“木头大王”胡良兵教授等人今日Nature

纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，将其中纤维素分解为具有变化的，可控制的尺寸并延伸至纳米级的结构单元，称为原纤化纤维素。由于其可持续发展潜力以及其功能化特性使得这种纳米材料具有独特的技术吸引力。为此，马里兰大学胡良兵教授等人研究探索了原纤化纤维素在材料制造中的多种用途（复合材料、大纤维到薄膜，多孔膜和凝胶）以及实际开发中面临的挑战和机遇。

 

原纤化纤维素基于其分层结构，在形态和原纤维尺寸方面具有相当大的可调谐性，具备独特的机械，光学，热，流体和离子性能，并且具有良好的生物相容性，使其具有较大的实际应用和商业化的潜力。此外，原纤化纤维素比金属和石油基纳米材料便宜得多，因此具备明显的经济优势。本研究重点讨论其功能化应用，以及在工业化开发中面临的挑战和机遇。

 

功能化应用：

图1.d，原纤化纤维素技术路线图

 

1）多尺度纤维：

纤维素具有突出的机械性能，其理论模量和拉伸强度都高于大多数金属，合金，合成聚合物和许多陶瓷。并且纤维素材料具有大规模生产和轻量化的潜力。这种高机械强度来自：纤维素分子链上的密集分布的羟基。最近开发的一些纤维素复合材料已显示出约400–1,000 MPa的拉伸强度和高达约30 MJ m-3的高韧性，可媲美车辆中使用的碳基和玻璃纤维基复合材料。

 

2）薄膜和涂料：

像组成传统纸张的微型纤维素纤维一样，原纤化纤维素或纳米纤维素也可以组装在独立的薄膜和涂层上，其厚度通常小于约100 µm，通常被称为“纳米纸”。该材料具有多种应用潜力，例如，纳米纸的可调节的孔隙率和孔径使得其光学特性（例如，透射率和雾度）能够根据所需的应用进行调节。

 

除光学性能外，由于其多孔结构具有较低导热率，纳米纸可用于商业化包装应用以及车窗涂料和建筑物涂料。

 

柔性和透明的纳米纸，对于光电学领域也有出色的应用，与塑料相比，纳米纸具有明显的优势，包括中孔结构，和光耦合以增强光电性能。

 

3）多孔膜：

原纤化纤维素膜在水处理中具有广泛运用。例如，重金属或病毒（主要通过尺寸排阻），电池/超级电容器/离子设备（离子选择性膜），太阳能淡化，水/蒸气过滤和热能能量收集（热驱动离子分离）。

 

4）软凝胶：

原纤化纤维素被认为是一种生物相容性材料，可应用于一系列先进的生物工程领域，例如伤口敷料，组织工程学，药物输送，医疗诊断，智能传感器和电子皮肤。由原纤化纤维素制成的软凝胶（例如水凝胶和离子凝胶）具有与生物组织融合的潜力，对于此类生物相关领域具有重要价值（图3c）。

图3.c，用于生物应用的原纤化纤维素软凝胶

 

工业化运用中面临的挑战：

尽管已经证明了概念验证的材料和设备，但原纤化纤维素从实验室到市场的过渡仍然存在障碍。

a）可持续性：

原纤维化纤维素等资源只有在其加工也可持续的情况下才是真正可持续的。对原纤化纤维素可持续性的评估需要考虑基于中试规模数据的技术经济和生命周期评估分析。

 

b）可生物降解性与产品耐用性或尺寸稳定性之间的平衡：

通常，纤维素杂化材料（例如，纳米纤维素聚合物复合材料）显示出增强的耐久性，但这在某种程度上牺牲了生物降解性。如果要将纤维素用作传统石油基塑料的可持续和实用替代品，则必须权衡这一问题。

 

c）消防安全

在实际应用中，基于原纤纤维素的复合材料和结构设计还必须考虑改善该材料的防火安全性的方法。研究人员证明了用磷酸基团修饰纤维素以提高阻燃性的能力。或者可以将纤维素与无机颗粒的组合，例如石棉（硅酸铝纤维），滑石，硅酸钙，碳酸钙和粘土。

 

工业化运用中面临的机遇：

a）原料

纤维素原料的类型对原纤化纤维素的性能和制造成本有影响。在选择原纤化纤维素的原料时，还必须考虑植物来源和应用需求之间的过程-结构-性质关系。并且，培养基的选择也很重要，应为细菌纤维素的生产在很大程度上取决于发酵培养基。

 

b）不同形态

原纤化纤维素的性质和制造成本也取决于其形态（例如，尺寸分布和原纤化程度）而变化。因此，在选择具有不同形态的原纤化纤维素时必须仔细考虑性能与成本之间的权衡。

 

c）干湿产品

原纤化纤维素的水含量将在其储存，运输和产品使用中发挥关键作用。需要合理选择使用湿凝胶或干粉。

 

d）纤维素与纤维素材料

作为影响原纤化纤维素的生产成本和性能的因素，纯度也必须在其商业化中加以考虑。值得注意的是，取决于应用，高纯度原纤化纤维素的性能不一定比低纯度材料好。

 

e）与造纸/木材行业的协同作用

将原纤化纤维素产品的生产与现有的林业和造纸工业相结合将是一种协同的方法，可以大规模降低生产成本。

 

Li, T., Chen, C., Brozena, A.H. et al. Developing fibrillated cellulose as a sustainable technological material. Nature 590, 47–56 (2021). DOI: 10.1038/s41586-020-03167-7