纤维素 | 苏州纳米所,超韧纤维素气凝胶纤维

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气凝胶纤维因轻质、高孔隙率、低导热性等优势，在纺织、环保、保温等领域潜力巨大，但传统气凝胶纤维普遍存在力学性能差、韧性低、易脆裂的痛点，且纳米颗粒间仅靠弱氢键或物理耦合连接，难以织造，同时溶剂难回收、成本高。

US 2026/0002288 A1 专利公开了由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研发的超韧纤维素气凝胶纤维，核心创新在于采用湿纺技术 + 分子级纤维素溶液原位自组装与氢键交联一体化工艺，形成连续三维多级孔网络结构（含微孔、介孔、大孔）；该纤维韧性≥5 MJ/m³（最高达 25 MJ/m³），拉伸强度 17-30 MPa，伸长率 82-110%，孔隙率 80-90%，比表面积 290-372 m²/g，密度 0.18-0.25 g/cm³，解决了传统气凝胶纤维脆、韧性差、难织造的痛点；原料来源广泛（棉花、秸秆等），溶剂（离子液体）可 100% 回收，适用于纺织、空气净化、重金属吸附、保温隔热等领域，具备工业化潜力。

2.1 原料

2.2 制备工艺

第一步，制备分子级纺丝液：选取脱脂棉等纤维素原料（聚合度 9000 左右），加入 1 - 烯丙基 - 3 - 甲基咪唑氯盐离子液体，70-80℃加热搅拌 72 小时，制备浓度 5wt% 的均匀分子级纤维素溶液；若选用混合溶剂，离子液体与 DMSO 质量比控制为 1:1。

第二步，湿纺与取向处理：将纺丝液通过直径 300μm 的挤出针头，以 300μL/min 的速度挤入无水乙醇凝固浴；纤维素分子在凝固浴中脱溶剂，同步发生原位自组装与氢键交联，结合流场取向处理，形成结构均匀的纤维素凝胶纤维，确保纤维无明显网络缺陷。

第三步，溶剂置换与干燥：将凝胶纤维浸泡在无水乙醇中进行溶剂置换，去除残留离子液体；随后采用冷冻干燥法（或超临界干燥、真空干燥）处理，保留三维多级孔结构，获得超韧纤维素气凝胶纤维。

第四步，功能改性与应用：如需疏水性能，将干燥后的纤维置于冷等离子体设备中，以甲基三甲氧基硅烷为气源，200Pa 真空度、150W 功率下处理 3-10 分钟；所得纤维可直接织造为面料（用于保温）、网袋（用于高空承载），或用于重金属吸附、空气净化等场景。

应用场景

纺织领域：可织造面料、网袋（如图 16-17），适用于高温隔热、低温保温、高空承载等场景。

环保领域：重金属离子吸附、大气 PM2.5 吸附、室内有害气体吸附（得益于高比表面积与多级孔结构）。

材料领域：保温隔热材料（低导热性）、过滤材料、复合材料增强相，拓展至智能穿戴、航空航天等领域。

本专利的创新核心基于 “结构 - 性能协同” 理论：

其一，分子级组装与交联一体化理论，摒弃传统纳米颗粒分散体纺丝，分子级纤维素溶液在纺丝过程中同步完成自组装（形成纳米纤维）与氢键交联（分子链间羟基密集形成强氢键），构建无缺陷的连续三维多级孔网络（含微孔 < 2nm、介孔 2-50nm、大孔 50-100nm）；

其二，外力响应结构优化理论，当纤维受外力拉伸时，大孔结构逐渐收缩，纤维沿长度方向的取向度同步提升，纳米纤维间的氢键连接点强度协同叠加，构成纤维本体强度，避免局部应力集中导致的脆裂，最终实现超韧性；

其三，晶体转型增强理论，纤维素经离子液体溶解 - 再生后，从天然 I 型晶体转为 II 型晶体，II 型晶体更易通过氢键形成致密连接，进一步提升纤维力学性能与结构稳定性。

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