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          客觀日本

          【創新日本走訪】(5)熔融拉伸聚合物,制造環境負擔小、成本低的高強度纖維

          2023年11月13日 經濟?社會
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          攪上將規 Kakiage Masaki
          群馬大學 研究生院理工學府 分子科學部門 助教
          2020年~2023年A-STEP 研究負責人

          “創新日本走訪”系列為大家介紹為實際應用于社會而進行研發的一線。本文為該系列的第5回,將介紹群馬大學研究生院理工學府分子科學部門的攪上將規助教。他采用超高分子量聚合物作為原料,通過結合“熔融紡絲”和“熔融拉伸”兩項技術,以環境負擔小、成本低的方法制作出了高強度纖維。

          在“絲織之都”桐生研究高分子材料
          嘗試確立“非凝膠紡絲法”

          日本的群馬縣桐生市自奈良時代便開始作為絲織物的產地而知名,享有“西有西陣織,東有桐生織”的盛譽。群馬大學研究生院理工學府分子科學部門的攪上將規助教就出生成長在這座擁有絲織歷史和傳統的“絲織之都”,從學生時代開始就致力于高分子材料的研究?!爱敃r就是在現在這個研究室里做的高分子變形過程的構造形成機制研究。2015年我轉職到信州大學先銳領域融合研究群國際纖維工學研究所,在那里正式開始研究纖維”。

          攪上先生現在的研究課題是高強度纖維中的一種——超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纖維的制作。普通的聚乙烯的分子量在幾萬~幾十萬范圍內,而UHMW-PE的分子量在一百萬以上,分子鏈非常長。為了提高纖維的強度,需要使分子鏈沿一個方向有規律地排列,并使其變長。分子鏈越長,纖維內部的斷裂點就越少,強度就越高(圖1)。

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          圖1 提高纖維強度所必須的要素技術

          然而,細長的高分子鏈會相互纏結。消除纏結的通常方法是將其溶解在十氫化萘、二甲苯或石蠟等有機溶劑中,消除纏結之后重新排列的“凝膠紡絲法”。這種傳統方法需要使用聚合物重量比10~100倍的有機溶劑來溶解聚合物,所以對環境負荷較大。此外,還需要復雜的工序和大規模的設備,需要多種制造成本。

          “如果能夠改變這種對環境、生產者和消費者都帶來負擔的制造方法,就有助于降低產品的價格。作為在這座纖維之城出生、成長和學習的人,很想通過研究來促進當地產業的發展”,攪上先生如此介紹了自己的研究背景。2020年,攪上先生被JST(日本科學技術振興機構)的A-STEP(Adaptable and Seamless Technology Transfer Program through Target-driven R&D)的項目“通過創新性綠色工序確立高強度·功能性纖維的制作系統”所采納,開始了研發項目。

          超高分子量聚乙烯
          通過“熔融工藝”實現纖維化

          為了實現不使用有機溶劑的高強度纖維制備,攪上先生提出了結合“熔融紡絲”和“熔融拉伸”兩種技術的“熔融工藝”的方法。熔融紡絲是將高分子材料加熱熔融后,由噴絲口擠出到空氣或氮氣等惰性冷卻介質中冷卻固化形成纖維的紡絲方法。主要用于生產尼龍等纖維,但很難用于制作UHMW-PE纖維。UHMW-PE由于分子鏈長,熔融粘度高,如果使用傳統的熔融紡絲法,不但難以實現纖維化,而且無法完全消除纏結。

          即便將UHMW-PE熔融,分子鏈也會纏結在一起而無法流動,并導致熔融紡絲纖維表面變得凹凸不平。這也使得纖維細的部分容易斷裂。此外,如果不能解開纏結在一起的分子鏈就無法整齊排列,纖維強度也無法提高。攪上先生回顧道“使用熔融紡絲方法怎樣才能使UHMW-PE纖維化,如何才能解開分子鏈纏結,以及如何增強纖維強度,當時都是大問題”。

          解決上述問題的關鍵在于熔融拉伸。這是一種在解開分子鏈纏結的同時進行拉伸的方法,常被用于高分子薄膜的延展?!皟H靠熔融紡絲實現分子鏈的有規則排列是極其困難的。根據我對高分子材料熔融拉伸過程進行的工藝結構分析,使我意識到能和熔融紡絲相結合的只能是熔融拉伸”。對于從學生時代就開始研究熔融拉伸的攪上先生而言,這是一個很自然就想到的解決方法。

          研究的第一步是確立適合UHMW-PE的熔融紡絲法。熔融需要高于材料熔點的溫度,但是溫度如果過高則分子鏈就會斷裂。此外,由于凝膠紡絲法已經定型,所以可用作參考的熔融紡絲實例幾乎沒有。攪上先生表示“為了找到合適的纖維化溫度,我們進行了反復嘗試”。經過無數次實驗,研究團隊開發出了通過控制UHMW-PE的熔融流動特性來制作可拉伸的UHMW-PE纖維的熔融紡絲法。

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          圖2 通過熔融工藝制作UHMW-PE纖維
          通過控制熔融流動特性的“熔融紡絲”(左)和在熔融狀態下解開分子鏈纏結,同時通過“熔融拉伸”法進行拉伸,制作出了高強度且細的UHMW-PE纖維(右)。

          此外,研究團隊還注意到UHMW-PE熔融時分子鏈會產生大量纏結的現象,通過將其作為應力的傳遞點,從而設計出了能使纖維強度更高的熔融拉伸法?!盀榱俗C實這一點,必須找到為什么能夠產生高強度纖維的科學根據。研究團隊通過靈活應用高分子膜制作過程中對拉伸過程進行的工藝測量,找出了有利于纖維強度提高的條件”。通過將熔融紡絲和熔融拉伸兩種方法相結合,在不使用任何有機溶劑的情況下,成功地制作出了纖維直徑約150微米(百萬分之一米)、斷裂強度超1吉帕(10億帕)的UHMW-PE熔融紡絲纖維(圖2右)。

          纖維細徑化有望用于布料
          通過研究使當地產業迸發活力

          攪上先生還在研究如何縮小UHMW-PE纖維的直徑。一味地拉伸纖維來減少直徑,會造成纖維中途斷裂或強度下降。為此,研究團隊采用了“多段熔融拉伸”工藝,根據讓纖維變細或是增加強度的不同目的來劃分拉伸階段(圖3)?!鞍凑战忾_分子鏈后拉伸使纖維變細,和拉伸使纖維增加強度的不同需求分別優化條件,最終實現了纖維的細度和強度的兼顧?!?。未來,UHMW-PE纖維有望應用于兼具高強度和柔韌性的布料和戶外用品、耐磨性出色的安全用品和公園器具、以及衛生性能優良的醫療用品。

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          圖3 通過多段熔融拉伸工藝實現細徑化
          對熔融紡絲纖維實施多段熔融拉伸,制作出了細徑化且高強度UHMW-PE纖維(左)。強度測試顯示數值高于1GPa(右)。

          在A-STEP項目實施過程中,作為攪上先生的纖維研究出發點的信州大學與群馬縣纖維工業試驗場建立起了共同研究體制。攪上先生滿懷期待地展望到“通過我們開發的熔融工藝,即便沒有大型工廠和設備的中小企業也能很容易加入,有望實現小規模生產和提高纖維制品的附加價值。如果自己的研究成果能讓當地產業變得富有活力,對此我將非常開心”。目前攪上先生及其團隊還在探討通過更進一步的產學合作以及共同研究,來提高纖維的性能和實現工業化,未來的發展值得矚目。(TEXT:橫井Manami,PHOTO:石原秀樹)

          原文:JSTnews 2023年10月號
          翻譯:JST客觀日本編輯部

          日語原文