健康，便捷和美学的染发和造型对于时尚潮流和个人社交至关重要。目前发型最主要的色彩管理手段和造型设计方式仍然依赖对健康有害的化学药剂染色以及复杂、耗时且损害健康的“吹、拉、染、烫”。本研究工作中，面向健康、便捷、时尚的人工发型和美学织物纤维替代需求最新潮流发型颜色，安徽农业大学叶冬冬教授团队联合江南大学龙柱教授团队报道一类具有可定制虹彩颜色、优异力学性能、水触发三维可塑形性的美学再生纤维素纤维（简称ACF）。ACF的制造涉及纤维素溶解、交联、湿纺和取向过程。值得注意的是，该研究工作通过拉曼成像监测纤维素分子链中C–O-C基团的偏移，证明交联策略赋予ACF显著弱化的内应力，从而确保其通过湿态牵伸可呈现可调的虹彩颜色。有趣的是，通过简便的水触发可调内压力行为可实现ACF三维形状定制：即在湿态以低内应力状态进行塑形，并在干燥态以高内应力保持形态。ACF特有的干涉色不仅使其在秀场、电影等特殊场景下具有广泛应用，并且赋予其在织物防伪、信息存储等领域极大的应用潜力。同时，这种制备方法还可实现规模化、连续化生产，因此在产业化生产及应用中表现出极大的潜力。该研究以题为“ with Water- and Green ”的论文发表在最新一期的《ACS Nano》上。第一作者为江南大学傅晓童博士。

【ACF制备及结构设计】

这项研究工作中，纤维素分子链之间的双交联网络是实现可调节干涉色呈现与可定制3D形态构建的决定性因素。作者采用水性碱-尿素溶液低温溶解棉短绒，随后使用环氧氯丙烷对纤维素溶液进行预交联，并将其注入湿法纺丝机进行连续纺丝。所制备的ACF在明场下具有高透光性，这种高透光性，有利于偏光场中干涉色的呈现。ACF在交叉偏振光下呈现斑斓的彩虹色最新潮流发型颜色，这归因于纤维内部纤维素分子链的可定制定向排列。

图1.美学纤维素纤维（ACFs）的制备过程和结构特征

【凝胶纤维的结构与性质】

过渡态凝胶纤维的结构与性质是决定纤维性质的关键。作者对物理、化学和物理-化学双交联的纤维素凝胶纤维物性、内应力进行表征与分析，证明通过引入双交联策略对结晶过程的可控调节，实现湿态纤维素纤维断裂强度和断裂应变的协同增强。作者通过拉曼成像技术进一步量化交联剂的引入对湿态纤维拉伸过程中内应力的影响，表明与物理交联纤维的高密度氢键网络和化学交联纤维的致密化学键网络导致在拉伸过程中高内应力特征，导致力学性能降低，而具有致密化、可重构的氢键网络与不可重构的共价键网络的双交联纤维素纤维具有相对较低的内应力状态，为ACFs的成型与多样化提供可能。

图2.不同交联策略凝胶纤维的内应力及其在空气干燥过程中的形态变化

【美学纤维可定制干涉色及实现机理】

此外，作者通过控制凝胶纤维的牵伸比，实现纤维中纤维素分子链取向度、纤维直径、机械性能及偏振色的调控。随着凝胶纤维的牵伸比增加，ACFs的颜色序列与–Lévy颜色序列一致，表明通过纤维素分子链的排列可以改变纤维的干涉颜色，并进一步确认了纤维的双折射与取向纤维素分子链结构之间的相关性。

图3.可定制干涉色与取向度关系探究

【水诱导美学纤维塑形机理及相关应用】

作者将美学纤维应用于可穿戴发型设计。与传统使用的化学试剂诱导与高温处理（例如，热卷曲和热拉伸）的发型设计思路相比，ACFs简单的水诱导三维可塑型性具有绿色、健康的特点。通过二维拉曼成像证明，利用水对纤维的润胀作用，可减弱纤维素分子链之间的相互作用，降低湿态纤维的内应力，便于实现纤维复杂形状的塑造；而随着纤维逐渐干燥，纤维内应力开始变大，从而实现造型记忆。整个造型过程仅包括水润湿实现造型设计以及自然干燥实现造型记忆两步，因此可以实现健康、环保、可重复、复杂的造型，无需高温和化学试剂，展示了纤维便捷塑形的优势。

图4. 水诱导的ACF内应力调控及可定制形状的ACFs

总结：作者采用预交联纤维素溶液通过湿法纺丝制备具有可重复塑形、3D自支撑和优异机械与光学性能的美学纤维素纤维。通过拉曼成像证实，纤维润湿状态下的低内应力与干燥状态下的高内应力的特有属性赋予纤维丰富造型性以及可重复设计性。此外，物理化学双交联网络赋予PCGF较低的内应力，使纤维在牵伸过程中具有较高的断裂应变，这为实现干涉彩虹色的定制性设计提供了基础。这种性能优异的美学纤维在生活用品、时尚场景、光学织物防伪以及信息存储等领域具有广阔的应用潜力。

课题组主页：

原文链接：