纤维素纳米材料的研究路线和进展

纤维素纳米材料的研究路线和进展

纤维素纳米材料可用取之不尽的再生原材料制备，拥有广阔的应用前景。其所面临的技术挑战是什么，怎样攻克这些挑战以进一步促进纤维素纳米材料技术的发展？该文介绍了Agenda 2020技术联盟公布的有关纤维素纳米材料的研究路线、执行策略和执行方法，以及该技术领域的6个优先研究课题；同时介绍了当前纤维素纳米材料的研究进展情况。

近几个月来，世界范围内探索者针对纤维素纳米材料的应用领域做了商业尝试，这些应用领域包括吸收性个人卫生用品、化妆品、油气产品、液体食品低定量纸基包装材料以及生物医药领域，如用作细胞培养中的水凝胶。纤维素纳米材料拥有广阔的应用前景，那么问题来了，其所面临的技术挑战是什么，怎样攻克这些挑战以进一步促进纤维素纳米材料技术的发展。

在获得大量投资之后，纤维素纳米材料的供应量充足且品类多样，足以支持一系列产品开发机会。达到上述程度，需要研究人员和生产商的聪明才智去攻克包括降低能耗、提高过程化学品回收率及产品的多样性等在内的各种挑战。美国农业部（USDA）森林服务导向研究预测，纤维素纳米材料的全球市场潜力为3 500万t，然而迄今为止其市场渗透率还非常低。更多技术课题有待研究尤其是纤维素纳米材料的干燥、再分散以及控制自然保水量等领域。

图1为USDA位于威斯康州麦迪逊的林产品实验室中的纳米纤维素晶体中试生产设备。

图1 林产品实验室中的纳米纤维素晶体中试生产设备

1 跨越障碍：Agenda 2020路线图

产品的研发者通常想要紧跟市场步伐，而并非跟随研究步调。Agenda 2020技术联盟已经明确，挖掘纤维素纳米材料的潜力在林产品工业中具有最重要的研究开发优先权。该联盟的职责是，确定制浆造纸行业中具有高优先度的、预竞争阶段中面临的科技挑战，促进科学研究和研发项目攻克该挑战。该联盟的目标是：减少水消耗，提高水的循环利用率；降低能耗，减少温室气体排放；提高生产工艺效率；提高原材料得率；研发新型生物质产品。纤维素纳米材料属于新型生物质材料。这些优先目标和该联盟成员公司的可持续发展目标以及国家优先发展领域是非常吻合的。

该联盟于2013年在5个研究领域组建了工作团队，以确定在实现自身优先目标过程中所遇到的技术障碍，并研究战胜这些困难的路径。2014年，该联盟获得美国国家标准和技术机构（NIST）提供的先进制造技术（AM技术）资助。该资助旨在开发能够促进实现上述目标的深度技术路线图。在该项资助下，Agenda 2020技术联盟组织了大量研讨会，并于近期公布了纤维素纳米材料的研究路线图，以及纤维素纳米材料在其他技术领域的应用路线图（图2）。

2 策略

Agenda 2020技术联盟纤维素纳米材料工作团队的策略是，双管齐下地将预竞争阶段针对当前障碍的科学研究应用到近期大规模的生产和应用中：（1）生产和（2）驱动商业应用的技术进步。针对生产环节，该团队主要关注产品表征标准的研发以及理解并解决脱水和干燥工艺中遇到的问题，改善成本效益，使得纤维素纳米材料在悬浮液中均匀地进行再分散，促进其在终端使用系统中的经济性。

当前，针对给定的纤维素纳米材料的表征还停留在实验室阶段，许多因素都会导致纤维素纳米材料的多变性，如木材种类、树龄及生产方法。然而普遍能够理解的定义尚未出现，这使得实验及产品试验的比较和重复变得困难。由于原材料供应链存在不确定性，市场难以开拓。

为使纤维素纳米材料的应用变为可能，Agenda 2020技术联盟团队关注的焦点是确定一种表面功能化的方法，以改善终端使用的复合材料中纤维素纳米材料的分散性和可压缩性。该工作团队还决定为解决产品上市时所面临的产品安全和管理问题奠定基础。

图2 纤维素纳米材料的研究及应用路线图

3 优先研究课题

已经确定的6个优先研究课题是：

（1）开发可变的脱水方法；

（2）开发可变的纤维素纳米材料干燥方法，该方法要能够保留纤维素纳米材料的特征，检验其成本有效性，并符合环境、安全与健康及可持续发展目标；

（3）通过攻克技术挑战以及规模性、分散性及可压缩性等问题，促进高体积纤维素纳米材料复合物的商业化；

（4）开发纤维素纳米材料及其复合物结构和机械性能的标准表征方法；

（5）为美国食品及药品管理机构明确产品的大众安全性（GRAS）制备应用产品，以表明产品的安全性，并促进纤维素纳米材料在包装行业及与食品接触产品领域的应用；

（6）对纤维素纳米材料生产进行生命周期-循环分析及应用路线分析。

4 研究路线的执行

Agenda 2020路线图将Agenda 2020技术联盟由路线图开发者转变为路线的实现者。2016年，Agenda 2020技术联盟计划寻求建议和鉴别并资助那些旨在解决高优先度挑战的项目，并且当资助机会出现时快速响应联邦政府、州政府和非盈利机构的资助申请。

Agenda 2020技术联盟不建议将该路线图中列举的项目代表所有在加速纤维素纳米材料商业化进程中需要解决的挑战。对于有影响的研究方法的其他想法，Agenda 2020技术联盟持欢迎态度。

5 研究资助来源

能够寻求到研发前阶段的资助吗？以下是几种可利用的资助来源。除此以外欢迎有更多的资助。

Agenda 2020技术联盟的生产和供应商联盟已经承诺，将资助那些有实体公司支持的并有着良好研究基础的科研项目。Agenda 2020技术联盟的一些工作团队已经着手开展提案请求（RFPs）。这些提案请求正被展示给生产商投资者们，以确定对此感兴趣的投资者。当有足够多的公司支持这个商业案例时，RFPs将会被公布。

近些年来，USDA林务林产品实验室3次追加纤维素纳米材料相关研究和开发资助，旨在创造森林资源的商业需求。美国林业局将创造森林生物质需求看作减少森林火灾的一种策略，对森林生物质的需求可以减少依靠森林提供燃料的程度，同时可以帮助支付森林植被恢复作业的费用。从2011年起，在USDA的年度拨款中该追加资助项目金额已经达到约900万美元。根据美国国家纳米技术倡议（NNI）年度预算补充报告，自2011年以来，USDA林业局在纤维素纳米材料研究领域共投资了2 810万美元。这些资金资助了农业产品实验室、缅因州大学大学研究项目、工程研究项目中纤维素纳米材料的生产设施，这些项目主要针对纤维素纳米材料的商业生产。前不久，美国林产品实验室宣布启动第4轮资助，资助金额为155万美元，用以支持下文所述的P3Nano公私合作项目。

美国国家基金针对林业和社区领域设计了一个名为P3Nano的开发纤维素纳米材料的项目，将其作为一种为依赖森林的社区创造和保留工作的手段。P3Nano项目致力于将实验室中的纳米纤维素技术商业化。自2013年起，美国国家基金已经在纤维素纳米材料研究领域投资了约500万美元，预期今年的投资额为250万美元。

佐治亚理工学院可再生生物质制品研究所（其前身为造纸科学与技术研究所）管理着一个致力于研究生研究和领导力发展的基金。该基金每年提供10名新生奖学金。在过去的几年中，每年的研究资助项目中战略性优先项目之一即为纤维素纳米材料相关的研究。自2010—2011学年起，可再生生物质制品研究所基金已经为纤维素纳米材料相关研究生研究提供了约270万美元资助，其中包括2016年4月20日宣布的3个奖学金。这个数额不包括佐治亚理工学院15个或者更多学院资助的其他领域的科研资金。

6 联邦政府的额外资助

超强轻质材料可减少运输成本且节省能量，其研发工作在全美范围内引起关注，如果这些材料能由可再生的森林材料制备则是更佳方案。因此，Qak Ridge、国家可再生能源实验室和其他国家实验室、美国能源部生物能源技术办公室，以及其他机构均已开展相关研究项目。

NNI已经达成了一个签署计划，旨在促进纤维素纳米材料的商业化进程。和美国国家标准和技术研究所一道，NNI已经资助了许多技术会议和研讨会，尤其在纤维素纳米材料计量和表征方面。

USDA的国家食品与农业研究所（NIFA），凭借各种富有竞争力的配套资助项目，通过提高生产率、质量和生物多样性，支持某些和食品安全相关的纳米级科学和纳米技术；改善饲料的营养价值，提供更有效的疗法，显著影响动物的健康状况；增强食品安全和物种安全；增加对自然资源、环境以及农业生态系统的保护。在2015年，NIFA宣布资助纳米级科学和纳米技术项目，资助金额为1 350万美元。

建立一个专注于纤维素纳米材料领域的生产创新机构可能引起了相关方的兴趣。这样一个政府中心将会提供协调机制和帮助，以减少纤维素纳米材料的商业化风险，加速技术向市场转化，促进供应链创新。

7 纤维素纳米材料的研究进展

目前相关纤维素纳米材料的研究和Agenda 2020技术联盟主张的优先研究课题相吻合：

（1）加拿大林产品创新研究院的Beck和Bouchard探究了离子强度和黏度之间的关系，这对许多应用来说都很重要；

（2）Chauve等人研究了表面化学对热稳定性的影响和保留其他材料性能的方法步骤；

（3）Hellström及其共同作者比较了在高压均质机中制备微纤化纤维素的预处理方法，确定了一种低能耗的方法；

（4）缅因州大学和GL&V公司的Johnson及其共同作者，记录了不同水平的CNF添加量对纸张强度、表面性能及纸机可运行性的影响；

（5） Shatkin，Wegner和 Goergen（分别来自 Vireo Advisors，美国林业局森林产品实验室和P3Nano项目部）描述了开发纤维素纳米材料相关材料安全数据册的信息需求评价；

（6）Schenker及其同事解决了羧甲基纤维素和微纤化纤维素原材料流变性能与不同复合物之间的联系和影响，以及产生功能性相互作用的可能性；

（7）Wang和Zhu报道了纳米纤维素纤维（CNF）悬浮液的透明度与微纤化之间的关系。他们发现，随着研磨时间缩短，CNF薄膜的抗张强度和杨氏模量增大。

8 不断前进

为加速纤维素纳米材料的商业化进程，应当解决涉及生产工艺优化以及技术发展的相关问题，以在尖端应用领域中最大化利用纤维素纳米材料的独特性能和特征。Agenda 2020技术联盟已经确定了其优先研发的领域。同时，在当前市场以及新兴市场条件下，有必要将研发人员和生产厂家联系起来，以充分地发挥市场拉动作用。当前政府和社会资本合作关系的培育以及新型合作关系的形成将有助于传播相关理念，并强化针对生产和市场的重要研究。谁会倡导那些对先进的、多功能、可持续、可再生及可循环的原料有需求的人们使用纤维素纳米材料呢？工业界的营销和通信部门可以提供帮助。商业成功需要借助一个广泛的、有目的的营销运动来拉近希望与市场之间的差距。

（申正会 编译）