統合されたウェット

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13137 (2023) この記事を引用

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高強度ナノセルロース長フィラメント (NCLF) の連続生産は、天然繊維強化ポリマー複合材料において重要です。 多数のフィラメント製造プロセスが広く利用できるようになったにもかかわらず、高強度 NCLF を大規模かつコスト効率よく連続的に製造することは依然として課題です。 ここでは、高強度の連続NCLFを大量製造するために、以前に研究されたいくつかのフィラメント製造技術を組み込んだ統合湿式紡糸システムを紹介します。 NCLF の生産性を向上させるために回転速度が向上し、ボビン ワインダーの速度、コレクタ ボビン ワインダーの位置、NCLF の乾燥条件が調整されています。 紡糸速度 510 cm/min では、生産速度 4.99 m/min を達成し、従来のパイロットシステムの生産性 (0.92 m/min) の 5 倍を達成しました。 さらに、提案された統合湿式紡糸システムの多用途性を強調するために、AC 電場と機械的延伸が導入され、それによって NCLF の機械的特性が強化されます。

セルロースは、1 世紀以上にわたって繊維またはその誘導体の形で利用されてきました。 ナノテクノロジーの進歩により、ナノスケールでのセルロース繊維の抽出が加速し、セルロース研究分野に革命をもたらしました。 ナノセルロースと呼ばれるナノサイズのセルロースは、天然の高性能構成要素であることが証明されています1。 ナノセルロースは、長さや直径などの幾何学的特徴に応じてさまざまな形で存在します。 これらの形態の例には、セルロース マイクロファイバー (CMF)、セルロース ナノファイバー (CNF)、セルロース ナノクリスタル (CNC)、およびセルロース ナノ粒子 (CNP) が含まれます 1、2。 CNF は、生分解性、生体適合性、柔軟性、軽量、高アスペクト比などの独特の特性を備えており、エネルギー貯蔵、医薬品、食品包装、化粧品、構造複合材、ヘルスケアなどの幅広い用途に適しています 1,3。 CNF を調製するために考慮される 2 つの主な戦略は、トップダウンとボトムアップです。 トップダウン戦略では、いくつかの化学的および機械的方法を利用して、天然源から CNF、CNC、CNP を分離することに重点を置いています4。 CNF の分離は非常に簡単ですが、そのサイズが小さすぎるため、繊維や複合材料への用途が制限されます。 したがって、これを大規模な連続フィラメント、いわゆるナノセルロース長フィラメント（NCLF）に拡張することは困難です。

ボトムアップのアプローチは、幅広いスピニング技術を含む NCLF の製造プロセスに焦点を当てています。 溶媒紡糸と溶融紡糸は、合成およびセルロースベースのフィラメントを製造する最も一般的な方法です。 湿式紡糸、乾式紡糸、およびドライジェット湿式紡糸は、いくつかの異なる溶剤紡糸技術です5、6。 エレクトロスピニングは、電場下で繊維の製造を行う方法であり、広く報告されています7。 すべての紡糸手順は、ポリマー前駆体を溶解して紡糸ドープ (懸濁液) を得ることから始まり、紡糸ドープ (懸濁液) は紡糸口金 (ノズル) を通して押し出されます。 湿式紡糸プロセスは、所望の直径のノズルを通して懸濁液を凝固浴または沈殿浴に押し出し、フィラメントを形成することから始まります8。 ドライスピニングでは、ノズルからの押し出し後に熱風を使用して溶媒を蒸発させますが、メルトスピニングでは、懸濁液の押し出しとそれに続く冷却によってフィラメントを調製します9。 フィラメントの製造に使用されるこれらの独特の紡糸技術とは別に、プロセスパラメータ、化学的修飾/処理、機械的延伸またはねじり、電場または磁場調整などの要素も、得られるフィラメントの特性を調整するために使用できます10、11。 12. シリンジ押出による湿式紡糸は、製造されたフィラメントの構造的、機械的、および熱的特性を柔軟に変更できるため、この研究分野で最もよく使用される紡糸技術です。 フィラメントを紡糸するための凝固には、多くの場合、電解質溶液 (NaCl、HCl、H2SO4、C6H8O7) またはアセトンやエタノールなどの有機溶媒が含まれます 13,14。