张锦院士-邵元龙团队AFM：二硫醇扩链增强再生羊毛纤维

项目背景介绍

羊毛因其坚固的力学性能、优异的透湿性和保温能力，被广泛应用于纺织工业。中国是羊毛的生产大国，也是目前全球最大的羊毛加工国和消费国。据统计，全球羊毛年产量超过176万吨，我国羊毛年产量35.5万吨（折合洗净毛15万吨），难以满足消费需求，每年需要进口40万吨左右洗净毛，占年产量近3倍。与此同时，全球每年从屠宰场、纺织边角料、丢弃的低档粗羊毛或快时尚行业产生大量的废弃羊毛。然而，基于目前的羊毛废料处理业，高角蛋白含量（≈90%）的生物材料主要被用于低价值的饲料添加剂、化妆品成分、废水处理剂，甚至直接被填埋或焚烧。近年来，由羊毛角蛋白生产的再生羊毛角蛋白纤维（Regenerated wool keratin fibers, RWKFs）因其环境友好、资源丰富、具有生物相容性等优点而受到广泛关注，为羊毛废料提供了一种巧妙的高附加值策略。

研发最新进展

再生羊毛纤维具有巨大市场，然而，角蛋白纤维组装过程不可控，机械强度不足，极大地阻碍了其规模化生产和商业可行性。利用羊毛角蛋白制备坚韧的再生纤维，以满足其纱线织造和进一步应用的力学要求，仍然是一个挑战。基于此，北京石墨烯研究院石墨烯纤维技术研究部张锦院士-邵元龙团队提出了一种连续湿纺策略，以废弃的粗羊毛为原料，提取角蛋白，湿法纺制再生羊毛角蛋白纤维。

此工作的核心创新点是：

1. 证实了利用二硫苏糖醇（DTT）重构二硫键、延长角蛋白链段，是增强再生羊毛角蛋白纤维的有效策略。团队首次提出DTT的添加可以有效地调节角蛋白纺丝液的流变特性并产生粘弹性流体。独特的二硫醇结构使DTT能够在氧化过程重构角蛋白多肽链上的二硫键，充当连接裂解角蛋白链上游离巯基的“桥梁”。

2. 连续湿法纺丝过程中DTT扩链和牵伸作用促进了高度有序的层次结构的形成。由此制备的再生羊毛角蛋白纤维的拉伸断裂强度为186.1±7.0 MPa，杨氏模量为7.4±0.2 GPa，超过了天然羊毛和先前报道的以角蛋白为主的再生纤维。

3. 实现了千米级再生羊毛角蛋白纤维的连续量化制备。RWKFs具有强度高、韧性好、重量轻等特点，后续的上油干燥后处理和良好的染色、编织性能以及接近天然羊毛的热稳定性也显示了其在纺织工业中的潜力。

图1 再生羊毛角蛋白纤维的制备、力学性能及纺织应用

该工作以“Reinforced Wool Keratin Fibers via Dithiol Chain Re-bonding”为题发表在Advanced Functional Materials上。北京石墨烯研究院/北京大学张锦院士、邵元龙特聘研究员、北京石墨烯研究院蹇木强研究员为共同通讯作者，北京石墨烯研究院研发工程师朱锦为论文第一作者。

原文链接：

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

产业推进情况

石墨烯再生羊毛复合纤维项目整体上是立足于废旧羊毛回收产业的重大需求。研发团队自项目伊始便坚持与企业联动，从企业找问题，持续聚焦。2021年12月北京石墨烯研究院有限公司与张家港扬子染整有限公司签约石墨烯再生羊毛复合纤维研发项目，研发团队以扬子公司的废旧羊毛作为角蛋白提取原料，着力探索再生羊毛纤维的公斤级制备技术。

从溶解废弃羊毛高效提取角蛋白，到湿法纺丝线的搭建，再到再生羊毛纤维的制备，石墨烯再生羊毛复合纤维项目研发团队通过不懈努力，于2022年上半年完成再生羊毛纤维单丝连续制备工艺的研发，并着力探索再生羊毛角蛋白纤维及石墨烯再生羊毛复合纤维复丝制备工艺。目前，项目已取得初步进展，实现了两类纤维的复丝连续制备。