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  面對全球不可再生石油資源的日益枯竭及合成纖維帶來的環境壓力，開發高性能、可持續的再生纖維素纖維已成為紡織與材料領域的重大科學挑戰。傳統粘膠纖維強度低、生產工藝污染嚴重，而萊賽爾纖維易發生原纖化，限制了其廣泛應用。因此，如何在綠色溶劑體系中實現纖維素的高效溶解、有序組裝與性能強化，是當前該領域亟待解決的核心問題。

圖1 超強韌再生纖維素甲酸酯纖維制造原理

  近期，東北林業大學木本油料資源利用全國重點實驗室于海鵬教授團隊在《Nano Letters》上發表題為“Super-Robust Cellulose Rayon Filaments Engineered via Molecular Orientation-Cross-linking Assembly”的研究成果（DOI：10.1021/acs.nanolett.5c04065），成功開發出一種具有超強力學性能和綠色可持續特性的再生纖維素甲酸酯人造絲（RCFF）。該研究通過創新的分子取向-交聯組裝策略，結合干噴濕紡技術與反應性低共熔溶劑（DES）體系，實現了纖維素在室溫下的高效溶解與原位酯化，突破了傳統粘膠纖維強度低、萊賽爾纖維易原纖化的技術瓶頸（圖1）。

圖2 纖維素分子有序組裝和結構演變

  研究團隊采用由氯化鋅、甲酸與水構成的低共熔溶劑，在常溫下迅速溶解纖維素，并通過鈣離子絡合交聯與乙醇-水交替凝固的協同作用，顯著提升了纖維素分子鏈的取向度和結晶度（圖2）。最終制備的RCFF產品結晶度為60.4%，取向因子超過0.8，其拉伸強度高達1.02 GPa，韌性達到44.08 MJ m?3，超越商業聚酰胺、聚酯和再生纖維素纖維（圖3）。該纖維還具備優異的可紡性、可織性和可染性，可直接用于紡織加工，展現出廣闊的產業化前景。

圖3 纖維力學性能展示

  除了卓越的力學性能，RCFF在功能性方面同樣表現出色。其熱導率為0.11 W m?1 K?1，介于棉與粘膠纖維之間，適用于保暖服裝；回潮率為11%，媲美于粘膠纖維和銅氨纖維，兼具舒適性與尺寸穩定性。纖維在酸、堿及有機溶劑中均表現出良好的化學穩定性，同時RCFF具備優異的染色性能，色彩鮮艷持久（圖4）。整個生產過程實現了閉環綠色制造，能耗遠低于傳統NMMO法或粘膠法，且原料成本低廉，具有良好的經濟性與環境友好性。該技術不僅為高性能纖維素纖維的規模化生產提供了全新路徑，還有望替代石油基合成纖維，推動紡織行業向可持續發展轉型。

圖4 纖維在紡織領域的應用前景

  該成果是團隊在林木生物質資源高值化利用領域的又一重大突破。團隊長期以來系統研究低共熔溶劑對纖維素的溶解機制，先后開發了氯化鋅/磷酸/水（Carbohydrate Polymers, 2021, 272, 118473）和氯化鋅/磷酸/聚乙二醇體系（Carbohydrate Polymers, 2024, 328, 121665）等多元溶劑體系，實現了多種纖維素原料的室溫高效溶解與結構保護。通過密度泛函理論和核磁氫譜分析，深入揭示了溶劑與纖維素之間的氫鍵重構機制、反應熱力學和動力學過程（Green Chemistry, 2022, 24, 8760）。此外，團隊還利用對稱匹配微擾理論能量分解計算，解析了溶劑與纖維素、淀粉、甲殼素、蠶絲蛋白等天然高分子的氫鍵作用本質（Green Chemistry, 2023, 25, 5086），為天然聚合物的綠色加工與高值化應用奠定了理論基礎。

  該研究得到了國家自然科學基金等項目的支持。文章第一作者為東北林業大學副教授童志函博士，于海鵬教授、趙大偉教授、夏芹芹教授為共同通訊作者。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04065