面对全球不可再生石油资源的日益枯竭及合成纤维带来的环境压力，开发高性能、可持续的再生纤维素纤维已成为纺织与材料领域的重大科学挑战。传统粘胶纤维强度低、生产工艺污染严重，而莱赛尔纤维易发生原纤化，限制了其广泛应用。因此，如何在绿色溶剂体系中实现纤维素的高效溶解、有序组装与性能强化，是当前该领域亟待解决的核心问题。

图1 超强韧再生纤维素甲酸酯纤维制造原理

  近期，东北林业大学木本油料资源利用全国重点实验室于海鹏教授团队在《Nano Letters》上发表题为“Super-Robust Cellulose Rayon Filaments Engineered via Molecular Orientation-Cross-linking Assembly”的研究成果（DOI：10.1021/acs.nanolett.5c04065），成功开发出一种具有超强力学性能和绿色可持续特性的再生纤维素甲酸酯人造丝（RCFF）。该研究通过创新的分子取向-交联组装策略，结合干喷湿纺技术与反应性低共熔溶剂（DES）体系，实现了纤维素在室温下的高效溶解与原位酯化，突破了传统粘胶纤维强度低、莱赛尔纤维易原纤化的技术瓶颈（图1）。

图2 纤维素分子有序组装和结构演变

  研究团队采用由氯化锌、甲酸与水构成的低共熔溶剂，在常温下迅速溶解纤维素，并通过钙离子络合交联与乙醇-水交替凝固的协同作用，显著提升了纤维素分子链的取向度和结晶度（图2）。最终制备的RCFF产品结晶度为60.4%，取向因子超过0.8，其拉伸强度高达1.02 GPa，韧性达到44.08 MJ m?3，超越商业聚酰胺、聚酯和再生纤维素纤维（图3）。该纤维还具备优异的可纺性、可织性和可染性，可直接用于纺织加工，展现出广阔的产业化前景。

图3 纤维力学性能展示

  除了卓越的力学性能，RCFF在功能性方面同样表现出色。其热导率为0.11 W m?1 K?1，介于棉与粘胶纤维之间，适用于保暖服装；回潮率为11%，媲美于粘胶纤维和铜氨纤维，兼具舒适性与尺寸稳定性。纤维在酸、碱及有机溶剂中均表现出良好的化学稳定性，同时RCFF具备优异的染色性能，色彩鲜艳持久（图4）。整个生产过程实现了闭环绿色制造，能耗远低于传统NMMO法或粘胶法，且原料成本低廉，具有良好的经济性与环境友好性。该技术不仅为高性能纤维素纤维的规模化生产提供了全新路径，还有望替代石油基合成纤维，推动纺织行业向可持续发展转型。

图4 纤维在纺织领域的应用前景

  该成果是团队在林木生物质资源高值化利用领域的又一重大突破。团队长期以来系统研究低共熔溶剂对纤维素的溶解机制，先后开发了氯化锌/磷酸/水（Carbohydrate Polymers, 2021, 272, 118473）和氯化锌/磷酸/聚乙二醇体系（Carbohydrate Polymers, 2024, 328, 121665）等多元溶剂体系，实现了多种纤维素原料的室温高效溶解与结构保护。通过密度泛函理论和核磁氢谱分析，深入揭示了溶剂与纤维素之间的氢键重构机制、反应热力学和动力学过程（Green Chemistry, 2022, 24, 8760）。此外，团队还利用对称匹配微扰理论能量分解计算，解析了溶剂与纤维素、淀粉、甲壳素、蚕丝蛋白等天然高分子的氢键作用本质（Green Chemistry, 2023, 25, 5086），为天然聚合物的绿色加工与高值化应用奠定了理论基础。

  该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。文章第一作者为东北林业大学副教授童志函博士，于海鹏教授、赵大伟教授、夏芹芹教授为共同通讯作者。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04065