研究背景
開發(fā)高性能的生物基纖維對(duì)于提高材料的可持續(xù)性至關(guān)重要。纖維素是最豐富的生物來源原料之一，可用于制造此類材料。然而，由于難以在宏觀纖維中實(shí)現(xiàn)纖維素分子鏈和納米晶的有序排列，高強(qiáng)度宏觀纖維素纖維的制備仍然面臨挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，南開大學(xué)劉遵峰課題組聯(lián)合東華大學(xué)朱美芳院士、中國(guó)藥科大學(xué)周湘副教授等人在“Nature Sustainability”期刊上發(fā)表了題為“High-strength cellulose fibres enabled by molecular packing”的最新論文。在本研究中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種牽伸紡絲/去乙酰化方法，以制備具有高度有序分子排列的纖維素纖維，從而賦予所得纖維高強(qiáng)度。具體而言，將從良好分散的醋酸三纖維素（CTA）溶液紡制的纖維進(jìn)行去乙酰化處理，以生成纖維素纖維（DCF），隨后對(duì)其進(jìn)行捻合，使分子鏈呈螺旋狀排列。所得纖維表現(xiàn)出3.08 GPa的機(jī)械強(qiáng)度和215.1 MJ m?3的韌性，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的纖維材料。本研究為高性能生物基纖維的制備提供了一條新途徑。
研究亮點(diǎn)
(1) 本研究首次采用牽伸紡絲/去乙酰化方法制備高強(qiáng)度纖維素纖維（DCFs），成功獲得了具有高度有序分子排列的宏觀纖維素纖維，其機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到 3.08 GPa，韌性達(dá)到 215.1 MJ m?3，遠(yuǎn)超現(xiàn)有纖維材料。(2) 實(shí)驗(yàn)通過以下關(guān)鍵步驟實(shí)現(xiàn)高性能纖維的制備和性能優(yōu)化：
分子級(jí)溶解與紡絲：采用醋酸三纖維素（CTA）作為前驅(qū)體，使其在有機(jī)溶劑中形成均勻分散溶液，并通過牽伸紡絲制備出CTA纖維（CTFs）。
去乙酰化處理：CTFs 經(jīng)過去乙酰化轉(zhuǎn)化為纖維素纖維（DCFs），減少了氫鍵屏蔽效應(yīng)，使分子鏈能夠更緊密地堆積，提高了纖維的結(jié)晶度。
結(jié)構(gòu)調(diào)控與力學(xué)性能優(yōu)化：通過進(jìn)一步的纖維捻合，使纖維素分子鏈螺旋排列，提高了分子鏈取向度和氫鍵相互作用，最終大幅提升了纖維的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。
- 性能評(píng)估與應(yīng)用潛力：表征結(jié)果顯示，所得 DCFs 具有優(yōu)異的力學(xué)性能，并在紡織品和復(fù)合材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
圖文解讀
圖 1：CTFs 和 DCFs 的結(jié)構(gòu)表征及其力學(xué)性能。 圖 2：CTFs 向 DCFs 轉(zhuǎn)變過程中的形貌與微觀結(jié)構(gòu)演變，以及其粒徑和衍射圖譜。 圖 3：DCFs 結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的調(diào)控。圖 4：DCFs 的卓越力學(xué)性能及其在紡織品和復(fù)合材料中的應(yīng)用示例。
總結(jié)展望
本研究通過創(chuàng)新的牽伸紡絲和去乙酰化方法，成功地實(shí)現(xiàn)了纖維素分子鏈的高度有序排列，顯著提高了纖維的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。這一方法突破了傳統(tǒng)纖維素纖維在結(jié)構(gòu)有序性上的局限，為生物基纖維材料的高性能化開辟了新的路徑。其次，研究展示了該制備工藝在環(huán)保和可持續(xù)性方面的優(yōu)勢(shì)，與現(xiàn)有石油基高性能纖維的生產(chǎn)工藝相比，顯著降低了能源消耗并且有效回收了溶劑，符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展理念。最后，通過優(yōu)化溶劑體系和回收方法，研究確保了溶劑的高效回收率，避免了對(duì)環(huán)境的污染。這一系列創(chuàng)新性的技術(shù)不僅推動(dòng)了纖維素基材料在工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)程，還為未來開發(fā)更加環(huán)保、高效的纖維制備方法提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他領(lǐng)域的材料研究也具有重要借鑒意義。 Yu, K., Li, C., Gu, W. et al. High-strength cellulose fibres enabled by molecular packing. Nat Sustain (2025). https://doi.org/10.1038/s41893-025-01523-x
