Study of the innovative nylon 6 composite fibre to increase the durability of the final garment

In this thesis, an innovative composite fibre made of nylon 6 has been developed for creating a durable final garment. The goal has been to produce a garment that reflects the increasing demand for durability in the textile industry. In recent decades, sustainability and durability have become central themes, driving research into advanced materials that combine superior performance with reduced environmental impact. Modified graphene oxide is known for its exceptional mechanical, thermal, and electrical properties, while nylon 6 is a versatile and widely used polyamide in the textile industry. Their integration has the potential to create a composite fibre with unique characteristics that could transform the textile industry. This research primarily evaluates how this combination improves the durability of the final product, which is now closely linked to sustainability. Durability involves maintaining physical and mechanical properties over time, including wear resistance, while sustainability is connected to the entire product lifecycle, minimizing environmental impact. Contributions from various stakeholders in the textile supply chain, such as polymer and yarn producers, weavers, researchers, and manufacturers, have highlighted the need for innovative materials that enhance the final product lifetime, though a universal definition of durability is not yet established. Nylon 6, a synthetic polymer from the polyamide family, is produced through the polymerization of ε-caprolactam. After the polymerization, the subsequent step is the extrusion of the molten polymer into spaghetti-like forms, cooling, and cutting into chips, which are melted and extruded to form fibres, which are united to constitute the POY (partially oriented yarn). These POYs undergo further processing, including texturing and drawing, to enhance their physical properties. The other important component of the composite fibers is modified graphene oxide. Derived from graphene, graphene oxide is produced by oxidizing and then exfoliating graphite. Its integration into a polymer matrix like polyamide 6 can significantly improve various properties if properly functionalized and well dispersed. For this purpose, master batches are used industrially. A master batch is a concentrated mixture of additives and base polymer used to uniformly introduce additives into a polymer matrix. In this study, the master batch is composed by modified graphene oxide dispersed in nylon 6, aiming to ensure a homogeneous distribution of graphene within the final fibre. This has been achieved through intensive mixing with a twin-screw extruder, then diluted with virgin nylon 6 during extrusion. The production of composite fibres involves melting and mixing the master batch with virgin nylon 6 chips, extruding the mixture into continuous fibers, drawing, and cooling to improve mechanical properties. A series of tests has been conducted in this work to evaluate the properties of the composite material under study, including: SEM for surface morphology; XRD for crystal structure; MFI for melt flow index analysis; DSC for thermal transitions; Drawing Test coupled with Tensile Test to evaluate mechanical property changes with increasing draw ratios; Xenon Test coupled with Tensile Test to study mechanical property changes with increasing exposure times, revealing the composite fibers' remarkable ability to preserve mechanical properties longer in time when exposed to Xenon lamp; Martindale Test to investigate the wear resistance, which has demonstrated the great potentiality of the composite textile; and Thermal Conductivity and Diffusivity tests. After testing, a T-shirt has been produced from the composite fibre using "seamless" technology and subjected to Bacteriostatic Analysis, demonstrating excellent antibacterial properties by significantly reducing bacterial growth. This confirmed the material's potential for applications requiring antibacterial protection, such as medical, sports, and technical clothing.

In questo lavoro di tesi, è stato portato avanti un lavoro per arrivare all’ottenimento un'innovativa fibra composita di nylon 6 adatta a costituire un indumento finale. L'obiettivo è stato quello di creare un indumento finale in grado di rispecchiare al meglio la crescente esigenza di durabilità nell'industria tessile. Negli ultimi decenni, la sostenibilità e la durabilità sono diventati temi centrali nel settore tessile, spingendo la ricerca su materiali avanzati che combinano prestazioni superiori con un ridotto impatto ambientale. L'ossido di grafene modificato è noto per le sue eccezionali proprietà meccaniche, termiche ed elettriche, mentre il nylon 6 è una poliammide versatile e ampiamente utilizzata nel settore tessile. La loro integrazione ha la potenzialità di creare un materiale composito in forma di fibra con caratteristiche uniche in grado di trasformare l'industria tessile. Questa ricerca valuta principalmente come questa combinazione migliori la durata del prodotto finale, che oggi è strettamente legata alla tematica della sostenibilità. La durabilità implica il mantenimento delle proprietà fisiche e meccaniche nel tempo, tra cui la resistenza all'usura, mentre la sostenibilità è collegata all'intero ciclo di vita del prodotto, riducendo al minimo l'impatto ambientale. Anche i contributi di diverse parti interessate lungo la filiera tessile, come produttori di polimeri e filati, tessitori, ricercatori e confezionisti, hanno evidenziato la necessità di materiali innovativi che migliorino la vita utile del prodotto, sebbene ad oggi non sia ancora possibile delineare una definizione universale di durabilità. La poliammide 6, un polimero sintetico della famiglia delle poliammidi, viene prodotta attraverso la polimerizzazione dell'ε-caprolattame. Lo step successivo è l'estrusione del polimero fuso in forme simili a spaghetti, il raffreddamento e il taglio in chips, che vengono poi fusi ed estrusi per formare fibre, dall’unione delle quali si ottiene il filo POY. Questi fili POY vengono sottoposti a successive lavorazioni, tra cui la testurizzazione e lo stiro, per migliorarne le proprietà fisiche. L’altro importante componente delle fibre composite è l’ossido di grafene modificato. Derivato dal grafene, l'ossido di grafene è prodotto dall'ossidazione e dalla successiva esfoliazione della grafite. La sua integrazione in una matrice polimerica come quella della poliammide 6 può migliorare significativamente una serie di proprietà se adeguatamente funzionalizzato e disperso. A questo proposito, a livello industriale si utilizzano i master batch. Un master batch è una miscela concentrata di additivi e polimero di base utilizzata per introdurre uniformemente gli additivi in una matrice polimerica. In questo studio, il master batch comprende ossido di grafene modificato disperso in poliammide 6, cercando di garantire una distribuzione omogenea del grafene all'interno della fibra finale. Ciò è stato ottenuto attraverso una miscelazione intensiva con un estrusore bivite, poi diluito con nylon 6 vergine durante l'estrusione. La produzione di fibre composite prevede la fusione e la miscelazione del lotto master con trucioli di poliammide 6 vergine, l'estrusione della miscela in fibre continue, lo stiro e il raffreddamento per migliorare le proprietà meccaniche. Una serie di test sono stati portati avanti nel presente lavoro, al fine di valutare le proprietà del materiale composito oggetto di studio e sono stati elencati come segue: SEM per la morfologia superficiale; XRD per la struttura cristallina; MFI per valutare l’indice di scorrimento; DSC per le transizioni termiche caratteristiche; Test di Stiro accoppiato a prove di trazione per valutare la variazione delle proprietà meccaniche all'aumentare del rapporto di stiro; Xenon Test accoppiato a prove di trazione per studiare come variano le proprietà meccaniche all'aumentare dei tempi di esposizione, dal quale è emersa la notevole capacità dei fili compositi di preservare le proprietà meccaniche più a lungo nel tempo; Test di Abrasione per la resistenza all'usura e Test di Conducibilità Termica e Diffusività. Dopo i test, è stata prodotta una maglietta, a partire dalla fibra composita, tramite la tecnologia “seamless”, che è stata sottoposta all’Analisi Batteriostatica dimostrando eccellenti proprietà antibatteriche, riducendo significativamente la crescita batterica. Ciò ha confermato il potenziale del materiale anche per le applicazioni che richiedono una protezione antibatterica, come l'abbigliamento medico, ma anche sportivo e tecnico.