“我們通過提出一種新型設計理念，加上綠色化學、流體力學和材料科學的獨特結合，制備出可用于保溫的全纖維素海綿-氣凝膠纖維，為高性能生物質纖維的開發和應用前景提供了一個平台。該工作發表在 Nano Letters 期刊，并被作為封面論文[1]。”五邑大學紡織材料與工程學院葉冬冬副教授表示。

圖 | 相關論文的封面（來源：Nano Letters）

針對傳統濕法紡絲的一次大膽創新

本工作是他針對傳統濕法紡絲的一次大膽創新，論文題為《堅韌、高定向、超強保溫再生集成梯度排列納米結構的全纖維素海綿-氣凝膠纖維》（Tough, Highly Oriented, Super Thermal Insulating Regenerated All-Cellulose Sponge-Aerogel Fibers Integrating a Graded Aligned Nanostructure）。

傳統濕法紡絲實驗有個現象，當紡絲原液遇到凝固浴時，最先接觸凝固浴的紡絲液外部結構會迅速緻密化，這會阻擋一部分凝固浴溶液、滲透到纖維内部中，導緻内層凝膠速度緩慢，進而使纖維形成外層緻密、内層疏松的“皮芯”結構。

圖 | 左二為葉冬冬，右一為論文第一作者、該校碩士生李绮華（來源：葉冬冬課題組）

這種結構也普遍存在于再生纖維素纖維的制備過程中，限制了纖維素纖維在許多方面的應用，如電磁屏蔽、水處理和熱阻隔等領域。

因此，他和團隊設想，如果可以反轉皮芯結構，制備一種外層多孔、内能緻密的全纖維素梯度纖維，是一件非常有趣又極富挑戰的事情。

（來源：葉冬冬課題組）

為實現外疏内密的結構特點，他們首先設計并獲得專利授權一類多相流紡絲芯片（專利号ZL 202120649509.4）。基于此紡絲芯片，又提出流動輔助的動态雙交聯策略，借此研發出制備全纖維素海綿-氣凝膠纖維作為可穿戴織物熱阻隔材料的新方法（專利已授權）。

同時，他們第一次将纖維素溶液雙交聯反應與微流控芯片聯系起來，實現連續制備梯度納米結構的全纖維素海綿-氣凝膠纖維。

據介紹，紡絲原液在芯片内部的流動過程可以簡單描述高濃度纖維素溶液在中心通道流道，先後接觸外層的稀釋劑和定型劑，稀釋劑導緻纖維素溶液外層被稀釋成低濃度狀态，從而在接觸定型劑後外面呈現海綿多孔結構；中心流内部未被稀釋劑接觸，因此纖維定型後内部為緻密納米孔結構。

（來源：葉冬冬課題組）

通過系統地調節和模拟微流控芯片内的流動過程，葉冬冬和團隊制備出具有可調的海綿外層厚度、力學性能和生物降解性的全纖維素海綿-氣凝膠纖維。

最重要的是，使用全纖維素海綿-氣凝膠纖維所編織得到的機織紡織品是一種優良的熱阻隔材料，其導熱系數低至 0.023 W m-1K-1。

提到論文審稿過程，葉冬冬表示：“我們感謝編輯和五個審稿人對我們工作的肯定和寬容。一些積極性詞語例如‘unique’‘completely different from the widely recognized skin-core structure fibers’‘particularly attractive and meaningful’‘appealing’展現出審稿人對本工作的欣賞。

審稿人認為我們的再生纖維素纖維具有十分有趣的非均質結構，即纖維外層是多孔海綿狀和内層是緻密的芯層，它的微觀界面是完全連續的。由于這種結構産生，保證了再生纖維素纖維同時具有力學性能和熱阻隔功能。并且通過拉曼成像等，對其異質結構進行了詳細表征和分析，這也非常引人注意。”

此外，審稿人還認為這種流動輔助動态雙交聯策略，能在微流控裝置中通過精準調控紡絲參數，制備得到的非均質化全纖維素海綿-氣凝膠纖維結構，十分令人矚目。

并且，與傳統的濕法紡絲制備的再生纖維素纖維相比，這種結構同時賦予了纖維優異的力學性能和隔熱性能，使生物質纖維的結構多樣性和應用範圍擴大。同時，審稿人也給予了一些改進建議，使這項工作更加完善和有意義。

（來源：Nano Letters）

決定“啃一啃這個硬骨頭”

回顧研究全程，葉冬冬表示自己先通過前期的文獻調研，确定這類結構從未被報道，進而決定要“啃一啃這個硬骨頭”。

考慮到空氣是一種天然的、低成本的、導熱系數極低的介質，已有研究通過濕法紡絲制備了密度、比表面積和孔隙率合理的纖維，由于多孔可将空氣阻擋在單個微孔中，從而利用空氣導熱系數低的特點來進行個人隔熱應用。

但目前關于多孔結構的材料研究衆多，大多是合成高分子塊狀或氣凝膠材料，少數多孔纖維能用于個人隔熱紡織品上。

因此，他們設想利用環境友好型纖維素作為原料，去設計一種多孔纖維用于隔熱應用中。實驗材料的确定與制備方法，是基于該團隊對堿/尿素體系再生纖維素溶液的多年深耕。

與其他溶解體系不同的是，以棉短絨為漿料的溶解方式通過形成管狀包合物将纖維素分子鍊内外間的氫鍵作用隔斷，從而溶解在堿尿素溶劑中，該溶解過程是可将纖維素拆解到分子鍊單元的物理溶解過程。

該團隊設想，如果在溶解好的纖維素溶液中再加入堿/尿素溶劑，從而對其起到一定程度的稀釋作用，這時纖維表層将會産生多孔結構，通入凝固浴中後将這種結構保留下來，因此需要纖維素溶液經過兩相溶液中，以便得到具有特殊結構的纖維素纖維。

下一步則是确定紡絲方法，為在紡絲過程中能簡便得到想要的纖維結構，他們通過查閱文獻學習到了一種新型的紡絲方法——微流控紡絲，這種紡絲方法是通過設計具有一個或多個鞘層通道的芯片，能滿足實驗中通入不同溶液對芯層溶液進行結構的設計，進而滿足所需的要求。

因此，葉冬冬和團隊設計了一個三相五通道的微流控芯片來作為紡絲通道。進一步地，通過将溶解好的纖維素溶液進行化學交聯得到松散網絡結構的纖維素溶液，通入到微流控芯片中。接着，先後經過堿尿素溶劑和酸溶液中，得到濕态的纖維素纖維用去離子水洗淨，這時再通過冷凍幹燥得到柔韌的再生纖維素纖維。

通過對再生纖維素纖維進行掃描電鏡圖片分析，證明了這種紡絲方法制備得到了所預想的疏松的外層纖維結構，并且由于外層的疏松使接觸到凝固浴後内部的結構變得緊密，形成了同時具有梯度海綿結構與氣凝膠結構的纖維素纖維。

之後，他們利用流體動力學模拟和三維拉曼成像，證明了微流控芯片中的流動輔助動态擴散過程形成了梯度的纖維結構分布，驗證了微流控紡絲方法的可行性。

而後，通過研究紡絲參數對纖維可加工性能，物理性能及結構的影響。他們證明使用這種紡絲方法獲得了一個分級但連續排列的結構，其孔徑從海綿（外層平均為 732nm）到氣凝膠（芯層平均為 34nm）的孔徑不等。他們還用 2D SAXS 證實了這種非均質排列納米結構的纖維具有一定的取向性。

（來源：Nano Letters）

考慮到梯度納米結構在保溫領域的潛在應用，該團隊測量了包括全纖維素海綿-氣凝膠纖維、再生纖維素氣凝膠和再生纖維素海綿在内的纖維素材料的導熱系數。

這些結果表明，結構設計對全纖維素海綿-氣凝膠纖維的隔熱性能起着重要作用。并且驗證了全纖維素海綿-氣凝膠纖維比其他商業纖維更優異的隔熱性能。

在水處理、電磁屏蔽和人體熱管理等領域具備應用潛力

在具有梯度納米結構纖維素海綿-氣凝膠纖維的後續研究工作裡，他們将圍繞梯度孔開展更精緻的結構調控和應用研究，涉及水處理、電磁屏蔽和人體熱管理等領域。除了關注基礎科學研究和應用研究外，該課題組更願意推動此類纖維的工業化進程，這或許比材料制備更難，但其願意為此投入更多精力。

從博士期間到獨立組建課題組以來，葉冬冬一直從事纖維素綠色溶劑堿/尿素水溶劑體系的纖維素溶解、再生及強韌化、序構化再生纖維素構建、構效關系等科研工作，并對這些材料進行一系列的應用研究，以實現其在感知外力、誘導細胞取向生長、促進傷口愈合、治愈感染傷口及水體治理等領域的應用。

而本次工作是該課題組第一個利用微流控紡絲構建全再生纖維素纖維的應用探究工作，實驗過程中紡絲方法都是在不斷探索、到失敗、到再探索的過程。

（來源：Nano Letters）

在對紡絲參數和的調整中到順利紡出了連續均勻的纖維素纖維過程中，每一步都值得紀念。葉冬冬說：“如果說這過程中有什麼難忘的事情，那應該是我們第一次從掃描電鏡下觀察到全纖維素海綿-氣凝膠纖維的截面形貌，按照我們實驗設想得到了結果，并且結構展現出來比我們預想的更好，再對其所編織的織物進行性能測試時也表現出良好的隔熱性能，這說明我們制備得到了具有非均質纖維結構的纖維，這是很激動人心的時刻。”

此外，這種利用流動輔助動态雙交聯策略、所制備的外松内密的全纖維素海綿-氣凝膠纖維，由于其外層具有的非均質結構，能将空氣限制在纖維中，利用空氣熱傳導系數低等性能，可将其作為人體熱管理的織物，能有效地降低人體在極端天氣情況下的熱量流失，從而實現被動隔熱。因此，下一步他們計劃引入功能性填料，圍繞這類結構設計開發更多功能性的梯度孔纖維素纖維和織物。

-End-

參考：

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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