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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(huán)境壓力，開發(fā)高性能、可持續(xù)的再生纖維素纖維已成為紡織與材料領(lǐng)域的重大科學(xué)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)粘膠纖維強(qiáng)度低、生產(chǎn)工藝污染嚴(yán)重，而萊賽爾纖維易發(fā)生原纖化，限制了其廣泛應(yīng)用。因此，如何在綠色溶劑體系中實現(xiàn)纖維素的高效溶解、有序組裝與性能強(qiáng)化，是當(dāng)前該領(lǐng)域亟待解決的核心問題。

圖1 超強(qiáng)韌再生纖維素甲酸酯纖維制造原理

  近期，東北林業(yè)大學(xué)木本油料資源利用全國重點實驗室于海鵬教授團(tuán)隊在《Nano Letters》上發(fā)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(fā)出一種具有超強(qiáng)力學(xué)性能和綠色可持續(xù)特性的再生纖維素甲酸酯人造絲（RCFF）。該研究通過創(chuàng)新的分子取向-交聯(lián)組裝策略，結(jié)合干噴濕紡技術(shù)與反應(yīng)性低共熔溶劑（DES）體系，實現(xiàn)了纖維素在室溫下的高效溶解與原位酯化，突破了傳統(tǒng)粘膠纖維強(qiáng)度低、萊賽爾纖維易原纖化的技術(shù)瓶頸（圖1）。

圖2 纖維素分子有序組裝和結(jié)構(gòu)演變

  研究團(tuán)隊采用由氯化鋅、甲酸與水構(gòu)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(luò)合交聯(lián)與乙醇-水交替凝固的協(xié)同作用，顯著提升了纖維素分子鏈的取向度和結(jié)晶度（圖2）。最終制備的RCFF產(chǎn)品結(jié)晶度為60.4%，取向因子超過0.8，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)1.02 GPa，韌性達(dá)到44.08 MJ m?3，超越商業(yè)聚酰胺、聚酯和再生纖維素纖維（圖3）。該纖維還具備優(yōu)異的可紡性、可織性和可染性，可直接用于紡織加工，展現(xiàn)出廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。

圖3 纖維力學(xué)性能展示

  除了卓越的力學(xué)性能，RCFF在功能性方面同樣表現(xiàn)出色。其熱導(dǎo)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(wěn)定性。纖維在酸、堿及有機(jī)溶劑中均表現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時RCFF具備優(yōu)異的染色性能，色彩鮮艷持久（圖4）。整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)了閉環(huán)綠色制造，能耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)NMMO法或粘膠法，且原料成本低廉，具有良好的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境友好性。該技術(shù)不僅為高性能纖維素纖維的規(guī)模化生產(chǎn)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(yè)向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。

圖4 纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用前景

  該成果是團(tuán)隊在林木生物質(zhì)資源高值化利用領(lǐng)域的又一重大突破。團(tuán)隊長期以來系統(tǒng)研究低共熔溶劑對纖維素的溶解機(jī)制，先后開發(fā)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(xiàn)了多種纖維素原料的室溫高效溶解與結(jié)構(gòu)保護(hù)。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(gòu)機(jī)制、反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)過程（Green Chemistry, 2022, 24, 8760）。此外，團(tuán)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(zhì)（Green Chemistry, 2023, 25, 5086），為天然聚合物的綠色加工與高值化應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

  該研究得到了國家自然科學(xué)基金等項目的支持。文章第一作者為東北林業(yè)大學(xué)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