静电纺丝技术论文（硕士生发顶刊封面论文）

“我们通过提出一种新型设计理念，加上绿色化学、流体力学和材料科学的独特结合，制备出可用于保温的全纤维素海绵-气凝胶纤维，为高性能生物质纤维的开发和应用前景提供了一个平台。该工作发表在 Nano Letters 期刊，并被作为封面论文[1]。”五邑大学纺织材料与工程学院叶冬冬副教授表示。

图 | 相关论文的封面（来源：Nano Letters）

针对传统湿法纺丝的一次大胆创新

本工作是他针对传统湿法纺丝的一次大胆创新，论文题为《坚韧、高定向、超强保温再生集成梯度排列纳米结构的全纤维素海绵-气凝胶纤维》（Tough, Highly Oriented, Super Thermal Insulating Regenerated All-Cellulose Sponge-Aerogel Fibers Integrating a Graded Aligned Nanostructure）。

传统湿法纺丝实验有个现象，当纺丝原液遇到凝固浴时，最先接触凝固浴的纺丝液外部结构会迅速致密化，这会阻挡一部分凝固浴溶液、渗透到纤维内部中，导致内层凝胶速度缓慢，进而使纤维形成外层致密、内层疏松的“皮芯”结构。

图 | 左二为叶冬冬，右一为论文第一作者、该校硕士生李绮华（来源：叶冬冬课题组）

这种结构也普遍存在于再生纤维素纤维的制备过程中，限制了纤维素纤维在许多方面的应用，如电磁屏蔽、水处理和热阻隔等领域。

因此，他和团队设想，如果可以反转皮芯结构，制备一种外层多孔、内能致密的全纤维素梯度纤维，是一件非常有趣又极富挑战的事情。

（来源：叶冬冬课题组）

为实现外疏内密的结构特点，他们首先设计并获得专利授权一类多相流纺丝芯片（专利号ZL 202120649509.4）。基于此纺丝芯片，又提出流动辅助的动态双交联策略，借此研发出制备全纤维素海绵-气凝胶纤维作为可穿戴织物热阻隔材料的新方法（专利已授权）。

同时，他们第一次将纤维素溶液双交联反应与微流控芯片联系起来，实现连续制备梯度纳米结构的全纤维素海绵-气凝胶纤维。

据介绍，纺丝原液在芯片内部的流动过程可以简单描述高浓度纤维素溶液在中心通道流道，先后接触外层的稀释剂和定型剂，稀释剂导致纤维素溶液外层被稀释成低浓度状态，从而在接触定型剂后外面呈现海绵多孔结构；中心流内部未被稀释剂接触，因此纤维定型后内部为致密纳米孔结构。

（来源：叶冬冬课题组）

通过系统地调节和模拟微流控芯片内的流动过程，叶冬冬和团队制备出具有可调的海绵外层厚度、力学性能和生物降解性的全纤维素海绵-气凝胶纤维。

最重要的是，使用全纤维素海绵-气凝胶纤维所编织得到的机织纺织品是一种优良的热阻隔材料，其导热系数低至 0.023 W m-1K-1。

提到论文审稿过程，叶冬冬表示：“我们感谢编辑和五个审稿人对我们工作的肯定和宽容。一些积极性词语例如‘unique’‘completely different from the widely recognized skin-core structure fibers’‘particularly attractive and meaningful’‘appealing’展现出审稿人对本工作的欣赏。

审稿人认为我们的再生纤维素纤维具有十分有趣的非均质结构，即纤维外层是多孔海绵状和内层是致密的芯层，它的微观界面是完全连续的。由于这种结构产生，保证了再生纤维素纤维同时具有力学性能和热阻隔功能。并且通过拉曼成像等，对其异质结构进行了详细表征和分析，这也非常引人注意。”

此外，审稿人还认为这种流动辅助动态双交联策略，能在微流控装置中通过精准调控纺丝参数，制备得到的非均质化全纤维素海绵-气凝胶纤维结构，十分令人瞩目。

并且，与传统的湿法纺丝制备的再生纤维素纤维相比，这种结构同时赋予了纤维优异的力学性能和隔热性能，使生物质纤维的结构多样性和应用范围扩大。同时，审稿人也给予了一些改进建议，使这项工作更加完善和有意义。

（来源：Nano Letters）

决定“啃一啃这个硬骨头”

回顾研究全程，叶冬冬表示自己先通过前期的文献调研，确定这类结构从未被报道，进而决定要“啃一啃这个硬骨头”。

考虑到空气是一种天然的、低成本的、导热系数极低的介质，已有研究通过湿法纺丝制备了密度、比表面积和孔隙率合理的纤维，由于多孔可将空气阻挡在单个微孔中，从而利用空气导热系数低的特点来进行个人隔热应用。

但目前关于多孔结构的材料研究众多，大多是合成高分子块状或气凝胶材料，少数多孔纤维能用于个人隔热纺织品上。

因此，他们设想利用环境友好型纤维素作为原料，去设计一种多孔纤维用于隔热应用中。实验材料的确定与制备方法，是基于该团队对碱/尿素体系再生纤维素溶液的多年深耕。

与其他溶解体系不同的是，以棉短绒为浆料的溶解方式通过形成管状包合物将纤维素分子链内外间的氢键作用隔断，从而溶解在碱尿素溶剂中，该溶解过程是可将纤维素拆解到分子链单元的物理溶解过程。

该团队设想，如果在溶解好的纤维素溶液中再加入碱/尿素溶剂，从而对其起到一定程度的稀释作用，这时纤维表层将会产生多孔结构，通入凝固浴中后将这种结构保留下来，因此需要纤维素溶液经过两相溶液中，以便得到具有特殊结构的纤维素纤维。

下一步则是确定纺丝方法，为在纺丝过程中能简便得到想要的纤维结构，他们通过查阅文献学习到了一种新型的纺丝方法——微流控纺丝，这种纺丝方法是通过设计具有一个或多个鞘层通道的芯片，能满足实验中通入不同溶液对芯层溶液进行结构的设计，进而满足所需的要求。

因此，叶冬冬和团队设计了一个三相五通道的微流控芯片来作为纺丝通道。进一步地，通过将溶解好的纤维素溶液进行化学交联得到松散网络结构的纤维素溶液，通入到微流控芯片中。接着，先后经过碱尿素溶剂和酸溶液中，得到湿态的纤维素纤维用去离子水洗净，这时再通过冷冻干燥得到柔韧的再生纤维素纤维。

通过对再生纤维素纤维进行扫描电镜图片分析，证明了这种纺丝方法制备得到了所预想的疏松的外层纤维结构，并且由于外层的疏松使接触到凝固浴后内部的结构变得紧密，形成了同时具有梯度海绵结构与气凝胶结构的纤维素纤维。

之后，他们利用流体动力学模拟和三维拉曼成像，证明了微流控芯片中的流动辅助动态扩散过程形成了梯度的纤维结构分布，验证了微流控纺丝方法的可行性。

而后，通过研究纺丝参数对纤维可加工性能，物理性能及结构的影响。他们证明使用这种纺丝方法获得了一个分级但连续排列的结构，其孔径从海绵（外层平均为 732nm）到气凝胶（芯层平均为 34nm）的孔径不等。他们还用 2D SAXS 证实了这种非均质排列纳米结构的纤维具有一定的取向性。

（来源：Nano Letters）

考虑到梯度纳米结构在保温领域的潜在应用，该团队测量了包括全纤维素海绵-气凝胶纤维、再生纤维素气凝胶和再生纤维素海绵在内的纤维素材料的导热系数。

这些结果表明，结构设计对全纤维素海绵-气凝胶纤维的隔热性能起着重要作用。并且验证了全纤维素海绵-气凝胶纤维比其他商业纤维更优异的隔热性能。

在水处理、电磁屏蔽和人体热管理等领域具备应用潜力

在具有梯度纳米结构纤维素海绵-气凝胶纤维的后续研究工作里，他们将围绕梯度孔开展更精致的结构调控和应用研究，涉及水处理、电磁屏蔽和人体热管理等领域。除了关注基础科学研究和应用研究外，该课题组更愿意推动此类纤维的工业化进程，这或许比材料制备更难，但其愿意为此投入更多精力。

从博士期间到独立组建课题组以来，叶冬冬一直从事纤维素绿色溶剂碱/尿素水溶剂体系的纤维素溶解、再生及强韧化、序构化再生纤维素构建、构效关系等科研工作，并对这些材料进行一系列的应用研究，以实现其在感知外力、诱导细胞取向生长、促进伤口愈合、治愈感染伤口及水体治理等领域的应用。

而本次工作是该课题组第一个利用微流控纺丝构建全再生纤维素纤维的应用探究工作，实验过程中纺丝方法都是在不断探索、到失败、到再探索的过程。

（来源：Nano Letters）

在对纺丝参数和的调整中到顺利纺出了连续均匀的纤维素纤维过程中，每一步都值得纪念。叶冬冬说：“如果说这过程中有什么难忘的事情，那应该是我们第一次从扫描电镜下观察到全纤维素海绵-气凝胶纤维的截面形貌，按照我们实验设想得到了结果，并且结构展现出来比我们预想的更好，再对其所编织的织物进行性能测试时也表现出良好的隔热性能，这说明我们制备得到了具有非均质纤维结构的纤维，这是很激动人心的时刻。”

此外，这种利用流动辅助动态双交联策略、所制备的外松内密的全纤维素海绵-气凝胶纤维，由于其外层具有的非均质结构，能将空气限制在纤维中，利用空气热传导系数低等性能，可将其作为人体热管理的织物，能有效地降低人体在极端天气情况下的热量流失，从而实现被动隔热。因此，下一步他们计划引入功能性填料，围绕这类结构设计开发更多功能性的梯度孔纤维素纤维和织物。

-End-

参考：

1、Li, Q., Yuan, Z., Zhang, C., Hu, S., Chen, Z., Wu, Y., ... & Ye, D. (2022). Tough, Highly Oriented, Super Thermal Insulating Regenerated All-Cellulose Sponge-Aerogel Fibers Integrating a Graded Aligned Nanostructure. Nano Letters.

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