搅上将规 Kakiage Masaki
群马大学 研究生院理工学府 分子科学部门 助教
2020年～2023年A-STEP 研究负责人
“创新日本走访”系列为大家介绍为实际应用于社会而进行研发的一线。本文为该系列的第5回，将介绍群马大学研究生院理工学府分子科学部门的搅上将规助教。他采用超高分子量聚合物作为原料，通过结合“熔融纺丝”和“熔融拉伸”两项技术，以环境负担小、成本低的方法制作出了高强度纤维。
在“丝织之都”桐生研究高分子材料
尝试确立“非凝胶纺丝法”
日本的群马县桐生市自奈良时代便开始作为丝织物的产地而知名，享有“西有西阵织,东有桐生织”的盛誉。群马大学研究生院理工学府分子科学部门的搅上将规助教就出生成长在这座拥有丝织历史和传统的“丝织之都”，从学生时代开始就致力于高分子材料的研究。“当时就是在现在这个研究室里做的高分子变形过程的构造形成机制研究。2015年我转职到信州大学先锐领域融合研究群国际纤维工学研究所，在那里正式开始研究纤维”。
搅上先生现在的研究课题是高强度纤维中的一种——超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维的制作。普通的聚乙烯的分子量在几万～几十万范围内，而UHMW-PE的分子量在一百万以上，分子链非常长。为了提高纤维的强度，需要使分子链沿一个方向有规律地排列，并使其变长。分子链越长，纤维内部的断裂点就越少，强度就越高（图1）。
图1 提高纤维强度所必须的要素技术
然而，细长的高分子链会相互缠结。消除缠结的通常方法是将其溶解在十氢化萘、二甲苯或石蜡等有机溶剂中，消除缠结之后重新排列的“凝胶纺丝法”。这种传统方法需要使用聚合物重量比10～100倍的有机溶剂来溶解聚合物，所以对环境负荷较大。此外，还需要复杂的工序和大规模的设备，需要多种制造成本。
“如果能够改变这种对环境、生产者和消费者都带来负担的制造方法，就有助于降低产品的价格。作为在这座纤维之城出生、成长和学习的人，很想通过研究来促进当地产业的发展”，搅上先生如此介绍了自己的研究背景。2020年，搅上先生被JST（日本科学技术振兴机构）的A-STEP（Adaptable and Seamless Technology Transfer Program through Target-driven R&D）的项目“通过创新性绿色工序确立高强度·功能性纤维的制作系统”所采纳，开始了研发项目。
超高分子量聚乙烯
通过“熔融工艺”实现纤维化
为了实现不使用有机溶剂的高强度纤维制备，搅上先生提出了结合“熔融纺丝”和“熔融拉伸”两种技术的“熔融工艺”的方法。熔融纺丝是将高分子材料加热熔融后，由喷丝口挤出到空气或氮气等惰性冷却介质中冷却固化形成纤维的纺丝方法。主要用于生产尼龙等纤维，但很难用于制作UHMW-PE纤维。UHMW-PE由于分子链长，熔融粘度高，如果使用传统的熔融纺丝法，不但难以实现纤维化，而且无法完全消除缠结。
即便将UHMW-PE熔融，分子链也会缠结在一起而无法流动，并导致熔融纺丝纤维表面变得凹凸不平。这也使得纤维细的部分容易断裂。此外，如果不能解开缠结在一起的分子链就无法整齐排列，纤维强度也无法提高。搅上先生回顾道“使用熔融纺丝方法怎样才能使UHMW-PE纤维化，如何才能解开分子链缠结，以及如何增强纤维强度，当时都是大问题”。
解决上述问题的关键在于熔融拉伸。这是一种在解开分子链缠结的同时进行拉伸的方法，常被用于高分子薄膜的延展。“仅靠熔融纺丝实现分子链的有规则排列是极其困难的。根据我对高分子材料熔融拉伸过程进行的工艺结构分析，使我意识到能和熔融纺丝相结合的只能是熔融拉伸”。对于从学生时代就开始研究熔融拉伸的搅上先生而言，这是一个很自然就想到的解决方法。
研究的第一步是确立适合UHMW-PE的熔融纺丝法。熔融需要高于材料熔点的温度，但是温度如果过高则分子链就会断裂。此外，由于凝胶纺丝法已经定型，所以可用作参考的熔融纺丝实例几乎没有。搅上先生表示“为了找到合适的纤维化温度，我们进行了反复尝试”。经过无数次实验，研究团队开发出了通过控制UHMW-PE的熔融流动特性来制作可拉伸的UHMW-PE纤维的熔融纺丝法。
图2 通过熔融工艺制作UHMW-PE纤维
通过控制熔融流动特性的“熔融纺丝”（左）和在熔融状态下解开分子链缠结，同时通过“熔融拉伸”法进行拉伸，制作出了高强度且细的UHMW-PE纤维（右）。
此外，研究团队还注意到UHMW-PE熔融时分子链会产生大量缠结的现象，通过将其作为应力的传递点，从而设计出了能使纤维强度更高的熔融拉伸法。“为了证实这一点，必须找到为什么能够产生高强度纤维的科学根据。研究团队通过灵活应用高分子膜制作过程中对拉伸过程进行的工艺测量，找出了有利于纤维强度提高的条件”。通过将熔融纺丝和熔融拉伸两种方法相结合，在不使用任何有机溶剂的情况下，成功地制作出了纤维直径约150微米（百万分之一米）、断裂强度超1吉帕（10亿帕）的UHMW-PE熔融纺丝纤维（图2右）。
纤维细径化有望用于布料
通过研究使当地产业迸发活力
搅上先生还在研究如何缩小UHMW-PE纤维的直径。一味地拉伸纤维来减少直径，会造成纤维中途断裂或强度下降。为此，研究团队采用了“多段熔融拉伸”工艺，根据让纤维变细或是增加强度的不同目的来划分拉伸阶段（图3）。“按照解开分子链后拉伸使纤维变细，和拉伸使纤维增加强度的不同需求分别优化条件，最终实现了纤维的细度和强度的兼顾。”。未来，UHMW-PE纤维有望应用于兼具高强度和柔韧性的布料和户外用品、耐磨性出色的安全用品和公园器具、以及卫生性能优良的医疗用品。
图3 通过多段熔融拉伸工艺实现细径化
对熔融纺丝纤维实施多段熔融拉伸，制作出了细径化且高强度UHMW-PE纤维（左）。强度测试显示数值高于1GPa（右）。
在A-STEP项目实施过程中，作为搅上先生的纤维研究出发点的信州大学与群马县纤维工业试验场建立起了共同研究体制。搅上先生满怀期待地展望到“通过我们开发的熔融工艺，即便没有大型工厂和设备的中小企业也能很容易加入，有望实现小规模生产和提高纤维制品的附加价值。如果自己的研究成果能让当地产业变得富有活力，对此我将非常开心”。目前搅上先生及其团队还在探讨通过更进一步的产学合作以及共同研究，来提高纤维的性能和实现工业化，未来的发展值得瞩目。（TEXT：横井Manami，PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2023年10月号
翻译：JST客观日本编辑部
