Интегрированная влажная

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13137 (2023) Цитировать эту статью

1296 Доступов

Подробности о метриках

Непрерывное производство высокопрочных длинных нитей наноцеллюлозы (NCLF) имеет решающее значение для полимерных композитов, армированных натуральными волокнами. Несмотря на широкую доступность многочисленных процессов производства нитей, экономически эффективное и непрерывное производство высокопрочных NCLF в больших масштабах остается постоянной проблемой. Здесь мы представляем интегрированную систему мокрого прядения, включающую несколько ранее исследованных технологий производства нитей для массового изготовления высокопрочных непрерывных NCLF. Скорость вращения увеличивается для повышения производительности NCLF, а также настраиваются скорости намотки шпульки, расположение коллекторной намотки шпульки и условия сушки NCLF. При скорости прядения 510 см/мин достигается производительность 4,99 м/мин, что в пять раз превышает производительность прежней пилотной системы (0,92 м/мин). Кроме того, используются электрическое поле переменного тока и механическое растяжение, чтобы подчеркнуть универсальность предлагаемой интегрированной системы мокрого прядения, тем самым улучшая механические свойства NCLF.

Целлюлоза используется в виде клетчатки или ее производных уже более века. Развитие нанотехнологий ускорило добычу целлюлозных волокон на наноуровне, произведя революцию в области исследований целлюлозы. Наноразмерная целлюлоза, называемая наноцеллюлозой, оказалась высокоэффективным строительным блоком природы1. Наноцеллюлоза существует в разных формах в зависимости от их геометрических характеристик, таких как длина и диаметр. Примеры этих форм включают целлюлозные микроволокна (CMF), целлюлозные нановолокна (CNF), нанокристаллы целлюлозы (CNC) и наночастицы целлюлозы (CNP)1,2. УНВ обладают уникальными характеристиками, такими как биоразлагаемость, биосовместимость, гибкость, легкий вес и высокое соотношение сторон, что делает их пригодными для широкого спектра применений, таких как хранение энергии, медицина, упаковка пищевых продуктов, косметика, конструкционные композиты и здравоохранение1,3. При подготовке CNF рассматриваются две основные стратегии: «сверху вниз» и «снизу вверх». Стратегия «сверху вниз» подчеркивает изоляцию CNF, CNC и CNP из природных источников путем использования нескольких химических и механических методов4. Хотя выделение УНВ довольно просто, его размер слишком мал, что ограничивает его применение для волокон и композитов. Таким образом, расширение его до крупномасштабной непрерывной нити, так называемой длинной наноцеллюлозной нити (NCLF), является сложной задачей.

Подход «снизу вверх» фокусируется на процессах изготовления NCLF, которые включают широкий спектр технологий прядения. Прядение из растворителя и прядение из расплава являются наиболее распространенными методами производства синтетических нитей на основе целлюлозы. Мокрое прядение, сухое прядение и сухоструйное мокрое прядение представляют собой несколько различных методов прядения в растворителе5,6. Электропрядение — это широко известный метод, при котором изготовление волокон происходит в электрическом поле7. Все процедуры формования начинаются с растворения предшественника полимера для получения прядильного раствора (суспензии), который затем экструдируется через фильеру (сопло). Процесс мокрого прядения начинается с выдавливания суспензии через сопло желаемого диаметра в коагуляционную или осаждающую ванну для формирования нитей8. При сухом прядении растворитель испаряется горячим воздухом после экструзии из сопла, тогда как при прядении из расплава нити готовятся путем экструзии суспензии с последующим охлаждением9. Помимо этих различных методов прядения, используемых для изготовления нитей, для настройки свойств получаемой нити также могут использоваться такие факторы, как параметры процесса, химическая модификация/обработка, механическое растяжение или скручивание, а также выравнивание электрического или магнитного поля10,11. 12. Влажное прядение путем шприцевой экструзии является наиболее часто используемым методом прядения в этой области исследований, поскольку оно обеспечивает гибкость в изменении структурных, механических и термических свойств изготовленных нитей. Коагуляция прядильных нитей часто включает раствор электролита (NaCl, HCl, H2SO4, C6H8O7) или органические растворители, такие как ацетон и этанол13,14.