《Carbohydrate Polymers》：Lignin-reinforced dual-porous cellulose fibers via gas-foaming assisted wet spinning for thermal management
编辑推荐：
本研究通过湿纺结合气相发泡和两阶段沉淀浴制备木质素增强双孔纤维素纤维（L-DCF），其内孔与外纳米孔结构使比表面积达19.02 m2/g，拉伸强度66.4 MPa，热绝缘性能优异，适用于个人热管理。
赵辉|高子军|王美欣|范英春|李欣|李德强|徐峰
中国北京林业大学高效森林资源生产国家重点实验室、木质纤维素化学北京重点实验室，北京，100083
摘要
开发轻质、高性能的纺织材料对于解决热积聚和穿着安全问题至关重要，这类材料需要具备出色的隔热性能、机械强度和透气性。本研究介绍了一种新型的木质素增强双孔纤维素纤维（L-DCF），该纤维通过简单的湿法纺丝工艺结合气体发泡和两阶段凝固浴制备而成。通过将木质素磺酸盐（LS）均匀地整合到再生纤维素基体中，显著增强了界面氢键网络，使得纤维具有优异的机械性能和紫外线（UV）防护能力（紫外线吸收率高达94%）。当发泡剂和LS的浓度均为10 wt%时，纤维的性能达到最佳。首先使用稀酸进行初级凝固，随后加入甲醇。所得L-DCF的比表面积为19.02 m2/g，拉伸强度为66.4 MPa，吸湿性良好（吸水率为11.2%）。由于其独特的双孔结构——内部中空腔和外部纳米孔，L-DCF具有出色的隔热性能，表面温差可达69°C，同时保持了高热稳定性和耐久性。这项工作为设计可持续的纤维素纤维和多功能纺织品奠定了基础，这些纺织品在个人热管理领域具有广阔的应用前景。
引言
全球向碳中和的转型使得热调节技术成为可持续发展的战略重点，有助于减少能源消耗和人为碳排放（Feng等人，2025；Shi等人，2025；Zimmerman等人，2020）。作为热管理系统中的关键元素，先进、高效且可持续的隔热材料在大幅减缓热传递过程中发挥着重要作用，从而改善了人体的热舒适度并提供专门的热防护功能（Cheng等人，2025；Jiang、Liu等人，2025）。传统的纺织材料如尼龙（Yu等人，2025）、聚酯（Chen等人，2023）和棉（Qian等人，2023）在隔热性能方面表现良好。然而，它们存在固有的局限性，包括密度过高、透气性不足、吸湿性差以及资源依赖性强（Wu等人，2023），这些因素严重阻碍了其广泛应用和可持续发展。因此，持续寻找适合且环保的纺织材料以满足多样化的热管理需求是合乎逻辑的。
再生纤维素（Tu等人，2021）是一种源自木材、竹子和棉花等天然资源的纤维材料，由于其可再生性、生物降解性、吸湿性和透气性，被视为传统热管理纺织材料的理想替代品（Korkmaz Memi?等人，2024）。通过溶解-再生工艺制备的再生纤维素纤维（例如粘胶或莱赛尔纤维（Liu等人，2024）通常具有均匀的固体结构，其隔热性能主要通过调节纤维密度和厚度参数来实现（Du等人，2024）。然而，这种结构会降低纺织品的透气性和轻盈度，从而限制了其在高级热防护服装中的应用（Zhang等人，2025）。在这种情况下，开发高效、轻质且环保的纤维材料，同时具备优异的隔热性能，成为纺织行业进一步发展的一个重要方向（Jiang等人，2023）。
制备中空纤维素纤维（HCF）是解决上述材料局限性的关键途径。这种结构创新同时降低了热导率并增加了纤维的体积，从而在保持穿着舒适度的同时协同优化了热调节和轻量化效果。目前用于制造中空结构的技术主要包括使用环形喷丝头的湿法纺丝、同轴静电纺丝和相变方法（Jiang、Jiang等人，2025；Li等人，2024；Shao等人，2023）。但这些技术往往受到复杂工艺、设备要求高和生产效率低的限制（Tian等人，2021）。相比之下，气体发泡方法因其环保性、工艺简单性和设备兼容性强而逐渐受到重视（Orzan等人，2025）。然而，中空纤维技术主要应用于聚酯、尼龙等合成纤维领域（Lu等人，2018；Zhang等人，2020）。对于再生纤维素纤维而言，利用气体发泡技术制备中空结构仍处于早期发展阶段，并面临诸多技术挑战。一方面，同轴纺丝等工艺的复杂性增加了生产成本，阻碍了工业化生产；另一方面，在传统湿法纺丝过程中难以精确控制孔隙的大小和分布（Lou等人，2024）。目前的研究主要集中在具有封闭腔体的核壳结构上，缺乏对壳层孔隙结构的深入分析，这限制了热调节、水分管理和透气性的同时优化。因此，本研究的关键在于如何利用湿法纺丝过程中溶剂和反溶剂的相互扩散机制，结合气体发泡技术，构建具有外部微孔和内部中空结构的纤维。
此外，中空结构会导致纤维的机械强度下降，从而限制了其在高级纺织品中的应用。木质素是植物木质部的主要成分，也是细胞壁中的关键结构聚合物，对植物提供机械支撑（Figueiredo等人，2018）。木质素磺酸盐（LS）是从制浆和生物精炼过程中获得的副产品，是一种全球丰富的生物聚合物，年产量达980万吨。从化学角度来看，LS具有高度分支的疏水性大分子骨架，以及许多亲水末端基团（如磺酸基团）（Liu、Mao等人，2022）。此外，它保留了原始木质素的三维空间结构，物理上防止了聚集并促进了固定（Miranda-Valdez等人，2023）。这些结构特性使LS能够作为添加剂均匀分布在聚合物网络中，从而增强界面相互作用，显著提高复合材料的稳定性和机械性能（Liu、Li等人，2022；Yang等人，2023）。
在本研究中，我们假设湿法纺丝工艺结合气体发泡技术和两阶段凝固浴再生可以制备出具有优异隔热性能和机械性能的木质素增强双孔纤维素纤维（L-DCF）（图1）。具体而言，将纳米碳酸钙加入纺丝溶液中，并在酸性凝固浴中分解生成二氧化碳，从而在纤维内部形成中空结构，有效阻断热传递路径。在第二阶段凝固过程中，溶剂和反溶剂（甲醇）之间的相互扩散在纤维外壁形成纳米孔。双孔结构显著增加了L-DCF的比表面积，从而提高了隔热性、透气性和吸湿性。LS的加入预期通过增强界面相互作用来强化纤维素网络。同时，L-DCF表现出高热稳定性和有效的紫外线（UV）防护能力。这项工作有望为现代纺织材料在保暖性、轻量化和环境可持续性方面的未来发展与应用提供启示。
材料
所使用的纸浆（DP = 620）由加拿大的Northwood Pulp and Timber Ltd.提供，其中含有95.52%的纤维素、3.02%的半纤维素和1.12%的木质素（Zheng等人，2024）。木质素磺酸盐来自延边石岘双鹿实业有限公司。所用试剂包括氢氧化钠（NaOH，纯度≥99.9%）、二硫化碳（CS?，纯度≥99.9%）、甲醇（MT，纯度≥99.9%）、乙醇（EA，纯度≥99.7%）、异丙醇（IPA，纯度≥99.8%）、叔丁醇（纯度≥99%）和纳米碳酸钙（CaCO?）。
发泡剂浓度对HCF微观结构的影响
中空结构是先进热管理材料隔热性能和透气性的主要决定因素。为了阐明结构与性能之间的关系，研究了不同发泡剂剂量（1–50 wt%）对纤维内部中空结构的影响。不同发泡剂剂量的HCF的PLM图像如图2a–f所示。如图2a–b所示，当发泡剂剂量较低时，HCF的中空结构不完整。
结论
本研究提出了一种可持续的制备策略，即结合湿法纺丝、气体发泡技术和两阶段凝固浴再生法来制备L-DCF。通过将LS均匀地整合到再生纤维素网络中，增强了界面氢键相互作用，从而实现了L-DCF的高性能。在优化条件下，即发泡剂含量为10 wt%、LS含量为10 wt%、初级凝固浴使用稀酸、次级凝固浴使用甲醇时，
作者贡献声明
赵辉：撰写原始稿件、可视化处理、方法设计、实验研究、数据分析。高子军：撰写原始稿件、软件应用、数据分析。王美欣：指导研究、方法设计、数据管理。范英春：结果验证、软件应用。李欣：撰写与编辑、方法设计、数据管理、概念构思。李德强：撰写与编辑、实验研究、数据分析。徐峰：撰写与编辑、指导研究、资源协调、方法设计、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号U22A20422、22308027）和北京林业大学的5·5工程研究与创新团队项目（项目编号BLRC2023B01）的支持。
