통합된 습식

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13137(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

고강도 NCLF(나노셀룰로오스 장섬유)의 지속적인 생산은 천연 섬유 강화 고분자 복합재에 매우 중요합니다. 수많은 필라멘트 생산 공정이 광범위하게 이용 가능함에도 불구하고 고강도 NCLF를 대규모로 비용 효율적이고 지속적으로 제조하는 것은 여전히 ​​진행 중인 과제로 남아 있습니다. 여기서는 고강도 연속 NCLF를 대량 제작하기 위해 이전에 연구된 몇 가지 필라멘트 생산 기술을 통합하여 통합 습식 방사 시스템을 제시합니다. NCLF 생산성 향상을 위해 방사속도를 증가시켰으며, 보빈와인더 속도, 컬렉터 보빈와인더 위치, NCLF 건조 조건을 튜닝하였습니다. 510cm/min의 방사 속도에서는 4.99m/min의 생산 속도를 달성하며, 이는 기존 파일럿 시스템의 생산성(0.92m/min)보다 5배 높은 생산성입니다. 또한 제안된 통합 습식 방사 시스템의 다양성을 강조하기 위해 AC 전기장과 기계적 연신을 도입하여 NCLF의 기계적 특성을 향상시킵니다.

셀룰로오스는 한 세기 이상 섬유질이나 그 파생물의 형태로 활용되어 왔습니다. 나노기술의 발전으로 나노 규모의 셀룰로오스 섬유 추출이 가속화되어 셀룰로오스 연구 분야에 혁명이 일어났습니다. 나노셀룰로오스라고 불리는 나노 크기의 셀룰로오스는 자연의 고성능 구성 요소임이 입증되었습니다1. 나노셀룰로오스는 길이, 직경 등 기하학적 특성에 따라 다양한 형태로 존재합니다. 이러한 형태의 예로는 셀룰로오스 마이크로섬유(CMF), 셀룰로오스 나노섬유(CNF), 셀룰로오스 나노결정(CNC) 및 셀룰로오스 나노입자(CNP)1,2가 있습니다. CNF는 생분해성, 생체 적합성, 유연성, 경량 및 높은 종횡비와 같은 고유한 특성을 갖고 있어 에너지 저장, 의약품, 식품 포장, 화장품, 구조 복합재 및 의료 등 광범위한 응용 분야에 적합합니다1,3. CNF 준비를 위해 고려되는 두 가지 주요 전략은 하향식과 상향식입니다. 하향식 전략은 여러 화학적, 기계적 방법4을 활용하여 천연 자원으로부터 CNF, CNC 및 CNP를 분리하는 것을 강조합니다. CNF의 분리는 매우 간단하지만 크기가 너무 작아 섬유 및 복합재에 대한 적용이 제한됩니다. 따라서 이를 대규모 연속 필라멘트인 NCLF(나노셀룰로오스 장섬유)로 확장하는 것은 어려운 일입니다.

상향식 접근 방식은 광범위한 방사 기술을 포함하는 NCLF의 제조 공정에 중점을 둡니다. 용매 방사 및 용융 방사는 합성 및 셀룰로오스 기반 필라멘트를 생산하는 가장 일반적인 방법입니다. 습식 회전, 건식 회전 및 건식 제트 습식 회전은 몇 가지 다른 용매 회전 기술5,6입니다. 전기방사는 전기장에서 섬유 제조가 발생하는 널리 보고된 방법입니다. 모든 방사 절차는 중합체 전구체를 용해하여 방사 도프(현탁액)를 얻은 다음 방사구금(노즐)을 통해 압출하는 것으로 시작됩니다. 습식 방사 공정은 원하는 직경의 노즐을 통해 현탁액을 응고 또는 침전조로 압출하여 필라멘트를 형성하는 것으로 시작됩니다8. 건식 방사에서는 노즐에서 압출된 후 뜨거운 공기를 사용하여 용매가 증발되는 반면, 용융 방사에서는 현탁액을 압출한 후 냉각하여 필라멘트를 제조합니다9. 필라멘트 제조에 사용되는 이러한 독특한 방사 기술 외에도 공정 매개변수, 화학적 변형/처리, 기계적 스트레칭 또는 비틀림, 전기장 또는 자기장 정렬과 같은 요소를 사용하여 결과 필라멘트의 특성을 조정할 수도 있습니다10,11, 12. 주사기 압출에 의한 습식 방사는 제작된 필라멘트의 구조적, 기계적 및 열적 특성을 수정하는 유연성을 제공하기 때문에 이 연구 분야에서 가장 많이 사용되는 방사 기술입니다. 방사 필라멘트의 응고에는 종종 전해질 용액(NaCl, HCl, H2SO4, C6H8O7) 또는 아세톤 및 에탄올과 같은 유기 용매가 포함됩니다13,14.