Ein integriertes Nass

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13137 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die kontinuierliche Produktion hochfester Nanozellulose-Langfilamente (NCLFs) ist in naturfaserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen von entscheidender Bedeutung. Trotz der weit verbreiteten Verfügbarkeit zahlreicher Filamentproduktionsverfahren bleibt die kostengünstige und kontinuierliche Herstellung hochfester NCLFs in großem Maßstab eine ständige Herausforderung. Hier stellen wir ein integriertes Nassspinnsystem vor, das einige zuvor erforschte Filamentproduktionstechniken zur Massenfertigung hochfester kontinuierlicher NCLFs einbezieht. Die Spinngeschwindigkeit wird erhöht, um die NCLF-Produktivität zu verbessern, und die Spulengeschwindigkeiten, die Position des Kollektorspulenwicklers und die NCLF-Trocknungsbedingungen werden abgestimmt. Bei der Spinngeschwindigkeit von 510 cm/min wird eine Produktionsgeschwindigkeit von 4,99 m/min erreicht, fünfmal höher als die Produktivität der früheren Pilotanlage (0,92 m/min). Darüber hinaus werden ein elektrisches Wechselfeld und mechanisches Strecken eingeführt, um die Vielseitigkeit des vorgeschlagenen integrierten Nassspinnsystems hervorzuheben und dadurch die mechanischen Eigenschaften von NCLFs zu verbessern.

Cellulose wird seit mehr als einem Jahrhundert in Form von Ballaststoffen oder ihren Derivaten verwendet. Der Fortschritt der Nanotechnologie hat die Gewinnung von Zellulosefasern im Nanomaßstab beschleunigt und das Gebiet der Zelluloseforschung revolutioniert. Nanozellulose, Nanozellulose genannt, hat sich als Hochleistungsbaustein der Natur erwiesen1. Abhängig von ihren geometrischen Eigenschaften wie Länge und Durchmesser gibt es Nanozellulose in verschiedenen Formen. Beispiele für diese Formen sind Cellulose-Mikrofasern (CMFs), Cellulose-Nanofasern (CNFs), Cellulose-Nanokristalle (CNCs) und Cellulose-Nanopartikel (CNPs)1,2. CNFs verfügen über einzigartige Eigenschaften wie biologische Abbaubarkeit, Biokompatibilität, Flexibilität, geringes Gewicht und ein hohes Aspektverhältnis, wodurch sie für eine Vielzahl von Anwendungen wie Energiespeicherung, Medizin, Lebensmittelverpackung, Kosmetika, Strukturverbundstoffe und Gesundheitswesen geeignet sind1,3. Die beiden primären Strategien, die für die Vorbereitung von CNFs in Betracht gezogen werden, sind Top-Down und Bottom-Up. Die Top-Down-Strategie legt den Schwerpunkt auf die Isolierung von CNFs, CNCs und CNPs aus natürlichen Quellen durch den Einsatz verschiedener chemischer und mechanischer Methoden4. Obwohl die Isolierung von CNFs recht einfach ist, ist ihre Größe zu klein, was ihre Anwendungen für Fasern und Verbundwerkstoffe einschränkt. Daher ist die Ausweitung auf ein großflächiges Endlosfilament, das sogenannte Nanozellulose-Langfilament (NCLF), eine Herausforderung.

Der Bottom-up-Ansatz konzentriert sich auf die Herstellungsprozesse von NCLF, die eine breite Palette von Spinntechniken umfassen. Lösungsmittelspinnen und Schmelzspinnen sind die am weitesten verbreiteten Methoden zur Herstellung synthetischer und zellulosebasierter Filamente. Nassspinnen, Trockenspinnen und Trockenstrahl-Nassspinnen sind einige verschiedene Lösungsmittelspinntechniken5,6. Elektrospinnen ist eine vielfach beschriebene Methode, bei der die Faserherstellung unter einem elektrischen Feld erfolgt7. Alle Spinnverfahren beginnen mit dem Auflösen des Polymervorläufers, um eine Spinnlösung (Suspension) zu erhalten, die dann durch eine Spinndüse (Düse) extrudiert wird. Der Nassspinnprozess beginnt damit, dass die Suspension durch eine Düse mit dem gewünschten Durchmesser in ein Koagulations- oder Fällbad extrudiert wird, um Filamente zu bilden8. Beim Trockenspinnen wird das Lösungsmittel nach der Extrusion aus der Düse mithilfe von Heißluft verdampft, während beim Schmelzspinnen die Filamente durch Extrusion der Suspension und anschließendes Abkühlen hergestellt werden9. Abgesehen von diesen unterschiedlichen Spinntechniken, die für die Herstellung von Filamenten verwendet werden, können auch Faktoren wie Prozessparameter, chemische Modifikationen/Behandlungen, mechanisches Strecken oder Verdrehen und die Ausrichtung elektrischer oder magnetischer Felder verwendet werden, um die Eigenschaften des resultierenden Filaments abzustimmen10,11, 12. Das Nassspinnen durch Spritzenextrusion ist die in diesem Forschungsbereich am häufigsten verwendete Spinntechnik, da es Flexibilität bei der Modifizierung der strukturellen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der hergestellten Filamente bietet. Die Koagulation zum Spinnen von Filamenten umfasst häufig Elektrolytlösung (NaCl, HCl, H2SO4, C6H8O7) oder organische Lösungsmittel wie Aceton und Ethanol13,14.

In den letzten Jahren haben sich Nassspinntechniken wie Spritzenextrusion und Fließfokussierung aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit zu den beliebtesten Methoden zum Spinnen von Filamenten entwickelt, da sie auf der Grundlage der erforderlichen Spezifikationen wie Düsendurchmesser, Koagulans usw. angepasst werden können. Größe und Form des Koagulationsbades, Anzahl der Spulenwickler und Anzahl der Heizquellen. Im Jahr 2011 haben Walther et al. führten ein herkömmliches Nassspinnverfahren zur Herstellung nanofibrillierter Cellulose (NFC)-Mikrofasern ein, indem NFC-Hydrogel in das Koagulationsbad mit Ethanol, Dioxan und Isopropanol extrudiert wurde8. Im Jahr 2017 haben Mohammadi et al. schlugen ein Kapillarextrusionsspinnschema zur Herstellung von NFC durch Extrudieren der wässrigen CNF-Dispersion in ein Koagulationsbad vor15. Andererseits wurde von Kang et al. ein komplizierter Nassspinnaufbau entwickelt. bestehend aus einem Koagulationsbad, drei Waschbädern und dreizehn Walzen, darunter sechs Dehnungswalzen, einer Heizwalze und einer Wickelwalze für die Herstellung von Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren/Polyvinylidenfluorid (PVDF)16. Håkansson et al. erreichten eine CNF-Ausrichtung in einem Flussfokussierungssystem unter Verwendung eines oberflächenladungskontrollierten Gelübergangs in Verbindung mit Hydrodynamik, während Nechyporchuk et al. und Wise et al. berichteten über die Extrusion von CNCs und CNFs in einem Flussfokussierungskanal17,18,19. Darüber hinaus hat unsere Forschungsgruppe kürzlich ein maßgeschneidertes Nassspinnsystem (Pilotsystem) eingeführt, das aus drei Spulenwicklern, einem Koagulationsbad und einem Waschbad besteht, um kontinuierlich CNF-Graphenoxid (CNGO)-Hybridfilamente herzustellen. Das System weist großes Potenzial auf und hat Anerkennung gefunden, da es eine kontinuierliche Produktion von CNF durch die Einführung eines einfachen Nassspinnprozesses ermöglicht20. Darüber hinaus wurde der Einfluss des elektrischen Wechselstromfeldes (AC) auf die CNF-Ausrichtung untersucht, indem der gleiche Nassspinnaufbau mit einigen Modifikationen übernommen wurde 21. Allerdings war die geringe Filamentausbeute ein Nachteil dieses Pilot-Nassspinnsystems kann nur eine maximale Spinngeschwindigkeit (lineare Filamentgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse) von 100 cm/min bieten. Daher ist die Einhaltung der aktuellen NCLF-Produktivitätsstandards bei gleichzeitiger Beibehaltung ihrer mechanischen Eigenschaften ein immer wiederkehrendes Anliegen.

Diese Studie schlägt zum ersten Mal einen umfassenden Ansatz zur Erzielung einer kontinuierlichen Produktion hochfester NCLFs mit einer überlegenen Produktionsrate durch den Einsatz eines integrierten Nassspinnsystems mit zehn Spulenwicklern, einem Koagulationsbad und einem Waschbad vor. Das System bietet außerdem zusätzlichen Spielraum für die Integration der Ausrichtung des elektrischen Feldes, des mechanischen Streckens und der Oberflächenbeschichtung von NCLFs, was die Vielseitigkeit des entwickelten Nassspinnsystems demonstriert. Spinngeschwindigkeit, Spulengeschwindigkeit, NCLF-Trocknung und die Position des Kollektor-Spulenwicklers wurden diskret optimiert, um hochfeste kontinuierliche NCLFs zu erreichen. Zur Optimierung des Systems wurde eine hochraffinierte CNF-Suspension, auch feines CNF genannt, verwendet, und als Gerinnungsmittel wurde Zitronensäure, eine schwache organische Säure, aufgrund ihres günstigen Profils mit geringer Toxizität ausgewählt22. In der Studie wurden mehrere Spinngeschwindigkeiten untersucht, beispielsweise 180, 250, 320 und 510 cm/min, um unterschiedliche NCLF-Produktionsraten zu erreichen. Die hergestellten NCLFs wurden hinsichtlich ihrer Morphologie und mechanischen Eigenschaften analysiert, um die Konsistenz und Nachhaltigkeit des vorgeschlagenen Nassspinnsystems zu bewerten. Darüber hinaus gewährleistet das Design des integrierten Nassspinnsystems die Flexibilität, Filamente mit verschiedenen Spinntechniken herzustellen. Es kann auch Suspensionen mit unterschiedlichen Materialien aufnehmen, wodurch die Möglichkeiten der Filamentherstellung erweitert werden.

Die TEMPO-oxidierte CNF-Suspension mit 2 Gew.-% (1 mmol/g) wurde von der Firma Moorim, Südkorea, bezogen. Die Zitronensäure (99,9 %) wurde von Sigma-Aldrich Co. gekauft. Ein eingebautes Laborreinigungssystem (D7429, Thermo Scientific) wurde zum Sammeln von deionisiertem (DI) Wasser verwendet.36.

Die TEMPO-oxidierte CNF-Suspension mit 2 Gew.-% wurde auf 0,5 Gew.-% verdünnt und in einer Ultrazentrifuge (CP80NX, Hitachi, Japan) 3 Stunden lang bei 45.000 Umdrehungen pro Minute (RPM) fraktioniert, um eine feine CNF-Suspension zu erhalten. Die nach der Fraktionierung erhaltene homogene Mittelschicht wird als Fine CNF bezeichnet. Dieser Vorgang wurde unter den gleichen Bedingungen (45.000 U/min für 3 Stunden) wiederholt, bis eine Endkonzentration von 2 Gew.-% feiner CNF-Suspension erreicht wurde. Die homogene feine CNF-Suspension weist eine durchschnittliche Faserbreite von 2 nm und eine durchschnittliche Faserlänge von 640 nm23 auf. Darüber hinaus wird das Zetapotential von feinem CNF analysiert (Abbildung S1), um die gleichmäßige Partikelverteilung des erhaltenen feinen CNF zu untersuchen. Die 2 Gew.-% feine CNF-Suspension wurde in einem Ultra-Turrax-Homogenisator (T-25, IKA, USA) 10 Minuten lang weiter homogenisiert und in eine klare 50-ml-Spritze (Musashi Engineering, Japan) überführt. Es wurde in einer Hochgeschwindigkeitszentrifuge (Supra 22 K, Hanil Science Co., Ltd., Südkorea) 30 Minuten lang bei 5.000 U/min zentrifugiert, um Luftblasen zu entfernen.

Abbildung 1 zeigt das integrierte Nassspinnsystem, das für die Herstellung von hochfestem, kontinuierlichem NCLF bei gleichzeitiger Erzielung der angestrebten NCLF-Produktivität ausgelegt ist. Das integrierte Nassspinnsystem umfasst einen CNF-Suspensionsspender, ein Koagulationsbad, ein Waschbad, zehn Spulenwickler, drei eingebaute Heizgeräte (zwischen den Spulenwicklern 3 und 9 platziert) mit Temperatursensoren, drei externe 250-W-Infrarot- (IR) Lampen (Philips, BR125, Südkorea) (platziert zwischen Spuler 9 und 10), eine LED-Anzeige und einen Geschwindigkeitsregler.

Das integrierte Nassspinnsystem zur Herstellung von NCLF.

Das Nassspinnen der CNF-Suspension wurde mit einem Präzisionsflüssigkeitsspender (SMP3-C, MUSASHI Engineering, Japan) durchgeführt. Eine PTFE-Düse mit einem Innendurchmesser von 250 µm und einer Länge von 20 mm wurde verwendet, um die CNF-Suspension in das Koagulationsbad zu extrudieren, das 0,2 Gew.-% Zitronensäure enthielt. Einfache Ionenaustauschphänomene beeinflussen die Koagulation der feinen CNF-Suspension im 0,2 Gew.-%igen Zitronensäurelösungsbad während des Nassspinnprozesses zur Herstellung von Filamenten21. Der erste Spuler transportiert die im Koagulationsbad gebildeten Filamente zu einem Waschbad, das DI-Wasser enthält. Die Position und Bewegung der Spulenwickler werden sorgfältig kalibriert, um die erfolgreiche Herstellung kontinuierlicher NCLFs zu gewährleisten. Der zweite Spuler ist 65 cm vom ersten Spuler entfernt positioniert, um das Waschbad aufzunehmen. Die Spulen 3 bis 9 haben einen Abstand von 13–14 cm voneinander, damit der Bediener die Filamente während der NCLF-Herstellung handhaben kann. Für die kontinuierliche Bewegung der NCLFs vom ersten zum Sammelspulenwickler sind die Spulenwickler 1, 2, 4, 6, 8 und 10 so programmiert, dass sie sich im Uhrzeigersinn drehen, während sich die Spulenwickler 3, 5, 7 und 9 gegen den Uhrzeigersinn drehen. Der Sammelspulenwickler wird 2,35 m vom neunten Spulenwickler entfernt platziert, um die Trocknungszeit und Form der resultierenden NCLFs anzupassen. Da die Position des Kollektor-Spulenwicklers auch eine entscheidende Rolle für die Morphologie und die mechanischen Eigenschaften der hergestellten NCLFs spielt, wurde die ideale Position des Kollektor-Spulenwicklers experimentell optimiert und in einem spitzen Winkel zum neunten Spulenwickler gehalten24. Der Geschwindigkeitsregler besteht aus einem Notdruckknopf und zehn einzelnen roten und grünen Schaltern zum Erhöhen bzw. Verringern der Drehzahl der Spuler. Das LED-Display zeigt die EIN/AUS-Steuerung des Systems, die Drehzahl jedes Spulenwicklers und die Temperaturen der drei eingebauten Heizungen an. Es bietet auch Optionen zum Speichern/Abrufen von Programmen. Nachdem die Geschwindigkeiten der Spuler entsprechend der gewählten Spinngeschwindigkeit optimiert wurden, können die Drehzahlen aller zehn Spuler, einschließlich der Temperaturen der drei eingebauten Heizungen, als Programm gespeichert werden. Das gewünschte Programm kann je nach Bedarf des Bedieners abgerufen werden. Das mechanische Strecken von NCLFs kann auch durch diskrete Steuerung der Geschwindigkeiten der bevorzugten Spulenwickler erreicht werden. Somit bietet das integrierte Nassspinnsystem Vielseitigkeit bei der Verarbeitung, Produktion, Oberflächenmodifikation und Ausrichtung von NCLFs.

Das System bietet außerdem Flexibilität bei der Durchführung von Oberflächenbeschichtungsexperimenten an NCLFs, indem ein externes Bad neben dem neunten Spulenwickler installiert wird. Der Betreiber kann dieses externe Bad nach Wunsch ein- oder ausbauen. Das integrierte System kann auch einen externen Verstärker (TERK 609A-1, PolyK Technologies, USA) und einen beliebigen Signalgenerator (Keysight 33220A, Agilent, USA) aufnehmen, um die Bereitstellung eines elektrischen Wechselfelds in Verbindung mit dem Nassspinnprozess zu erleichtern bessere Ausrichtung der NCLFs21. Die Oberflächenbeschichtung von NCLFs mit verestertem Poly(vinylalkohol)-Zitronensäure-Lignin (E-PCL)-Harz unter Verwendung des integrierten Nassspinnsystems wurde von unserer Forschungsgruppe bereits demonstriert25. Um die Reproduzierbarkeit von NCLFs zu gewährleisten, wird das integrierte Nassspinnsystem in einem Reinraum bei konstanter Temperatur (25 °C) und relativer Luftfeuchtigkeit (40 %) installiert.

Die Festigkeit, Zähigkeit und Form der hergestellten NCLFs in einem kontinuierlichen Nassspinnsystem hängen stark von der Position des Kollektorspulenwicklers ab24. Die optimale Spinngeschwindigkeit von 30 cm/min, die in der vorherigen Forschung verwendet wurde, wurde ausgewählt, um das Experiment zu beginnen und die anfängliche Spinngeschwindigkeit zu bestimmen, die mit dem integrierten Nassspinnsystem kompatibel ist21. Die Robustheit des Drehzahlsatzes für Spulenwickler, die auf die Spinngeschwindigkeit abgestimmt sind, und die Stabilität des integrierten Nassspinnsystems wurden anhand der Fähigkeit des Systems bewertet, eine Stunde lang kontinuierliche NCLFs ohne Bruch zu produzieren. Da die Spinngeschwindigkeit von 30 cm/min für das integrierte Nassspinnsystem relativ niedrig ist, wurden die NCLFs an der Luft getrocknet, bevor sie auf die Sammelspulenmaschine aufgewickelt wurden. Die Position des Sammelspulers ist wie in Fall 1 von Abb. 2a dargestellt. Dadurch waren für die NCLF-Trocknung weder eingebaute noch externe Heizgeräte erforderlich. Das beobachtete Trocknungsphänomen kann auf die erhöhte Anzahl von Spulenwicklern zurückgeführt werden, die im Vergleich zum Pilot-Nassspinnsystem, das nur über drei Spulenwickler verfügte, die Zeit verlängerte, die NCLFs brauchten, um den Kollektor-Spulenwickler zu erreichen. Die Spinngeschwindigkeit wurde auf 100 cm/min erhöht, um die Zeit zu verkürzen, die die NCLFs zum Erreichen der Sammelspulenmaschine benötigen, und um zu verhindern, dass NCLFs an der Luft trocknen. Die Geschwindigkeit der Spuler wurde nochmals dezent an die Spinngeschwindigkeit von 100 cm/min angepasst. Die dritte eingebaute Heizung wurde für die Trocknung von NCLFs auf 50 °C eingestellt. Die Position des Kollektor-Spulenwicklers blieb wie in Fall 1 konstant. Die Spinngeschwindigkeit wurde weiter auf 180 cm/min erhöht, um die Position des Kollektor-Spulenwicklers zu optimieren und die NCLF-Trocknung und Morphologie in Fall 2 zu berücksichtigen (Abb. 2b). Für die NCLF-Trocknung wurden zwei von drei externen IR-Lampen verwendet, während die eingebauten Heizgeräte ausgeschaltet waren.

Die Positionen des zehnten Spulers vom neunten Spuler (a) Fall 1: anfänglicher Abstand von 65 cm entfernt und (b) Fall 2: optimierter Abstand von 2,35 m entfernt.

Die NCLF-Abtriebsgeschwindigkeit hängt von der Winkelgeschwindigkeit der Spule ab:

Dabei ist \(v\) die NCLF-Ausgangsgeschwindigkeit (m/min), \(N\) die Drehzahl des Spulenwicklers und r der Radius des Kollektor-Spulenwicklers (m). Bei der gewählten Spinngeschwindigkeit von 180 cm/min beträgt die NCLF-Ausgangsgeschwindigkeit 1,69 m/min, was für eine kontinuierliche Produktion niedrig ist. Um die Produktivität von NCLF zu steigern, wurden außerdem drei verschiedene Spinngeschwindigkeiten untersucht: 250, 320 und 510 cm/min. Insbesondere ist ein gewisses Maß an Dehnung unvermeidbar, wenn die Spulengeschwindigkeiten so konfiguriert werden, dass sie der angewendeten Spinngeschwindigkeit entsprechen, um eine erfolgreiche Produktion von NCLF ohne Bruch sicherzustellen. Tabelle 1 zeigt die Parameterkonfiguration des integrierten Nassspinnsystems.

Die Morphologie der hergestellten NCLFs im integrierten Nassspinnsystem wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM, JSM-6400 F, JEOL, Japan) charakterisiert. Ein Ionensputter-Beschichter (K575x, EMITECH, Frankreich) wurde verwendet, um vor der Bildgebung eine dünne Platinschicht auf den Proben abzuscheiden.

Die mechanischen Tests der hergestellten NCLFs wurden gemäß der Norm ASTM D-882–97 mit einer Universalprüfmaschine (Unitest, TESTONE, Südkorea) durchgeführt. Für jede Bedingung wurden zehn Proben vorbereitet und getestet, um die mechanischen Eigenschaften zu analysieren. Für den Test wurde eine 5-kgf-Wägezelle verwendet. Die Probenlänge wurde auf 10 mm gehalten und für den Test wurde eine konstante Dehnungsgeschwindigkeit von 0,15 mm/min gewählt. Die relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur wurden während des gesamten Tests bei 15 % und 25 °C gehalten. Die Fläche der NCLFs wurde anhand der Bruchfläche von REM-Querschnittsbildern der Probe mithilfe einer Software (Davo lite Version 1.0) gemessen.

Für den Versuchsfall 121 wurde eine Spinngeschwindigkeit von 30 cm/min gewählt. Die Drehzahl jedes Spulenwicklers wurde individuell konfiguriert, um eine kontinuierliche Bewegung der NCLFs durch die Spulenwickler ohne Bruch sicherzustellen. Um die Qualität der NCLFs zu bestimmen, wurden mechanische Tests und morphologische Analysen an den hergestellten NCLFs durchgeführt, die vom Kollektor-Spulenwickler gesammelt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Festigkeit und Zähigkeit der NCLFs im Vergleich zu den NCLFs, die im Pilot-Nassspinnsystem hergestellt wurden, erheblich beeinträchtigt waren. Die REM-Querschnittsbilder der NCLFs zeigten ebenfalls eine unregelmäßige Form (Abb. 3a). Die relativ geringen mechanischen Eigenschaften dieser NCLFs können auf eine schwache Wasserstoffbindung zwischen den NCLFs zurückzuführen sein, die durch träge Lufttrocknung während der ständigen Bewegung durch die Spulenwickler entsteht. Die Trocknungszeit und -temperatur gelten als wichtige Parameter zur Bestimmung der Festigkeit hergestellter NCLFs. Die abnormalen Vortrocknungsbedingungen können zur Bildung von Mikroblasen in NCLFs beitragen, was zu fehlerhaften NCLFs führt26. Wie in Abb. 3b gezeigt, zeigten die mit einer Spinngeschwindigkeit von 100 cm/min hergestellten NCLFs eine vergleichbare Morphologie wie die mit 30 cm/min hergestellten NCLFs, was auf schlechte Trocknungsbedingungen zurückzuführen ist.

Querschnitts-REM-Bild von NCLFs, die mit einer Spinngeschwindigkeit von (a) 30 cm/min, (b) 100 cm/min und (c) 180 cm/min hergestellt wurden.

Daher wurde die Spinngeschwindigkeit weiter auf 180 cm/min erhöht, um die Position des Sammelspulers bei der Case-2-Konfiguration zu optimieren. Da die Spinngeschwindigkeit von 180 cm/min im Vergleich zu 30 und 100 cm/min relativ hoch ist, bietet sie mehr Spielraum für die Untersuchung der Auswirkung der NCLF-Trocknung durch externe IR-Lampen auf die mechanischen Eigenschaften von NCLFs. Abbildung 3c zeigt die Querschnitts-REM-Bilder von NCLFs, die mit 180 cm/min hergestellt wurden. Das mit 180 cm/min hergestellte Querschnittsbild des NCLF zeigt im Vergleich zu früheren Versuchen ein bevorzugtes kreisförmiges NCLF. Die abnormalen Morphologien der NCLFs bei 30 und 100 cm/min können auf die schlechten Trocknungsbedingungen und die ungeeignete Positionierung des Kollektor-Spulenwicklers zurückgeführt werden.

Abbildung 4a,b zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven und mechanischen Eigenschaften von NCLFs mit unterschiedlichen Spinngeschwindigkeiten. Die bei einer Spinngeschwindigkeit von 180 cm/min hergestellten NCLFs zeigten eine Zugfestigkeit von 281,8 MPa und eine Zähigkeit von 11,8 MJ/m3 ohne Beeinträchtigung der Bruchdehnung (5,2 %). Bei allen getesteten Spinngeschwindigkeiten lässt sich anhand der Analyse der Morphologie und der mechanischen Eigenschaften feststellen, dass 180 cm/min die anfängliche Spinngeschwindigkeit ist, die mit dem integrierten Nassspinnsystem kompatibel ist. Es wird auch beobachtet, dass Spinngeschwindigkeiten unter 180 cm/min die Qualität der NCLFs verändern können, da sie die NCLF-Trocknungsbedingungen beeinträchtigen können. Auch die Position des Kollektorwicklers, wie in Abb. 2b dargestellt, war ideal, da sie die NCLF-Trocknung mit externen IR-Lampen ermöglichte, was zu hochwertigen NCLFs führte24. Dies ist auf die perfekte NCLF-Trocknung ohne Unterbrechungen zwischen dem neunten und dem Sammelspulenwickler zurückzuführen, da nur eine einzige horizontale Ebene zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu bewegen sich NCLFs beim Trocknen mit den eingebauten Heizgeräten ständig durch den Spuler, wodurch ihre mechanische Festigkeit erheblich verringert wird, da sie in ihrem nassen Zustand gestört werden24. Darüber hinaus sind Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit und Zähigkeit der NCLFs, die mit 180 cm/min im integrierten Nassspinnsystem hergestellt wurden, mit den NCLFs vergleichbar, die im Pilotsystem mit 100 cm/min hergestellt wurden.

(a) Spannungs-Dehnungs-Kurven von NCLFs, die bei unterschiedlichen Spinngeschwindigkeiten hergestellt wurden, im Vergleich zu NCLFs, die mit dem Pilotsystem bei 100 cm/min hergestellt wurden, (b) Balkendiagramme, die die mechanischen Eigenschaften der hergestellten NCLFs aus jedem Zustand zusammenfassen, (c) Spannungs- Dehnungskurve von NCLFs, die bei unterschiedlichen Spinngeschwindigkeiten im integrierten Nassspinnsystem hergestellt wurden, und (d) Balkendiagramm, das die mechanischen Eigenschaften der hergestellten NCLFs aus jedem Zustand zusammenfasst.

Eine Erhöhung der Spinngeschwindigkeit führt zu einer gesteigerten Produktivität von NCLF. Daher wurde die Spinngeschwindigkeit von 250 cm/min gewählt, was schneller ist als 180 cm/min, und die Spulengeschwindigkeit wurde sorgfältig auf die Spinngeschwindigkeit abgestimmt. Die mechanischen Eigenschaften und die Morphologie von NCLFs wurden analysiert, um die Qualität des NCLF zu bestimmen, das durch die ausgewählte Spinngeschwindigkeit erzeugt wird. Die Ergebnisse zeigten, dass die hergestellten NCLFs ein ähnliches Verhalten wie die zuvor mit einer Spinngeschwindigkeit von 180 cm/min hergestellten NCLFs zeigten, mit einer leichten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Die Morphologieanalyse mittels SEM ergab außerdem, dass die NCLFs auch die bevorzugte Kreisform beibehielten. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde versucht, die NCLF-Produktivität mit Spinngeschwindigkeiten von 320 und 510 cm/min zu steigern. NCLFs wurden hergestellt, nachdem die Spulengeschwindigkeit auf die gewählten Spinngeschwindigkeiten von 320 und 510 cm/min eingestellt wurde. Vergleichbar mit den Ergebnissen von NCLFs, die bei Spinngeschwindigkeiten von 180 und 250 cm/min hergestellt wurden, zeigten die mechanischen Eigenschaften und Morphologien der NCLFs, die bei Spinngeschwindigkeiten von 320 und 510 cm/min hergestellt wurden, ebenfalls hervorragende Ergebnisse. Somit erweisen sich diese Spinngeschwindigkeiten als wünschenswert für die kontinuierliche Herstellung hochfester NCLFs.

Abbildung 4c,d zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven und die mechanischen Eigenschaften von NCLFs, die bei unterschiedlichen Spinngeschwindigkeiten hergestellt wurden. Tabelle 2 fasst die mechanischen Eigenschaften von NCLFs zusammen, die bei verschiedenen Spinngeschwindigkeiten hergestellt wurden. Die mechanischen Eigenschaften von NCLFs haben mit zunehmender Spinngeschwindigkeit deutlich zugenommen. Der fortschreitende Trend bei den mechanischen Eigenschaften von NCLFs kann auf die Wirkung von Scherspannungen zurückgeführt werden, die im Inneren der Nadel mit zunehmender Spinngeschwindigkeit erzeugt werden und die Verringerung der NCLF-Fläche begünstigen10. Der Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit von NCLFs, die mit einer Spinngeschwindigkeit von 510 cm/min hergestellt wurden, wurden im Vergleich zu NCLFs, die mit 180 cm/min hergestellt wurden, um 24 % bzw. 15 % verbessert. Die Bruchdehnung und Zähigkeit von NCLFs bleiben bei allen versuchten Spinngeschwindigkeiten im erwarteten Bereich. Die Formen der NCLFs, die bei Spinngeschwindigkeiten von 250, 320 und 510 cm/min hergestellt wurden, zeigen in den REM-Querschnittsbildern ebenfalls eine bevorzugte nahezu kreisförmige Form (Abb. 5).

SEM-Querschnittsbilder von NCLFs, die bei Spinngeschwindigkeiten (a) 250, (b) 320 und (c) 510 cm/min hergestellt wurden.

Für die Experimente mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten im Bereich von 250 bis 510 cm/min wurden nur die externen IR-Lampen zur NCLF-Trocknung eingesetzt. Darüber hinaus wurde die Stabilität des integrierten Nassspinnsystems zur kontinuierlichen Produktion von NCFLs mit höheren Spinngeschwindigkeiten (320 und 510 cm/min) auch anhand seiner Fähigkeit bewertet, eine kontinuierliche Produktion von NCLFs eine Stunde lang aufrechtzuerhalten. Das integrierte Nassschleudersystem hat sich bei allen getesteten Schleudergeschwindigkeiten als stabil erwiesen. Mit der Erhöhung der Spinngeschwindigkeiten auf 250, 320 und 510 cm/min hat sich die NCLF-Leistung dramatisch auf 2,39, 3,13 bzw. 4,99 m/min verbessert. Die Produktivität von NCLF hat sich mit dem integrierten Nassspinnsystem im Vergleich zum Pilotsystem um das Fünffache verbessert. Abbildung S2 zeigt den NCLF, der bei der maximalen Schleudergeschwindigkeit von 510 cm/min hergestellt und auf der Sammelwalze gesammelt wird. Die NCLF-Produktionsrate kann weiter verbessert werden, indem die Spinngeschwindigkeit erhöht und mehr Heizquellen für die NCLF-Trocknung eingebaut werden.

Der Einfluss externer NCLF-Ausrichtungstechniken wie elektrisches Wechselfeld und mechanisches Strecken wurde ebenfalls mithilfe des integrierten Nassspinnsystems untersucht, um dessen Flexibilität und Anpassungsfähigkeit zu untersuchen. Nach früheren Untersuchungen wurde während der Nassextrusion der CNF-Suspension21 ein elektrisches Wechselfeld von 300 V (100 Hz) angelegt. Die anfängliche Spinngeschwindigkeit wurde bei 510 cm/min (4,9 % Streckung) gehalten und eine zusätzliche 5 %ige Streckung wurde zwischen Nr. 3 und nein. 9 Spulenwickler in Verbindung mit der NCLF-Herstellung unter Verwendung von 300 V. Abbildung 6a und b zeigen die REM-Querschnittbilder von NCLFs, die unter 300 V hergestellt wurden, bzw. NCLFs, die durch die Kombination von 300 V und 5 % Dehnung hergestellt wurden. Aus Abb. 6b ist ersichtlich, dass die NCLF-Fläche abnimmt, wenn die NCLF-Ausrichtung unter elektrischer Wechselspannung und Dehnung zunimmt. Daher ändert sich die NCLF-Form von kreisförmig zu oval21.

Querschnitts-REM-Bilder von NCLFs, die unter (a) einer elektrischen Wechselspannung von 300 V hergestellt wurden, (b) mit 300 V und 5 % Dehnung (c) Spannungs-Dehnungs-Kurve der hergestellten NCLFs aus jedem Zustand.

Abbildung 6c zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven der NCLFs, die unter Einbeziehung von 300 V und 5 % Dehnung hergestellt wurden, im Vergleich zu den NCLFs, die ohne Wechselstromfeld und Dehnung (510 cm/min) hergestellt wurden. Tabelle 3 fasst die mechanischen Eigenschaften zusammen. Eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wird auf die Flächenverkleinerung der NCLFs unter dem Wechselstromfeld zurückgeführt21. Das beobachtete Ergebnis kann auf die dichte Packung einzelner CNFs im NCLF und die Bildung starker Wasserstoffbrückenbindungen zurückgeführt werden, die durch geeignete Trocknungsbedingungen erleichtert werden. Der Elastizitätsmodul, die Zugfestigkeit und die Zähigkeit von NCLFs, die unter einer Kombination von 300 V und 5 % Dehnung hergestellt wurden, zeigten unter allen getesteten Bedingungen überlegene Eigenschaften.

Ein integriertes Nassspinnsystem wurde speziell entwickelt, um kontinuierliches hochfestes NCLF im Labormaßstab herzustellen. Das entwickelte Nassspinnsystem wurde getestet, indem die Spinngeschwindigkeit erhöht und Schlüsselparameter wie Spulengeschwindigkeit, Kollektorspulenposition und NCLF-Trocknungszustand angepasst wurden. Die mechanischen Eigenschaften und die Morphologie der hergestellten NCLFs wurden getestet, um die Systemleistung zu bewerten. Die Spinngeschwindigkeit des integrierten Nassspinnsystems wurde durch Abstimmung anderer Parameter auf 180 cm/min erhöht und zur Verbesserung der NCLF-Produktivität weiter auf 250, 310 und 510 cm/min erhöht. Die höchste Spinngeschwindigkeit von 510 cm/min führte zu einer maximalen NCLF-Produktionsrate von 4,99 m/min, fünfmal höher als die des vorherigen Pilotsystems (0,92 m/min) und mit besseren mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu CNF, das mit anderen Spinnsystemen hergestellt wurde. Der synergetische Effekt von elektrischem Feld und mechanischer Dehnung auf die NCLF-Ausrichtung wurde ebenfalls untersucht, um die Vielseitigkeit des integrierten Nassspinnsystems zu demonstrieren. Diese Forschung zeigt die Möglichkeit des integrierten Nassspinnsystems zur Massenproduktion von langen Filamenten auf Nanozellulosebasis mit Anpassungsfähigkeit durch maßgeschneiderte Anpassung an anwendungsspezifische Eigenschaften. Das System kann auch für die großtechnische Produktion multifunktionaler Nanozellulosefilamente mit Hybridmaterialien angepasst werden. Darüber hinaus ist dieses integrierte Nassspinnsystem flexibel und anpassungsfähig und ermöglicht die Produktion verschiedener Filamente in großem Maßstab, indem es reine und hybride Suspensionen ermöglicht.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die National Research Foundation of Korea unterstützte diese Forschung durch das Creative Research Initiatives Program (NRF-2015R1A3A2066301).

Creative Research Center for Nanocellulose Future Composites, Inha University, 100 Inha-ro, Michuhol-ku, Incheon, 22212, Republik Korea

Pooja S. Panicker & Jaehwan Kim

University of Michigan, Ann Arbor, MI, 48109, USA

Hyun Chan Kim

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Konzeptualisierung, JK und PSP; Datenkuration und Experimente, PSP und HCK; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, PSP; Visualisierung, HCK; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, JK; Betreuung, JK Alle Autoren haben die endgültige Fassung des Manuskripts genehmigt.

Korrespondenz mit Jaehwan Kim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Panicker, PS, Kim, HC & Kim, J. Ein integriertes Nassspinnsystem zur kontinuierlichen Herstellung hochfester Nanozellulose-Langfilamente. Sci Rep 13, 13137 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40462-5

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Eingegangen: 23. März 2023

Angenommen: 10. August 2023

Veröffentlicht: 12. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40462-5

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