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机遇与挑战并存，纤维素纳米晶开启材料改性领域应用之旅

文章来源：贤集网更新时间：2022-10-09 15:22:27

目前可以直接提取的生物质原料主要有淀粉、纤维素、木质素等，其中纤维素是自然界中含量最丰富的有机高分子材料，每年产量高达 7.5×１０*10 吨以上，是人类最宝贵的可再生资源。

纤维素纳米晶（CNCs）是从天然纤维中提取出的一种纳米级的纤维素，它不仅具有纳米颗粒的特征，还具有一些独特的强度和光学性能，具有广阔的应用前景。

通常情况下，纳米纤维素分为纤维素纳米晶和纤维素纳米线。纤维素纳米线为长度几微米到几十微米，直径在一百纳米以下的线形纳米纤维素。而纤维素纳米晶是一种长度几百纳米左右，直径一百纳米以下的棒状纤维素。

纤维素纳米晶本身就是生物质组织，对复合材料具有天然的亲和力，可形成“自适应结构”，产生减弱界面局部应力的效果；在应力作用下，纤维素纳米晶粒子将沿填充物质表面进行滑移，打断的键重新连接成新键，使高聚物基体与填充材料之间仍能保持一定的黏合强度，减轻复合材料的破坏程度，因此纤维素纳米晶可作为增强相用于改善复合材料的性能。

纳米纤维素由于其良好的物化性能与生态性能，近年来作为填充物被广泛应用到复合材料领域，目前含有纳米纤维素的复合材料已经被广泛地用于包装、工程塑料、3D打印、生物医学工程等多个领域中。

01

纤维素纳米晶的制备

CNC 的制备通常是通过预处理过程去除纤维素源中的非纤维素成分，如半纤维素和木质素等，从而改善纤维素的质量。预处理过程可采用化学处理、机械处理以及化学机械处理的方式，由于机械处理需要较高的能量消耗，通常可采用化学处理的方式降低能源消耗以降低成本。

预处理后，通过酸水解过程破坏了预处理纤维素纤维的氢键并切割纤维的无定形区域以产生良好结晶组分。

02

维素纳米晶的应用

纤维素纳米晶(CNC)作为应用广泛的纳米纤维素类型之一，具有高杨氏模量、高强度、高长宽比和巨大比表面积、热膨胀系数低、透明度高、阻隔性能良好等特点，是聚合物的良好的补强剂，在高性能复合材料中表现出巨大的市场潜力。在过去10年，国内外进一步拓展对纳米纤维素资源的研究，开拓了纤维素纳米晶在生物医学、废水处理、能源和电子领域的广泛应用。

（1）在食品包装领域的应用

将 CNCs 添加到高分子基体中，可以使复合薄膜的水蒸气和氧气渗透系数大大降低，有望在食品包装领域获得应用，能够作为矿物增强剂如硅酸盐纳米粒子的替代物应用在绿色生物可降解包装材料中。

（2）在生物医学中的应用

由于 CNCs 来自生物体，具有天然的生物相容性，使其在生物医学中具有巨大的应用潜力。

（3）在复合材料中的应用

由于离子相互作用对于纳米复合材料的重要性，近十年，人们又将该机理应用到纳米纤维素复合材料的制备中。

（4）新兴应用

鉴于使用的电子交换设备逐年增加，对高性能的电磁屏蔽设备的需求越来越迫切，将纳米纤维素应用于电子屏蔽材料中也有较好的应用前景。

不久前，英国剑桥大学的研究人员找到了一种方法，可以从纤维素（植物、水果和蔬菜的细胞壁的主要组成部分）中制造出可持续、无毒、且可生物降解的闪光剂。拓展了纤维素在化妆品领域的创新应用。

在填料领域，CNC因其特殊的物理和化学性能，已被作为增强填料广泛应用于苯酚、甲醛树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、淀粉、壳聚糖和聚乳酸等材料的增强中。是一种具有良好前景的增强剂。

03

CNC纤维素纳米晶的改性

CNC表面含有的丰富羟基，使得CNC具有较好的亲水性，但同时也导致其难以在某些非极性介质中均匀分散，为了提高CNC的生物兼容性和分散性，需要对其进行表面功能化改性，拓宽其材料改性的应用领域。

目前，常用的改性方法通过表面吸附改性即静电或吸附作用将基团吸附在CNC表面，或化学反应将CNC表面的羟基转化为羧酸、胺、醛或硫醇基团，或在其表面进行共价接枝对CNC进行改性。

04

NC与其他材料复合

纤维素纳米晶与橡胶复合

CNCs与橡胶复合CNCs表面含有大量羟基，当其作为增强填料与其他聚合物复合时，可形成填料－填料、填料－聚合物间的氢键作用，使得材料的机械性能发生改变。Favier等将ＣＮＣｓ添加到橡胶基体中，制备的复合材料的力学性能相比之前提高了２倍多，复合材料水响应性能也发生了明显变化。

Tian等将天然橡胶（NR）和环氧化橡胶（ENR）分别与不同含量的CNCs混合，结果发现，复合材料机械性能明显提高，而且在相同含量的CNCs条件下，ENR纳米复合材料的模量增长比ＮＲ的纳米复合材料更为显著。

纤维素纳米晶增强聚乳酸PLA

在众多材料可生物降解聚合物中，PLA的生物降解性能好、力学强度适中、加工性能好、可采用传统塑料的加工设备进行加工，在服装面料、家用装饰材料、医用材料、非织造材料、生物可降解包装材料等领域具有广阔的应用发展前景。

但是PLA的脆性大、阻隔性能低、热稳定性较差、在骨组织工程应用方面强度不够等，使PLA的应用受到了很大的限制。纳米纤维素因为其大的长径比、高的强度和弹性模量、可完全降解，成为聚乳酸优异的增强材料。

有研究者使用醋酸乙烯酯和丙烯酸丁酯通过自由基聚合的方法对CNC进行包覆改性，将制得的改性纤维素纳米晶(m-CNC)与PLA复合制造生物基复合材料。

研究发现，随着m-CNC含量的增加，m-CNC/PLA复合材料的拉伸强度呈上升趋势，当m-CNC的含量为8%时，m-CNC/PLA复合材料的拉伸强度与纯PLA的相比增加了43.3%。

CNC含量对PLA复合材料性能的影响

在能源缺乏、环境污染严重的今天，可持续发展是科学家研究的重点。CNC具有来源广泛、可再生、生物降解性、物理化学性能优异、可改善材料的机械强度、耐热性、阻隔性能等优势。纤维素纳米晶在材料改性领域的应用才刚刚开始。

作为新一代的增强纳米粒子，纤维素纳米晶应用前景可期，但目前来看，纤维素纳米晶作为增强填料仍存在热稳定性差、再分散性差、相容性差等问题。现阶段，全球纤维素纳米晶市场仍处于起步阶段，距离市场化、规模化应用仍较远，在未来市场发展中，如何快速、规模化、低成本、高效率制备高性能纤维素纳米晶仍是相关企业研究重点方向。

目前全球拥有纤维素纳米晶量产能力的企业数量仍较少，且产品性能存在一定缺陷，在环保政策趋严背景下，纤维素纳米晶市场发展机遇与挑战并存。

文章来源：新思界，科普集锦，TK生物基材料

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_517359.html
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