南开大学领衔，Nature Sustainability！
米测MeLab
2025-03-10
研究背景
开发高性能的生物基纤维对于提高材料的可持续性至关重要。纤维素是最丰富的生物来源原料之一，可用于制造此类材料。然而，由于难以在宏观纤维中实现纤维素分子链和纳米晶的有序排列，高强度宏观纤维素纤维的制备仍然面临挑战。为了解决这些问题，南开大学刘遵峰课题组联合东华大学朱美芳院士、中国药科大学周湘副教授等人在“Nature Sustainability”期刊上发表了题为“High-strength cellulose fibres enabled by molecular packing”的最新论文。在本研究中，联合团队开发了一种牵伸纺丝/去乙酰化方法，以制备具有高度有序分子排列的纤维素纤维，从而赋予所得纤维高强度。具体而言，将从良好分散的醋酸三纤维素（CTA）溶液纺制的纤维进行去乙酰化处理，以生成纤维素纤维（DCF），随后对其进行捻合，使分子链呈螺旋状排列。所得纤维表现出3.08 GPa的机械强度和215.1 MJ m⁻³的韧性，远高于现有的纤维材料。本研究为高性能生物基纤维的制备提供了一条新途径。
研究亮点
(1) 本研究首次采用牵伸纺丝/去乙酰化方法制备高强度纤维素纤维（DCFs），成功获得了具有高度有序分子排列的宏观纤维素纤维，其机械强度达到 3.08 GPa，韧性达到 215.1 MJ m⁻³，远超现有纤维材料。(2) 实验通过以下关键步骤实现高性能纤维的制备和性能优化：
分子级溶解与纺丝：采用醋酸三纤维素（CTA）作为前驱体，使其在有机溶剂中形成均匀分散溶液，并通过牵伸纺丝制备出CTA纤维（CTFs）。
去乙酰化处理：CTFs 经过去乙酰化转化为纤维素纤维（DCFs），减少了氢键屏蔽效应，使分子链能够更紧密地堆积，提高了纤维的结晶度。
结构调控与力学性能优化：通过进一步的纤维捻合，使纤维素分子链螺旋排列，提高了分子链取向度和氢键相互作用，最终大幅提升了纤维的机械强度和韧性。
- 性能评估与应用潜力：表征结果显示，所得 DCFs 具有优异的力学性能，并在纺织品和复合材料等领域展现出广阔的应用前景。
图文解读
图 1：CTFs 和 DCFs 的结构表征及其力学性能。 图 2：CTFs 向 DCFs 转变过程中的形貌与微观结构演变，以及其粒径和衍射图谱。图 4：DCFs 的卓越力学性能及其在纺织品和复合材料中的应用示例。
总结展望
本研究通过创新的牵伸纺丝和去乙酰化方法，成功地实现了纤维素分子链的高度有序排列，显著提高了纤维的机械强度和韧性。这一方法突破了传统纤维素纤维在结构有序性上的局限，为生物基纤维材料的高性能化开辟了新的路径。其次，研究展示了该制备工艺在环保和可持续性方面的优势，与现有石油基高性能纤维的生产工艺相比，显著降低了能源消耗并且有效回收了溶剂，符合绿色化学和可持续发展理念。最后，通过优化溶剂体系和回收方法，研究确保了溶剂的高效回收率，避免了对环境的污染。这一系列创新性的技术不仅推动了纤维素基材料在工业中的应用进程，还为未来开发更加环保、高效的纤维制备方法提供了宝贵经验，对其他领域的材料研究也具有重要借鉴意义。 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
