作为最早被开发和产业化的高性能纤维之一，高强度耐高温芳纶纤维在国民经济与重大装备领域应用广泛。进一步提升其力学性能具有重要理论与应用价值。然而，目前的力学增强方法主要依赖于聚合物浆料的化学改性，如原位聚合引入纳米填料、增大聚合物分子量、高分子链间引入交联等，给纤维的制备带来了更大的复杂性和加工挑战。

近期，浙江大学高超教授课题组在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Cool Spinning Strategy for High-performance Thick Aramid Fibers”的研究成果。本工作创新性地提出冷纺策略，提高了不同种类的芳纶纤维及其复合纤维的力学性能。降低凝固浴温度后，初生纤维内高分子链和溶剂分子之间的相互作用大大增强，这种溶剂化效应使链的相对滑移能力增强，初生纤维的拉伸率从200%大幅提升至380%，从而显著优化了纤维内部的高分子链取向和晶体结构。与常温纺条件相比，冷纺策略下制得粗直径杂环芳纶纤维的拉伸强度、杨氏模量和韧性分别提高了112%、123%和118%。将冷纺策略拓展到大直径的杂环芳纶/氧化石墨烯复合纤维，成功制备出直径粗达36 μm的复合纤维，其拉伸强度、杨氏模量和韧性分别提高到6.28 GPa、119.62 GPa和172.7 MJ/m³。进一步将该策略应用于间位芳纶纤维的制备，纤维的拉伸强度明显提高，达到1.35 GPa。这种简单且通用的冷纺策略为制备高性能纤维开辟了一条新路径。浙江大学博士生刘丽军、博士后王利丹和博士生李楷文为本文第一作者，畅丹博士、许震副教授和高超教授为共同通讯作者。

图1 高性能纤维的力学增强策略

冷纺促拉伸，空气热处理增结晶——高强高模粗直径PBIA纤维的制备

通过调整杂环芳纶（PBIA）湿法纺丝时的凝固浴种类，降低凝固浴温度，显著提升纺丝液内PBIA高分子与溶剂DMAc分子之间的氢键相互作用，降低初生纤维在凝固浴中的双扩散速率，溶剂对PBIA高分子链的类塑化效应大幅提升了初生纤维在拉伸浴中的拉伸倍率，使得纤维的取向度和结晶度显著提升，获得结构更加规整的PBIA纤维。由于结构规整性增强，PBIA纤维能够采用空气热处理法进行热处理。经过热处理后，纤维内残余的溶剂分子被有效去除，进一步提高取向度和结晶度，制得粗直径且高强高模的杂环芳纶纤维。

图2 冷纺策略增强杂环芳纶纤维的力学性能

图3 不同凝固温度制备的PBIA纤维多级结构的变化

冷纺策略与纳米增强协同——高强高韧大直径的PBIA/GO复合纤维

将冷纺增强策略与纳米填料增强策略协同，进一步提升杂环芳纶的力学性能。将微量GO/DMAc分散液直接添加到PBIA/DMAc溶液中，将该纺丝液进行冷纺。当GO占PBIA质量分数为0.025%时，制得直径粗达36 μm、强度高达6.28 GPa、断裂伸长率高达5.3%、韧性高达172.5 MJ/m³的PBIA/GO复合纤维。与常温纺PBIA/GO复合纤维相比，强度提升86.4%、断裂伸长率提升37.5%、韧性提升156.2%。

图4 冷纺策略对PBIA/GO复合纤维的力学增强

冷纺策略的普适性——高强度PMIA纤维的制备

将冷纺增强策略进一步拓展，提升间位芳纶（PMIA）的力学性能。间位芳纶初生纤维的拉伸率大幅提高，纤维的取向结构得以优化，间位纤维的拉伸强度从常温纺的0.62 GPa明显提升至1.35 GPa。

图5 冷纺策略实现间位芳纶纤维的力学增强

冷纺策略的未来之路——高性能纤维的应用及产业化

冷纺增强策略应用于芳纶及其与GO的复合纤维上，对纤维力学性能的提升取得了显著效果，为提升高性能纤维的力学性能提供思路。该策略的工艺路线与现有的工业纺丝路线相同，易在现有的工业设备、流程的基础上进行优化调整，有望进一步推动高性能纤维的工业化开发与应用。

原文信息

Lijun Liu^#, Lidan Wang^#, Kaiwen Li^#, Dan Chang*, Chendong Ge, Zheng Li, Feifan Chen, Xin Ming, Yingjun Liu, Weiwei Gao, Zhen Xu*, Chao Gao*. Cool Spinning Strategy for High-Performance Thick Aramid Fibers. Advanced Fiber Materials (2025) https://doi.org/10.1007/s42765-025-00603-z. 

 原文链接： 

2025~刘丽军~Advanced Fiber Materialss~42765-025-00603-z.pdf