植物纳米纤维材料及其应用

徐长发，华中科技大学，2020.7.5

本文介绍的是一种用植物纤维素加工成的“植物纳米纤维素”，这种纤维的重量只有钢的1/5左右，强度却是钢铁的5倍左右。这是一种新型材料，各国都在加紧研究和开发，现在已经出现了越来越多的应用，其应用前景非常广阔。

一.怎么制作纳米纤维素(CNF)

纤维素是植物细胞壁的主要成分，纸张就是利用纤维素材料做出来的。植物纳米纤维素是把纤维素改变为纳米尺度，纳米纤维素自身可以聚合成有一定长度的纤维，也可以和其它材料聚合在一起。

把木纤维分解为纤维素纸浆，也就是造纸用的纸浆，在纸浆液中添加TEMPO催化剂，搅拌2小时，纸浆中的纤维素就被分解为直径约为4纳米的“纳米纤维素(CNF)”，这时的液体呈现透明状，纳米纤维素就悬浮在液体中。

说明几点：

这里采用的TEMPO催化剂，是四甲基哌啶氧化物 ，它是一种非常有效的氧化催化剂，能将伯醇和仲醇氧化成所需的羰基化合物。该催化剂容易生产，稳定性好，在化学、生物学、食品工业、农业等领域都有较为广泛的应用。采用这种催化剂可以快速地把纤维素分解为纳米纤维素。

植物纤维素的资源非常丰富，可以天然降解;理论上很多植物都可以用于生产纳米纤维素。

现在市场上就有植物纳米纤维素(CFN)出售。

二.纤维素纳米纤维(CNF)有什么特性

植物纳米纤维素(CFN)有很多好性质：①具有天然的网状结构;②特殊的透光性;③耐热性好;④温差变形小;⑤具有阻隔氧分子进入的特性;⑥具有良好的生物降解性;⑦很容易和其它的大分子聚合在一起，聚合力强;⑧其力学性能优异让人诧异。从下表中可见，其重量只有钢的1/5左右，强度却是钢铁的5倍左右;人们从中感受到了它的应用前景。

植物纳米纤维素(CNF)在常温下不溶解于水和其它有机溶剂，但是从造纸业和纺织业的常识可知，它在水和一些液体中可以有效地分散开来，液体挥发后纳米纤维素就会聚合。

利用它在水中分散性好的特性，人们可以对植物纳米纤维浓缩，甚至做成特殊的“纸张”，这样就可以方便运输了;使用时，再让植物纳米纤维素在水或其它液体中分散开;待植物纳米纤维和其它大分子聚合后再蒸发掉液体，即可获得期待的应用材料了。

三.植物纳米纤维素(CFN)有哪些应用

有一种“水凝胶”材料，它是由纤维素、壳聚糖、海藻酸钠、淀粉等天然的亲水的大分子构成的，它是三维网络结构体，它富含纳米空洞的形状，孔洞中富含水。水凝胶具有良好的生物相容性和可降解性，有良好的弹性;这种材料已经逐渐在农业、食品、生物组织建构等领域有所应用。

显然，用纳米纤维素(CFN)做成的水凝胶不仅大大改善了普通水凝胶的性能，而且还增加了“隔氧和防氧化”的性能。例如，现在有人用它做面膜，做创伤皮肤的覆盖布，做医学上的“替代软骨”，这些产品对人没有排异反应;食品隔氧包装膜;等等。

有人用纳米纤维素(CFN)做成过滤水中重金属的材料，效果很好。在很多工业废水在含有重金属，传统方法是用化学处理方法，也有过滤方法，所用的规律材料是甲壳素和淀粉，成本有点高。但是，现在改用纳米纤维素过滤，成本低效果好。

有人把纳米纤维素(CFN)混入锂电池传导物质中做成凝胶状，效果很好。

把植物纳米纤维素(CFN)分散在塑料、橡胶、树脂等其它材料中，那就会起到非常有效的加固的作用。

例如，在汽车构件中，像保险杆、车架、椅架、轮胎加固等部件，以前都是研究用碳纤维树脂代替钢铁，现在可以用植物纳米纤维素(CFN)了。当然，使用碳纤维的效果在硬和脆方面表现明显，使用植物纳米纤维素(CFN)的效果则在硬和韧方面表现明显;不仅效果更好了，而且重量又进一步减轻了。

例如，把植物纳米纤维素(CFN)用在坦克装甲中，用在航天航空、轨道高铁交通、无人机制造等方面，一定有着显著的效果。

由于用植物纳米纤维素(CFN)可以做成“纸”状，既透明又坚韧，可以用作太阳能电池的保护玻璃，电视、手机的保护玻璃，用作印刷版，等等。

把植物纳米纤维素(CFN)和疏水的树脂混合用于3D打印非常有前途。在3D打印时，如果使用热塑性树脂，打印出来的部件往往机械强度不够。可是，在热塑性疏水性树脂中掺进植物纳米纤维素(CFN)后的表现就不一样了，这为3D打印的商业化生产开拓了道路。

四.植物纳米纤维素(CFN)的应用现状及其面临的问题

植物纳米纤维素(CFN)是一种新科技的高分子材料，人们都已经看到了它的巨大的应用市场，大国包括中国都在加紧研究开发它的应用，科技工作者都在想方设法地扩展其应用，研究实验也是五花八门，但是现在各国基本上都处在研究阶段，上市的应用较少见。

从本文的介绍知识可知，广泛使用这种新科技材料的难点是成本问题。把植物纤维加工成纳米纤维素(CFN)需要催化剂，这就增加了成本;有人算了一笔账，用纳米纤维素加树脂的去替代钢铁，成本比钢铁便宜1/5-1/4，但是性能得到了很大的提升，这种替代还是有价值的。降低成本的关键是批量生产。

植物纳米纤维素(CFN)的原料充足，又可以降解，有利于环保，可以预见，要不了几年，这种新科技材料就会普遍得到应用了。

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