在傳統化學纖維工業中，熔紡技術的成纖過程以高分子聚合物為原料，由于聚合物熔體黏度高，其纖維直徑通常在10 μm以上，更小尺度（亞微米及納米級）的纖維通常需要采用靜電紡絲技術實現，工藝上除了要求5～40kV高電壓之外，還要求較低的流體黏度，以易于拉伸。所以，在熔紡技術中通常將聚合物溶解在有機溶劑中形成1%~20%的紡絲溶液，這不僅降低了纖維的產率，增加了工藝成本，還會帶來溶劑回收和環境污染的問題。因此，以不含溶劑揮發的方式來獲取超細纖維是工業界長期以來的一個難題。

鑒于此，青島大學寧新教授團隊以錦綸6材料作為突破點，基于己內酰胺-催化劑-引發劑體系的陰離子開環聚合機制，設計了一種新型的低能耗反應型熔體紡絲工藝（Reactive melt spinning (RMS)，圖1）來制備錦綸6微納米纖維材料。相關研究以 “Forming of Nylon-6 Micro/nano-Fiber Assembly through a Low Energy Reactive Melt Spinning Process”（https://doi.org/10.1039/D1GC03468E）為題發表在《Green Chemistry》上。

圖1.反應型熔體紡絲工藝（RMS）

在這項研究中，低黏度單體作為紡絲起始原料，通過反應動力學控制聚合反應中的混合體系黏度匹配高壓靜電場力拉伸，實現了低黏度單體混合、陰離子開環聚合、聚合物結晶、流體擠出拉伸成形以及纖維隨機鋪網過程同步進行。工藝溫度比目前商業熔紡工藝溫度低約80~100℃，大大降低能源消耗。相比溶液紡絲，此工藝過程中不使用任何溶劑或稀釋劑，提高產率的同時節省了溶劑回收、處理成本。

通過對己內酰胺－催化劑－引發劑體系陰離子開環聚合過程的動態紅外譜圖監測，依據朗伯－比爾定律，計算出理想拉絲黏度的混合熔體單體轉化率范圍在50%～60%之間。通過優化反應物原料配方和工藝參數，所得樣品為表面光滑的實心柱狀纖維，并以無規分布的方式形成二維多孔膜，其直徑分布曲線連續單調，纖維直徑主要分布在400 nm～3 μm之間。DSC測試結果表明，纖維熔點為212.4℃，可達到常規錦綸6產品的熔點范圍（210~230℃），結晶度可達26.7%，略低于商業錦綸6長絲水平（31.7%），并同時擁有錦綸6最常見的α和γ兩種晶型，并在不同反應物配比和工藝參數下呈現規律性相互轉化。所得纖維樣品通過稱重法計算平均單體轉化率可達90%以上，纖維GPC測試結果顯示，最終樣品平均分子量在50000以上，說明反應型熔體紡絲工藝伴隨著非常高效徹底的聚合反應過程。

圖3

此外，研究還開展了錦綸6產品全生命周期評估（Life Cycle Assessment (LCA)）工作，從己內酰胺單體來源——錦綸6合成——錦綸6制品生產——錦綸6降解過程，進行了整體調研、對比及分析。在錦綸6生產階段，與傳統熔體紡絲和溶液紡絲工藝相比，反應型熔體紡絲工藝（RMS）可能是在沒有溶劑使用情況下生產直徑在幾微米和亞微米范圍內纖維的唯一途徑，整個工藝過程無毒無污染、低能耗、產率高。RMS工藝結合己內酰胺單體可通過冬蕨類植物提取物生物酶工程法合成的路線，以及錦綸6可降解為己內酰胺前驅體而形成的綠色循環過程，從而達成圖4中綠色路線顯示的錦綸6微納米纖維全生命周期綠色循環可持續制造工藝。同時，RMS工藝從概念上具備高度可行的商業化前景，有望實現錦綸6微納米纖維工業化規模生產。本工藝流程發明及相關材料已申報專利保護。

圖4. 合成錦綸6產品全生命周期評估（LCA）路線圖

（來源：高分子科學前沿）