①反应型熔体纺丝工艺（RMS）示意图。

②团队成员在实验室工作。青岛大学供图

■本报记者 廖洋 通讯员 慕欣瑶

超细纤维具有手感柔软细腻、柔韧性和保暖性好、织物密度高与清洁能力高等优点，一直是科学和工业界追求的目标。

近日，青岛大学非织造材料与产业用纺织品创新研究院教授宁新团队，设计出一种新型低能耗反应型熔体纺丝工艺（RMS）制备尼龙6超细微纳米纤维，极大提高了生产效率，并降低成本，对环境保护及行业发展具有重要意义。

相关研究成果发表于《绿色化学》。

优质产品 市场所需

现代工业的进步，使得纺织服装的基础原料纤维已从天然纤维全面过渡到化学纤维，其中聚酯、聚酰胺是最早也是当前市场占有率最大的化纤。而随着人们生活水平的日益提高，超细纤维的市场需求逐渐上升，并不断推动其研究和发展。

传统的化学纤维工业中，熔纺技术的成纤过程以已经完成聚合的高分子量聚合物为原料。由于聚合物熔体黏度高，其纤维尺度（直径）通常在10μm以上，更小尺度（亚微米及纳米级）纤维通常采用静电纺丝技术实现。工艺上除了要求5~40千伏高静电压之外，还要求较低的流体黏度、易于拉伸。

因此，通常将聚合物溶解在有机溶剂中形成1%~20%的纺丝溶液的做法，不仅会大大降低纤维的产率、提高工艺成本，还会造成溶剂回收和环境污染的后果，是该技术进一步产业化的巨大障碍。

长期以来，如何以不含溶剂挥发的方式获取超细纤维，一直困扰着工业界。

“考虑到这个问题，我们便以聚酰胺6纤维，即尼龙6纤维材料作为突破点，基于己内酰胺—催化剂—引发剂体系的阴离子开环聚合机制，设计了一种新型低能耗反应型熔体纺丝工艺制备尼龙6超细微纳米纤维。”宁新对《中国科学报》介绍说。

宁新团队以低黏度单体作为纺丝起始原料，通过反应动力学控制聚合反应中的混合体系黏度匹配高压静电场力拉伸，实现低黏度单体混合、阴离子开环聚合、聚合物结晶、流体挤出拉伸成型以及纤维随机铺网过程同步进行的做法，取得了明显成效。

“研究所得的纤维样品平均单体转化率可达90%以上，聚合物（纤维）平均分子量在5万以上，这说明反应型熔体纺丝工艺伴随着非常高效彻底的聚合反应过程。”宁新说。

同时，该工艺还兼具环保特性。“我们的工艺温度比目前商业熔纺工艺温度低约80℃~100℃，能大大降低能源消耗。相比溶液湿法纺，整个过程不使用任何溶剂或稀释剂，无溶剂回收、处理成本，可以避免造成生命健康危害和环境污染。”团队主要成员何宏伟介绍说。

思想碰撞 共克难关

科研之路并非一帆风顺。由于缺少成熟的设备支撑，研发中最困难的阶段便是整个实验体系的设计和搭建。

要想同时满足聚合物单体的聚合条件以及聚合动力学控制，在高温环境中施加高压静电的操作（要求部件耐热、隔热、绝缘等），就需要寻找合适的零部件进行组装，还要摸透其特性、应用及风险规避……种种问题需要团队一项项攻克与解决。

疫情期间，实验工作难以顺利开展，宁新远在美国，团队成员通过视频会议进行沟通。疫情好转后，宁新返回国内，在博士生赵壬海等团队成员的不断努力与尝试下，终于搭建了理想的实验设备。

尽管在设备调试过程中对RMS进行了不断尝试，但到了真正的实验阶段，问题仍层出不穷。

在实验过程中，团队成员针对困扰许久的计算成纤理想黏度熔体单体转化率问题，反复探讨可行方案，最终依据朗伯比尔定律消除样品受消光系数的影响，配合称重法进行相互印证，得到了理想的实验数据和科学解释。

“在科研路上，我们要T型发展。一竖代表自己的深度，一横代表自己的广度。专业是基础，同时宽广的眼界也会给我们提供更广泛的创新点和解决问题的新渠道。”赵壬海说，“保持好奇心，多问为什么，这不仅可以培养兴趣，增加科研动力，更是课题创新的源头。”

成果丰富 日臻完善

宁新团队研究开展了尼龙6产品全生命周期评估（LCA），从己内酰胺单体来源，到尼龙6合成，再到尼龙6纤维制品生产，最终到尼龙6降解过程，进行了整体调研、对比、分析。

在尼龙6纤维生产阶段，与传统熔体纺丝和溶液纺丝工艺相比，反应型熔体纺丝工艺可能是在没有溶剂使用情况下生产直径几微米至亚微米范围内纤维的唯一途径，整个工艺过程无毒、无污染、低能耗、产率高。

“RMS结合己内酰胺单体可通过冬蕨类植物提取物生物酶工程法合成的路线，以及尼龙6可降解为己内酰胺前驱体而形成的绿色循环过程，从而达成尼龙6微纳米纤维全生命周期绿色循环可持续制造工艺。”何宏伟强调说。

从概念上分析，RMS具备高度可行的商业化前景，有望实现尼龙6微纳米纤维工业化规模生产，工艺的流程发明及相关材料已经申报专利保护。

“不过，目前此项技术并不成熟，仍有进步的空间。”宁新表示，单体在聚合过程的可控性（可预知性），聚合反应后流道内的黏度分布，即前段（近喷丝口）黏度大、后段小导致泵推进困难等，都是目前存在的问题。

这些问题在设备放大后更显困难，同时，理想黏度的熔体挤出必须对聚合体系进行严格的单体转化率监测，此技术尚存在一定难度。并且，试验阶段使用的是单喷丝口，因此放大后喷丝板段流体黏度变化及其分布也是一大难点。

发现问题才能更好地解决问题。宁新对该技术的产业化发展信心十足。“下一步我们将主要在现有实验装置基础上收集数据，结合计算模拟，建立模型，逐步指导放大直至产业化。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1039/D1GC03468E