Um molhado integrado

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13137 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A produção contínua de filamentos longos de nanocelulose de alta resistência (NCLFs) é crítica em compósitos poliméricos reforçados com fibras naturais. Apesar da ampla disponibilidade de numerosos processos de produção de filamentos, a fabricação contínua e econômica de NCLFs de alta resistência em larga escala continua sendo um desafio contínuo. Aqui, apresentamos um sistema integrado de fiação úmida, incorporando algumas técnicas de produção de filamentos previamente pesquisadas para fabricar em massa NCLFs contínuos de alta resistência. A velocidade de fiação é aumentada para melhorar a produtividade do NCLF, e as velocidades do enchedor de bobina, a localização do enchedor de bobina do coletor e as condições de secagem do NCLF são ajustadas. Na velocidade de fiação de 510 cm/min, é alcançada uma taxa de produção de 4,99 m/min, cinco vezes maior que a produtividade do antigo sistema piloto (0,92 m/min). Além disso, um campo elétrico CA e alongamento mecânico são introduzidos para destacar a versatilidade do sistema integrado de fiação úmida proposto, melhorando assim as propriedades mecânicas dos NCLFs.

A celulose tem sido utilizada na forma de fibra ou seus derivados há mais de um século. O avanço da nanotecnologia acelerou a extração de fibras de celulose em nanoescala, revolucionando o campo da pesquisa em celulose. A celulose nanométrica, chamada nanocelulose, provou ser um componente da natureza de alto desempenho1. A nanocelulose existe em diferentes formas dependendo de suas características geométricas, como comprimento e diâmetro. Exemplos dessas formas incluem microfibras de celulose (CMFs), nanofibras de celulose (CNFs), nanocristais de celulose (CNCs) e nanopartículas de celulose (CNPs)1,2. Os CNFs possuem características únicas, como biodegradabilidade, biocompatibilidade, flexibilidade, leveza e alta proporção, tornando-os adequados para uma ampla gama de aplicações, como armazenamento de energia, medicamentos, embalagens de alimentos, cosméticos, compósitos estruturais e saúde1,3. As duas principais estratégias consideradas para a preparação de CNFs são de cima para baixo e de baixo para cima. A estratégia de cima para baixo enfatiza o isolamento de CNFs, CNCs e CNPs de fontes naturais, utilizando vários métodos químicos e mecânicos4. Embora o isolamento de CNFs seja bastante simples, seu tamanho é muito pequeno, limitando suas aplicações em fibras e compósitos. Assim, estendê-lo a um filamento contínuo em larga escala, o chamado filamento longo de nanocelulose (NCLF), é um desafio.

A abordagem ascendente concentra-se nos processos de fabricação de NCLF, que incluem uma ampla gama de técnicas de fiação. A fiação com solvente e a fiação por fusão são os métodos mais prevalentes para a produção de filamentos sintéticos e à base de celulose. A fiação úmida, a fiação a seco e a fiação úmida com jato seco são algumas técnicas diferentes de fiação com solvente5,6. A eletrofiação é um método amplamente divulgado pelo qual a fabricação de fibras ocorre sob um campo elétrico7. Todos os procedimentos de fiação começam com a dissolução do precursor do polímero para obter um dope de fiação (suspensão) que é então extrudado através de uma fieira (bocal). O processo de fiação úmida começa com a extrusão da suspensão através de um bico de diâmetro desejado em um banho de coagulação ou precipitação para formar filamentos8. Na fiação a seco, o solvente é evaporado com ar quente após extrusão do bico, enquanto na fiação por fusão, os filamentos são preparados por extrusão da suspensão seguida de resfriamento9. Além dessas técnicas de fiação distintas empregadas para a fabricação de filamentos, fatores como parâmetros de processo, modificações/tratamentos químicos, estiramento ou torção mecânica e alinhamento de campo elétrico ou magnético também podem ser usados ​​para ajustar as propriedades do filamento resultante . 12. A fiação úmida por extrusão de seringa é a técnica de fiação mais utilizada neste campo de pesquisa, pois proporciona flexibilidade na modificação das propriedades estruturais, mecânicas e térmicas dos filamentos fabricados. A coagulação para filamentos giratórios geralmente inclui solução eletrolítica (NaCl, HCl, H2SO4, C6H8O7) ou solventes orgânicos como acetona e etanol13,14.