【综述】纳米纤维素的制备与性能

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《Paper and Biomaterials》 2020年第3期刊出了题为“Preparation and Properties of Cellulose Nanomaterials”的综述论文，作者为法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（Université Grenoble Alpes）的Alain Dufresne教授。论文从制备方法、性能及应用两方面介绍了纳米纤维素的研究现状，并总结展望了纳米纤维素未来发展的前景与挑战。

图1 不同形式的纳米纤维素及其应用^[1]

从木质纤维素纤维制备纳米纤维素可以分为自上而下和自下而上两种方法。自上而下的制备方法（包括机械法和化学法）首先对材料进行物理研磨和纯化，然后对纯化产物进行机械或化学处理使其降解，最终获得纳米纤维素。自下而上方法制备纳米纤维素则是利用微生物，通过合成尿苷二磷酸葡萄糖和将单体葡萄糖聚合成长链两步法合成BC。与木材原料植物基纳米纤维素相比，BC由高纯度纤维素组成，不需要进一步纯化处理。
图2 纯化纤维素纤维的分层结构和半结晶结构示意图^[2]
纳米纤维素具有较高的比表面积和较大的长径比、良好的机械性能、热性能、阻隔性能和流变学性能；其独特的光学性能表现在纳米纤维素（CNC）能够通过自组装形成螺旋状的手性向列型液晶（胆甾型）且当螺旋螺距（p）在可见光波长范围内时，手性向列的CNC膜选择性地反射左旋光，并呈现彩虹色。这种彩虹特性使得CNC可用于证券纸、双折射油墨、涂料和化妆品等领域中。

图3 CNC自组装螺旋状手性向列型液晶^[3]
此外，还可通过与疏水性小分子偶联、与聚合物和低聚物接枝及将疏水性化合物通过表面氢键吸附在纳米纤维素上对纳米纤维素进行改性，获得的改性纳米纤维素可广泛应用于过滤和生物医学等多个领域。

图4 常见的CNC功能化改性手段^[4]
最后作者指出，纳米纤维素的工业化生产和商品化正在快速增长，然而现阶段生产成本和能耗依然较高；降低纳米纤维素大规模生产的成本和寻找经济可行的表面改性方法是未来的研究之重和巨大挑战。

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Alain Dufresne. Preparation and Properties of Cellulose Nanomaterials. Paper and Biomaterials, 2020, 5(3), 1-13.

Alain Dufresne

法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（Université Grenoble Alpes）教授，主要从事多糖纳米颗粒和纳米复合材料的研究。

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[2] Pääkkö M, Ankerfors M, Kosonen H, Nykänen A, Ahola S,  Osterberg M, Ruokolainen J, Laine J, Larsson P T, Ikkala O, Lindström T. Enzymatic hydrolysis combined with mechanical shearing and high-pressure homogenization for nanoscale cellulose fibrils and strong gels. Biomacromolecules, 2007, 8, 1934-1941.

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