随着高性能纤维在航空航天、防护服装、轨道交通等领域的广泛应用，芳纶材料凭借其卓越的热稳定性、阻燃性和力学性能成为行业关键材料。然而，芳纶材料的高结晶度与分子间强氢键结构也带来了一个严重问题——难降解、难循环。当前，大量废旧芳纶材料被焚烧或填埋，不仅造成资源浪费，也带来环境压力。如何利用废旧芳纶纤维进行循环再制造再生芳纶纳米纤维的仍是一项紧迫的挑战。
近日，江南大学魏取福教授、吕婧教授和王清清副教授在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Sustainable aramid filaments generated from waste aramid via proton-donor-regulated wet spinning strategy”。研究通过质子供体调控的湿法纺丝策略，高效制备出新型可持续再生芳纶纳米纤维。其中，刚性芳纶纳米纤维（ANF）构筑致密“支架网络”，柔性聚乙烯醇（PVA）作为“粘结相”形成仿生“砖-泥”结构，实现了纤维的高强与高韧协同增强。基于该策略制备的ANF/PVA复合纤维不仅具备优异的可缝纫、可编织性能，还可通过染整、镀银、冷冻干燥等方式制备彩色纤维、导电纤维、水凝胶纤维与气凝胶纤维等多种形态结构，广泛适用于热防护、人工韧带、智能纺织、导电织物等前沿领域。
图1：再生ANF纤维制备与多种后处理应用。
通过化学剥解将废弃芳纶纤维转化为芳纶纳米纤维（ANF），随后引入可形成氢键网络的聚乙烯醇（PVA）构筑“砖-泥”仿生结构，再经湿法纺丝制得可连续牵伸的再生ANF/PVA复合纤维，实现了纤维级再生与结构重构。
图2：ANF/PVA水凝胶纤维形成过程及其对连续湿法纺丝的支撑作用。
在湿法纺丝过程中，ANF/PVA混合溶液注入凝固浴后发生溶胶-凝胶转变：溶剂DMSO逐步扩散出凝固浴，水分子渗入，诱导ANF链段质子化重构氢键网络，同时与PVA发生协同作用，形成致密交联的水凝胶结构。该水凝胶纤维具备优异的初始强度与柔韧性，有效承受牵引张力，防止断丝与拉断现象，大幅提高连续纺丝的稳定性与效率。此外，较慢的凝胶速率为ANF链段提供充足时间进行有序排列与取向重排，进一步增强纤维结构致密性与力学性能，是实现高性能再生芳纶纤维的关键。
图3：再生ANF/PVA纤维的力学性能以及调控机理。
干燥后的ANF/PVA纤维展现出优异的力学性能，拉伸强度高达546.5 MPa，杨氏模量23.3 GPa，韧性达21.1 MJ/m³。该性能提升得益于“砖-泥”仿生结构中刚性ANF纳米纤维与柔性PVA链段形成的多重氢键交联网络，不仅增强了纤维的结构完整性，还有效缓解了微裂纹扩展。同时，通过调控凝固浴中的质子供体浓度，实现了溶胶-凝胶转变速率的精准调节，使得ANF链段在纺丝牵引过程中得以充分取向与定向排列。小角X射线散射结果进一步证实了不同pH条件下纤维取向度的变化，取向度越高，干纤维强度越优，揭示了纤维增强的微观机制。
图4：再生芳纶纳米纤维的性能分析与多功能应用。
在具备优异力学性能的基础上，ANF/PVA再生纤维还展现出广泛的功能拓展潜力。通过染色凝固浴处理，可获得彩色纤维，适用于美观与标识需求；冷冻干燥处理可制备气凝胶纤维，具备优异的热绝缘性能，在热防护织物中表现出显著优势；水凝胶纤维，柔软富弹性，有望应用于人工韧带与组织支架等生物医用场景。此外，通过银氨溶液化学还原，可在纤维表面构建导电网络，获得导电ANF纤维，可稳定驱动LED发光，具备良好的电热转换能力与耐反复弯折性能，适用于可穿戴智能纺织品、电热调温织物等领域。
图5：再生ANF纤维的循环再生过程。
所制备的ANF/PVA复合纤维具备良好的可循环再加工能力。经过多轮溶解-纺丝循环处理后，其力学性能仅轻微下降，拉伸强度仍保持在428 MPa，结构稳定性良好，表现出显著的可持续利用潜力。热重分析和红外光谱对比进一步证实了材料结构与热稳定性的保持。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725048405ttps://www.nature.com/articles/s41427-018-0070-1
人物简介：
魏取福，江南大学教授，博士生导师，主要研究方向为纳米纤维功能材料、生物基纤维材料、智能可穿戴材料及其应用。入选教育部新世纪优秀人才。主持和承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项、教育部创新团队、新世纪人才计划、教育部重点项目等科研项目20余项。相关成果获教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、中国商业联合会科学技术一等奖、纺织工业协会教学成果一等奖等科研奖励。主编有Woodhead Publishing出版的英文学术专著2部。2020-2024连续五年获得爱思唯尔“中国高被引学者”。
