Capillary breakup and electrospinning of PA6 solutions containing iron(III) chloride : experimental findings and correlations

In this work the outcomes of the electrospinning of Polyamide 6 solutions in formic acid containing FeCl3 are correlated with the rheological behaviour of these fluids, determined through the phenomenon of self-controlled capillary breakup of a filament. The rheological analysis enlightens a significant effect of the FeCl3 content on the rheological behaviour, where the viscous component becomes predominant after a certain salt content threshold. At the same concentration the micrographical observations of the electrospun fibres show the formation of severely inhomogeneous structures. The adimensional analysis is used as tool to correlate the observations performed on the electrospinning results and the rheological behaviour of the solutions. To this end, the Elastocapillary number, index of the relative importance of viscous and elastic contributions to the flow, and the Deborah number, defined as the ratio between the polymer relaxation time and the characteristic time of the instability that causes fibre irregularities, are used. In particular, if Ec<1, the fibre morphology becomes significantly irregular, which implies the importance of the elastic component for the purpose of producing uniform fibres. The effect of this latter component is to induce a stabilization of the jet with respect to capillary instability, as suggests by the fact that uniform fibre morphologies are obtained for De>1. Besides the effect on the rheological behaviour, the fibre cristallinity seems to be affected by the FeCl3 content, as above a critical concentration fibres turn out to be completely amorphous. Interestingly, this concentration coincides exactly with the one at which the viscous components starts dominating the rheological behaviour.

Lo scopo di questo lavoro è correlare le caratteristiche delle fibre prodotte tramite elettrofilatura, a partire da soluzioni di Poliammide 6 in acido formico contenenti FeCl3, con il comportamento reologico elongazionale delle stesse, determinato mediante la rottura autocontrollata di un filamento. L’analisi reologica mette in evidenza un effetto significativo della concentrazione di FeCl3 sul comportamento reologico, la cui componente viscosa diventa predominante oltre una soglia di concentrazione del sale. Alla medesima concentrazione l’osservazione microscopica delle fibre evidenzia la formazione di strutture fortemente non omogenee. Per correlare i due fenomeni si è fatto riferimento alla analisi adimensionale, considerando un numero Elastocapillare (Ec) – indice dell’importanza relativa dei contributi al flusso dei fenomeni elastici e viscosi – e un numero di Deborah (De) – rapporto tra tempo di rilassamento della soluzione e tempo caratteristico dell’instabilità capillare, che è causa dell’irregolarità delle fibre. In particolare, per Ec<1 la morfologia della fibra diventa significativamente irregolare, il che suggerisce l’importanza della componente elastica nell’ottenimento di fibre uniformi. Nello specifico, l’azione di tale componente consiste in una stabilizzazione dell’instabilità capillare, come suggerito dal fatto che solo le soluzioni caratterizzate da De>>1 consentono di produrre fibre uniformi. Oltre all’effetto sul comportamento reologico, si è osservato che il contenuto di FeCl3 influenza la cristallinità della fibre; difatti, esiste una concentrazione oltre la quale la cristallizzazione risulta impedita durante il processo di elettrofilatura. Sorprendentemente, essa coincide con quella a partire dalla quale la componente viscosa inizia a prevalere.