东华大学张耀鹏、姚响、杨革生团队《Cellulose》：用新疆棉杆制浆纺丝
我国是纤维素纤维生产大国。近年来绿色环保的Lyocell纤维产业发展十分迅速，每年需要消耗大量的溶解浆。但我国木材资源匮乏，溶解浆产能严重不足，主要依赖进口商用木浆来满足相关需求。随着竹、麻、甘蔗渣、玉米芯等非木原料在制浆和Lyocell纺丝中应用的可行性得到验证，依托国内丰富的农业资源开发溶解浆的非木替代方案具有重要意义。我国新疆地区每年能够生产数千万吨的棉花秸秆，由于棉秆质硬、易携带病虫害，在干旱少雨地区的还田难度较大。棉秆的木质化程度和纤维素含量接近木材，近年来其在饲料和造纸等多种利用方式中的应用探索揭示了棉杆潜在的Lyocell纺丝利用价值。因此，研究利用棉杆制备溶解浆和Lyocell纤维有望为我国溶解浆的非木替代和缓解进口依赖提供具体解决方案，为农业废弃物绿色高值化回收利用提供理论依据。
基于此，东华大学先进纤维材料全国重点实验室张耀鹏研究员、姚响副研究员、杨革生副研究员团队以农业废弃物棉杆（新疆棉杆）为原料，基于碱预处理、硫酸盐蒸煮和后处理工艺，逐步去除棉秆中的半纤维素、木质素、灰分和金属离子，制备出聚合度为400~600的溶解浆，并通过干喷湿法纺丝制备出Lyocell纤维。整体研究思路如图1所示。本研究分析了蒸煮工艺中各因素对浆粕聚合度和卡伯值的影响规律，考察了不同聚合度对棉杆溶解浆在溶解性、纺丝稳定性和Lyocell纤维综合力学性能的差异。所制备的棉秆溶解浆具有优异的溶解性能和纺丝稳定性，Lyocell纤维综合力学性能与商业木浆所得纤维相当。相关研究有望推动农业固废高值化绿色循环利用进程，缓解我国溶解浆的进口依赖程度。
图1研究路线示意图
本研究通过探索不同因素对棉秆蒸煮浆卡伯值和聚合度的调控机理，优化制备了白度>80%、α-纤维素含量>90%、卡伯值<2、灰分<0.1%、铁含量<10 ppm，聚合度分别为466、522、568的三组棉秆溶解浆。浆粕纤维的SEM显示棉秆纤维与木浆纤维形态相似，但棉秆纤维表面略微粗糙（图2a-d）。在87% NMMO水溶液中，三组棉秆溶解浆均表现较好的溶解性，随聚合度上升浆粕的溶解时间也随之增加，聚合度为568的棉秆浆在溶解速率上与商用木浆（DP640）相近（图2e-h）。三组棉杆浆与商用木浆所配置的浆浓为10%的纺丝液均表现出剪切变稀特性，这有利于纺丝原液顺利挤出成丝。在高速剪切下，三组棉杆浆的粘度曲线与商用木浆趋向一致（图2j）。
图2不同聚合度棉秆溶解浆与商用木浆的微观形貌、溶解速率及对应纺丝液的流变特性。其中，a-d分别为聚合度为466、522、568的棉杆纤维和聚合度为640的商用木浆纤维的SEM图；e-h分别为对应浆粕纤维在87%NMMO中的溶解状态图；i, j分别为10%对应浆粕纺丝液的流变测试原理与粘度曲线
聚合度为466、522、568的棉杆溶解浆均可以在90m/min的牵伸速度下纺丝，得到纤度一致（1.5~1.7dtex）的Lyocell纤维。图3a-d显示，由棉杆和商用木浆制备的Lyocell纤维均呈现光滑均匀表面和圆柱形貌。纤维的断裂强度、模量、伸长率均随聚合度上升而提升，其中聚合度为568的棉杆浆纺制的Lyocell纤维强度达到4.2 cN/dtex、模量达到120.5 cN/dtex，与商用木浆制备的Lyocell纤维无显著差异（图3e-h）。棉杆溶解浆具有替代商品木浆制备Lyocell纤维的潜力，相关研究为溶解浆的非木替代提供了新的可选方案。
图3不同聚合度棉秆溶解浆与商用木浆所制备Lyocell纤维的微观形貌与综合力学性能
近日，相关研究成果以题为“Dissolving grade pulp and lyocell fibers prepared from cotton stalks”发表在纤维素领域的国际权威期刊《Cellulose》上，论文第一作者为东华大学硕士生王凯航，通讯作者为东华大学张耀鹏、姚响、杨革生。东华大学硕士生李凯、顾宇晨为本论文共同作者。此工作得到了上海市科委国际合作项目、国家重点研发计划、上海领军人才等项目经费的大力支持。
近年来，本团队在纤维素纤维相关领域与国内重点企业合作，在废旧含棉织物（纯棉、涤棉、涤维棉、涤氨棉等多组分含棉织物）和农作物废弃物的高值循环回收利用领域开展了系统研究，授权多项发明专利并发表论文，主要包括ZL202010329855.4；ZL202010329838.0；ZL202011310638.7；ZL202011310632.X；ZL202110403907.2；ZL202410282732.8；ZL202210561983.0；ZL202310436354.X；ZL202310828393.4；ZL202410559466.9；ZL202410781112.9；Cellulose, 2023,30:4841-4853；高分子学报, 2023, 54:1762-1771；高分子学报, 2025, 56:135-144；Industrial Crops & Products, 2024, 220: 119238；Carbohydrate Polymers, 2024, 345: 122567。
原文信息与链接
Kaihang Wang, Kai Li, Yuchen Gu, Gesheng Yang*, Xiang Yao*, Yaopeng Zhang*. Dissolving grade pulp and lyocell fibers prepared from cotton stalks. Cellulose, 2025, doi.org/10.1007/s10570-025-06399-w
https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-025-06399-w
