南开大学刘遵峰&中国药科大学周湘&东华大学朱美芳院士Nat.Sustain.：高强度纤维素纤维

纤维素是地球上最丰富的生物材料，被用作结构骨架。由于其共价骨架和分子链间高密度氢键，它表现出优异的机械强度和韧性。例如，由于分子链的完美堆积，结晶纤维素表现出 7.5-7.7 GPa 范围内的机械强度。因此，开发一种通过纤维素再生来纺制强韧粗纤维材料的方法是一个重要的机遇和挑战。

一般来说，纺制纤维素纤维的过程需要将生物源（如木材、竹子或棉花）适当溶解在溶液中。在适宜的纤维素纤维纺丝方法的开发方面已经取得了重大进展，包括自上而下的方法，利用脱木质素和加捻来获得木质纺织纤维，微流体纺丝，湿纺，干喷射湿纺，干纺和界面聚合纺丝。然而，到目前为止，再生纤维素纤维的机械性能远远不如结晶纤维素。由于氢键密度高，即使使用大量添加剂，纤维素在溶剂中通常形成纳米晶体分散体，而不是分子级溶液。在纤维纺丝过程中，由于纤维素纳米晶体 (CNC) 的堆叠不完美，在所得纤维中会形成缺陷、位错甚至间隙。因此，为了获得高性能纤维素纤维，制定一种减少缺陷数量和增加纤维纺丝过程中分子链排列程度的策略非常重要。

南开大学刘遵峰教授、中国药科大学周湘副教授、东华大学朱美芳教授（中国科学院院士）等研究人员 开发了一种拉伸纺丝 / 脱乙酰化方法来制备具有高度有序分子堆积的纤维素纤维，从而使所得纤维具有高强度。三醋酸纤维素 (CTA) 乙酰化后氢键数量减少，易溶于有机溶剂，形成分子分散溶液，将由分散良好的纤维素三醋酸酯溶液纺成的纤维拉伸纺丝，然后进行脱乙酰化以生成纤维素纤维，最后将其扭曲以使分子链呈螺旋状排列。所得纤维的机械强度为 3.08 GPa ， 韧性为 215.1 MJ m ^-3 ，远高于现有的纤维材料。

相关研究成果2025年3月3日以“ High-strength cellulose fibres enabled by molecular packing ”为题发表在 Nature Sustainability 上。

创新的纤维制备方法 ：开发了一种拉伸纺丝 / 脱乙酰化方法，通过从均匀分散的纤维素三乙酸酯（ CTA ）溶液中拉伸纺丝，然后进行脱乙酰化处理，制备出具有高度有序分子包装的纤维素纤维（ DCFs ）。这种方法能够实现纤维素分子链的高度有序排列，从而显著提高纤维的机械强度和韧性。

显著提升的机械性能 ：通过这种方法制备的纤维素纤维（ DCFs ）展现出极高的机械强度（ 3.08 GPa ）和韧性（ 215.1 MJ m ^-3 ），远高于现有的纤维材料。这种性能的提升归因于纤维素分子链的高度有序排列和紧密的分子包装。

分子链的有序排列 ：通过拉伸纺丝和脱乙酰化处理，纤维素分子链在纤维中实现了高度的有序排列。这种有序排列通过极化光学显微镜、二维广角 X 射线散射（ 2D WAXS ）和二维小角 X 射线散射（ 2D SAXS ）等技术得到了验证。脱乙酰化处理后，纤维素纳米纤维的尺寸减小，排列更加紧密，从而提高了纤维的机械性能。

纤维的多功能性 ：这些高强纤维素纤维不仅具有优异的机械性能，还具有良好的可编织性，可以用于制造纺织品、绳索和复合材料。通过将 DCFs 与环氧树脂复合，制备的复合材料展现出显著提高的抗拉强度和韧性。通过进一步的碳化处理，这些纤维素纤维可以转化为具有高导电性和热导率的碳纤维，展现出在高性能材料领域的广泛应用潜力。

环保和可持续性 ：整个纤维制备过程采用环保的溶剂和方法，溶剂可以回收再利用，减少了对环境的影响。这种方法符合可持续发展的要求，具有良好的工业应用前景。

图 1.CTF 和 DCF 的结构特征和机械性能

图 2. 从 CTF 到 DCF 的形态和微观结构演变、它们的粒径和衍射图案

图 3.DCF 的结构和机械性能的调制

图 4.DCF 、纺织品和复合材料的优异机械性能及应用示例