纳米纤维素的制备研究

沈爱平

【摘 要】纳米纤维素主要来自于植物，作为一种新型的生物材料，由于其特殊的尺寸结构、力学性能和光学性能，在诸多领域得到广泛应用，受到科研工作者的青睐，成为未来纤维素研究的热点。本文简要综述了纳米纤维素的制备方法，讨论了各种制备方法的优点和缺点，指出了纳米纤维素的主要研究基础和制备方法，以及未来发展方向。

【关键词】纳米纤维素；制备；应用

0 引言

随着社会经济的不断发展，不可再生资源日益匮乏，环境污染等问题日益突出，可再生资源在科学、医药、能源、卫生等领域的应用越来越受到重视，纤维素随之走进大家的视野。纤维素的主要来源是植物，由植物通过光合作用合成，是广泛存在于自然界中的，可降解无污染的天然高分子材料，另外特定的细菌、真菌及动物等也可以生产纤维素，主要用于造纸、食品、医药等生产部门。纳米纤维素（Nanocellulose）由于具有较高的比表面积、杨氏模量、及抗拉强度和分散性能等一系列独特的性质，在纳米精细化工、纳米复合材料、电子产业和新能源等领域中得到越来越广泛的应用，也成为近年来国内外科学家竞相开展的研究项目。利用纳米纤维素强度高、热膨胀系数低、透过光率高等特性可以开发出柔性显示屏、精密光学器件配件等新产品，在生物医疗、生物影像、纳米复合材料、气体阻隔薄膜以及透明的光学功能性材料方面显示了巨大的应用潜能[1]。国际上的科研人员已对纳米纤维素进行了几十年的系统研究，而我国的科研工作者尽管也对纳米纤维素进行了一些研究，但尚处于起步阶段，纳米纤维素的制备主要包括化学法、物理法、生物合成法及人工合成等，本文主要介绍了化学法、物理法、生物合成法制备纳米纤维素，并对其优缺点进行了简要介绍。

1 纳米纤维素的常用制备方法

1.1 化学法制备纳米纤维素

化学方法制备纳米纤维素的同时可以对纳米纤维素实现表面改性，改变纳米纤维素的表面特性，赋予其新的功能和特性，化学法制备纳米纤维素的常用方法包括无机酸水解法和纤维素酶水解法。（1）无机酸水解法。利用强酸实现纤维素的水解，通过采用超声预处理等方式提高产品得率，缩短反应时间。水解过程中的温度、反应时间、强酸的种类和浓度、植物纤维素的用量等均会影响纳米纤维素的性质，该法会产生大量的废酸和杂质，并消耗大量的水和动力资源。（2）纤维素酶水解法，即利用选择性较强的纤维素酶去除无定形的纤维素而剩下部分纤维素晶体，该法工艺条件温和、专一性强。纤维素预处理常用的方法有稀酸法、无机溶剂法、爆破法等。化学法制备纳米纤维素对反应设备要求高，要求设备能够耐受强酸，另外对反应后的残留物进行回收和处理比较困难。

孟围等[2]用超声辅助硫酸水解芦苇浆制备纳米纤维素，通过优化超声时间加强硫酸水解芦苇浆制备纳米纖维素，研究结果表明超声辅助预处理可以提高纳米纤维素得率，超声预处理 30min时芦苇浆纳米纤维素得率最高。

1.2 生物法制备纳米纤维素

生物法制备纤维素通过细菌合成纤维素，通常将这种微生物合成法制备的纤维素称为细菌纤维素（BC）。细菌纤维素在化学组成和分子结构上与天然植物纤维素相同，同时具有较高的生物相容性和良好的可降解性。生物法制备纳米纤维素的最大优点是低能耗、无污染，另外通过选择合适的微生物菌株，控制细菌生物合成条件，可以调控纳米纤维素的结构、晶形、粒径分布等，容易实现工业化大规模生产，但生物法制备细菌纳米纤维素操作复杂、耗时长、成本高，尽管国内外的研究较多，但未得到广泛应用。

自1986年Brown等人发现木醋杆菌可生产细菌纤维素后，人们对细菌纤维素的研究不断深入，发现除木醋杆菌（Acetobacter xylinum）可以生产细菌纤维素外，根瘤农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）、假单细胞杆菌属 、固氮菌属、根瘤菌等某些特定的细菌也能合成细菌纤维素[3]，但目前已知合成纤维素能力最强的微生物菌株依然是木醋杆菌，其次为根瘤农杆菌。在培养基中，根瘤农杆菌菌体分泌出胞外纤维素质胶和纤丝的速度较慢，仅为木醋杆菌合成细菌纤维素的1/10。

1.3 物理法制备微纤化纤维素

物理法是指通过压力、摩擦、加热爆破等物理手段，实现纤维素的分离分解，制备得到纳米级纤维素。高压均质法是将纤维素分解得到纳米级纤维素的一种常用的物理制备方法，高压均质法通过压力能的释放和高速运动粉碎物料，天然的纤维素经高压机械处理后，转变为一种新型高度润胀的胶体状纳米纤维素，称为微纤化纤维素（MFC）。

物理法制备微纤化纳米纤维素工艺简单，易于操作，但需要采用特殊的设备，能量消耗比较高，制备的纳米纤维素粒径分布宽，另外还容易出现均质机堵塞等问题，无法实现制备过程连续化，后者通过引入化学机械法得到了有效的解决，化学机械法是指先用无机酸等化学降解方法对纤维进行适当的降解预处理，再用高压均质机进行均质化处理，通过化学机械法可以从木材、麦草和大豆等植物成分中制备出纳米级纤维素。

1.4 其他制备方法

另外纳米纤维素的制备方法还有人工合成法及静电纺丝法，但这两种方法均不够完善，尚处研究阶段。

人工合成纳米纤维素包括两种方法，酶催化和葡萄糖衍生物的开环聚合。人工合成纳米纤维素的优点是纳米纤维素的结构、粒径分布等容易调控，但合成的纳米纤维素聚合度低，分子量低，难以达到自然界中高度聚合的织态结构。

静电纺丝以人工的方法可制备目前最细的纳米级纤维，但静电纺丝制备微细纤维横截面大，横截面分布也很宽。

2 总结

纳米纤维素制备方法众多，如何通过改进制备过程，调整制备条件，在纳米尺寸范围内操控纤维素分子，设计结构并组装出稳定的多重构型，生产出具有优异功能的纳米纤维素材料，是纤维素研究的前沿和热点。尽管科研人员已经对纳米纤维素的制备方法进行了不断改进，但仍存在局限性，因此，研究发展出新型的简单、快速、高效的制备纳米纤维素方法刻不容缓。

【参考文献】

[1]计红果.纳米微晶纤维素聚合物的研究现状及应用前景[J].广州化学，2013，38（2）：65-71.

[2]孟围，王海英，刘志明.超声时间对芦苇浆纳米纤维素得率和形貌的影响[J]. 江苏农业科学，2012，40（3）：235-237.

[3]董凤霞，刘文，刘红峰.纳米纤维素的制备及应用[J].中国造纸，2012，31（6）：67-73.

[责任编辑：杨玉洁]