纤维素基先进功能材料的制备及其应用*

2020-09-04黎晶雪陈善帅马帅帅朱万斌王洪亮

功能材料 2020年8期

黎晶雪，陈善帅，马帅帅，朱万斌，王洪亮

(中国农业大学农学院，生物质工程中心，北京 100094)

0 引言

近年来，有关促进材料循环利用和降低材料生态影响的新法规相继出台，使得开发基于可再生资源为原料的先进功能材料成为了研究热点[1-2]。在各类可再生资源当中，木质纤维素作为一种存量大、分布广、廉价易得的生物质资源，具有制备先进材料的重大潜力[3]。纤维素是木质纤维素的主要成分，一般占木质纤维素干重的40%～60%，是植物体内最重要的结构材料，也是制备先进功能材料的重要原料[4-5]。纤维素可通过酸解法、酶解法、机械精炼法、离子液体等溶剂提取法、氧化法和以上联合工艺等方法从木质纤维素中提取出来[6-14]。纤维素是由葡萄糖通过β-1,4糖苷键构成的线性高分子，分子内存在大量氢键和羟基，经特定的物理、化学、生物及其联合工艺可降解、重构、接枝改性制备成不同类型的功能材料，在分离膜、生物医学植入物、药物载运，电子元器件模板，超级电容器等领域具有广阔的应用前景[15]。

最近在国际范围内，利用纤维素改性开发出的具有高应用价值的先进功能材料受到广泛关注，优秀成果不断涌现。不同于单一性能结构材料，经过处理后的纤维素功能材料除具有一定的机械特性外，还附有特定属性，如光、磁、电、热、化学、生物等方面的功能特性，可实现传输、转换或储存物质、能量和信息等目的。本文综述了近年来纤维素基先进功能材料研究方面的重要进展，对其制备方法和应用进行了详细归纳和讨论，分析了各种方法的优缺点，展望了该领域未来研究趋势。文章依据纤维素材料前沿应用领域，主要分为以下3个部分进行阐述：(1)力学功能材料；(2)化学功能材料；(3)光电功能材料。

1 力学功能材料

力学功能材料主要是指强化功能材料，如超高强材料等。目前，具有优异机械性能的合成材料(例如钢和合金等)通常具有质量较大、生产过程不环保、制造工艺复杂，成本较高等缺点。纤维素是一种廉价而丰富的可再生材料，经特定处理后可获得品类丰富、性能优异的力学功能材料，能在一定程度上克服当前合成材料所存在的问题[16-17]。

1.1 建筑强化材料

木材是最丰富、可持续、廉价、美观的结构材料之一，广泛应用于建筑领域。然而，木材的易燃性很大程度上限制了其应用范围。采用物理膨胀法将卤代阻燃剂浸渍到木材孔隙中是一种传统的制备阻燃材料的方法，但这些化合物由于存在人体生物积累的风险，不能满足现代建筑对环境和人体健康的高要求。Hu等人开发了一种脱木质素和致密化相结合的木材改性方法，在提高木材机械性能的同时也提高了其阻燃性能[16]。Hu等人使用NaOH/Na2SO3对材料进行部分脱木质素处理，随后进行机械压制的致密化处理，可以完全去除木材细胞壁之间的空隙，使之形成高密度的层状结构。天然木材结构内部大量的多孔结构在燃烧中为氧气提供了充足的管状通道，破坏了其阻燃性能，而这种致密的层状结构有效降低了材料的透气性，在着火时有助于在木材表面形成隔热的炭层。致密的炭层为底层木材创造了一个绝热屏障，通过减少热量和氧气的扩散，提高了阻燃性，对降低热释放速率，阻止燃烧起到了至关重要的作用。致密化木材除了具有良好的阻燃性能外，还具有优异的抗压强度，有效地防止了木结构建筑的倒塌和破坏，发生火灾时可增加宝贵的救援时间。该方法制备的改性木材阻燃性强、机械强度高，在绿色、高性能建材制备领域具有重大的应用潜力。

1.2 功能纺织强化材料

由于纤维素膜材料具有拉伸性能好、机械强度高，易于染色等优点，可广泛应用于电极材料，纺织品，可穿戴设备等领域，如表1所示。其中，防水透湿膜在有效传递水蒸汽的同时能够阻止液态水的渗透，在高端运动服、医用防护、精密电子等领域有着广阔的应用前景。Yu等人采用水性无氟交联剂(BIC)和水性无氟疏水剂(ECO)对可生物降解的醋酸纤维素(CA)纳米纤维膜基材进行逐步涂层改性，并经过高温固化处理制备出了环境友好、高强度、无氟、防水透湿的纤维膜材料，避免了疏水剂中含氟物质和有机溶剂产生的环境问题[18]。树枝状超支化大分子聚合物ECO具有较长的碳氢链段，赋予了纤维膜良好的疏水性能。所制备的纤维膜耐水压为102.9 kPa，透湿量为12.3 kg·m-2·d-1，拉伸强度为16.0 MPa，远远优于其它无氟防水透湿膜。此外，该涂层体系还可用于涂覆聚丙烯腈等其它亲水性纤维基材，经涂覆处理后可获得良好的防水、透湿性能，为环境友好型防水透湿材料、功能性纺织品的设计和制备提供了一种新思路。

表1 纤维素基先进膜材料Table 1 Cellulose based advanced film materials

1.3 其他力学强化材料

废弃塑料在食物链中积累，对环境和人类健康造成了极大的威胁，因此制造生态友好、可生物降解的传统塑料替代品迫在眉睫。纤维素纸具有良好的生物降解性、资源丰富、原料成本低等优点，但存在抗水性较差、机械强度较低等缺点，使其在替代塑料方面的应用受阻。Hu等人受天然木材中纤维素和木质素的强化原理的启发，通过将木质素整合到纤维素中，开发出一种强度高且耐水的纤维素材料[24]。他们将木质素重新引入到碱胀纤维素纸中，使得木质素填满膨胀的纤维素微腔，均匀地吸附在纤维表面，再通过连续渗透和机械热压处理，使木质素与纤维素纤维均匀地包裹在一起。在此过程中，木质素作为天然的粘结剂和增强基体与纤维素纤维骨架结合，提高了纤维素材料的机械性能，所得到的木质素-纤维素复合材料的各向同性抗拉强度为200 MPa，显著高于常规纤维素纸(40 MPa)和一些商用石油基塑料，并且具有优越的湿强度、热稳定性和防紫外线性能。然而，该方法需将木材中的木质素脱去，获得纤维素纸，而后再将木质素引回纤维素之中，操作步骤较为繁琐。若能在造纸的过程中定量脱去部分木质素，再经过热压获得可替代塑料的高强度纸，则可以省略很多步骤，降低成本，提升该技术的应用潜力。纤维素纳米颗粒是一种具有广阔应用前景且可持续化制备的纳米材料，可用作纳米填料(如增强剂)、水净化剂和石油分散剂等。Sirvio等人以盐酸胍和无水磷酸(摩尔比为1∶2)为原料制备了低共熔溶剂(DES)，在室温下溶解微晶纤维素和纸浆，然后通过机械破碎制备了再生纤维素纳米颗粒(RCNPs)[19]。溶解过程中纤维素的聚合度降低，晶型由Ⅰ型变为Ⅱ型。经过沉淀和洗涤后，再生的纤维素很容易解体成尺寸均匀的纳米纤维素颗粒 (直径在6nm左右)。作者研究了RCNPs在聚乙烯醇(PVA)复合膜中的填充性能，由于RCNPs的尺寸较小、纤维性和柔韧性较高，在其低浓度(1%～5%)时，可在不降低PVA膜强度性能的情况下提高膜的伸长率。在较高浓度下，RCNPs的掺入可提高PVA的拉伸强度和模量。该方法为获得粒径分布均匀、机械性能可调控的先进纳米纤维素材料提供了一条可行的途径。

图2 木质素-纤维素复合材料制备原理。(经批准转载自参考文献[24];版权所有(2019) Wiley-VCH)Fig 2 Schematic for the fabrication of a wood-inspired lignin-cellulose composite.(Reprinted with permission from Ref.[24];Copyright (2019) Wiley-VCH)

关于天然纤维基材料的力学性能增强方法有很多报道，包括添加粘合剂和无机颗粒等方法[25-26]。Shen等人发现加入碳纳米管可以改善苎麻纤维复合材料的力学性能和断裂性能[27]。Loong等人发现乙酸酐处理可以提高亚麻纤维生物树脂复合材料的拉伸强度、刚度和粘结剪切强度[28]。然而，很多天然纤维材料经胶粘剂处理后成为一次性产品。高性能自粘天然纤维材料(SNFM)是一种新型的纤维素纤维材料，它以丰富而廉价的农林作物如秸秆、红麻、木材废料等为起始材料制成，通过自粘获得了的优良力学性能[29]。Wang等人研制了一种SNFM，其机械强度远远高于天然木材和塑料(如HDPE、PP、PVC、ABS等)[30]。他们用亚氯酸钠去除木质素，再用微波辅助甲酸水解去除半纤维素。在压缩成型过程中，通过控制纤维含水量调节细胞壁塑性。获得的SNFM产品力学性能显著提高，纤维塑性的增加使拉伸强度由38.0 MPa提高到83.5 MPa，弯曲强度由31.2 MPa提高到73.3 MPa。表面木质素的选择性去除使抗弯强度从101.3 MPa提高到122.1 MPa。

2 化学功能材料

化学功能材料是指具有某些化学功能的材料。利用纤维素基材料的某种化学性质，可获得特定功能，如油/水分离功能、吸附功能以及缓释功能等。

2.1 油/水分离材料

开发用于处理原油泄漏或其他含油废水的油/水分离材料在环保领域具有重要意义。纤维素丰富的羟基使其易于功能化，通过化学改性可将其制备成不同类型的油/水分离材料[31]。如，纤维素直接改性获得的油/水分离材料[32-35]，以及天然木材脱除半纤维素和木质素等物质获得的天然木材基油/水分离材料等[36-38]。Yang等人制备出一种具有优异的憎油性能和高效的油/水分离能力的脱木质素木材[37]。脱木质素木材的水结合能力来自于其内部纤维素的羟基与水分子间较强的氢键相互作用，纤维素中的羟基均匀对称地分布在吡喃糖环上，同时恒定数量的羟基保持向外取向，使其能够与水分子良好接触。因此，脱木素木材表现出优良的水化性能和超低的水下原油附着力。然而，由于部分木质素和半纤维素的残留，使得脱木质素木材的抗油粘附性受到阻碍，只有在水下才能高效地工作。作者针对该现象，在脱木质素木材表面涂覆了醋酸纤维素涂层，使其具有完整的纤维素表面，表现出突出的表面亲水性、高的水下油接触角、优异的油下润湿性，在干燥和预水化状态下都具有优异的憎油性能。该材料在长期重复使用过程中不会降低水的渗透通量，有利于从含油污水中完全分离、收集原油。

2.2 吸附功能材料

吸附功能材料是能够有效地从气体或液体中选择性吸附某些成分的材料，对吸附质有强烈、选择性吸附能力，具有一定的再生特性和机械特性[39]。

水体中存在的各类污染物，包括工业和农业活动产生的无机阴离子、重金属离子及合成有机化学品等，如亚硝酸盐阴离子，即使经过处理后仍可能留在水中，严重危害了人类和其他生物的生命健康[40-41]。纤维素材料在处理水中的污染物方面展现出巨大潜力[42]。Hossein等人以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和香豆素改性纤维素，合成了纤维素纳米晶(CNC)接枝共聚物和游离共聚物[43]。这类两亲共聚物在水中自组装成囊泡结构，通过二氧化碳(CO2)、温度和光刺激，可实现对亚硝酸盐离子的高效吸附。吸附完成后，可以通过紫外光照射和氮气处理再生吸附剂。Hashimoto等人将纤维素酯类衍生物，如醋酸纤维素、醋酸丙酸纤维素和醋酸丁酸纤维素及其复合材料混合在具有低蒸气压的溶剂(如DMF、DMSO和NMP)中，室温下通过浸没沉淀式3D打印(ip3DP) 技术制备出纤维素基多孔结构材料(孔径1-20 μm)，可用作优质吸附剂[44]。

亚铁离子(Fe2+)在许多生物过程中起着至关重要的作用，是芬顿(Fenton)反应的催化剂。Fenton反应产生的羟基自由基是生物系统中有害的活性氧化物，它会造成严重的细胞损伤，因此Fe2+的浓度关系到人类的健康。开发快速、准确的方法检测溶液中的Fe2+浓度十分必要。Zhang等人合成了一种纤维素基荧光传感器(Phen-MDI-CA)，以4,4 -亚甲基二苯二异氰酸酯(MDI)为交联剂将1,10-菲咯啉-5-胺(Phen)与醋酸纤维素(CA)结合，实现了对Fe2+离子的高选择性、快速检测[45]。遇到Fe2+离子时，该材料会立即呈现为红色、不溶、非荧光的Fe-(Phen-MDI-CA)络合物。由于纤维素骨架的锚定和稀释作用，合成的Phen-MDI-CA在溶液和固体中均表现出优异的荧光性质，同时Phen对Fe2+的敏感性显著提高。因此，Phen-MDI-CA可以作为荧光传感器，用于Fe2+高选择性、高灵敏度的快速检测。此外，Phen-MDI-CA在常见的有机溶剂中具有良好的溶解性和可加工性，方便了它在不同产品 (如油墨、涂料、薄膜)中的应用。使用该材料在无需仪器的视觉检测模式下，Fe2+离子的检出限为50 ppb，在荧光检测模式下，检出限为2.6 ppb。与菲咯啉等其他Fe2+传感器相比，Phen-MDI-CA具有检测限低、响应时间短、可进行无需仪器的视觉检测和多模式响应等优点，还具有可生物降解、无毒、低成本和易于加工等特性，这使其在检测和吸附Fe2+离子方面具有巨大的潜力。

图3 在可见光(上部)和365nm紫外线(下部)照射下不同形式的Phen-MDI-CA材料实物图：(a)Phen-MDI-CA在滤纸上进行荧光打印，(b)Phen-MDI-CA柔性荧光膜，(c)Phen-MDI-CA涂覆在玻璃和钢上。(经批准转载自参考文献[45];版权所有(2018)美国化学学会)Fig 3 Photographs of Phen-MDI-CA in different material forms under visible light (top) and 365 nm UV light (bottom):(a) fluorescent printing on filter paper;(b) flexible fluorescent film and (c) coatings on glass and steel.(Reprinted with permission from Ref.[45];Copyright (2018) American Chemical Society)

2.3 缓释功能材料

纤维素水凝胶具有多种新颖优异的功能，结合3D打印技术可快速制备具有复杂结构的缓释功能材料，该方法具有成本低、易于规模化等优势[46-49]。Mathew等人采用一锅法合成了以TEMPO氧化纳米纤维素(TOCNFs)为载体的含有咪唑基有机金属框架(ZIF-8)的水凝胶材料(ZIF-8@TOCNF)，该材料可包载药物并可用做3D打印油墨，实现缓释药物的快速精准制备[49]。TEMPO氧化所得纳米纤维素具有典型的纤维素I型晶体结构，具有高纵横比(>100)、负zeta电位、无毒等特性，同时具备形成凝胶的能力和良好的3D打印性能[50-51]。作者利用Zn2+或Fe2+与TOCNF的羧基配位，实现了机金属框架结构(ZIF-8)在TOCNFs上的原位生长。得到的ZIF-8@TOCNF材料负载姜黄素和亚甲蓝等药物高分子后，可实现基于生物信号pH刺激的药物控释。该合成路线简单、快速、环境友好、可在室温下进行，有望在生产医用和植保等缓释药物方面实现大规模应用。

庞龙等人在LiCl和DMAc溶剂体系中，用交联剂2,4-甲苯二异氯酸酯将紫外线吸收剂4,4 -二羟基苯甲酮接枝到微晶纤维素上，制备出了具有抗紫外性能的纤维素膜[23]。该膜材料不仅具有很好的缓释农药性能，而且具有良好的抗紫外线能力，能够有效减少农药的降解损耗。此外，他还用异佛尔酮二异氰酸酯做接枝剂，将用荧光素和萘乙酸合成的荧光素二萘乙酸酯接枝到了乙基纤维素上，制备出具有荧光指示释放进度功能的，可控释农药萘乙酸的纤维素膜[23]。改性后的纤维素膜材料可用于农药的缓释、控释，同时在荧光指示方面也具有良好的应用前景。

2.4 其他化学功能材料

纤维素每个葡萄糖环单元上有3个自由羟基，可进行酯化、醚化、接枝、氧化，交联等化学反应，为纤维素的功能化改性提供了条件。

聚合物接枝可以赋予纤维素纳米纤维(CNF)新的特性。然而，聚合物接枝过程通常涉及大量的有机溶剂，造成环境污染。Yang等人提出了一种不使用有机溶剂的绿色方法，用紫外光照射CNF的水悬浮液，在CNF表面产生自由基引发聚合物接枝，使得聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)易于嫁接在CNF上[52]。PMMA接枝纤维素在水中具有独特的纳米纤维-纳米颗粒结构，在有机溶剂中表现出良好的疏水性和再分散性。除PMMA外，CNFs还可以在不使用有机溶剂的情况下接枝各种其他聚合物。这种紫外光诱导的纤维素纳米纤维接枝技术为制备性能各异的CNF功能材料提供了一种绿色、快捷的方法。纤维素材料固有的易燃性是阻碍实际应用的主要因素。Zhang等人提出了一个简易的方法，将高度易燃的纤维素转化为无卤、防滴的阻燃材料DOPO-纤维素丙烯酸酯(DCA)[53]。通过共价固定和加成反应将丙烯酸酯基团和9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)引入到到纤维素链中。DCA中少量的DOPO基团能显著降低材料燃烧时的热释放速率和总热释放量，促进致密连续炭层的形成。同时，保留DCA中的部分丙烯酸酯基团，可促进紫外光诱导刚性三维交联网络的形成，以抑制熔滴。此类材料具有良好的成型性，可方便地加工成阻燃、防滴、透明的涂料，保护纸张、木材等各种易燃材料不受火灾伤害。

玻璃结合了传统热固性材料和热塑性塑料的特性，受到了工业界的广泛关注。玻璃复合材料的制备可以大大降低玻璃材料的成本，增加玻璃基材料的种类，扩大其在不同领域的应用。Zhao等人以生物质衍生的聚碳酸酯为基体，天然纤维素纸为增强骨架，开发了一种玻璃-纤维素纸复合材料[54]。随机排列的纤维素纤维与聚碳酸酯类玻璃高分子的动态共价交联网络产生协同效应，使得该材料具有优异的机械性能，良好的热稳定性及化学稳定性，同时具有形状记忆、自愈合和可再加工等一系列智能性能，符合新型绿色可持续材料的要求。

3 光电功能材料

光电功能材料指具有电学，光学等功能特性的材料，在信息、能源、环境等领域有广泛的应用。

3.1 电学功能材料

电学功能材料包括导电高分子，柔性电极，超级电容器等材料。由纤维素等生物质材料制备的电学功能材料因具有绿色可再生，生物相容性好等优点近年来备受关注，如表2[20-21,55-60]。

表2 纤维素基电子设备Table 2 Cellulose-based electronic equipments

二维(2D)金属碳化物和氮化物家族(MXenes)，是最具前景的超级电容器电极材料之一，具有较高的类金属电导率和表面功能化基团，但机械强度较低。Hamedi等人从一维纳米羧甲基纤维素(CNFs)稳定的胶态分散体中组装出具有较高机械强度的MXene (Ti3C2Tx)纳米复合材料[59]。CNF的高长径比及其与MXene的特殊相互作用使纳米复合材料在不牺牲电化学性能的情况下具有较高的机械强度和电导率。MXene/CNF力学强度的提高源于两个因素：(1)强烈的界面相互作用。主要来源于材料之间的范德华力，以及CNF的羟基和羧酸与MXene薄片上的羟基之间的氢键作用；(2) 1D和2D材料之间的空间互补。CNF很薄且比MXene薄片长，可充当将MXene连接在同一平面上的桥梁。MXene/CNF混合分散体可作为油墨，用来印刷柔性精密超级电容器，制备轻量结构器件，如可穿戴设备的柔性电极和其他电学器件等。

Hu等人对天然木材进行醚化和致密化处理，制备出一种高导电性阳离子膜[20]。通过醚化将阳离子官能团键合到纤维素骨架上，使木材带有正电荷。致密化处理消除了天然木材中较大的气孔，形成了层状结构，使纤维素纳米纤维之间的纳米尺度间隙增加，有利于离子的快速传输。改性后的材料比天然木材的离子电导率提高了25倍，机械拉伸强度也大大增加。He等人制备出了具有电、光、热各向异性的柔性超薄液态金属(LM) Janus导电薄膜[21]。该Janus薄膜由液态金属纳米颗粒、纤维素纳米纤维及聚乙烯醇的悬浮液简单混合，经密度沉积自组装而成，薄膜一侧为液态金属纳米颗粒(LM)，另一侧为聚乙烯醇(PVA)和纤维素纳米纤维(CNC)，与传统的Janus薄膜制备方法相比，操作简便也更节省时间。在初始状态下，薄膜的两侧都是电绝缘的，经过剪切摩擦后，LM液滴可连接起来形成特定的导电线路。该薄膜具有独特的基体-墨水集成特性和剪切摩擦启动直写特性，还可以做光转换开关和温度调节器，为多功能(如电、热和光学)各向异性电子产品的现场生产和多层电路的一步制造提供了一种新的方法。Reynolds等人使用纤维素纳米纤维(CNF)涂布纸作为基材制备了低阻、无色的PEDOT(PEDOT:PSS) 印刷电极[60]。PEDOT:PSS/纸电极支持三种电致变色聚合物(ECP)(青色、洋红和黄色)的可逆氧化，具有全印刷彩色显示性能。在9000次画面切换后，仍能够保持86%的颜色对比度，与使用ITO/玻璃电极的器件性能相当。该材料在动态标牌和智能包装等领域具有广阔的应用前景。然而，由于固体电解质的电导率通常比液体或凝胶低得多，而器件的开关速度高度依赖于电导率，导致该固态器件的开关速度可能会较慢，这将是纤维素基显示器需要面临的重要难题之一。

3.2 光学功能材料

光学功能材料通常具有特定的光学性能，如荧光性、反射光性，吸收光性等，可用于制备荧光材料，防伪材料以及辐射冷却材料等。

可调多色荧光材料在显示、传感，防伪等领域都有着广泛的应用。Zhang等人基于动态可调谐荧光共振能量转移(FRET)工艺，设计和制备了一种类似变色龙的荧光纤维素材料[62]。将螺吡喃、荧光素和芘分别与纤维素链共价连接，合成了一组三色(红色、绿色和蓝色)固体荧光材料，再通过调节三种颜料的掺混比例实现各种颜色变换。纤维素链的锚定、分散与静电排斥作用可有效避免荧光诱导猝灭。材料的变色性质是通过供体(绿色和蓝色)和受体(红色)之间的动态可调谐能量转移实现的，调整辐照可精细调节该能量转移过程。最终，在肉眼可识别的时间尺度上能够可逆调节荧光颜色和强度。该材料具有优异的加工性能，可制备成具有复杂荧光输入-输出依赖关系的墨水，为信息加密、安全打印和动态防伪加密提供了一种新的原料和途径。基于纤维素荧光材料的动态荧光性质还可以开发更多的应用，如生物成像、荧光追踪、化学检测等。

有机荧光高分子因其独特的光物理性质而具有广泛的应用前景。与传统的共轭荧光高分子相比，非共轭有机荧光高分子具有制备方便、环境友好、生物相容等优点。Zhao等人报道了一种基于动态共价交联的新型聚羟基聚氨酯荧光高分子[63]。该荧光高分子不含共轭结构，具有固态强荧光发射特性，以及良好的形状记忆性和自愈性，可用于制备防伪纤维素纸基功能材料。在天然纤维素纸上原位进行该荧光高分子的合成，然后用紫外线照射进行防伪印刷，可代替昂贵的防伪油墨。该材料在制药、纸质智能包装材料、智能标签和食品工业中有很好的应用前景。

目前，全球对空调等低能效制冷方法依赖严重，如能减少对这种制冷依赖，将对全球能源格局产生重大影响。Li等人通过对木材进行完全脱木质素和致密化处理，得到了一种多功能辐射冷却材料[64]。该材料具有高日光反射率和高红外发射率，可有效散热、降低建筑温度。此外，该冷却木材的强度是天然木材的8.7倍，韧性是天然木材的10.1倍，比强度达到334.2 MPa·cm3·g-1，超过了铁锰铝碳合钢、镁铝合金、钛合金等大多数结构材料，可单独用作屋顶和壁板支撑材料。据估算，应用冷却木材可节能20%到60%，尤其是在炎热干燥的气候中节能效果更为显著，为提高建筑物的制冷效率、减少能耗提供了一条新途径。

3.3 热电转换材料

把低品位热能转化为电能需要高效、低成本的技术。Hu等人通过对天然木材进行处理制备了一种热电转化纤维素膜[22]。采用化学方法提取并溶解天然木材中的木质素和半纤维素，经处理后自然排列的纤维素纳米纤维表面带有负电荷，随后通过TEMPO氧化进一步提高了其表面的负电荷密度。该膜的纳米通道在热梯度下具有选择性扩散Na+离子的功能，随着负电荷密度增加，带电分子链的离子选择性增强，热能转化的电压显著提高。这种利用丰富的木材纤维素纳米纤维来获取低品位热能的技术，具有易于规模化、可持续生产和成本低廉等优势，进一步发展该技术有望实现低品位热能的规模化收集和热电转换在可穿戴技术上的实际应用。然而，该技术目前仍存在一些挑战，诸如如何优化电极以实现连续稳定操作，如何增强水系统的稳定性以及如何将该技术扩展到其他离子的选择性扩散调控等。

4 结语

纤维素是一种丰富的可再生资源，经过特定处理后，可替代石化基材料或金属材料，应用于众多领域，并展现出卓越性能。纤维素的本征特性及其易于改性的特点使其所制得的材料往往具有多功能性，除拥有常规材料的一些基本性能外，还具有其他功能，如抗紫外性能、荧光性能、pH响应性等。纤维素基先进功能材料当前仍以基础研究居多，大范围应用较少，但未来几年有望在电子产品(如可穿戴设备，印刷电路板等)、建筑保温，医用防护品(如口罩，防护服)以及植入器械(如3D打印材料等)多个领域实现规模化应用。纤维素基功能材料已然成为当今全球新材料热点之一，但现阶段产品市场尚未完全打开，其主要原因有：(1)生产成本相对传统材料高，价格缺乏竞争力；(2)连续大宗稳定地合成纤维素基功能材料技术尚不成熟，产品性能没有传统材料覆盖范围广；(3)尚无明确的产品评价标准，市场较混乱；(4)行业政策和相关法规不够完善，消费者的环保意识不够强。

对纤维素制备先进功能材料的最新方法、所得材料的性能和主要应用进行了评述，详细介绍了纤维素在制备具有优异力学功能、化学功能、光电功能材料研究方面的最新进展。目的在于促进纤维素高值利用，激发广泛兴趣利用这种可再生、可持续的自然资源，创造新的价值，解决人类社会当前所面临的资源和环境危机。