文章重要内容

       东华大学朱美芳院士团队系统总结了聚酰胺纤维熔融纺丝过程中三个关键阶段—熔融挤出、牵伸以及热定型过程中的多尺度结构演变规律及其对性能的影响。着重分析了晶型转变、氢键作用调控、链取向增强、层片结构致密化等微观演化过程，并进一步总结了卷绕速度调控、热定型张力控制等关键工艺参数在结构重塑中的协同作用。文章在综述不同结构调控手段的基础上，揭示了纺丝工艺—凝聚态结构—性能关系的跨尺度关联机制，对高强度聚酰胺纤维的工艺设计与性能优化具有重要的理论指导意义。文章背景

文章背景

       聚酰胺纤维是最早实现工业化生产的合成纤维，也是当前仅次于聚酯的第二大合成纤维品种，在服装面料、工业丝、家纺及特种防护等领域发挥着重要作用，其中PA6 和 PA66 占据了绝大部分市场份额。随着高端装备和功能纺织品的发展，常规熔融纺聚酰胺纤维的断裂强度和模量已难以满足更严苛的服役要求。这一性能瓶颈不仅源于聚酰胺体系结晶速度快、易形成多晶型和皮芯不均等凝聚态结构特征，还与熔融挤出、牵伸、热定型等成形阶段的工艺窗口设置密切相关：不同冷却强度、卷绕速度、牵伸比以及热定型温度和张力，会共同重塑纤维的晶型、结晶度、层片形态及链取向度，从而深刻影响最终力学表现。在此背景下，有必要从纺丝全过程出发，系统梳理各成形阶段的多尺度结构演变及其调控规律，为高强聚酰胺纤维的工艺设计与性能优化提供统一的认识框架。

文章概述

本文首先概述了熔融挤出阶段聚酰胺纤维初始结构的形成机理。由于聚酰胺结晶速度快，初生纤维往往含有一定量的晶体结构(尼龙6初纤维多为γ相，尼龙66则更易出现α相)。研究指出，应避免初生纤维结晶度过高，以保持足够的形变能力用于后续高倍牵伸。为此，可采用提高冷却强度(如侧吹风快速冷却)的方法，在凝固时抑制过度结晶，从而在原丝中保留较低有序度的结构，为后续牵伸提供取向潜力。与此同时，控制纺丝卷绕速度也很关键：较高的卷绕速度可以在原丝中引入更高的链取向，但过高速度可能造成纤维截面内皮芯结构不均和缺陷，需要与冷却条件协同优化。

牵伸阶段是促使链段进一步取向结晶的关键步骤。外加应力驱动聚合物链由无序逐步变为沿纤维轴取向排列，发生应力诱导成核与择优取向生长，同时，对于短链聚酰胺而言，牵伸过程可以诱导纤维中的亚稳态γ相转变为平衡态α相(图1a-1b, 1g-1h)，适当提高牵伸倍数可显著提高链取向度(图1c-1d)和结晶度，使断裂强度同步增加；但若牵伸过度或温度不当，可能引入晶体破坏和空隙(空化)，反而降低纤维强度。文章总结了牵伸过程中影响取向结晶的主要工艺参数，包括牵伸比、牵伸温度和速度等，以及环境湿度和分子量分布等因素的作用。诸如提高牵伸温度有助于晶体完善，但温度过高会引起链松弛；窄分子量分布有利于提高熔纺成形的稳定性，但缺少长链缚结分子则会引起非晶区应力集中而使纤维强度不佳，需权衡以兼顾取向效率与结晶完善度。

图1 不同热拉伸比下CoPA-2.5和CoPA-4wt%Hw纤维的微观晶体结构和分子链取向. (a) CoPA-2.5^a纤维和 (b) CoPA-4wt%Hw^b纤维的1D-WAXD图. (c) 平行和垂直偏振下CoPA-2.5纤维的FTIR光谱. (d) 结晶和非晶区域中CoPA-2.5和CoPA-4 wt%Hw纤维的分子取向. (e) CoPA-2.5纤维和 (f) CoPA-4 wt%Hw纤维在不同拉伸比下的SAXS曲线. (g) CoPA-2.5纤维和 (h) CoPA-4 wt%Hw纤维在不同拉伸比下的2D-WAXD图. (i) CoPA-2.5和 (j) CoPA-4 wt%Hw纤维在不同拉伸比下的2D-SAXS图. (k) CoPA和CoPA-Hw纤维在成型过程中的微观结构演变示意图. ^a2.5表示CoPA的相对粘度，^bHw表示高分子量PA6.

 针对聚酰胺纤维牵伸受氢键限制的问题，作者介绍了“可逆塑化”策略等结构调控方法。在加工阶段暂时引入小分子溶剂、无机盐或离子液体等增塑剂，削弱链间氢键作用，提高链段活动性，从而实现更高取向度或促进有利的晶核形成；随后再通过萃取或热处理移除增塑剂，恢复聚酰胺的氢键网络。例如，有团队提出了“离子-水协同可逆氢键屏蔽”路线(图2)：以高摩尔浓度的强水合阳离子(如Li⁺/Ca²⁺)与可形成多碘络合物的阴离子(I_₃^-/I_₅^-) 在水相中插入PA6晶格，暂时屏蔽氢键，显著降低超热水中的溶解温度，室温超牵伸过程中在合适牵伸比水洗解屏蔽，在保持取向的同时恢复氢键与结晶，实现远高于常规的可牵伸性(拉伸比：25)与高强(拉伸强度：∼1140 MPa)纤维.可逆塑化路径有效地缓解了氢键对取向和结晶的束缚，为制备高性能聚酰胺纤维提供了新的工艺思路。

图2 PA6氢键屏蔽-恢复纺丝过程的示意图，首先用7M LiI溶液混合和浸泡，然后依次加热和复合，形成均匀的离子屏蔽PA6凝胶，吹风去除多余的水，纺丝和后处理，同时去除离子和水并恢复氢键.

     最后，文章讨论了热定型工序对聚酰胺纤维微观结构和性能的影响。热定型通过在张力下加热处理纤维，使已经取向的链段得到进一步松弛排布和晶粒完善。该过程能够显著提高纤维的结晶度和α相含量，减少残余应力，促进晶体层片厚化和规整堆砌，从而提高纤维的尺寸稳定性和力学性能。纤维强度和模量与层片取向度和致密程度密切相关：在拉伸过程中，原本松散的小尺寸晶体片层沿纤维轴向发生重组排列，层间距缩短且排列更加有序，纤维内部应力传递效率因此大幅提升。综上，热牵伸与热定型阶段促成的晶型转变和层片结构演变，是实现聚酰胺纤维高强化的重要因素。

     总体而言，该综述通过关联熔融纺丝工艺参数与纤维多尺度凝聚态结构的演变规律，阐明了工艺-结构-性能之间的内在联系。文章总结的氢键调控、晶相转变、可逆塑化以及层片结构演变等机制，为今后高强度聚酰胺纤维的工艺优化提供了理论参考和指导。

     本文为“庆祝蹇锡高院士80华诞”专辑特约稿件，即将以综述形式发表在《高分子学报》2026年第1期。论文第一作者为东华大学博士生梁程耀，通信联系人为朱美芳院士和相恒学研究员。

原文信息

梁程耀, 黄威蕾, 高宇, 俞森龙, 相恒学, 朱丽萍, 胡泽旭, 成艳华, 朱美芳. 熔融纺高强度聚酰胺纤维及其凝聚态结构调控研究进展. 高分子学报, 2026, 57(1), 79-94.Liang, C. Y.; Huang, W. L.; Gao, Y.; Yu, S. L.; Xiang, H. X.; Zhu, L. P.; Hu, Z. X.; Chen, Y. H.; Zhu, M. F. Melt-spun high-strength polyamide fibers and their condensed structure evolution. Acta Polymerica Sinica (in Chinese), 2026, 57(1), 79-94.