Un bagnato integrato

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13137 (2023) Citare questo articolo

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La produzione continua di filamenti lunghi di nanocellulosa ad alta resistenza (NCLF) è fondamentale nei compositi polimerici rinforzati con fibre naturali. Nonostante l’ampia disponibilità di numerosi processi di produzione di filamenti, la fabbricazione economica e continua di NCLF ad alta resistenza su larga scala rimane una sfida continua. Qui, presentiamo un sistema integrato di filatura a umido incorporando alcune tecniche di produzione di filamenti precedentemente ricercate per fabbricare in serie NCLF continui ad alta resistenza. La velocità di filatura viene aumentata per migliorare la produttività dell'NCLF e vengono regolate le velocità dell'avvolgitore della bobina, la posizione dell'avvolgitore della bobina del raccoglitore e le condizioni di asciugatura dell'NCLF. Alla velocità di filatura di 510 cm/min si raggiunge una velocità di produzione di 4,99 m/min, cinque volte superiore alla produttività del precedente sistema pilota (0,92 m/min). Inoltre, vengono introdotti un campo elettrico CA e uno stiramento meccanico per evidenziare la versatilità del sistema integrato di filatura a umido proposto, migliorando così le proprietà meccaniche degli NCLF.

La cellulosa viene utilizzata sotto forma di fibra o suoi derivati ​​da più di un secolo. Il progresso della nanotecnologia ha accelerato l’estrazione delle fibre di cellulosa su scala nanometrica, rivoluzionando il campo della ricerca sulla cellulosa. La cellulosa nanometrica, chiamata nanocellulosa, ha dimostrato di essere un elemento costitutivo della natura ad alte prestazioni1. La nanocellulosa esiste in diverse forme a seconda delle loro caratteristiche geometriche, come lunghezza e diametro. Esempi di queste forme includono microfibre di cellulosa (CMF), nanofibre di cellulosa (CNF), nanocristalli di cellulosa (CNC) e nanoparticelle di cellulosa (CNP)1,2. I CNF possiedono caratteristiche uniche come biodegradabilità, biocompatibilità, flessibilità, leggerezza e proporzioni elevate, che li rendono adatti per un'ampia gamma di applicazioni come stoccaggio di energia, medicina, imballaggio alimentare, cosmetici, compositi strutturali e assistenza sanitaria1,3. Le due principali strategie considerate per la preparazione dei CNF sono top-down e bottom-up. La strategia top-down enfatizza l’isolamento di CNF, CNC e CNP da fonti naturali utilizzando diversi metodi chimici e meccanici4. Sebbene l’isolamento delle CNF sia abbastanza semplice, le sue dimensioni sono troppo piccole, limitandone le applicazioni per fibre e compositi. Pertanto, estenderlo a un filamento continuo su larga scala, il cosiddetto filamento lungo di nanocellulosa (NCLF), è una sfida.

L’approccio dal basso verso l’alto si concentra sui processi di fabbricazione dell’NCLF, che comprendono un’ampia gamma di tecniche di filatura. La filatura a solvente e la filatura a fusione sono i metodi più diffusi per la produzione di filamenti sintetici e a base di cellulosa. La filatura a umido, la filatura a secco e la filatura a getto secco sono alcune diverse tecniche di filatura con solvente5,6. L'elettrofilatura è un metodo ampiamente diffuso in base al quale la fabbricazione delle fibre avviene in un campo elettrico7. Tutte le procedure di filatura iniziano con la dissoluzione del precursore del polimero per ottenere una pasta di filatura (sospensione) che viene poi estrusa attraverso una filiera (ugello). Il processo di filatura a umido inizia con l'estrusione della sospensione attraverso un ugello del diametro desiderato in un bagno di coagulazione o precipitazione per formare filamenti8. Nella filatura a secco il solvente viene evaporato mediante aria calda dopo l'estrusione dall'ugello, mentre nella filatura a fusione i filamenti vengono preparati mediante estrusione della sospensione seguita da raffreddamento9. Oltre a queste distinte tecniche di filatura impiegate per la fabbricazione dei filamenti, fattori quali parametri di processo, modificazioni/trattamenti chimici, stiramento o torsione meccanica e allineamento del campo elettrico o magnetico possono essere utilizzati anche per ottimizzare le proprietà del filamento risultante10,11, 12. La filatura a umido mediante estrusione con siringa è la tecnica di filatura più utilizzata in questo campo di ricerca poiché fornisce flessibilità nel modificare le proprietà strutturali, meccaniche e termiche dei filamenti fabbricati. La coagulazione per la filatura dei filamenti include spesso una soluzione elettrolitica (NaCl, HCl, H2SO4, C6H8O7) o solventi organici come acetone ed etanolo13,14.