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納米纖維素有望成為下一代新材料，性能優(yōu)異的它還有何發(fā)展難點(diǎn)
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-03-13 15:13:55
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近年來，隨著環(huán)保監(jiān)管日益嚴(yán)格，以及相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，納米纖維素憑借其良好的機(jī)械強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性、生物可降解性以及抗沖擊性,在緩沖材料、水處理、醫(yī)藥載體、包裝、紡織、復(fù)合材料等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。 何為納米纖維素？ 納米纖維素是通過天然纖維素分離得到的直徑小于 100nm 的纖維聚集體，是從木材、甘蔗渣、稻殼、秸稈、棉花等可再生植物中獲得的一種神奇材料。納米纖維素纖維的直徑可達(dá)2-5納米級(jí)別，一旦發(fā)生碰撞，納米纖維會(huì)形成一體，強(qiáng)度是鋼材的5倍。納米纖維素與樹脂等容易復(fù)合，可以大幅提升樹脂的耐沖擊強(qiáng)度和耐熱性。 纖維素是自然界分布最廣、含量最多的一種葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水及一般有機(jī)溶液，是植物細(xì)胞壁的主要成分。而納米纖維素是指纖維直徑在納米級(jí)的纖維素，通過化學(xué)、物理、生物或者幾者結(jié)合的手段從天然纖維原纖維分離得到的直徑是小于 100nm，長(zhǎng)度可以達(dá)到微米的纖維聚集體，可再生、可自然分解、化學(xué)性能穩(wěn)定。 目前，國(guó)家大力發(fā)展生物降解塑料，需要消耗大量的化工原料。如合成生物塑料PBAT消耗原料BDO（1,4-丁二醇），而原料BDO不但價(jià)格高，而且供應(yīng)量有限。另外，生物塑料PBAT的耐熱性和強(qiáng)度較低，難以滿足更廣范圍的使用要求。 納米纖維素引入降解塑料，破局降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸。首先，納米纖維素來源于可再生植物，具備生物降解功能，成本低，可持續(xù)供應(yīng)，低碳環(huán)保；再者，納米纖維素強(qiáng)度高，在降解塑料中可以顯著提升降解塑料的強(qiáng)度和耐熱性。納米纖維素在降解塑料的潛能正在被逐步挖掘，并發(fā)揮越來越大的價(jià)值。 日本對(duì)納米纖維素在降解塑料的應(yīng)用已非常完善。如日本綠色科學(xué)聯(lián)盟有限公司的Ryohei Mori博士利用納米纖維素-聚乳制作了各種刀、叉、勺子。 納米纖維素具有塑料的特性，同時(shí)具有木纖維的特性，可以參考木漿造紙的工藝制備納米纖維素薄膜。納米纖維素膜具有良好的機(jī)械性能和阻隔性能。 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 納米纖維素不僅具有天然纖維素可再生、可生物降解等特性，還具有大比表面積、高親水性、高透明性、高強(qiáng)度、高楊氏模量、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，為其形成各種功能性復(fù)合材料提供了可能，其在造紙、涂料、可降解材料、復(fù)合材料、電子產(chǎn)品、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 在造紙應(yīng)用領(lǐng)域，納米纖維素原料來源于紙漿纖維素，在紙基功能材料應(yīng)用中具有天然的相容性優(yōu)勢(shì)，可替代或降低化工助劑的用量，使造紙?bào)w系更加清潔環(huán)保。更重要的是，其可提高紙基功能材料的附加值，提高紙張強(qiáng)度、降低打漿能耗、提高細(xì)小纖維及填料留著，甚至賦予紙產(chǎn)品其他特殊性能，拓展終端應(yīng)用領(lǐng)域。我認(rèn)為，這也是最具有應(yīng)用潛力的一個(gè)方向。 在全降解材料領(lǐng)域，近年來白色污染問題日益嚴(yán)重，自然環(huán)境與生物健康都受到嚴(yán)重威脅。如何解決塑料垃圾問題越來越受到世界各國(guó)的重視。生物基全降解材料是當(dāng)今全球最具增長(zhǎng)性的潛在領(lǐng)域之一，也是解決“白色污染”的有效手段。但現(xiàn)有生物基材塑料產(chǎn)品性能不及傳統(tǒng)塑料制品，在很多領(lǐng)域尚無法與傳統(tǒng)塑料相媲美，且價(jià)格居高不下，導(dǎo)致老百姓用不起；更重要的是，我國(guó)生物質(zhì)材料基礎(chǔ)研究和高性能材料研發(fā)滯后，成為制約領(lǐng)域發(fā)展的主要因素。納米纖維素是有望解決這些“卡脖子”技術(shù)難題的關(guān)鍵材料之一，將納米纖維素應(yīng)用于全降解復(fù)合材料中，不僅可以增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度性能，從而增加價(jià)格低廉生物質(zhì)組分用量（如淀粉、木質(zhì)素）來降低成本，同時(shí)可提高材料的熱穩(wěn)定性能，調(diào)節(jié)全降解復(fù)合材料的降解周期。 除此之外，涂料也是納米纖維素的一大主要應(yīng)用領(lǐng)域，納米纖維素具有增稠、穩(wěn)定、增強(qiáng)等優(yōu)異性能，尤其可適用于較寬溫度及 pH、鹽濃度范圍，可作為優(yōu)異的流變改性助劑用于涂料、水泥、油田采油等領(lǐng)域。 纖維素是地球上取之不盡用之不竭的生物質(zhì)可再生資源，存在于木材、毛竹、棉花、秸稈、蘆葦、麻、桑皮等植物資源的細(xì)胞壁中，是自然界中儲(chǔ)量最為豐富的天然高分子材料。相比于人工合成高分子，纖維素來源廣泛，具有低成本、可再生、無毒、無污染、易于改性及可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來世界能源和化工的主要原料之一。將纖維素的尺寸縮減至100納米以下，即稱為納米纖維素。 納米纖維素制備工藝眾多，如生物法、化學(xué)法、機(jī)械法等，單一的制備技術(shù)通常存在污染大、成本高、濃度低等問題，綠色、低成本制備是當(dāng)前全球的努力方向。據(jù)悉，生物、化學(xué)、物理等學(xué)科技術(shù)相結(jié)合的方法是綠色制備的重要手段，但目前尚處初級(jí)階段。國(guó)內(nèi)納米纖維素的制備相對(duì)于國(guó)外產(chǎn)業(yè)化還有較大差距，尤其是綠色化制備關(guān)鍵技術(shù)亟需突破。 全球的市場(chǎng)需求及產(chǎn)能情況 納米纖維素具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高比表面積、極低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的耐候性、良好的生物相容性和可降解性等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域： 1.樹脂復(fù)合材料，如汽車輕量化高強(qiáng)度零部件材料，全降解材料，提高樹脂材料強(qiáng)度性能； 2.造紙，通過對(duì)紙和紙板的增強(qiáng)和留著，可明顯節(jié)省纖維原料的使用； 3.涂料、水泥等，能改善涂料水泥的流變性、穩(wěn)定性和強(qiáng)度性能； 4.化妝品及個(gè)人護(hù)理用品，具有優(yōu)異的保水、成膜、導(dǎo)入和改善流變性等功能，且純天然，無刺激； 5.過濾分離，具有超高比表面積及均勻的孔隙率，能夠有效實(shí)現(xiàn)過濾及分離； 6.綠色可降解阻隔包裝材料，能延長(zhǎng)食品保質(zhì)期，替代現(xiàn)有不可降解石油基塑料； 7.生物醫(yī)藥，可作為藥物活性成分的載體及緩釋材料； 8.食品添加劑，增稠、有效保護(hù)食品的質(zhì)地及口感等。 納米纖維素的產(chǎn)能，據(jù)報(bào)道多數(shù)研發(fā)單位約1000-2000Kg/d(絕干)，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面還有待突破。 納米纖維素市場(chǎng)潛力巨大。據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部林業(yè)局（USDA）預(yù)測(cè)：納米纖維素美國(guó)市場(chǎng)潛力為640萬噸，全球市場(chǎng)潛力為3500萬噸，美國(guó)加工公司（API）預(yù)計(jì)：納米纖維素發(fā)展趨勢(shì)與塑料類似（見圖1），2045年能實(shí)現(xiàn)USDA的預(yù)期目標(biāo)。 納米纖維素發(fā)展趨勢(shì) 行業(yè)發(fā)展難點(diǎn) 由于納米纖維素的制備成本較高，限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用；此外，納米纖維素應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，研發(fā)端需要多學(xué)科交叉，多技術(shù)的集成，同時(shí)需要與市場(chǎng)緊密結(jié)合，缺失任一環(huán)節(jié)都可能導(dǎo)致失敗。一些關(guān)鍵技術(shù)還需要攻關(guān)，如納米纖維素分散技術(shù)，改性技術(shù)及及工程應(yīng)用技術(shù)等。 納米纖維素的產(chǎn)業(yè)化瓶頸是很多的，除了制備瓶頸以外，還有產(chǎn)業(yè)化一些專用設(shè)備的瓶頸等。另外，在造紙行業(yè)的應(yīng)用，應(yīng)用技術(shù)和裝備也非常重要的。產(chǎn)業(yè)化過程就像一條鏈條，這條鏈條環(huán)環(huán)相扣，缺哪一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)導(dǎo)致脫節(jié)失敗。 近年來，納米纖維素的商業(yè)化生產(chǎn)已從小型實(shí)驗(yàn)室規(guī)模逐漸發(fā)展到每天噸級(jí)工業(yè)化示范規(guī)模。但是仍存在綠色制備關(guān)鍵技術(shù)難突破、制備成本高、環(huán)境處理壓力大、后續(xù)應(yīng)用需求不匹配等瓶頸制約問題等，從而導(dǎo)致納米纖維素的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程受阻。 國(guó)內(nèi)在納米纖維素研究也十分活躍，但許多產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)方面尚未突破，納米纖維素的規(guī)模化制備方面較國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的深度和廣度也有一定差距。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_523780.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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