項(xiàng)目背景介紹

羊毛因其堅(jiān)固的力學(xué)性能、優(yōu)異的透濕性和保溫能力，被廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)。中國(guó)是羊毛的生產(chǎn)大國(guó)，也是目前全球最大的羊毛加工國(guó)和消費(fèi)國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球羊毛年產(chǎn)量超過(guò)176萬(wàn)噸，我國(guó)羊毛年產(chǎn)量35.5萬(wàn)噸（折合洗凈毛15萬(wàn)噸），難以滿足消費(fèi)需求，每年需要進(jìn)口40萬(wàn)噸左右洗凈毛，占年產(chǎn)量近3倍。與此同時(shí)，全球每年從屠宰場(chǎng)、紡織邊角料、丟棄的低檔粗羊毛或快時(shí)尚行業(yè)產(chǎn)生大量的廢棄羊毛。然而，基于目前的羊毛廢料處理業(yè)，高角蛋白含量（≈90%）的生物材料主要被用于低價(jià)值的飼料添加劑、化妝品成分、廢水處理劑，甚至直接被填埋或焚燒。近年來(lái)，由羊毛角蛋白生產(chǎn)的再生羊毛角蛋白纖維（Regenerated wool keratin fibers, RWKFs）因其環(huán)境友好、資源豐富、具有生物相容性等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，為羊毛廢料提供了一種巧妙的高附加值策略。

研發(fā)最新進(jìn)展

再生羊毛纖維具有巨大市場(chǎng)，然而，角蛋白纖維組裝過(guò)程不可控，機(jī)械強(qiáng)度不足，極大地阻礙了其規(guī)模化生產(chǎn)和商業(yè)可行性。利用羊毛角蛋白制備堅(jiān)韌的再生纖維，以滿足其紗線織造和進(jìn)一步應(yīng)用的力學(xué)要求，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。基于此，北京石墨烯研究院纖維技術(shù)研究部張錦院士-邵元龍團(tuán)隊(duì)提出了一種連續(xù)濕紡策略，以廢棄的粗羊毛為原料，提取角蛋白，濕法紡制再生羊毛角蛋白纖維。

此工作的核心創(chuàng)新點(diǎn)是：

1. 證實(shí)了利用二硫蘇糖醇（DTT）重構(gòu)二硫鍵、延長(zhǎng)角蛋白鏈段，是增強(qiáng)再生羊毛角蛋白纖維的有效策略。團(tuán)隊(duì)首次提出DTT的添加可以有效地調(diào)節(jié)角蛋白紡絲液的流變特性并產(chǎn)生粘彈性流體。獨(dú)特的二硫醇結(jié)構(gòu)使DTT能夠在氧化過(guò)程重構(gòu)角蛋白多肽鏈上的二硫鍵，充當(dāng)連接裂解角蛋白鏈上游離巰基的“橋梁”。

2. 連續(xù)濕法紡絲過(guò)程中DTT擴(kuò)鏈和牽伸作用促進(jìn)了高度有序的層次結(jié)構(gòu)的形成。由此制備的再生羊毛角蛋白纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度為186.1±7.0 MPa，楊氏模量為7.4±0.2 GPa，超過(guò)了天然羊毛和先前報(bào)道的以角蛋白為主的再生纖維。

3. 實(shí)現(xiàn)了千米級(jí)再生羊毛角蛋白纖維的連續(xù)量化制備。RWKFs具有強(qiáng)度高、韌性好、重量輕等特點(diǎn)，后續(xù)的上油干燥后處理和良好的染色、編織性能以及接近天然羊毛的熱穩(wěn)定性也顯示了其在紡織工業(yè)中的潛力。

圖1 再生羊毛角蛋白纖維的制備、力學(xué)性能及紡織應(yīng)用

該工作以“Reinforced Wool Keratin Fibers via Dithiol Chain Re-bonding”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。北京石墨烯研究院/北京大學(xué)張錦院士、邵元龍?zhí)仄秆芯繂T、北京石墨烯研究院蹇木強(qiáng)研究員為共同通訊作者，北京石墨烯研究院研發(fā)工程師朱錦為論文第一作者。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213644

產(chǎn)業(yè)推進(jìn)情況

石墨烯再生羊毛復(fù)合纖維項(xiàng)目整體上是立足于廢舊羊毛回收產(chǎn)業(yè)的重大需求。研發(fā)團(tuán)隊(duì)自項(xiàng)目伊始便堅(jiān)持與企業(yè)聯(lián)動(dòng)，從企業(yè)找問(wèn)題，持續(xù)聚焦。2021年12月北京石墨烯研究院有限公司與張家港揚(yáng)子染整有限公司簽約石墨烯再生羊毛復(fù)合纖維研發(fā)項(xiàng)目，研發(fā)團(tuán)隊(duì)以揚(yáng)子公司的廢舊羊毛作為角蛋白提取原料，著力探索再生羊毛纖維的公斤級(jí)制備技術(shù)。

從溶解廢棄羊毛高效提取角蛋白，到濕法紡絲線的搭建，再到再生羊毛纖維的制備，石墨烯再生羊毛復(fù)合纖維項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)不懈努力，于2022年上半年完成再生羊毛纖維單絲連續(xù)制備工藝的研發(fā)，并著力探索再生羊毛角蛋白纖維及石墨烯再生羊毛復(fù)合纖維復(fù)絲制備工藝。目前，項(xiàng)目已取得初步進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了兩類纖維的復(fù)絲連續(xù)制備。