综述：再生纤维素纤维及其复合材料：从基本特性到高级应用

这篇综述全面探讨了再生纤维素纤维（RCFs）及其复合材料（RCFCs）的制备工艺、机械性能和环境可持续性，重点分析了粘胶（viscose）、莱赛尔（lyocell）等纤维在热塑性（PP/PLA）、热固性（环氧树脂）及弹性体复合材料中的应用潜力，并指出其在轻量化设计和生物降解领域的独特优势。

再生纤维素纤维及其复合材料研究进展

1. 再生纤维素纤维的定义与结构

再生纤维素纤维（RCFs）是通过溶解天然纤维素（如木浆、棉短绒）后重新纺丝制成的人工纤维，其晶体结构可分为纤维素I（天然）和纤维素II（再生）。纤维素II因反平行链排列而具有更高的热力学稳定性，但结晶度（35-55%）低于天然纤维素。不同生产工艺（如粘胶法、莱赛尔法）会显著影响纤维的力学性能：莱赛尔纤维因采用N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）溶剂直接溶解工艺，保留了更高聚合度，拉伸强度可达540-1392 MPa，优于传统粘胶纤维（150-691 MPa）。

2. 历史发展与纤维类型

自1855年纤维素硝酸酯纤维问世以来，RCFs经历了多次技术革新：

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  粘胶纤维：1893年商业化，目前占市场80%，但生产涉及有毒CS₂，环境评级为D/E级。

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  莱赛尔纤维：1994年由Courtaulds推出，采用闭环NMMO溶剂回收系统，溶剂回收率>99%，更环保。

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  离子液体纤维：新兴技术如[BMIM]OAc溶剂体系，可制备高强Ioncell纤维（拉伸强度700 MPa）。

3. 复合材料加工技术

3.1 热塑性复合材料

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  注塑成型：短纤维（≤10 mm）增强聚丙烯（PP）时，纤维含量需控制在30%以下以避免熔体流动性下降。预处理需在60-150°C干燥6-18小时。

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  压缩成型：长纤维无纺布与PLA薄膜层压后，在170-200°C、1.6-35 MPa下压制，可获得纤维含量达60%的复合材料。

3.2 热固性复合材料

真空灌注工艺可制备环氧树脂基UD复合材料，纤维体积分数达75%。关键是通过真空脱泡减少孔隙率，固化后需在80°C后固化2小时以提升交联密度。

3.3 全纤维素复合材料（ACCs）

采用部分溶解法：将莱赛尔织物浸入NaOH/尿素溶液，表层纤维溶解后再生为基体，未溶解部分保持增强作用，所得复合材料拉伸模量可达17 GPa。

4. 性能优势与挑战

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  力学性能：30% Lyocell/PLA复合材料的冲击强度（45 kJ/m²）比纯PLA提高300%，但湿热环境下强度会下降20%。

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  降解特性：RCFs在土壤中28天可生物降解，但紫外线照射会导致纤维素链断裂，需添加UV吸收涂层。

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  成本瓶颈：莱赛尔纤维价格是粘胶的1.5倍，而碳纤维价格高达48 €/kg，制约高端应用。

5. 应用前景

目前主要应用于汽车轮胎帘子线（rayon纤维）和医用纺织品（lyocell）。未来在以下领域潜力显著：

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  轻量化交通：UD复合材料替代玻璃纤维，减重15%

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  可持续包装：ACCs薄膜的氧气透过率<1 cm³/(m²·day)

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  生物医学：纤维素水凝胶支架支持细胞黏附增殖

6. 未来研究方向

需重点突破：

1. 1.

   开发低毒溶剂体系（如超临界CO₂辅助溶解）

2. 2.

   优化纤维/基体界面相容性（如等离子体处理）

3. 3.

   建立统一性能数据库（当前文献中拉伸强度数据489组，而弯曲数据仅271组）

该领域正从传统纺织向高附加值工程材料转型，但需解决规模化生产与成本控制的矛盾。