Abstract :
[en] Technology over the past few decades has pushed strongly towards wearable technology, one such form being textiles which incorporate a functional component. There are several ways to produce polymer fibers on both laboratory and industrial scales, but the implementation of these techniques to spin fibers incorporating a functional heterocore has proven challenging for certain combinations of materials. In general, fiber spinning from polymer solutions, regardless of the method, is a multifaceted process with concerns in chemistry, materials science, and physics, both from fundamental and applied standpoints, requiring balancing of flow parameters (interfacial tension, viscosity, and inertial forces) against solvent extraction. This becomes considerably more complicated when multiple interfaces are present.
This thesis explores the concerns involved in the spinning of fibers incorporating functional materials from several standpoints. Firstly, due to the importance of interfacial forces in jet stability, I present a microfluidic interfacial tensiometry technique for measuring the interfacial tension between two immiscible fluids, assembled using glass capillary microfluidics techniques. The advantage of this technique is that it can measure the interfacial tension without reliance on sometimes imprecise external parameters and data, obtaining interfacial tension measurements solely from experimental observations of the deformation of a droplet into a channel and the pressure needed to induce the same.
Using the knowledge gained from both microfluidic device assembly and the interfacial tension, I then present the wet spinning of polymer fibers using a glass capillary spinneret. This technique uses a polymer dope flowed along with a coagulation bath tooled to extract solvent, leaving behind a continuous polymer fiber. We were able to spin both pure polymer fibers and elastomer microscale fibers containing a continuous heterocore of a liquid crystal, with the optical properties of the liquid crystal maintained within the fiber. While we were not able to spin fibers of a harder polymer containing a continuous core, either liquid crystalline or of a liquid metal, I present analysis of why the spinning was unsuccessful and analysis that will lead us towards the eventual spinning of such fibers.
[fr] La recherche en technologie se tourne actuellement vers la technologie portable, qui inclut les fibres des textiles incorporant des matériaux qui répondent aux stimuli. Que l’on produise ces fibres synthétiques en laboratoire ou de façon industrielle, le processus de fabrication engage à la fois la chimie, la physique, et les sciences des matériaux, et se complexifie quand on veut réaliser des fibres coaxiales avec des noyaux fonctionnels.
Cette thèse se penche de plusieurs façons sur les aspects de la production des fibres dotées d’un noyau de matériaux fonctionnels. Dans un premier temps, en raison de l'importance de la tension superficielle pour la stabilisation des jets liquides, on présente une technique pour mesurer la tension superficielle entre deux fluides immiscibles. Cette technique utilise des capillaires en verre dans une géométrie microfluidique. L'avantage de cette technique est de permettre de mesurer la tension superficielle uniquement sur la base des observations de la déformation des gouttelettes et de la pression nécessaire pour réaliser cette déformation dans le capillaire, sans avoir à compter sur les valeurs externes, comme la densité et la viscosité. Les valeurs obtenues sont similaires à celles disponibles dans la littérature.
En exploitant les informations obtenues lors des premières expériences, on présente le filage au mouillé, qui produit des fibres en polymère avec une filière construite des capillaires en verre. On a réussi à produire des fibres de polymère pur ainsi que des fibres incorporant un noyau de cristal liquide nématique ou cholésterique, et les fibres obtenues avec les cristaux liquides conservent les propriétés optiques caractéristiques. Il n’a en revanche pas été possible d’obtenir des fibres avec des noyaux continus de métal liquide ; on présente une analyse des causes de cet échec et on suggère une autre méthode pour parvenir à réaliser éventuellement des microfibres avec un noyau continu de métal liquide.
