近期，浙江大学高超教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Cool Spinning Strategy for High‑Performance Thick Aramid Fibers”的研究成果。该工作首创“冷纺”策略，同步提升多种芳纶及其复合纤维的力学性能：通过降低凝固浴温度，强化初生纤维中高分子链与溶剂分子的溶剂化作用，显著提高链段滑移能力，使拉伸倍率由200%跃升至380%，进而优化纤维内部高分子链取向与晶体结构。与常温纺丝相比，“冷纺”粗直径杂环芳纶的拉伸强度、杨氏模量和韧性分别提高112%、123%和118%。将该策略延伸至大直径杂环芳纶/氧化石墨烯复合体系，成功制备直径为36 μm的粗纤维，其拉伸强度、杨氏模量和韧性分别提升至6.28 GPa、119.62 GPa和172.7 MJ/m3。进一步用于间位芳纶，纤维拉伸强度达到1.35 GPa。这一简便通用的“冷纺”路线为高性能纤维的规模化制备开辟了新路径。

图1对比了提升纤维力学性能的常规策略与该研究的“冷纺”路线。常规方法需在聚合阶段引入第三单体或纳米组分，工艺链长、成本高。该工作以杂环芳纶（PBIA）为研究对象，仅在湿法纺丝凝固浴环节降低浴温，即可强化PBIA链与N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）溶剂间的氢键网络；溶剂的“类塑化”效应使初生纤维在拉伸浴中的拉伸倍率成倍跃升，分子链取向度与结晶度同步提高，形成高度规整的PBIA原丝。得益于结构规整性，纤维可直接经空气热处理脱除残余溶剂，并进一步诱导链段重排与晶区完善，最终制得兼具粗直径与高强高模特性的杂环芳纶纤维。

图1 高性能纤维的力学增强策略

图2揭示了PBIA纤维的增强机制与力学性能演变。随着凝固浴温度降低，初生纤维内PBIA分子与凝固浴DMAc分子间的氢键作用逐渐增强，进而强化溶剂对高分子链的溶剂化作用；溶剂对高分子链的“类塑化”效应显著提高了初生纤维的拉伸率。由于“冷纺”时纤维得到更充分的拉伸，成品纤维的强度和模量随凝固浴温度降低而显著提高。

图2 “冷纺”策略提升杂环芳纶纤维力学性能

图3呈现了不同凝固温度下PBIA纤维的多尺度结构演变。广角 X射线散射（WAXS）与小角X射线散射（SAXS）结果同步表明：浴温越低，拉伸倍率越高，分子链取向度与结晶度随之递增。截面扫描电镜（SEM）进一步显示，相较于常温纺纤维，“冷纺”纤维内部孔隙显著减少，常温纺常见的非均匀皮芯结构被彻底消除。“冷纺”PBIA纤维致密的结构确保其可直接承受连续化空气热处理，工艺更简便、成本更低。

图3 不同凝固温度制备的PBIA纤维的多尺度结构

图4展示“冷纺”策略在PBIA/GO复合纤维体系中的应用。为进一步提升杂环芳纶的力学性能，将“冷纺”与“纳米填料”协同：把微量GO/DMAc分散液添加到PBIA/DMAc溶液中，再将该纺丝液进行“冷纺”。当GO含量仅为PBIA质量分数的0.025%时，即可制得直径为36 μm的粗纤维，其强度为6.28 GPa、断裂伸长率为5.3%、韧性为172.5 MJ/m3，分别较常温纺PBIA/GO复合纤维提高了86.4%、37.5%和156.2%。

图4 “冷纺”策略协同增强PBIA/GO复合纤维力学性能

“冷纺”策略进一步被拓展到间位芳纶体系，打造出高性能聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）纤维。图5显示，“冷纺”使初生纤维的拉伸率大幅提高，纤维的取向结构得以优化，间位芳纶纤维的拉伸强度由常温纺的0.62 GPa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

综上所述，该工作将“冷纺”增强策略应用于多种芳纶及其复合纤维，有效提升了纤维的力学性能，为高性能纤维力学性能增强提供了新思路。该策略未改变现有工业纺丝路线，仅需在既有设备与流程基础上优化调整，有望加速高性能纤维的工业化开发与应用。