機遇與挑戰(zhàn)并存，纖維素納米晶開啟材料改性領(lǐng)域應(yīng)用之旅
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2022-10-09 15:22:27
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目前可以直接提取的生物質(zhì)原料主要有淀粉、纖維素、木質(zhì)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(chǎn)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(xué)性能，具有廣闊的應(yīng)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(zhì)組織，對復(fù)合材料具有天然的親和力，可形成“自適應(yīng)結(jié)構(gòu)”，產(chǎn)生減弱界面局部應(yīng)力的效果；在應(yīng)力作用下，纖維素納米晶粒子將沿填充物質(zhì)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(fù)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(fù)合材料的性能。 納米纖維素由于其良好的物化性能與生態(tài)性能，近年來作為填充物被廣泛應(yīng)用到復(fù)合材料領(lǐng)域，目前含有納米纖維素的復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛地用于包裝、工程塑料、3D打印、生物醫(yī)學(xué)工程等多個領(lǐng)域中。 01 纖維素納米晶的制備 CNC 的制備通常是通過預(yù)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(zhì)素等，從而改善纖維素的質(zhì)量。預(yù)處理過程可采用化學(xué)處理、機械處理以及化學(xué)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(xué)處理的方式降低能源消耗以降低成本。 預(yù)處理后，通過酸水解過程破壞了預(yù)處理纖維素纖維的氫鍵并切割纖維的無定形區(qū)域以產(chǎn)生良好結(jié)晶組分。 02 維素納米晶的應(yīng)用 纖維素納米晶(CNC)作為應(yīng)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(shù)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(fù)合材料中表現(xiàn)出巨大的市場潛力。在過去10年，國內(nèi)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(yī)學(xué)、廢水處理、能源和電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 （1）在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用 將 CNCs 添加到高分子基體中，可以使復(fù)合薄膜的水蒸氣和氧氣滲透系數(shù)大大降低，有望在食品包裝領(lǐng)域獲得應(yīng)用，能夠作為礦物增強劑如硅酸鹽納米粒子的替代物應(yīng)用在綠色生物可降解包裝材料中。 （2）在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)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(yī)學(xué)中具有巨大的應(yīng)用潛力。 （3）在復(fù)合材料中的應(yīng)用 由于離子相互作用對于納米復(fù)合材料的重要性，近十年，人們又將該機理應(yīng)用到納米纖維素復(fù)合材料的制備中。 （4）新興應(yīng)用 鑒于使用的電子交換設(shè)備逐年增加，對高性能的電磁屏蔽設(shè)備的需求越來越迫切，將納米纖維素應(yīng)用于電子屏蔽材料中也有較好的應(yīng)用前景。 不久前，英國劍橋大學(xué)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(xì)胞壁的主要組成部分）中制造出可持續(xù)、無毒、且可生物降解的閃光劑。拓展了纖維素在化妝品領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。 在填料領(lǐng)域，CNC因其特殊的物理和化學(xué)性能，已被作為增強填料廣泛應(yīng)用于苯酚、甲醛樹脂、丙烯酸樹脂、環(huán)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(dǎo)致其難以在某些非極性介質(zhì)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(yīng)用領(lǐng)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(xué)反應(yīng)將CNC表面的羥基轉(zhuǎn)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(fù)合 纖維素納米晶與橡膠復(fù)合 CNCs與橡膠復(fù)合CNCs表面含有大量羥基，當(dāng)其作為增強填料與其他聚合物復(fù)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(fā)生改變。Favier等將ＣＮＣｓ添加到橡膠基體中，制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能相比之前提高了２倍多，復(fù)合材料水響應(yīng)性能也發(fā)生了明顯變化。 Tian等將天然橡膠（NR）和環(huán)氧化橡膠（ENR）分別與不同含量的CNCs混合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)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(fù)合材料的模量增長比ＮＲ的納米復(fù)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(xué)強度適中、加工性能好、可采用傳統(tǒng)塑料的加工設(shè)備進行加工，在服裝面料、家用裝飾材料、醫(yī)用材料、非織造材料、生物可降解包裝材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。 但是PLA的脆性大、阻隔性能低、熱穩(wěn)定性較差、在骨組織工程應(yīng)用方面強度不夠等，使PLA的應(yīng)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(yōu)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(fù)合制造生物基復(fù)合材料。 研究發(fā)現(xiàn)，隨著m-CNC含量的增加，m-CNC/PLA復(fù)合材料的拉伸強度呈上升趨勢，當(dāng)m-CNC的含量為8%時，m-CNC/PLA復(fù)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(fù)合材料性能的影響 在能源缺乏、環(huán)境污染嚴(yán)重的今天，可持續(xù)發(fā)展是科學(xué)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(xué)性能優(yōu)異、可改善材料的機械強度、耐熱性、阻隔性能等優(yōu)勢。纖維素納米晶在材料改性領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)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(wěn)定性差、再分散性差、相容性差等問題。現(xiàn)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(guī)模化應(yīng)用仍較遠(yuǎn)，在未來市場發(fā)展中，如何快速、規(guī)模化、低成本、高效率制備高性能纖維素納米晶仍是相關(guān)企業(yè)研究重點方向。 目前全球擁有纖維素納米晶量產(chǎn)能力的企業(yè)數(shù)量仍較少，且產(chǎn)品性能存在一定缺陷，在環(huán)保政策趨嚴(yán)背景下，纖維素納米晶市場發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)并存。 文章來源： 新思界，科普集錦，TK生物基材料 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_517359.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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