湿纺海藻酸钠/纤维素纳米晶复合纤维的拉伸性能优化与结构调控研究

推荐：研究人员针对纯海藻酸钠(AG)纤维力学性能不足的问题，通过湿法纺丝和Ca2+诱导凝胶化技术制备AG/纤维素纳米晶(CNC)复合纤维，系统探究了CNC含量(0-70 wt%)和牵伸比(4-7)对纤维形貌、取向及力学性能的影响。研究发现高CNC负载使纤维截面呈扁平带状，特定模量提升超60%，揭示了纳米填料含量与牵伸工艺的协同作用机制，为高性能全多糖纤维设计提供新思路。

　　

在生物医学材料和柔性电子器件快速发展的当下，高性能生物基纤维的研发面临重大挑战。传统海藻酸钠(AG)纤维虽具有优异的生物相容性和快速离子交联特性，但存在力学强度不足、环境敏感性高等缺陷。与此同时，纤维素纳米晶(CNC)作为最具潜力的天然纳米填料，其高达140 GPa的杨氏模量和10 GPa的拉伸强度尚未在纤维复合材料中得到充分开发。如何通过调控CNC的取向排列来平衡纤维的力学性能与加工性能，成为突破生物基纤维应用瓶颈的关键科学问题。

针对这一难题，国外研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表了创新性研究成果。研究人员采用酸水解棉浆制备出长径比10-20的棒状CNCs，通过湿法纺丝结合Ca²⁺诱导凝胶化技术，成功制备了CNC含量高达70 wt%的AG/CNC复合纤维。研究创新性地采用多尺度表征手段，包括流变学测试、扫描电镜(SEM)形貌分析、拉曼光谱取向定量以及力学性能测试，系统揭示了CNC含量与牵伸工艺对纤维结构的调控规律。

【材料制备与表征方法】
研究首先通过硫酸水解棉浆获得带负电(ζ电位-50.9 mV)的纤维素II型CNCs，采用旋转流变仪分析不同CNC含量(0-70 wt%)纺丝原液的剪切稀化行为。通过定制的湿法纺丝装置，在0.18 M CaCl₂凝固浴中制备纤维，设置4-7三种牵伸比。采用冷冻断裂-SEM观察纤维形貌，创新性应用偏振拉曼光谱定量CNCs的取向因子(Herman's orientation factor)，并依据ASTM标准测试纤维的线性密度和力学性能。

【主要研究结果】
3.1 形态学特征
SEM显示所有CNC复合纤维均呈现轴向沟槽结构，70 wt% CNC组纤维截面呈显著扁平带状。研究首次发现这种形变主要源于干燥过程中CNC高取向区域与非取向区域的差异收缩，而非传统认为的纺丝工艺缺陷。

3.3 CNC取向调控
拉曼偏振分析揭示CNC含量与取向因子的线性关系：70 wt%组取向因子达0.81，比30 wt%组提高42%。突破性发现牵伸比对取向影响存在阈值效应，当牵伸比>4时继续提高牵伸比不会显著改善CNC排列。

3.5 力学性能优化
特定模量随CNC含量线性增加，70 wt%组达10.1 MN·m/kg，比纯AG提高60%。但高CNC负载导致断裂应变下降50%，揭示"强度-韧性"权衡效应。牵伸比对不同CNC含量纤维的影响呈现差异化：50 wt% CNC组在牵伸比7时特定模量提升35%，而30 wt%组无明显变化。

【结论与意义】
该研究首次系统阐明了超髙CNC含量(70 wt%)在全多糖纤维中的可加工性，突破了传统纳米复合材料中填料含量通常低于30 wt%的限制。研究发现的高取向阈值效应(牵伸比4)为生物基纤维的节能制备提供了理论依据。特别重要的是，研究揭示了"高取向≠高强度"的反常识现象，指出CNC网络结构的完善程度比单纯取向度对力学性能的影响更为关键。这些发现不仅为设计具有各向异性功能的医用缝合线、组织工程支架提供了新方案，也为其他纳米纤维复合材料的性能优化建立了普适性方法框架。

研究团队开创性地将偏振拉曼技术应用于多糖纤维的纳米填料取向定量，建立的结构-性能关系模型可推广至壳聚糖、透明质酸等生物高分子体系。论文中提出的"牺牲牵伸比换取向"策略，为平衡纤维生产效率与性能指标提供了创新思路，对推动绿色生物材料的产业化应用具有重要指导价值。