面对合成纤维带来的微塑料污染与化石资源消耗，以及现有生物基替代品在性能和成本上的双重困境，纺织工业正面临前所未有的挑战。传统再生纤维素纤维（如粘胶、铜氨纤维）的生产过程依赖有毒化学品，产生有害副产物，且溶剂回收效率低下，与可持续发展的要求背道而驰。尽管N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）和离子液体等替代溶剂避免了共价衍生化，但它们仍受困于高昂的操作成本、溶剂降解及纤维原纤化等问题。因此，如何设计一种低成本、环境友好的溶剂体系，通过选择性调控纤维素氢键网络，实现高性能纤维的闭环制造，成为该领域的核心难题。针对上述挑战，东北林业大学于海鹏教授、许苗军教授提出了一种基于“拉链式”氢键操控策略的闭环制造平台，用于生产高性能再生纤维素甲酸酯纤维（RCFF）。该工艺采用由氯化钙、甲酸和水组成的低共熔溶剂（DES），有效实现纤维素溶解和部分酯化。随后通过干喷湿法纺丝和乙醇诱导凝固，使最初无序的纤维素链重组为有序、致密的原纤结构。所得纤维展现出63.9%的相对结晶度、222兆帕的抗拉强度、超过20%的断裂伸长率以及高于180摄氏度的热稳定性，并具备纺织相关特性。更重要的是，该工艺能同时回收溶剂和凝固剂，保持纤维的可重复使用性，显著减少废弃物和成本。生命周期评估表明，与传统人造丝生产相比，该途径大幅降低了碳足迹和资源消耗。相关论文以“A Circular Manufacturing Platform for High-Performance Cellulosic Fibers via Hydrogen-Bond Unzipping and Rezipping”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队详细展示了RCFF的制造过程（图1）。他们通过一种类似“拉链开合”的氢键操控策略（图1a），使用由氯化钙、甲酸和水组成的低共熔溶剂作为低成本、可回收的“分子剪刀”，溶解纤维素并驱动原位酯化（图1b）。一根直径78微米的单丝RCFF即可悬挂200克的重量（图1c），其光学显微照片显示了良好的加捻特性（图1d），并且该工艺具备规模化生产的潜力（图1e）。性能对比雷达图进一步证实，RCFF在强度、模量、热稳定性等关键指标上与石油基聚酰胺纤维（图1f）、生物基聚乳酸纤维（图1g）以及传统的粘胶/铜氨纤维（图1h）相比具有显著优势。

图1 再生纤维素甲酸酯纤维（RCFF）的制造。 (a) 用于RCFF生产的氢键（HB）开合-再拉链策略示意图。 (b) 纤维素在由氯化钙、甲酸和水组成的低共熔溶剂（DES）中溶解。 (c) 由单根RCFF悬挂一个200克重物。 (d) 加捻RCFF的光学显微照片。 (e) 展示可规模化RCFF生产的照片。 (f-h) 将RCFF的关键性能指标与(f)聚酰胺、(g)聚乳酸（PLA）以及(h)粘胶/铜氨纤维进行对比的雷达图。

在制造流程与结构表征方面（图2），RCFF的制备经历了分子链解缠、宏观取向和乙醇介导的重组固定三个阶段（图2a）。动态光散射和流变学分析证实了纤维素的均匀溶解和理想的纺丝特性（图2b-d）。在干喷湿纺过程中，空气间隙中的剪切力和重力进一步促进了分子链的取向（图2e）。扫描电镜图像显示，RCFF表面光滑、横截面致密无缺陷（图2f-g），而偏振光显微照片中的强烈双折射现象直观地证明了纤维内部的高度分子取向（图2h）。

图2 RCFF的制备与表征。 (a) 流程图，揭示RCFF制备过程中纤维素的超分子重构。 (b) 10 wt.%溶解纤维素溶液的动态光散射（DLS）曲线。 (c) 折射率对纤维素溶解比例的依赖性。 (d) 结构粘度指数（Δη）的拟合曲线。 (e) 液晶纺丝过程示意图。 (f,g) RCFF的扫描电镜（SEM）图像，显示其(f)表面形貌和(g)横截面视图。 (h) RCFF的偏振光显微照片。

研究进一步揭示了RCFF的组装机理与结构演变（图3）。固态核磁共振和二维异核单量子相干谱确证了纤维素C6位羟基发生了部分酯化（取代度为0.57），引入了甲酸酯基团（图3a-c）。核磁共振滴定和密度泛函理论计算表明，纤维素甲酸酯与乙醇的结合常数及纤维素链间的结合能均优于未改性纤维素，从而在热力学和动力学上促进了乙醇凝固过程中的“再拉链”式氢键网络重组（图3d-e）。X射线衍射结果显示，从乙醇凝胶原丝到最终RCFF，结晶度由60.8%提升至63.9%，取向因子由0.643提升至0.754（图3f-i）。二维小角X射线散射和二维广角X射线散射图案进一步证实了纤维沿轴向的高度分子取向和纤维素II晶型的形成（图3j），扫描电镜图像直观地展示了从不规则原料到松散有序的乙醇凝胶原丝，再到致密高取向的RCFF的结构优化过程（图3k）。

图3 乙醇凝胶原丝（EGF）和RCFF的微观结构特征。 (a-c) RCFF的结构分析：(a) ¹³C固态核磁共振（NMR），(b) 二维异核单量子相干（2D-HSQC）谱，以及(c) 纳米红外光谱。 (d) 乙醇-纤维素（Eth-Cel）和乙醇-纤维素甲酸酯（Eth-CF）复合物的结合常数。 (e) Eth-Cel、Eth-CF、Cel-Cel和Cel-CF的结合能（ΔE）值。 (f,h) (f) EGF和(h) RCFF的X射线衍射（XRD）图谱。 (g,i) 用于计算取向指数（fc）的(020)散射面的方位角积分：(g) EGF和(i) RCFF。 (j) EGF和RCFF的二维小角X射线散射（2D-SAXS）图案。 (k) EGF和RCFF的SEM图像。

在物理与机械性能评估中（图4），RCFF展现出优异的综合性能。相比于乙醇凝胶原丝（强度82兆帕，应变54%），经过结构致密化的RCFF抗拉强度大幅提升至222兆帕，同时保持超过20%的断裂伸长率（图4a-b）。该纤维可轻松吊起200克砝码（图4c），并能承受20%应变的循环拉伸而不断裂（图4d）。与聚酰胺、聚乳酸、棉、粘胶、莱赛尔等多种纤维相比，RCFF在抗拉强度、韧性和密度方面均展现出明显优势（图4e-g）。此外，它还具备12.4%的舒适回潮率（图4h）、与商业纤维相当的湿态膨胀率（图4i）、0.064 W·m⁻¹·K⁻¹的低导热系数（图4j），以及媲美高档铜氨纤维的光泽度（图4k），并且染色性能优异，色牢度良好（图4l）。

图4 再生纤维素产物的物理和机械性能。 (a) 应力-应变曲线。 (b) EGF、水凝胶原丝（HGF）和RCFF的抗拉强度和断裂功。 (c) 展示直径78微米的RCFF负载200克重物的照片。 (d) RCFF的循环拉伸加载-卸载曲线。 (e-g) 不同纤维材料机械性能比较：(e) 抗拉强度，(f) 韧性，和(g) 密度。 (h-k) 纺织相关特性评估，包括(h) 回潮率，(i) 直径吸湿膨胀率，(j) 导热系数，和(k) 表面光泽度。 (l) RCFF的色牢度测试。

该工艺的核心优势在于其闭环生产系统（图5）。通过真空旋转蒸发，低共熔溶剂、乙醇和水均可高效回收，十个循环后回收率仍分别稳定在83%、86%和91%以上（图5a-e）。尽管溶解产率略有下降，但酯化度仍保持在0.5以上，且利用第十循环回收溶剂所制纤维的抗拉强度仍超过180兆帕，断裂伸长率超过15%（图5f-h）。这些回收纤维可被加捻、编织成色彩鲜艳的织物（图5i）。更值得一提的是，废旧RCFF能够与原生纤维素原料共溶解，再生成性能优异的再生RCFF，其抗拉强度超过180兆帕，伸长率超过13%，单根纱线可举起超过自身重量31000倍的负荷，真正实现了材料的闭环循环（图5j-k）。

图5 用于制造RCFF的双闭环系统。 (a) 具有集成溶剂（如DES、乙醇、水）回收功能的连续RCFF生产工艺流程图。 (b) 甲酸（FA）、原始DES和回收DES（R-DES）的¹H NMR谱图。 (c-e) (c) DES、(d) 乙醇和(e) 水的回收率。 (f) 在十个连续循环中，R-DES用于纤维素溶解的可重复使用性。 (g,h) 回收过程中，RCFF的甲酸酯基团取代度（DS）和抗拉强度。 (i) 由回收过程中获得的RCFF制备的织物照片。 (j) 使用DES和凝固浴对RCFF进行级联升级回收。 (k) 升级回收后得到的再生RCFF（R-RCFF）的应力-应变曲线。

最后，论文对RCFF的经济与环境效益进行了评估（图6）。技术经济分析显示，RCFF的生产成本约为每吨1820美元，与聚酰胺和粘胶纤维相当，显著低于聚乳酸和铜氨纤维（图6a）。成本构成中，甲酸和乙醇占比最高，但二者的高效回收为规模化应用中的进一步降本提供了空间（图6b）。生命周期评估表明，在全球化变暖、酸化、资源消耗等多个环境影响类别中，RCFF的生产均显著优于聚酰胺、粘胶和铜氨纤维（图6c）。此外，RCFF在土壤中70天内即可完全生物降解，而聚酰胺和聚乳酸纤维则几乎不降解（图6d）。

图6 RCFF的经济与环境概况。 (a) RCFF与传统聚酰胺、PLA、粘胶和铜氨纤维的生产成本比较。 (b) 桑基图，描绘了RCFF生产步骤中的成本贡献。 (c) RCFF与其他商业纤维的环境影响比较。关键影响类别以三氯氟甲烷（R11，ODP = 1）为臭氧消耗的参照物，以二氯苯（DCB）为毒性的参照物进行归一化。 (d) 显示聚酰胺、PLA、粘胶、铜氨纤维和RCFF生物降解过程的时序数码图像。

综上所述，这项研究开发了一个绿色、可持续的高性能RCFF制造平台。通过低成本的DES实现纤维素溶解和可控酯化，并利用乙醇诱导氢键的“拉链式”重构，将无序纤维素转化为高度取向、结晶的纤维，其性能可媲美石油基聚酰胺。该系统专为循环性设计：所有溶剂和凝固剂均可回收复用，且废旧RCFF可再加工为高性能新纤维，实现了真正的材料闭环。RCFF的可加捻性和可加工性使其能够制成强韧的纱线和面料，为现代纺织工业提供了一条可行、环保的替代路径。