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機遇與挑戰并存，纖維素納米晶開啟材料改性領域應用之旅

文章來源：賢集網更新時間：2022-10-09 15:22:27

目前可以直接提取的生物質原料主要有淀粉、纖維素、木質素等，其中纖維素是自然界中含量最豐富的有機高分子材料，每年產量高達 7.5×１０*10 噸以上，是人類最寶貴的可再生資源。

纖維素納米晶（CNCs）是從天然纖維中提取出的一種納米級的纖維素，它不僅具有納米顆粒的特征，還具有一些獨特的強度和光學性能，具有廣闊的應用前景。

通常情況下，納米纖維素分為纖維素納米晶和纖維素納米線。纖維素納米線為長度幾微米到幾十微米，直徑在一百納米以下的線形納米纖維素。而纖維素納米晶是一種長度幾百納米左右，直徑一百納米以下的棒狀纖維素。

纖維素納米晶本身就是生物質組織，對復合材料具有天然的親和力，可形成“自適應結構”，產生減弱界面局部應力的效果；在應力作用下，纖維素納米晶粒子將沿填充物質表面進行滑移，打斷的鍵重新連接成新鍵，使高聚物基體與填充材料之間仍能保持一定的黏合強度，減輕復合材料的破壞程度，因此纖維素納米晶可作為增強相用于改善復合材料的性能。

納米纖維素由于其良好的物化性能與生態性能，近年來作為填充物被廣泛應用到復合材料領域，目前含有納米纖維素的復合材料已經被廣泛地用于包裝、工程塑料、3D打印、生物醫學工程等多個領域中。

01

纖維素納米晶的制備

CNC 的制備通常是通過預處理過程去除纖維素源中的非纖維素成分，如半纖維素和木質素等，從而改善纖維素的質量。預處理過程可采用化學處理、機械處理以及化學機械處理的方式，由于機械處理需要較高的能量消耗，通常可采用化學處理的方式降低能源消耗以降低成本。

預處理后，通過酸水解過程破壞了預處理纖維素纖維的氫鍵并切割纖維的無定形區域以產生良好結晶組分。

02

維素納米晶的應用

纖維素納米晶(CNC)作為應用廣泛的納米纖維素類型之一，具有高楊氏模量、高強度、高長寬比和巨大比表面積、熱膨脹系數低、透明度高、阻隔性能良好等特點，是聚合物的良好的補強劑，在高性能復合材料中表現出巨大的市場潛力。在過去10年，國內外進一步拓展對納米纖維素資源的研究，開拓了纖維素納米晶在生物醫學、廢水處理、能源和電子領域的廣泛應用。

（1）在食品包裝領域的應用

將 CNCs 添加到高分子基體中，可以使復合薄膜的水蒸氣和氧氣滲透系數大大降低，有望在食品包裝領域獲得應用，能夠作為礦物增強劑如硅酸鹽納米粒子的替代物應用在綠色生物可降解包裝材料中。

（2）在生物醫學中的應用

由于 CNCs 來自生物體，具有天然的生物相容性，使其在生物醫學中具有巨大的應用潛力。

（3）在復合材料中的應用

由于離子相互作用對于納米復合材料的重要性，近十年，人們又將該機理應用到納米纖維素復合材料的制備中。

（4）新興應用

鑒于使用的電子交換設備逐年增加，對高性能的電磁屏蔽設備的需求越來越迫切，將納米纖維素應用于電子屏蔽材料中也有較好的應用前景。

不久前，英國劍橋大學的研究人員找到了一種方法，可以從纖維素（植物、水果和蔬菜的細胞壁的主要組成部分）中制造出可持續、無毒、且可生物降解的閃光劑。拓展了纖維素在化妝品領域的創新應用。

在填料領域，CNC因其特殊的物理和化學性能，已被作為增強填料廣泛應用于苯酚、甲醛樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、淀粉、殼聚糖和聚乳酸等材料的增強中。是一種具有良好前景的增強劑。

03

CNC纖維素納米晶的改性

CNC表面含有的豐富羥基，使得CNC具有較好的親水性，但同時也導致其難以在某些非極性介質中均勻分散，為了提高CNC的生物兼容性和分散性，需要對其進行表面功能化改性，拓寬其材料改性的應用領域。

目前，常用的改性方法通過表面吸附改性即靜電或吸附作用將基團吸附在CNC表面，或化學反應將CNC表面的羥基轉化為羧酸、胺、醛或硫醇基團，或在其表面進行共價接枝對CNC進行改性。

04

NC與其他材料復合

纖維素納米晶與橡膠復合

CNCs與橡膠復合CNCs表面含有大量羥基，當其作為增強填料與其他聚合物復合時，可形成填料－填料、填料－聚合物間的氫鍵作用，使得材料的機械性能發生改變。Favier等將ＣＮＣｓ添加到橡膠基體中，制備的復合材料的力學性能相比之前提高了２倍多，復合材料水響應性能也發生了明顯變化。

Tian等將天然橡膠（NR）和環氧化橡膠（ENR）分別與不同含量的CNCs混合，結果發現，復合材料機械性能明顯提高，而且在相同含量的CNCs條件下，ENR納米復合材料的模量增長比ＮＲ的納米復合材料更為顯著。

纖維素納米晶增強聚乳酸PLA

在眾多材料可生物降解聚合物中，PLA的生物降解性能好、力學強度適中、加工性能好、可采用傳統塑料的加工設備進行加工，在服裝面料、家用裝飾材料、醫用材料、非織造材料、生物可降解包裝材料等領域具有廣闊的應用發展前景。

但是PLA的脆性大、阻隔性能低、熱穩定性較差、在骨組織工程應用方面強度不夠等，使PLA的應用受到了很大的限制。納米纖維素因為其大的長徑比、高的強度和彈性模量、可完全降解，成為聚乳酸優異的增強材料。

有研究者使用醋酸乙烯酯和丙烯酸丁酯通過自由基聚合的方法對CNC進行包覆改性，將制得的改性纖維素納米晶(m-CNC)與PLA復合制造生物基復合材料。

研究發現，隨著m-CNC含量的增加，m-CNC/PLA復合材料的拉伸強度呈上升趨勢，當m-CNC的含量為8%時，m-CNC/PLA復合材料的拉伸強度與純PLA的相比增加了43.3%。

CNC含量對PLA復合材料性能的影響

在能源缺乏、環境污染嚴重的今天，可持續發展是科學家研究的重點。CNC具有來源廣泛、可再生、生物降解性、物理化學性能優異、可改善材料的機械強度、耐熱性、阻隔性能等優勢。纖維素納米晶在材料改性領域的應用才剛剛開始。

作為新一代的增強納米粒子，纖維素納米晶應用前景可期，但目前來看，纖維素納米晶作為增強填料仍存在熱穩定性差、再分散性差、相容性差等問題。現階段，全球纖維素納米晶市場仍處于起步階段，距離市場化、規模化應用仍較遠，在未來市場發展中，如何快速、規模化、低成本、高效率制備高性能纖維素納米晶仍是相關企業研究重點方向。

目前全球擁有纖維素納米晶量產能力的企業數量仍較少，且產品性能存在一定缺陷，在環保政策趨嚴背景下，纖維素納米晶市場發展機遇與挑戰并存。

文章來源：新思界，科普集錦，TK生物基材料

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