND IPPS, 2000 M∙MIN‐1; 

B. MELT SPUN IPPS, 2000 M∙MIN‐1; C. MELT SPUN IPPS, 300 M∙MIN‐1; D. SPUNBOND IPPS, ≈ 20 M∙MIN‐1; E. 

MELT SPUN IPPS, ≈ 20 M∙MIN‐1; F. MELT SPUN IPPE, 2000 M∙MIN‐1; G. MELT SPUN IPPE, 1000 M∙MIN‐1; H. 

MELT SPUN IPPS, ≈ 20 M∙MIN‐1.   SHADED AREAS INDICATE APPROXIMATE SPIN SPEEDS RESULTING IN 

MESOMORPHIC FORMATION. ... 42 

 

FIGURE 2.2  WAXD REFLECTIONS OF IPPS FIBER AS‐SPUN AND FOLLOWING ANNEALING. ... 43 

 

FIGURE 2.3   MASS FRACTION OF EACH PHASE FOR IPPS FIBERS DETERMINED BY DSC.   SUBSCRIPTS REFER TO 

AMORPHOUS (A), MESOMORPHIC (M) AND CRYSTALLINE (C) PHASES.   FIBERS WITH FILLED SYMBOLS WERE 

PREPARED BY MELT SPINNING AND OPEN SYMBOLS BY SPUNBONDING. ... 44 

 

FIGURE 2.4  BIREFRINGENCE VERSUS TAKE UP VELOCITY FOR IPPS FIBERS.  FIBERS WITH FILLED SYMBOLS WERE 

PREPARED BY MELT SPINNING AND OPEN SYMBOLS BY SPUNBONDING. ... 45 

 

FIGURE 2.5   (A) TRUE STRESS VERSUS TRUE STRAIN FOR MELT SPUN (SOLID) AND SPUNBOND (DASHED) IPPS 

SINGLE FILAMENTS AT AMBIENT CONDITIONS.  CURVES ARE AVERAGES OF 8 TO 10 SAMPLES.  (B) DATA FROM 

ABOVE WITH CURVES SHIFTED HORIZONTALLY TO CREATE A MASTER CURVE. ... 46 

(13)

x

FIGURE 2.6  BIREFRINGENCE (ΔN) VERSUS TRUE STRAIN SHIFT (ΔεT, FROM FIGURE 4B) FOR IPPS FIBERS. ... 47 

 

FIGURE 2.7   ORIENTATION FUNCTION VERSUS TAKE‐UP VELOCITY FOR THE A) CRYSTALLINE, B) AMORPHOUS 

AND C) MESOMORPHIC PHASE CALCULATED FOR IPPS FIBERS.  FIBERS WITH FILLED SYMBOLS WERE PREPARED BY 

MELT SPINNING AND OPEN SYMBOLS BY SPUNBONDING. ... 48 

 

FIGURE  2.8    A)  BIREFRINGENCE,  B)  AMORPHOUS  ORIENTATION  FUNCTION,  AND  C)  MESOMORPHIC 

ORIENTATION FUNCTION VERSUS NETWORK DRAW RATIO FOR PP SPUN BOND (●) AND MELT‐SPUN  (†) FIBERS.  

PREDICTIONS BASED ON AFFINE (DASHED LINES, WITH VARYING FITTING PARAMETER N) AND PSEUDO‐AFFINE 

MODELS (SOLID LINES). ... 49 

 

FIGURE 2.9   TENACITY (TRIANGLES, LARGE DASH), EXTENSION TO BREAK (SQUARES, SMALL DASH), AND MASS 

FRACTION MESOMORPHIC PHASE (CIRCLES, SOLID) VERSUS SPIN SPEED FOR MELT SPUN (FILLED SYMBOLS) AND 

SPUNBOND (UNFILLED SYMBOLS) FIBERS.   ERROR BARS INDICATE STANDARD ERROR AND TREND LINES ARE TO 

GUIDE THE EYE. ... 50 

 

FIGURE 2.10  WAXD SPECTRA FOR A) IPPS AND B) IPPE QUENCHED POLYMER. ... 51 

 

FIGURE 2.11  VISCOSITY VERSUS SHEAR RATE FOR IPPS AND IPPE AT 185OC UNDER 10 L∙MIN‐1 N2. ... 52 

 

FIGURE 2.12  DSC HEATING THERMOGRAMS OF QUENCH COOLED IPPE AND IPPS FIBERS WITH A HEATING RATE 

OF 10O

C/MIN. ... 53 

 

FIGURE 2.13   ENTHALPY OF THE MESOMORPHIC‐TO‐α PHASE TRANSITION IN IPP FIBERS AND QUENCHED 

POLYMER FOR HEATING RATES OF 1 TO 20OC∙MIN‐1. ... 54 

CHAPTER 3 ... 61 

FIGURE 3.1   PP/PLA BICOMPONENT FIBERS CROSS SECTIONED AND IMAGED WITH FIB.   A) PLACORE/PPSHEATH  WITH PLA:PP MASS RATIO OF 50:50.  PPCORE/PLASHEATH WITH PP:PLA MASS RATIOS OF B) 15:85, C) 50:50,  AND D) 90:10.  FIBERS WERE ALL COLLECTED AT AN ASPIRATOR PRESSURE OF 25 PSI. ... 86 

 

FIGURE 3.2   FIBER DIAMETER VERSUS ASPIRATOR PRESSURE AND POLYMER  CONFIGURATION FOR 50% 

CORE/50% SHEATH FIBERS.   ■ PP FILAMENTS, ● PLA FILAMENTS, ‘ PLACORE/PPSHEATH, V PPCORE/PLASHEATH.   LINES ARE TO GUIDE THE EYE. ... 88 

 

FIGURE 3.3  PERCENT CRYSTALLINITY WITH ANNEALING TIME FOR PP AND PLA ... 89 

   

FIGURE 3.4  REPRESENTATIVE WAXD CURVES FOR PP AND PLA MORPHOLOGIES PRODUCED AT VARYING SPIN 

SPEEDS.   SPINNING AT 500 M/MIN RESULTS IN MESOMORPHIC PP, WHILE SPINNING AS LOW AS 20 M/MIN 

RESULTS IN α‐MONOCLINIC CRYSTALLIZATION.   PLA AT 4200 M/MIN RESULTS IN CRYSTALLIZATION, WHILE AT 

56 M/MIN, NO SIGNIFICANT CRYSTALLINITY DEVELOPS. ... 90 

(14)

xi

FIGURE 3.5  TRUE STRESS VERSUS TRUE STRAIN FOR PP, PLA, AND BICOMPONENT PP/PLA FIBERS COLLECTED 

AT 15 PSI ASPIRATOR PRESSURE FOR 50% CORE/50% SHEATH FIBERS.   INSET:   INITIAL TRUE STRESS – TRUE 

STRAIN FOR OBTAINING MODULI FOR PP, PLA, AND BICOMPONENT PP/PLA FIBERS COLLECTED AT 0 PSI 

ASPIRATOR PRESSURE. ... 91 

 

FIGURE 3.6   BICOMPONENT FIBERS WITH 50 WT% CORE/50 WT% SHEATH SHOWING FRACTURE AFTER 

MECHANICAL DRAWING. A) SEM IMAGE OF PLACORE/PPSHEATH FIBER DRAWN TO FAILURE.   DASHED LINE  INDICATES LOCATION WHERE A CROSS SECTION WAS TAKEN, WHICH IS SHOWN IN B. B) FIB IMAGE OF CROSS 

SECTION NOTED IN A) TAKEN APPROXIMATELY 6 μM FROM FRACTURED FACE.   C) SCHEMATIC OF THE STEPS 

LEADING TO MECHANICAL FAILURE DURING TENSILE EXTENSION OF PLA CORE/PP SHEATH FIBER IN FOUR STEPS:  

1.   TENSILE EXTENSION OF BOTH COMPONENTS 2.   PLA CORE FAILS WHILE DRAWING CONTINUES 3.   PP 

SUBJECTED TO FURTHER EXTENSION AND NARROWING IN THE ABSENCE OF PLA 4.  FOLLOWING RUPTURE OF THE 

PP, THE SHEATH RETRACTS D) FIB IMAGE OF PPCORE/PLASHEATH FIBER PARTIALLY DRAWN.  E) CROSS SECTION OF  FIBER FROM D). ... 92 

 

FIGURE 3.7  TRUE STRAIN AT WHICH THE PLA SHEATH FAILS AS A FUNCTION OF THE ASPIRATOR PRESSURE USED 

DURING FIBER COLLECTION AND FREQUENCY OF STRESS TRANSFER TO PPCORE AFTER PLASHEATH FAILURE FOR  50WT% CORE / 50WT% SHEATH PPCORE/PLASHEATH FIBERS. ... 93   

FIGURE 3.8  SEM IMAGE OF PPCORE/PLASHEATH FIBER DRAWN TO FAILURE OF PLA SHEATH. ... 94   

FIGURE 3.9   BREAKING TENACITY FOR PP, PLA, AND BICOMPONENT PP/PLA FIBERS WITH 50% CORE/50% 

SHEATH COLLECTED AT A RANGE OF ASPIRATOR PRESSURES.   ■ PP FILAMENTS, ● PLA FILAMENTS, ‘ 

PLACORE/PP SHEATH, V PPCORE/PLASHEATH.  LINES ARE TO GUIDE THE EYE. ... 95   

FIGURE 3.10   A)   BIREFRINGENCE FOR PP AND PLA SINGLE COMPONENT FIBERS.   B) BIREFRINGENCE 

CORRELATED TO TENSILE STRAIN SHIFT FOR PP AND PLA SINGLE COMPONENT FIBERS.      □ PP FILAMENTS, ● 

PLA FILAMENTS. ... 96 

 

FIGURE 3.11  OVERLAYING BICOMPONENT FIBER TRUE STRESS‐TRUE STRAIN PROFILES WITH A) PLA AND B) PP 

MASTER CURVES.  (INSETS)  STRAIN SHIFT OBTAINED FROM PLOT AS A FUNCTION OF SPINNING SPEED OF FIBERS. ... 97 

 

FIGURE 3.12  THE AMORPHOUS MOLECULAR ORIENTATION FOR PLA FA.  LINES ARE TO GUIDE THE EYE. ... 98 

CHAPTER 4 ... 104 

FIGURE 4.1  POLYMER MORPHOLOGY AND DIAMETER AS A FUNCTION OF ASPIRATOR PRESSURE AND SPINNING 

CONFIGURATION.   NOTE, ALL FIBERS CONTAINED SOME AMORPHOUS MATERIAL.   ONLY CRYSTALLINE OR 

PSEUDOCRYSTALLINE MORPHOLOGIES ARE NOTED IF PRESENT AT THE GIVEN SET OF SPINNING CONDITIONS.  

MORPHOLOGIES ARE MARKED ACCORDING TO: … = α‐CRYSTALLINE PP,  = MESOMORPHIC PP, AND z = 

CRYSTALLINE PLA.   FIBERS SPUN AT THE SAME ASPIRATOR PRESSURE WITH DIFFERENT CONFIGURATION ARE 

CONNECTED WITH TIE LINES. ... 129 

(15)

xii

FIGURE 4.2   DIAMETER OF FIBERS AS FUNCTION OF SPINNING PRESSURE, WITH AND WITHOUT COPOLYMER.  

ERROR BARS INDICATE STANDARD ERROR FOR APPROXIMATELY 10 MEASUREMENTS. ... 131 

 

FIGURE 4.3  SEM IMAGES OF MELT BLENDS AFTER ETCHING IN DCM.  A) 50 WT% PP, 50 WT% PLA.  B) 50 

WT% PP, 47.5 WT% PLA, 2.5 WT% SEBS COPOLYMER. ... 132 

 

FIGURE 4.4   SCHEMATIC OF LOADING STRATEGY FOR MULTILAYERED PP/PLA MELTS. A.) PP, B.) PLA ON 

BOTTOM, PP ON TOP, C.) PP ON BOTTOM, PLA ON TOP, D.) 8 ALTERNATING LAYERS STARTING WITH PLA AND 

ENDING WITH PP,  E.) PLA. ... 133   

FIGURE 4.5  ZERO‐SHEAR VISCOSITY FOR LAYERED PP‐PLA COMPOSITES WITH STANDARD ERRORS INDICATED.  

DASHED LINE – S‐ROM PREDICTION.  ERROR BARS ON S‐ROM INDICATE UNCERTAINTY OF PREDICTION BASED 

ON STANDARD DEVIATION OF INDIVIDUAL PP AND PLA VISCOSITIES USED TO CALCULATE THE LAYERED 

VISCOSITY. ... 134 

 

FIGURE 4.6  BREAKING TENACITY OF PP/PLA FIBERS WITH AND WITHOUT COPOLYMER. A) PLACORE/PPSHEATH B)  PPCORE/PLASHEATH.  ERROR BARS INDICATE STANDARD ERROR OF APPROXIMATELY 10 TRIALS. ... 136   

FIGURE 4.7  A) TRUE STRAIN AT WHICH THE SHEATH OF PPCORE/PLASHEATH FIBER RUPTURES.  HOLLOW SYMBOLS  INDICATE THAT THE PLA SHEATH RUPTURED AT APPROXIMATELY THE SAME STRAIN AS THE PP CORE. B) 

FREQUENCY OF SHEATH RUPTURE PRIOR TO CORE RUPTURE DURING MECHANICAL STRAIN FOR PPCORE/PLASHEATH  FIBERS. ... 137 

 

FIGURE 4.8   DSC HEAT TRACES OF PPCORE/PLASHEATH FIBERS, WITH AND WITHOUT COPOLYMER ADDED TO THE  PLA PHASE, IN THE VICINITY OF THE GLASS TRANSITION TEMPERATURE OF PLA AT TWO ASPIRATOR PRESSURES. . 138 

 

FIGURE 4.9  DYNAMIC RHEOLOGY OF PLA AND PLA/COPOLYMER BLEND. ... 139 

 

FIGURE  4.10    OPTICAL  MICROGRAPHS  OF  FIBERS  UNDER  POLARIZED  LIGHT  FOR  MEASURING  OPTICAL 

BIREFRINGENCE ACCORDING TO THE METHODS OF.40   THE REFRACTIVE INDEX (RI) NOTED ON EACH IMAGE 

INDICATES THE REFRACTIVE INDEX OF THE LIQUID SURROUNDING THE FIBER. ... 140 

 

FIGURE 4.11  STRAIN SHIFT OF PP/PLA FIBERS AS A FUNCTION OF SPINNING VELOCITY. ... 141 

 

FIGURE 4.12  TEM IMAGES OF FIBER CROSS‐SECTIONS.  A) (PLA+COPOLYMER) SPUN AS A SINGLE FIBER (NOT 

CORE/SHEATH), B) PPCORE/(PLA+COPOLYMER)SHEATH, C) (PLA+COPOLYMER)CORE/PPSHEATH, D) PPCORE/PLASHEATH  (NO COPOLYMER). ... 142 

 

FIGURE 4.13  TEM IMAGES SHOWING MORPHOLOGIES OF SEBS COPOLYMER.  COMPOUNDED WITH PLA AND 

SPUN INTO FIBERS:   CYLINDERS (A), CONCENTRIC CYLINDERS (B), SPHEROIDS CONCENTRIC TO CYLINDERS (C).  

SEBS COPOLYMER AS RECEIVED (D).  SEBS MELT BLENDED WITH PLA (E).  SEBS CAST FROM DCM (F). ... 143 

 

FIGURE 4.14   SCHEMATIC OF SEBS MORPHOLOGIES FORMED BY MELT COMPOUNDING WITH PLA AND 

EXTRUDING INTO FIBERS.   (A) BILAYERED TUBULES; (B) SWELLED, BILAYERED TUBULES; (C) CONCENTRIC, 

(16)

xiii

ENDBLOCKS, CONCENTRIC TO BILAYERED TUBULES;   (F) SPHERES CONTAINING PE/B MIDBLOCKS WITH A 

BILAYERED PS SHELL, CONCENTRIC TO BILAYERED TUBULES.   RED = PS, BLUE = PE/B, GREEN = MIDBLOCK 

SELECTIVE SWELLING POLYMER SUCH AS PLA OR COMPOUNDING MATERIAL. ... 145 

CHAPTER 5 ... 149 

FIGURE  5.1    MECHANISMS  OF  MESOMORPHIC  TO  α‐MONOCLINIC  PHASE  TRANSITION  IN  ISOTACTIC 

POLYPROPYLENE.   ADAPTED FROM [2].   BLACK TRIANGLES REPRESENT RIGHT HANDED HELICES AND WHITE 

TRIANGLES REPRESENT LEFT HANDED HELICES.   RED ARROWS INDICATE THE CHAINS INVOLVED WITH A 

PARTICULAR MOLECULAR MOTION. ... 157 

 

(17)

1

CHAPTER

 

1

 

I

NTRODUCTION AND 

O

VERVIEW

 

1.1  INTRODUCTION     

Predicting  properties  of  polymer  fibers,  such  as  mechanical,  thermal,  and  others, 

necessitates a solid understanding of processes associated with fiber formation from the 

melt phase and the ability to accurately quantify characteristics, including the molecular 

orientation of macromolecules therein, of the fibers.  Spunbond fiber production has been 

in existence nearly as long as melt spinning, yet the depth with which spunbond fiber 

characterization has been studied pales in comparison to melt spinning.  While this may in 

part be due to the end uses of spunbond webs, it is more likely due to the many challenges 

associated with characterizing fiber properties.  Therefore, the first objective of this study is 

to develop a method for quantifying molecular orientation in fibers using the mechanical 

properties.  During our investigation, we find it necessary to explore the way in which the 

processing of a polymer affects the thermodynamic phase transitions in that polymer.   A 

comparison of the molecular orientation development in spunbonding relative to melt 

spinning and the effect of spinning conditions on orientation is conducted as a means to 

understanding the differences, if any, between these important fiber forming processes.  

Another  goal  of  this  research  was  to  develop  a  means  of  measuring  the  molecular 

orientation of bicomponent fibers that did not necessitate regular cross sections, opaque 

(18)

2

two  polymers  on  the orientation  and  molecular  structure  on  the polymers  could be 

elucidated.  Finally, we aim to determine the ability of a triblock copolymer to compatibilize 

co‐spun polymers, where the block copolymer is an A‐B‐A type and the polymers to be 

compatibilized are not A or B type.   

1.2  BACKGROUND AND MOTIVATION 

1.2.1  SPUNBOND SPINNING PROCESS 

Melt spinning of polymer fibers started in the late 1930s.1‐3  Melt spinning involves melting 

a polymer and extruding it through a die called a spinneret.  As the polymer exits the die, it 

is drawn through a quenching fluid (typically cooled air) under tension into a thin cylindrical 

fiber.  As the polymer solidifies, the roller (godet) that maintains the tension rotates at up to 

several  thousand  m/min.    Shear  rates  encountered  during  fiber  extrusion  can  be 

approximately 105 s‐1 (Figure 1.1).   Fibrous filaments are then transferred onto additional 

rollers that rotate at higher speeds to further draw the fiber in a continuous process.  

Drawing  reduces  the  fiber  diameter  and  concurrently  increases  crystallinity  and/or 

molecular orientation by reorganizing the secondary molecular structures.  After the fibers 

are spun, a separate process, such as weaving, is necessary to create a fabric from the 

polymer fibers. Several variations on melt spinning have been conceived and developed to 

manufacture nonwoven fabrics from polymer fibers in one streamlined process.  The first of 

such processes was introduced in 1956 to produce nonwoven synthetic microfibers for use 

in a device to collect and to monitor radioactive particles in the upper atmosphere.4,5  

(19)

3

efficiently produce nonwoven polymer fabrics.*  Like traditional melt spinning, spunbonding 

involves extruding a molten polymer through a die with micron‐sized holes (Figure 1.2).  As 

the molten polymer exits the die it too passes through a cooling medium.  In spunbonding, 

rather than drawing the fibers with a godet roll, warm jets of air are injected by aspirators 

into the spunbond chamber to lengthen, narrow, and tangle the fibers as they are forced 

onto a forming belt.  The fibers are collectively sent through calendaring rolls, which bond 

the fibers together and create a cohesive web.   Spunbonding is considered the fastest 

production method of manufacturing nonwovens, at a rate of about 100 m/min of fabric.  

For comparison, knitting machines or looms can produce approximately 2‐8 m/min of 

woven product.7   Figure 1.3 compares the spunbonding process with the similar melt 

blowing process.   Spunbonding generally produces fibers of 12 to 50 μm, while melt 

blowing can produce fibers <1 μm.7   Spun bonding consists of five main areas of control: 

filament extrusion, quenching, drawing/attenuation, laydown, and bonding.   This study 

focuses primarily on the first three of these steps, extrusion, quench, and draw. 

1.2.2  NONWOVENS APPLICATIONS 

Nonwovens products have the advantage of being simple and inexpensive to manufacture.  

However, because nonwovens lack a post‐spinning draw step as in melt spinning, they lack 

the high degree of order, and hence strength, of traditional melt‐spun fibers.   The first 

commercial uses of modern nonwovens were predominantly in the automotive industry,8 

*

(20)

4

where they replaced more expensive, woven filler materials.†     Though nonwovens were 

used extensively in the decades following their inception, early reports of melt blown or 

spun bond nonwovens in the literature were few compared with traditional melt spinning.9  

Because nonwoven fibers were generally used as low cost materials, research concentrated 

on either the mere ability to produce a nonwoven material from a given thermoplastic or 

the mechanical properties of the resulting nonwoven webs, not the individual filaments.  

  While the bulk of nonwovens material is still manufactured for disposable or low 

value‐added  products,  nonwovens  have  found  use  in  a  number  of  high  value‐added 

applications (cf. Figure 1.4).10  The majority of fabrics used in filtration filter media, for both 

liquid and dry applications, are already based on nonwovens, which represent about $2 

billion annually.11  Nonwovens’ application in filter devices is based on both size exclusion 

(pore size of web) and interaction of the filtered particles with the surface of the fibers.  For 

example, melt blown polypropylene (PP) nonwovens have been used to adsorb oils and fats 

from  industrial  waste  water  emulsions12  and  to  size‐exclude  suspended  solids  while 

adsorbing organics13 from reclaimed waste water.  Separation of white blood cells and/or 

leukocytes  from  blood  has  been  accomplished  by  surface‐modified  polyester 

nonwovens.14,15   A significant fraction of the commercial nonwovens market consists of 

nonwovens used for their electrical properties.5  Further, carbonized nonwovens have been 

investigated for use as the electrode material in electrochemical capacitors because they 

Nonwoven fabrics may be the oldest type of fabric, dating back thousands of years to felted material produced

(21)

5

have good electrical and thermal conductivity and are able to accumulate electrical charge, 

compared to other active carbon forms.16  Fibrous active carbons are also partially ordered, 

which facilitates electron conductance along the fiber; they are easy to fix spatially in the 

product, providing good contact compared to grainy forms of active carbon.16   Another 

promising area involving fibrous materials involves tissue scaffolding:   nonwovens have 

been studied extensively as matrices for tissue scaffolding because they have the potential 

to provide excellent control over fiber diameter and modulus, which have been shown to 

greatly affect cell proliferation and differentiation.17,18 

  Nonwovens  possess extraordinary potential  for many new  commercial  markets 

owing  to  their  ease  of  production  and  low  cost.9    Current  research  in  nonwoven 

technologies requires focusing on the fundamental mechanisms by which polymer fibers 

are formed in order to comprehend and control the relationships between processing 

conditions and fiber morphology and to aid in the prediction of macroscopic mechanical or 

other properties without requiring the production of numerous samples.  Relating individual 

fiber properties to macroscopic properties of nonwovens webs presents another set of 

challenges.   Though the formation of synthetic fibers has been studied for more than 70 

years,  progress  in  understanding  the  fundamental  mechanisms  of  fiber  formation, 

especially in non‐traditional melt spinning  processes, that are necessary to effectively 

control  fiber  structure  and  properties  has  been  slow and techniques  to  analyze  and 

(22)

6

more  detailed  molecular  insight  that  links  the  macroscopic  properties  of  fibers  with 

microscopic organization of polymers inside fibers. 

1.2.3  SELECTED FIBER STRUCTURE‐PROPERTY RELATIONSHIPS 

Fiber  strength  and technical  properties are  related  to  the fiber  microstructure.   The 

relationship  between the optical properties  of a  polymer and the orientation  of  the 

molecules therein is a well observed phenomenon.  Macroscopic stretching of rubber was 

shown to result in a measurable change in the birefringence of the material;  by reorienting 

the molecules, crystallization took place, and both the orientation and crystals contributed 

to the increase in observed birefringence by stretching.19   Ward (1962) [20] later derived 

expressions to relate the optical birefringence to the molecular orientation of polyethylene 

and introduced the idea that the relationship between mechanical anisotropy in polymer 

materials  and molecular  orientation was more  complex  than  that of birefringence  to 

molecular orientation.   Subsequent work in these areas has focused on describing the 

theoretical bounds of  polymer strength and  methods  of characterizing  the  molecular 

orientation, as reviewed by Young and Eichhorn (2007).21  

  Extensive  work  has been carried  out  towards  understanding structure‐property 

relationships for commodity polymers, such as PP and poly(ethylene terephthalate) (PET).  

Mechanical testing of semi‐crystalline fibers and films reveals that that high non‐crystalline 

(amorphous) orientation reflects the amount of taut tie molecules present.22  Therefore the 

non‐crystalline orientation in fibers required for high tenacity23 is proportional to fiber 

(23)

7

depends on the interplay between crystallinity, and the orientation of crystalline and 

amorphous regions.23   Spunbond PP fiber‐to‐fiber bonding, tensile strength, and breaking 

elongation can be improved by altering the molecular structures.24,25  Spunbond PET fibers 

and polyethylene (PE) films exhibited increasing tension at break and/or tensile strength 

and with increasing crystallinity and crystalline orientation.22,26   PP webs were shown to 

have better tensile properties with increasing overall orientation and decreasing fiber 

diameter.27 

1.3  RESEARCH GOALS AND ORGANIZATION OF DISSERTATION 

The theme of this work is exploring the function of a high‐shear flow field (i.e., fiber 

extrusion) in developing morphologies that are unique relative to those formed in the 

absence of such a flow field.  One of our objectives is to understand how the presence of 

the high‐shear flow field of fiber extrusion results in the formation of certain polymer 

morphologies as well as how the thermal stability of these phases are affected by the 

processing history of the polymer.  Another primary objective is to understand and develop 

methods to quantify the molecular orientation in fibers that is a result of the high‐shear 

flow  fields  encountered  with  fiber  extrusion.    Finally,  we  wish  to  investigate  the 

compatibility between polymers in core/sheath fibers and the effect a copolymer additive 

has on improving the mechanical properties of core/sheath fibers.  To these ends, Chapter 2 

investigates the mesomorphic phase of PP created during spunbond fiber spinning and 

demonstrates that this phase  is thermally more  stable  than  the mesomorphic  phase 

(24)

8

molecular orientation of single component fibers from the stress‐strain curves of fibers is 

established.   Chapter 3 contains a study of the effect of co‐spinning PP with a second 

polymer, poly(lactic acid) (PLA), in core/sheath configuration.  Co‐spinning has the potential 

to develop greater molecular orientation in one of the polymers than can be achieved 

individually due to the presence of the polymer‐polymer interface, yet the methods of 

measuring this molecular orientation can prove difficult or impossible for some polymer 

combinations.   To answer the question of how molecular orientation is developed in 

bicomponent fibers, the mechanical property – molecular orientation correlation from 

Chapter 2 is extended to bicomponent fibers.  Finally, in Chapter 4, we address the concept 

of “compatibilization,” or improving the adhesion between polymers, in core/sheath fibers 

by adding a triblock copolymer, poly(styrene‐b‐ethylene‐co‐butylene‐b‐styrene).  This work 

reveals the effect of the high‐shear extrusion process on the block copolymer morphology 

resulting from melt compounding an “A‐B‐A” type of block copolymer with a “C” type 

(25)

9

Figure 1.1  Approximate shear rates polymers are subjected to during common commercial 

(26)

10

 

 

 

 

 

 

Figure 1.2   Molten polmer is metered through the spin pack by an extrusion pump (not 

shown).  As molten polymer exits the spin pack, it is quenched by cold air, and then drawn 

by warm air.  Suction located underneath the revolving forming belt aids in laydown.  After 

leaving the belt, fibers are first compacted and then calendared.  Webs are collected on the 

winder.  MD denotes machine direction and TD the traverse direction. 

molten polymer

spin pack

forming belt

quench (cold air)

aspirator jets (warm air)

TD

(27)

11  

 

 

 

 

 

Figure  1.3    Schematic  showing  essential  features  that  differentiate  two  nonwovens 

manufacturing  processes,  spun  bonding  and  melt  blowing.    Spun  bonding  involves 

quenching the molten polymer with cooled air followed by attenuation (drawing) with 

warmer air, whereas melt blowing requires applying hot attenuation air to the molten 

polymer near the exit of the spin pack orifice.   

forming belt cooled

quench air

warm

attenuation air

hot

attenuation air

spin pack

molten polymer

(28)

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(29)

13 REFERENCES 

[1]  Dreyfus, H. Patent GB346689 (1931), “Improvements in the production of artificial 

filaments, threads, ribbons and the like and in products resulting therefrom.”  

[2]  Triggs,  W.    Patent  GB495790  (1938),  “Improvements  in  the  manufacture  of 

polyamides.”  

[3]  Greenewalt, C.  US patent no. 2217743 (1940) “Melt spinning apparatus suitable for 

the manufacture of vinyl polymer fibers, etc.”    

[4]  Wente, V. Industrial and Engineering Chemistry 1956, 48, 1342. 

[5]  McCullough, J.  International Journal of Nonwovens 1999, 8, 139. 

[6]  Li, D.; Xia, Y.  Advanced Materials 2004, 16(14), 1151‐1170. 

[7]  Genis, A.; Usov, V.; Razboeva, V.  Fibre Chemistry 2007, 39 (1), 1‐6. 

[8]  Shailer L.  Industrial and Engineering Chemistry 1959, 51, 901. 

[9]  Choi, K.; Spruiell, J.; Fellers, J.; Wadesworth, L.   Polymer Engineering and Science 

1988, 28(2), 81‐89. 

[10]  World Synthetic Fibers 1995 – 2005, Vol 2, Sect. VI, pp. 532‐561.  

[11]  Palexpo, G.  Filtration & Separation 2005, 42(2), 26‐29. 

[12]  Kalużka, J.; Lebiedowski, M.  Fibres and Textiles in Eastern Europe 2003, 11 (1), 64‐

(30)

14

[13]  Lui, L.; Xu, Z.; Song, C.; Gu, Q.; Sang, Y.; Lu, G.; Hu, H.; Li, F.   Desalination 2006

201(1‐3), 198‐206. 

[14]  Callaerts, A.; Gielis, M.; Sprengers, E.; Muylle, L.  Transfusion 1993, 33(2), 134‐138. 

[15]  Natori, S.; Gomei, Y.; Higuchi, A.   Journal of biomedical materials research. Part B

Applied biomaterials 2006, 78B(2), 318‐326. 

[16]  Cisło, R.; Krucińska, I.; Babeł, K.; Koszewska, M.   Fiber & Textiles in Eastern Europe 

2004, 12(3), 70‐74. 

[17]  Yasuda, K.; Inoue, S.; Tabata, Y.  Tissue Engineering 2004, 10(9‐10), 1587‐1596. 

[18]  Engler, A.; Sen, S.; Sweeney, L.; Disher, D.  Cell 2006, 126(4), 677‐689. 

[19]  Treloar, L.  Transactions of the Faraday Society 1941, 37, 84‐97.   

[20]  Ward, I.  Proceedings of the Physical Society 1962, 80(5), 1176.  

[21]  Young, R.; Eichhorn, S.  Polymer 2007, 48, 2‐18. 

[19]  Branciforti, M.; Pimentel, R.; Bernardi, A.; Bretas, R. Journal of Applied Polymer 

Science 2006, 101(5), 3161‐3167.  

[20]  Samuels, R. Structured Polymer Properties. New York: John Wiley & Sons, 1974. 

[21]  Bhat, G.; Nanjundappa, R.; Kotra, R. Thermochemica Acta 2002, 392, 323‐328.  

[22]  Nanjundappa, R.; Bhat, G.   Journal of Applied Polymer Science 2005, 98(6), 2355‐

(31)

15

[22]  Wang, H.; Jin, X.; Wu, H.; Yin, B.   Journal of Material Science 2007, 42(19), 8006‐

8009. 

[23]  Zang, D.; Bhat, G.; Sanjiv, M.; Wadsworth, L.  Textile Research Journal 1998, 68(), 27‐

35. 

[24]   Painter, P.; Coleman, M. Fundamentals of Polymer Science.  Washington, D.C.:  CRC 

press, 1997. 

(32)

16

CHAPTER

 

2

 

M

ESOMORPHIC

α

M

ONOCLINIC 

P

HASE 

T

RANSITION IN       

I

SOTACTIC 

P

OLYPROPYLENE

:

 

A

 

S

TUDY OF 

P

ROCESSING 

E

FFECTS ON 

S

TRUCTURE AND      

M

ECHANICAL 

P

ROPERTIES

 

 

 

 

 

Chapter 2 is essentially a manuscript by Sara Arvidson, Saad Khan, and Russell Gorga published in 

(33)

17

M

ESOMORPHIC

α

M

ONOCLINIC 

P

HASE 

T

RANSITION IN      

I

SOTACTIC 

P

OLYPROPYLENE

:

 

A

 

S

TUDY OF 

P

ROCESSING 

E

FFECTS ON 

S

TRUCTURE AND       

M

ECHANICAL 

P

ROPERTIES

Sara Arvidson, Saad Khan, and Russell Gorga 

 

 

ABSTRACT 

We  report  the  enthalpy  for  the  mesomorphic  to  α‐monoclinic  phase  transition  in 

polypropylene under varying thermal treatments. The mesomorphic phase is created by 

fiber  spinning  and  rapid  quenching  methods  and  identified  using  wide‐angle  X‐ray 

diffraction and differential scanning calorimetry.  Fiber mesomorphs are found to have a 3‐

fold  increase  in  enthalpy  of  transition  per  gram  of  mesophase  compared  with  our 

measurements  of  quenched  polypropylene  and  previous  reports  of  quenched 

polypropylene. In addition, systematic tensile testing over a range of spin speeds and 

polymer  morphologies  reveals  that  the  presence  of  mesomorphic  regions  does  not 

correlate with reduced fiber strength as has been previously suggested. Fiber true stress‐

true strain curves obtained at varying take‐up velocities are compared to determine the 

(34)

18

We find that the tensile strain shift correlates with birefringence, thereby providing an 

alternative method to assess molecular orientation in fibers, an important factor for fiber 

strength. This approach can prove useful for fibers in which measuring the molecular 

(35)

19 2.1  INTRODUCTION 

Much  work  has  been done to produce  and  model  high‐speed melt spinning  for  the 

production of high tenacity filaments for a number of polymers.1‐5  Such processes generally 

include post‐spinning drawing steps that result in greater molecular orientation in the fiber.  

Though similar in many ways to melt spinning, nonwovens processes that aim to create high 

strength webs from fibers in a single continuous process such as spunbonding or melt 

blowing may present extra challenges due to their coupled spin‐draw step.  While both melt 

spinning and nonwovens processes were commercialized by the 1950s,6 a much greater 

emphasis on modeling in the literature has been applied to generalized melt‐spun fiber 

formation and use.   

  Due  to  relative  ease  of  spinning,  low  cost,  and  rapid  crystallization,  isotactic 

polypropylene (iPP) is one of the most commonly spun polymers in nonwovens processes.  

iPP crystallization is a complex process that involves several crystalline morphologies and 

competing crystallization mechanisms that depend greatly on temperature and stress.  iPP 

has been shown to crystallize predominately in the α‐monoclinic form under isothermal 

crystallization,7 slow cooling,8 and during melt spinning of filaments.9  The β–hexagonal or 

γ–triclinic  polymorphs  may  be  obtained  while  crystallizing  from  the  melt  at  high 

undercoolings or pressures, or with the addition of nucleating agents.10‐14   The “meso” 

polymorph, often described as a smectic or paracrystalline phase, has been identified in iPP 

(36)

20

and  40oC;17  and  in  fiber  spinning  at  moderate  take‐up  velocities,  high  extrusion 

temperatures, low molecular weight distributions, and low draw‐down ratios.9,10,18‐20   The 

mesomorph is not an imperfect crystal, but rather has molecular ordering between that of 

the amorphous phase and a true crystalline phase; 21 mesomorphic iPP has a high degree of 

order in the direction of the chain axis but little in its lateral packing.22  Mesomorphs are not 

unique to iPP, having been shown for a wide variety of polymers including polyesters and 

polysiloxanes23 and are important for improving polymer clarity24 and possibly polymer 

processability.22   

  Both the α and meso iPP polymorphs are composed of 31 helices.   While the 

arrangement of the left‐ and right‐handed helices of the mesomorphic form are disordered, 

left and right helices follow a well‐defined sequence of handedness in the α form.25,26  Upon 

heating, the meso phase transforms into the α phase, possibly by thickening of existing α 

crystals and/or by structural rearrangements in the mesomorphic phase.27  The mechanism 

of this structural rearrangement has yet to be determined in any conclusive way.16,26,28‐31  

Androsch26 observed the meso‐to‐α phase transition through atomic force microscopy of 

nano‐scale domains and determined that initial mesomorphic domains were not destroyed 

during the phase transformation but could not rule out local melting within domains.  

Consequently, it is unclear if the meso‐to‐α phase transition occurs via melting into the 

(37)

21

meso‐to‐α transition have  been  discussed,  one involving chains unwinding  to reverse 

handedness and the other requiring chain translocation without changing handedness.26,31   

Extensive work has been published describing the effect of spinning conditions on the 

development of orientation in the α, β, and amorphous phases in iPP fibers, yet orientation 

development of the mesophase (and the mesophase in general) has largely been ignored in 

fibers.19  While orientation of the amorphous phase has been linked to fiber strength,32 with 

crystallites acting as network junctions,33 the role of mesophases on mechanical properties 

is ambiguous.  It has been suggested that mesophase content poses significant detriment to 

the  strength  of  iPP  fibers34  and  increases  ductility  in  quenched  films,35  yet  polymer 

mesophases are credited with improving mechanical properties and processibility over 

crystalline  phases.22    Further  gains  in  defining  structure‐property  relationships  for 

semicrystalline polymers have not been made due to an incomplete understanding of 

viscoelastic and viscoplastic responses of the various morphologies present in the polymer, 

during the melt solidification stage or during mechanicals tests at ambient temperature.36  

An overwhelming majority of studies on the thermal behavior of iPP surrounding the meso‐

to‐α transition focuses on mesomorphic iPP formed by rapid quenching rather than fiber 

spinning.  Estimated enthalpies of the meso‐to‐α phase transition range from 8.8 to 16.7 J/g 

for  quench‐formed  meso  iPP  due  to  varying  polymer thermal  histories,  experimental 

methodologies and polymer grades,28,37‐39 which makes accurately determining the meso 

(38)

22

Additionally, it has been shown that the enthalpy of the meso‐to‐α phase transition may 

differ for fibers and quench‐formed meso iPP.34 

  In this study we compare the enthalpy of the iPP meso‐to‐α phase transition of 

fibers to that of quenched polymer and discuss the implications of the enthalpy in terms of 

supporting existing theories of the mechanism of this phase transition.  Further, we report 

the mechanical properties and orientation functions of meso‐containing iPP fibers in the 

context of melt spinning and spunbonding routes of iPP fiber formation and assess the 

dependence of the mesomorphic phase orientation on take‐up velocity with a three‐phase 

model.  We begin with a discussion of fibers containing mesophase iPP and follow with that 

of quenched‐formed iPP, ultimately comparing the thermal properties of each. 

2.2  EXPERIMENTAL  

2.2.1 MATERIALS AND SAMPLE PROCESSING.   

Commercially  available  iPP  formulations  with  similar  molecular  weight  profiles  were 

selected  from  two  manufactures:   iPPS (Sunoco Chemicals  Polymers  Division, product 

CP360H) and iPPE (ExxonMobil Chemical, product PP3155) (Table 2.1).  Melt‐spun iPPS and 

iPPE fibers were produced at the Hills spinning line in the College of Textiles Fiber Science 

Lab at NC State University at take‐up velocities up to 2000 m∙min‐1.  No secondary drawing 

was applied to melt‐spun fibers.   Spunbond iPPS fibers were produced at the Nonwovens 

Cooperative Research Center (NCRC) Partners’ Pilot facilities located at NC State over a 

range of aspirator pressures.   Fibers were collected following extrusion but before the 

(39)

23

mass throughputs of 0.4 grams∙hole‐1min‐1.   Fibers were also collected for each process 

without the use of the godet or aspirator pressure with the intent of creating unoriented, 

isotropic fibers at a low take‐up velocity.   This velocity (≈20 m∙min‐1) is referred to as the 

“freefall” velocity.  The densities of semicrystalline fibers were estimated from the densities 

for 100% crystalline, amorphous, and mesomorphic iPP: ρC=0.936, ρA=0.858, and ρM=0.916 

g∙cm‐3.40,41  Due  to  the  nature  of  spunbonding,  individual  fiber  take‐up  velocities  are 

variable and unknown at the time of formation.   The equivalent take‐up velocities for 

spunbond fibers are calculated from the continuity equation (Equation 1) to facilitate 

comparison between spunbond fibers and melt‐spun fibers, for which take‐up velocity V 

(m/min) is directly controlled.   

   

c A Q V

⋅ ρ

=   (1) 

In Equation 1, Q is the throughput (g∙hole‐1∙min‐1), ρ is the polymer density (g∙m‐3) and Ac is 

the average cross‐sectional area of an individual fiber (m2). 

  Quenched iPPS and iPPE polymers were prepared by heating the respective resins in 

a furnace to 225oC until molten (~5 min), pressing the molten polymer between sheets of 

aluminum, and holding in a furnace at 225oC for 15 minutes.  Samples were removed from 

the furnace directly into one of several quenched baths used:  ice‐water (0oC), acetone‐dry 

ice (‐78oC), pentane‐liquid N2 (‐131oC), and liquid N2 (‐196oC).39,42  Quenched polymers were 

(40)

24 2.2.2 DSC MEASUREMENTS  

The  crystalline  (xC),  mesomorphic  (xM),  and  amorphous  (xA)  fractional  content  was 

determined using a TA Instruments Q2000 model differential scanning calorimeter.  Scans 

were carried out on 6 to 12 mg samples in standard aluminum pans calibrated to an indium 

standard.  Heating rates, unless otherwise specified, were 10oC∙min‐1 under 50mL∙min‐1 N2 

purge.  To identify the fraction of polymer in the crystalline phase, the heat of fusion for a 

sample  ΔHm  was  compared  to  the  heat  of  fusion  of  a  gram  of  100%  crystalline 

polypropylene ΔHmo according to Equation 2. 

    o

m m C

∆H

∆H

x =   (2)  

ΔHmo = 207 J∙g‐1 was used for 100% crystalline iPP.43 

2.2.3 WIDE ANGLE X‐RAY DIFFRACTION (WAXD) MEASUREMENTS  

X‐ray diffraction studies were conducted with a CuKα radiation source (λ=1.542 Å) at 40kV x  30 mA for 1800s on a Bruker D‐5000 diffractometer equipped with a Highstar area detector.  

Diffraction patterns were analyzed with Bruker General Area Detector Diffraction System 

(GADDS) software.  Fibers were aligned and placed in the apparatus oriented vertically, with 

the plane of the fibers perpendicular to the x‐ray beam.  In transmission mode, the intensity 

was recorded for 2θ in the range of 10o to 32o.  Scans taken with an empty sample holder 

served as a background for subtraction.  Orientation of the crystalline regions with respect 

(41)

25

rotational symmetry about the fiber axis, as shown in Equation 3 and by employing the 

Hermans‐Stein orientation factor, Equation 4.44‐46 

   

π π φ φ φ φ φ φ φ = φ 2 2

0 hkl ,jz j,z j,z

0 j,z j,z j,z

2 z ,j hkl z ,j 2 d )sin ( I d )sin ( )cos ( I

cos   (3) 

    2 1 -) ( cos 3

f ,jz

2

j

φ

=   (4) 

Here, Ihkl is the intensity defracted from the  (hkl) planes which are normal to the j

crystallographic axis.  In α‐monoclinic iPP, the helices lay along the c‐crystallographic axis, 

which lacks a convenient reflection, so the intensities of the <110> and <040> bands were 

integrated as a function of the azimuthal angle.  The average cosine squared of the angle 

between the fiber axis and the c‐axis can be calculated according to Equation 5. 

    cosφ2c,z =1−1.1099cos2(φ110,z)-0.901cosφ2040,z  (5) 

Mesomorphic iPP was modeled as a hexagonal crystal.47   Due to symmetries within a 

hexagonal  crystal,48  only  one  reflection  is  required  to  characterize  the  mesomorphic 

orientation, which was estimated according to Equation 6. 

    cosφ2c,z =1−2cos2(φ0002,z)  (6) 

2.2.4 FIBER MECHANICAL TESTING   

Mechanical testing of fibers was conducted on an Instron model 5544 at ambient conditions 

(42)

26

5 N load cell.  Single filaments with a gage length of 28.6 mm were drawn at a crosshead 

speed of 25.4 mm/min until breakage occurred.   

2.2.5 MICROSCOPY   

Fiber diameters measured by optical microscopy were used to calculate fiber cross‐sectional 

areas.   The refractive indices of polypropylene fibers were measured by a Mach‐Zehnder 

type interference microscope by Aus Jena with polarized green light (λ=546 nm).   Fiber 

birefringence (Δn) was calculated from refractive indices (n) in the directions parallel and 

normal to the fiber axis.   

    B D λ Z n

n or o

⋅ ⋅ + =

⊥   (7) 

    ∆n=n -n⊥  (8) 

Here, Z is the width of fringes, and B is the fringe shift, and no is the refractive index of the 

immersion oil. 

  Birefringence relates to the molecular orientations of each phase according to 

    M M oM

o A A A o C C

Cf x f x f

x

n= Δ + Δ + Δ

Δ   (9) 

where we have included the mesomorphic phase contributions to the total birefringence.  

Intrinsic  birefringences  (Δo)  used  were  0.331,  0.040,  and  0.0468  for  the  crystalline, 

mesomorphic,  and  amorphous  iPP  phases,  respectively.32,41,49,50    Calculation  of  the 

orientation functions of the crystalline and mesomorphic phases (fC and fM) are described by 

(43)

27

Equation 9 ignores the form birefringence which takes into account the crystallite shape 

and generally only contributes 5‐10% of the overall birefringence for most  polymers.  

However, polypropylene has been reported to have negligible form birefringence.32 

2.3  RESULTS AND DISCUSSION   

It is well known that resin material properties (isotacticity, molecular weight, viscosity, etc.) 

and polymer processing (time duration at a given temperature and/or rate of temperature 

change) determine the crystallinity, crystal form, molecular orientation, and ultimately fiber 

strength.   In this study, we investigate the effect of spinning conditions by comparing 

spunbonding to melt spinning for iPPS resin and we investigate material properties by 

comparing melt spinning and quenching of iPPS and iPPE resins.   

2.3.1 FIBER EXTRUSION:  MORPHOLOGY AND MOLECULAR ORIENTATION     

Figure 2.1 shows WAXD spectra for iPPS spunbond, iPPS melt‐spun, and iPPE melt‐spun fibers 

for a range of take‐up velocities.   WAXD patterns exhibiting strong peaks located at 2θ= 

14.2,  17.1,  and  18.7  degrees  correspond to the (110), (040),  and  (130) α‐monoclinic 

reflections, respectively,51,52 while broad reflections at 2θ= 15 and 21 correspond to 

mesomorphic iPP.53  Melt‐spun and spunbond fibers exhibit α reflections at both low and 

high take‐up velocities.   Due to the ease of controlling the take‐up velocity on a melt 

spinning line, fibers were obtained at very low to moderate velocities (20 < V < 1600    

m∙min‐1) that were not always possible with the spunbond process.  However, where similar 

take‐up  velocities  were  obtained  by  both  processes,  melt‐spun  and  spunbond  fibers 

References

Related documents