广东
北京时间3月4日，南开大学化学学院刘遵峰教授团队联合中国科学院院士、东华大学朱美芳教授，中国药科大学周湘副教授团队在Nature Sustainability发表题为“High strength cellulose fibers enabled by molecular packing”的研究成果。这项突破性进展为开发可替代石油基材料的高性能生物基纤维提供了新思路，在智能纺织、医用材料等领域展现出广阔应用前景。
自然界中的树木、竹子等具有优异的强度和韧性，其结构承重能力主要是由纤维素提供，而常用的基于纤维素的再生材料，其力学性能仍有很高的提升空间。由于其共价骨架和分子链之间的高密度氢键，结晶纤维素的机械强度在7.5-7.7 GPa范围内。如何将微观的纤维素纳米晶的高强力学性能扩大到宏观纤维是一个巨大挑战。开发一种利用再生纤维素去纺丝制备高强韧纤维的方法受限于两个关键瓶颈：一是致密的分子间氢键网络导致溶解困难，二是分子链无序排列制约力学性能提升。
针对上述挑战，团队从两个方面下手，从纺丝液的层面，为了解决纤维素因为强氢键不溶的问题，将其乙酰化把羟基包裹起来，所得到的三乙酸纤维素因为乙酰化后氢键数量的减少，易于溶解在有机溶剂中，形成分子链级别分散的溶液。从成纤维层面，运用牵引拉丝的方式纺丝，这种纺丝方式可以实现三乙酸纤维素分子链的整齐相续排列。此外，通过在脱乙酰化的过程中加捻，在捻应力的作用下，增加了分子链的取向度。最终脱乙酰化的纤维素纤维力学性能3.08 GPa，韧性215.1 MJ m-3。性能远超现有纤维素纤维材料。
特别值得关注的是，该工艺在性能突破的同时，实现了规模化连续纺丝，且通过优化溶剂循环系统，真正践行了绿色制造理念。
三乙酸纤维素纤维（CTF）和纤维素纤维（DCF）的结构表征与机械性能
从CTF到DCF的形态和微观结构转变
DCFs结构和力学性能的调控
DCF纺织品和复合材料的优异机械性能及应用实例
本研究制备的DCF展现出优异的机械性能，在纺织品、绳索和抗冲击复合材料等领域具有广阔的应用前景。通过测试发现，DCF和CTF的光泽度显著高于传统材料：在60°入射角下，DCF的光泽度为9.1，CTF为31.8，而商用棉纺织品和三醋酸纤维素织物的光泽度分别仅为1.6和1.9。
此外，DCF具有良好的加工性能，能够通过染色、加捻、合股和经编等工艺制成织物，并可用于制备环氧树脂/DCF复合材料。实验结果表明，随着DCF含量的增加，复合材料的断裂强度、韧性、抗穿刺性和冲击韧性均有明显增强。同时，DCF作为先进碳材料的前体纤维，也表现出优异的性能。综上所述，本研究开发的DCF在复合材料、工程和建筑等领域具有重要的应用价值，是一种理想的强化材料。
团队突破纤维素材料产业化瓶颈，提出创新工艺实现高性能纤维素纤维制备。工艺同步实现连续化纺丝与99%溶剂回收率，兼具规模化生产和绿色环保优势。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41893-025-01523-x
来源： 南开新闻网
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