Un système humide intégré

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13137 (2023) Citer cet article

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La production continue de filaments longs de nanocellulose (NCLF) à haute résistance est essentielle dans les composites polymères renforcés de fibres naturelles. Malgré la disponibilité généralisée de nombreux procédés de production de filaments, la fabrication rentable et continue à grande échelle de NCLF à haute résistance reste un défi permanent. Nous présentons ici un système intégré de filage humide en incorporant quelques techniques de production de filaments précédemment étudiées pour fabriquer en masse des NCLF continus à haute résistance. La vitesse de filage est augmentée pour améliorer la productivité NCLF, et les vitesses du bobineur de canette, l'emplacement du bobineur de bobine collecteur et les conditions de séchage NCLF sont réglées. À la vitesse de filage de 510 cm/min, une cadence de production de 4,99 m/min est atteinte, soit cinq fois supérieure à la productivité de l'ancien système pilote (0,92 m/min). De plus, un champ électrique alternatif et un étirement mécanique sont introduits pour mettre en évidence la polyvalence du système de filage humide intégré proposé, améliorant ainsi les propriétés mécaniques des NCLF.

La cellulose est utilisée sous forme de fibres ou de ses dérivés depuis plus d'un siècle. Les progrès de la nanotechnologie ont accéléré l’extraction des fibres de cellulose à l’échelle nanométrique, révolutionnant ainsi le domaine de la recherche sur la cellulose. La cellulose nanométrique, appelée nanocellulose, s’est avérée être un élément constitutif haute performance de la nature1. La nanocellulose existe sous différentes formes en fonction de leurs caractéristiques géométriques, telles que la longueur et le diamètre. Des exemples de ces formes comprennent les microfibres de cellulose (CMF), les nanofibres de cellulose (CNF), les nanocristaux de cellulose (CNC) et les nanoparticules de cellulose (CNP)1,2. Les CNF possèdent des caractéristiques uniques telles que la biodégradabilité, la biocompatibilité, la flexibilité, la légèreté et un rapport d'aspect élevé, ce qui les rend adaptés à un large éventail d'applications telles que le stockage d'énergie, la médecine, l'emballage alimentaire, les cosmétiques, les composites structurels et les soins de santé1,3. Les deux principales stratégies envisagées pour préparer les CNF sont descendantes et ascendantes. La stratégie descendante met l’accent sur l’isolement des CNF, CNC et CNP des sources naturelles en utilisant plusieurs méthodes chimiques et mécaniques4. Bien que l’isolation des CNF soit assez simple, leur taille est trop petite, limitant leurs applications pour les fibres et les composites. Ainsi, l’étendre à un filament continu à grande échelle, appelé filament long de nanocellulose (NCLF), est un défi.

L'approche ascendante se concentre sur les processus de fabrication du NCLF, qui incluent un large éventail de techniques de filage. Le filage au solvant et le filage par fusion sont les méthodes les plus répandues pour produire des filaments synthétiques et à base de cellulose. Le filage humide, le filage à sec et le filage humide à jet sec sont quelques techniques différentes de filage au solvant5,6. L'électrofilage est une méthode largement connue par laquelle la fabrication de fibres se produit sous un champ électrique7. Toutes les procédures de filage commencent par la dissolution du précurseur de polymère pour obtenir une solution de filage (suspension) qui est ensuite extrudée à travers une filière (buse). Le processus de filage humide commence par l’extrusion de la suspension à travers une buse du diamètre souhaité dans un bain de coagulation ou de précipitation pour former des filaments8. En filature à sec, le solvant est évaporé à l'air chaud après extrusion depuis la buse, tandis qu'en filature en fusion, les filaments sont préparés par extrusion de la suspension suivie d'un refroidissement9. Outre ces techniques de filage distinctes utilisées pour la fabrication des filaments, des facteurs tels que les paramètres du processus, les modifications/traitements chimiques, l'étirement ou la torsion mécanique et l'alignement du champ électrique ou magnétique peuvent également être utilisés pour ajuster les propriétés du filament résultant10,11, 12. Le filage humide par extrusion à la seringue est la technique de filage la plus utilisée dans ce domaine de recherche car elle offre une flexibilité dans la modification des propriétés structurelles, mécaniques et thermiques des filaments fabriqués. La coagulation des filaments en filature comprend souvent une solution électrolytique (NaCl, HCl, H2SO4, C6H8O7) ou des solvants organiques tels que l'acétone et l'éthanol13,14.