Coextrusion of multifunctional filaments

Abstract

Some commercial filaments are becoming commodities so aiming to increase the market competitiveness producers are looking for alternatives to improve their products performance. A simple material change is not enough, since better performant materials are usually more expensive and can easily be copied by the competition, so new approaches are needed. The challenge of this project was to improve the properties of a commercial filament using a coextrusion process. The filament that is being studied has good tenacity but poor abrasion resistance, so the goal was to coextrude this filament with a second material in order to increase the abrasion resistance, without affecting negatively the filament tenacity. Two blends (B1 and B2) and one single material (M1), which is known to possess good abrasion resistance and average tensile resistance, were selected for this study. The methodology of this research project was divided into three steps. Firstly, the materials were characterized rheologically, to identify its main flow properties and guide the definition of processing conditions. Subsequently, monofilaments of each material were extruded separately using different processing conditions, to identify their processing window and to obtain the resultant properties. The results obtained in this phase allowed to select the most promising material combination to test in the next phase of the work. The last step was to produce and characterise the coextruded filaments. Each filament was characterized by their tenacity, elongation and abrasion resistance properties. After all the data treatment it was possible to identify the best configuration of materials (a coextrusion of B1 and B2) and processing conditions, which, when compared with the commercial filament, yielded an improvement of 35% in abrasion resistance without affecting the mechanical properties.

Alguns filamentos comerciais estão a tornar-se de uso vulgar então, para aumentar a sua competitividade no mercado, os produtores procuram alternativas para melhorar as suas propriedades. Uma simples alteração na matéria-prima utilizada não é suficiente, pois materiais com melhores propriedades são normalmente mais caros e esta alteração pode ser facilmente copiada pela concorrência. Por esta razão, novas abordagens são necessárias. O desafio deste projeto foi melhorar as propriedades de um filamento comercial através de um processo de co-extrusão. Este filamento apresenta boas propriedades de tenacidade mas pouca resistência à abrasão, então o principal objetivo foi co-extrudir esse mesmo filamento com outro material de forma a manter as propriedades de tenacidade mas aumentando a sua resistência à abrasão. Para este estudo foram selecionadas duas misturas e um material, que é conhecido por ter boa resistência a abrasão e razoáveis propriedades mecânicas. A metodologia utilizada neste projeto foi dividida em três passos. O primeiro foi a caracterização reológica dos materiais, para identificar as propriedades do escoamento e guiar a definição das condições de processamento. O segundo passo foi extrudir os filamentos de cada material separadamente com diferentes condições de processamento, de forma a obter a janela de processamento e identificar as suas propriedades resultantes. Os resultados obtidos nesta fase permitiram selecionar a combinação de materiais mais promissora para ser testada na fase seguinte. Por último, os filamentos foram co-extrudidos e caracterizados. Cada filamento foi caracterizado ao nível das suas propriedades de tenacidade, alongamento e resistência à abrasão. Após o tratamento de todos os resultados obtidos, foi possível identificar a melhor combinação de materiais (filamento co-extrudido B2+B1) e as condições de processamento, que, quando comparadas com o filamento comercial, apresentaram uma melhoria de 35% de resistência à abrasão sem afetar as suas propriedades mecânicas.