纳米纤维素的制备及应用研究进展*

2021-04-02冉琳琳谢帆钰王封丹楚陈晨徐艺倩卢琳娜

广州化工 2021年6期

冉琳琳，谢帆钰，王封丹，楚陈晨，徐艺倩，卢琳娜

(福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室，闽江学院，福建福州 350108)

纤维素(cellulose)是目前地球上人们所知道的最古老最丰富的可再生生物质有机材料，广泛来源于棉花、木材、亚麻等植物，其在棉花中的含量最高可达90%。在当今石油资源日趋紧张、环境日益恶劣的形势下，纤维素作为一种来源广泛、成本低廉、环境友好的天然高分子材料，研究其制备途径和应用价值将对未来化工等行业的发展产生巨大作用。

纤维素((C6H1OO5)n)是由D-吡喃(五个碳一个氧构成的六元环物质)葡萄糖酐以1,4-β-苷键链接而成的链状天然有机高分子[1]。最早是1838年由法国科学家Anselme Payen利用硝酸、氢氧化钠交替处理木材后分离得到的，高分子科学奠基人Staudinger在1932年确定了纤维素聚合物的形式。截止目前，人们发现纤维素的5种单斜晶胞结晶变体，分别是天然纤维(纤维素I包括细菌纤维素、海藻纤维素和高等植物细胞壁中存在的纤维素)、人造纤维素(纤维素II)、纤维素III、纤维素IV和纤维素X。

纳米纤维素是指天然纤维素中某一维度在纳米尺寸(小于100 nm)的刚性棒状生物基质材料，按照形貌和合成条件又可分为纤维素纳米晶体(CNC)、纤维素纳米纤丝(CNF)及细菌纤维素(BC)。CNC的优点在于强度高，机械性能好，比表面积大，生物相容性好，化学可修饰性高，具有特殊的光学性能且属可降解材料。纳米纤维素可以通过酸水解法、高压均质法、氧化法、酶解法以及静电纺丝等方法制备。利用交联改性、接枝改性、共混改性和复合改性等途径可获得具有特殊功能的纳米纤维素新产物，在生物医药、食品、造纸和电子能源等多领域具有广阔的应用前景。

本文主要介绍了纳米纤维素的结构与性质、制备与改性及其应用研究。

1 结构与性质

1.1 纳米纤维素的结构

根据X-射线的研究，天然纤维聚集状态(也称超分子结构)呈现有序排列的部分称为结晶区，排列杂乱、松弛的部分称为无定形区。结晶区分子间结合能力好，强度贡献大且耐酸能力高；无定形区分子间氢键结合数量少，强度小，不耐酸，化学活性高。纳米纤维素可通过酸水解法除去天然纤维素的无定形区来提高结晶度的尺寸在纳米级的刚性棒状晶体[2]。CNCS的粒径为10 nm左右，长度在30～300 nm之间，其表面含有大量的羟基，分子之间存在范德华力和氢键，表面积大，在溶剂体系中能够形成稳定的胶体。

1.2 纳米纤维素的力学性能

纳米纤维素具有优异的力学性能。因为其弹性模量高达150 GPa，抗张强度可达到10000 MPa，能够和碳纳米管、碳纤维、玻璃、钢铁等相比[3]，所以可以用作提高复合材料力学性能的纳米级增强剂。Favierde等[4]首次将CNC添加到PVA橡胶材料中构筑成新型复合材料，通过机械性能测试证实，CNC作为一种天然的结构增强材料大大提高了复合材料的杨氏模量和力学性能。Bai等[5]添加0.1wt% NCC到PVDE超滤膜中，发现复合膜的拉伸强度提高了1.61 MPa，断裂伸长率提高了61.6%。Kong等[6]将2.5wt%的TOCN添加到CTA超滤膜中，机械性能结果表明，TCA与TOCN的相互作用加强，形成了更加紧密有序的表面形貌，拉伸强度和断裂伸长率都有明显提高。

1.3 纳米纤维素的光学性能

CNC材料具有独特的光学性质——向列型液晶性质。液晶聚合物(LC)是指在一定的温度范围内呈现介于固相和液相之间的中间态的有机化合物。LC既有液体又有晶体的特性，而且可以随着外界温度、电场、磁场、吸附气体等条件的变化，在颜色和透明度等光学性质上做出相应的变化。根据生产条件和原料的不同，可以将液晶聚合物分为热致型和溶致型液晶。热致型液晶是目前研究的主要方向，像液晶显示、钞票防伪纸等光学材料就是以液晶纤维素复合膜为材料。CNCS悬浮液通过诱导自组装形成手性向列相液晶，其具有特殊的光子结构，极强的旋光性、圆二色性，选择性地吸收一定波长的光，反射圆偏振光，形成五颜六色的双折射现象。英国皇家植物园植物标本室中从1974保存至今的的杜若杉品种(Pollia condensata)的非洲植物，仍然保存着明亮、强烈和彩虹般的蓝色，根据研究表明该植物果实表面属于光子结构。Shopsowitz等[7]用硫酸水解法制备手性液晶排列的晶态纳米纤维素，将硅酸四乙酯加入晶态纳米纤维素悬浮液中，在酸性条件下，组装了手性液晶介孔SiO2材料(图1)。

图1 晶态纳米纤维素的手性液晶排列，半螺距150～650 nm (a)；介孔SiO2-晶态纳米纤维素复合材料的双折射图(b)；除去纤维素后，介孔SiO2的双折射图(c)[5]Fig.1 (a) Illustration of the chiral nematicarrangement showingthe half-pitch of NCC helical chain, P/2of 150～650 nm;(b) birefringence pattern of anas-synthesized NCC-SiO2nanocomposite film; (c) birefringence pattern of the NCC-SiO2nanocomposite film after calcination[5]

1.4 生物降解和生物相容性

经济社会的迅速发展，往往造成自然环境的破坏，为了人类文明的长久健康发展，有毒有害、几百年甚至成千上万年都不能自主降解的资源垃圾亟需解决。因此，近年来研究者将目光放在了可降解材料的开发和利用。纳米纤维素的原料来自植物资源，原料来源丰富、绿色天然，作为有机纳米级高分子聚合材料，其具有强度高、表面积大、热膨胀系数低、可再生、可降解和生物相容性好的特点。其良好的力学性能，能够作为增强相和其他的高分子聚合物相结合，生产出性能极佳又可降解的复合材料。因其良好的生物相容性，可用于医疗领域。Yixiang Wang等[8]使用CNC增强大豆分离蛋白(SPI)性能，结果表明，添加0wt%～30wt%的CNC后，CNC与SPI基体之间均发生了强烈的相互作用，增强了复合材料的强度，保持了其生物降解性。

2 制备

纤维素大分子之间是依靠范德华力和氢键结合而形成的宏观纤维素纤维。纤维素虽然是结晶材料，大多数的纤维素的结晶度在46%～63%，还有一些非结晶区。纤维素的非结晶区称为纤维素的可及区。纤维素的化学反应的可及度取决于化学试剂的性质和空间位阻大小。体积小、无支链、高反应的化学试剂，例如二硫化碳、氢氧化钠、氢氧化锂、环氧乙烷、氯代乙酸等，不仅容易进入纤维素的非结晶区，还容易逐渐进入纤维素有序的“网络”内，破坏分子链的氢键，他们都可以在多相体系中与纤维素的羟基反应，形成高取代的纤维素。因此，不仅要考虑纤维素的来源和超分子结构，还要分析试剂的结构、性质、体积因素以及处理方式。制备CNC的原理是去除纤维素中的非结晶区，保留结晶区，提高纤维素的聚合度，制备出CNC胶体悬浮液。本文介绍了几种主要的制备纳米纤维素的方法，有化学法中的无机酸水解法和TEMPO/NaClO/NaBr氧化法、物理法中的高压均质法和精细研磨法、生物法中的酶解法和微生物合成法以及静电纺丝法。

2.1 化学法

2.1.1 无机酸水解法

在19世纪40年代，Nickerson和Habrle就利用盐酸和硫酸水解出CNC悬浮液胶体。又过了几年，Ranby等[9]在此基础上利用硫酸制备出纳米纤维素。直到现在，硫酸水解法还是制备纳米纤维素的主要方法。硫酸水解纤维素主要是使纤维素糖苷键断裂，磺酸基与纤维素分子表面的自由羟基结合，增加溶液的负电性，使纤维素大分子的聚合度降低，热稳定性降低、分散性好、不易团聚。主要影响因素有纤维素的种类、酸的种类和溶度、水解温度和时间以及酸浆比等。研究表明，由细纱皮辊棉为原料，硫酸水解制备纳米纤维素的最高得率为64.3%，其制备工艺为：酸解时间60 min、酸解温度45 ℃、硫酸浓度64%、超声波30 min，纳米纤维素的粒径分布在18～26 nm，长度在140～200 nm，结晶度为63%。此外，盐酸、硝酸、磷酸、氢溴酸等混合酸也能制备纳米纤维素，但是混合酸的比例不好控制，盐酸制备的CNC分散性差，易团聚成絮状物；硫酸水解纤维素的产生的废液对环境造成污染。因此，Abdel-Halim等[10]在草酸和马来酸水解纤维素后通过重结晶处理了废酸。

2.1.2 TEMPO/NaClO/NaBr氧化法

TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物)属于弱氧化剂。TEMPO/NaClO/NaBr的作用原理是选择性氧化特定的葡萄糖及其衍生物的C6上的羟基为羧基。NaClO先将溴离子氧化为BrO-离子，BrO-与TEMPO发生氧化反应生成的亚硝鎓离子将纤维素C6上的羟基氧化为羧基。但是在碱性溶液中，化学反应遗留下来的醛基会降低纤维素分散性，使其稳定性降低，高温易变色。所以最好在中性或弱酸性下水解纤维素，达到最理想的水解效果。Saito等[11]用TEMPO氧化木材纤维素再通过机械处理成功制备出NFC，所制得的NFC尺寸均一，分散性良好。

2.2 物理法

2.2.1 高压均质法

从herrick[12]利用高压均质机剪切纤维素制备出CNF开始，越来越多的研究者在此基础上进行优化，改善高压均质法制备纳米纤维素。高压均质法的工作原理是利用高压下的纤维素悬浮液经过Z或Y状的渠道，通过均质腔时发生高速方向流变，产生的巨大力学效应使纤维素纤化，重复该过程几十次，才能达到理想的直径小于100 nm的CNC。为了减少高压均质机的工作次数，避免纤维素堵塞机器，可先将纤维素进行预处理。通过TEMPO氧化、纤维素酶水解或者超声粉碎等辅助处理后，再进行高压均质纤化纤维素。Isogai等[13]使用TEMPO/NaClO/NaBr氧化法对纤维素进行预处理，得到分散性良好悬浮液，然后再通过均质法的机械辅助优化处理，得到的纳米纤维素的长度明显减小，结晶度明显提高。

向亚美等[14]以微晶纤维素为原料，超微粉碎后酶解辅助高压均质法制备纳米纤维素。结果表明，制备的纳米纤维素为棒状，结构和晶型保持不变，热稳定变差，这可能与酶的强度大小有关，或者原料的种类相关。但是这种生物法与物理法相结合的方式，有望在未来制备可降解复合材料中有更多的发展空间。

2.2.2 精细研磨法

研磨法是一种绿色环保制备纳米纤维的方法。球磨机的工作原理是使纤维素在高速强烈的碰撞挤压下，利用剪切力、摩擦力等作用使纤维素分子之间的范德华力和氢键断裂，纤维素降解，聚合度下降。黄勇等在研究球磨法制备纳米纤维素的过程中，通过对比发现，干磨法(不添加溶剂)生产的产物呈集聚状态，纤维素链之间并没发生明显的断裂，但是在添加了水或硅油研磨后，纤维素分子链重新排列，得到的纳米纤维素的分散性明显提高。由此说明，添加适当的分散剂[如DMF(二甲基甲酰胺)]，催化剂(如 N,N-二甲基吡啶)，酯化试剂(如乙酰氯、丁二酸酐等)有助于纤维素的分离，降低研磨时间。何玉婵等[15]研究了经过预处理的纤维素再进行机械球磨后的纤维素的分离成果发现酶处理后所制备的纳米纤维素的尺寸为87 nm，结晶度好，稳定性高。总体上，对比以上方法，球磨法制备纳米纤维素是耗时最长，效率较低的方法，但是制备成本低，绿色环保。

2.3 生物法

2.3.1 酶解法

酶是一种具有特定选择性、特定催化功能、效率高无污染的氨基酸组合物。能降解纤维素的酶称为纤维素酶。纤维素酶包括C1酶、β-1-4-聚葡萄糖酶和β-葡萄糖苷酶三种主要成分的多组分复合物。C1酶是用来降解高度定向的纤维素，使纤维素链变短。β-1-4-聚葡萄糖酶分为外β-1-4聚葡萄糖酶和内β-1-4聚葡萄糖酶，外β-1-4聚葡萄糖酶从纤维素链的非还原性末端基脱去单个葡萄糖单元；内β-1-4聚葡萄糖酶攻击结晶纤维素成无定型纤维素后转换为可溶性低聚糖；β-葡萄糖苷酶水解β-二聚体(包括葡萄二糖)为葡萄糖。莫代忠等[16]采用酶解法制备出纯度100%的纳米纤维素。酶降解纤维素也存在一些缺陷，酶要完全直接的接触纤维素表面，而且水解的条件要求高，要达到最理想的酶活性实验条件。

2.3.2 微生物合成法

细菌纤维素(BC)顾名思义就是一种利用细菌降解产生微纤丝缠绕而成的纳米纤维素。目前为止，木醋杆菌(Acetobacterxylinum)是微生物合成CNC中产量最多的细菌。天然纤维素与细菌纤维素的理化性质基本无差异，但是细菌纤维素不含木质素、果胶等，结晶度高达90%，这种天然材料不仅避免材料废弃物对环境的污染，又可源源不断地再生。Gao等[17]为打破传统的基团修饰方法，利用6-羧基荧光素修饰的葡萄糖(6CFGlc)作为底物对细菌纤维素进行功能改性研究，结果表明，这新方法比化学接枝等改性方法更加环保，产物稳定性高。

2.4 静电纺丝法

静电纺丝法制备纳米纤维素是利用纤维素液滴在静电力的作用下拉伸而成的方法。纤维素悬浮液液滴在高压电场下，因表面聚集大量正电荷而产生强大的静电力，液滴慢慢形成泰勒锥，最后冲破电压临界值，产生带电射流做电场运动，带点射流不断被拉伸、细化、固化，形成纳米尺寸的CNC。溶液性质、工艺参数和环境参数是静电纺丝法制备过程中的主要讨论因素。溶液浓度越低，电导率越高，越有利于减少串珠现象，降低纳米纤维素的直径。此外还需调整电场电压以及适当的环境湿度和温度等。王红玲等[18]利用静电纺丝技术用不同质量分数的PVA溶液在电压为18 kV的电场制备出了三种不同尺寸的CNC。

3 改性

纤维素分子结构中存在三个自由的基团，基本所有化学反应都与葡萄糖剩基上的这三个基团息息相关，C6上的羟基比 C2和C3的仲羟基的反应活性高，但是在纤维素醚化的反应中，由于位阻效应使得C6上的伯羟基最先发生反应。纳米纤维素改性后，不仅提高了疏水性和分散性，还被赋予了其他性能。纤维素的化学改性的主要目的有两点：第一，引入同性电荷，提高纳米纤维素在溶液中的稳定性和分散性；第二，引入功能性官能团，赋予纳米纤维素新性能，如耐磨性、胶接性，吸附性、阻燃性等，提高纳米纤维素的应用前景。纳米纤维素的改性方法有两种，其中化学改性包括有非共价键表面化学改性、酯化、酰胺化、离子络合、阳离子化、接枝共聚，还有一种是物理吸附改性。其中接枝共聚又可分为自由基引发型、离子聚合型、离子加成型和离子缩合型接枝共聚。1943年，Ushaprov等[19]将顺丁烯二酸与纤维素醚发生共聚，这是人类史上第一次纤维素的共聚接枝反应。本节将介绍接枝共聚的改性纳米纤维素的研究。

自由基接枝法是在高能辐射或光敏剂等化学条件下，通过自由基的链式反应产生特殊功能的自由基，与纳米纤维素侧链发生共聚，然后继续发生链引发作用，最终形成接枝聚合物。冯晓宁等[20]利用短棉绒制备的纳米纤维素为基材，在交联剂(N’N-亚甲基双丙烯酰胺)作用下，与单体[甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)/苯乙烯(St)浓度为0.7 mol/L]发生接枝共聚，制备了吸油能力强、环保绿色的吸油材料。其中90 ℃为最佳反应温度，反应时间为18 h。董雪等[21]在羧甲基纤维素(CMC)表面接枝丙烯酰胺(AM)单体，以过硫酸铵为氧化剂，亚硫酸氢钠为还原剂，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)为交联剂，通过改变CMC/AM 质量比、引发剂用量来探究对羧甲基纤维素-丙烯酰胺接枝共聚物的接枝率和吸水率的影响，实验结果表明；AM/CMC质量比为6/1～7/1，匹配引发剂占比为1%～2.5%时，接枝率与吸水率达到最佳效果。Chitpong等[22]将丙烯酸和聚甲基丙烯缩水甘油酯作为单体，在醋酸纤维素纳米纤维表面通过自由基链引发反应，制得对Cd(Ⅲ)离子具有良好吸附效果的离子交换膜。

原子转移自由基聚合(ATRP)法与自由基接枝法不同的是，ATRP多用有机卤化物为引发剂，过度金属卤化物为催化剂，双吡啶为配体的三元引发体系。ATRP的优点在于可以大大消除接枝单体均聚物，保证分子侧链的接枝率和接枝反应重复性。Zampano等[23]以木浆纤维素纤维为底物，α-溴异丁酰溴(BIBB)为引发剂，聚丙烯酸乙酯(PEA)为单体，通过原子转移自由基反应制备改性木浆纤维聚合物。在此基础上，程浩南等[24]改变纤维原料为黏胶织物，甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为单体，2-溴异丁酰溴为引发剂，在催化作用下引发ATRP接枝HEMA，产生具有抗皱效果的黏胶织物。

可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)与原子转移自由基法相比，RAFT法可以在一个温和的环境下执行，并且可以与特殊的官能基团的活性单体接枝聚合，特别是烯类与酰胺类单体；避免发生ATRP法中金属卤代物的残留，影响产品质量；聚合物的分子量分布窄，接枝率高。但是在RAFT聚合中使用的RAFT试剂通常为二硫代酯，价格贵也少售卖，在操作过程，RAFT试剂的量需要精准把握，不然产物聚合度就会降低；RAFT法步骤复杂，聚合产物链的末端常带有活性基团，需要消除活性基团或者转化提高聚合物质量。Alojz等[25]用RAFT聚合法在微晶纤维素为原料制备的纳米晶体纤维素(NCC)颗粒上接枝甲基丙烯酸甲酯(MMA)，生成具有强机械性能的改性复合材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其中4-氰基-4-(苯基硫羰硫基)戊酸(CPADB)为可逆加成-断裂链转移(RAFT)试剂。作者还对比了RAFT聚合与ATRP聚合的所得产物的不同，发现ATRP聚合产物因没有加入金属卤化物而残留的杂质，但RAFT试剂的使用会有硫的存在导致一定的毒性，因而不适用于医学材料。但是近几年的研究在慢慢克服这些问题，相信ATRP聚合在未来会有更多发展和作用。

4 应用

4.1 生物医药领域

近年来，无毒、生物相容、可降解且来源丰富成本低的的纳米纤维素材料成为生物医学界最热门的话题，其中应用最多的就是羟丙基羧甲基纤维素(HPMC)和乙基羧甲基纤维素。HPCMC是一种纤维素醚，具有高水合粘结能力，在悬浮固体上具有絮凝作用，在药品辅料方面，可应用于口服药物的骨架控释剂和缓释剂，作为释放阻滞材料调节药物的分散；也可应用于包衣材料缓释剂，延缓释放小丸和胶囊。Kolakovice等[26]将药物用纳米纤维素膜包裹，试验表明，载药量可达到50%，密封性也很好，至少可延迟3个月释放药物活性。此外，经过表面改性的纳米纤维素还可以用于抗菌抗病毒的材料中，如与磺酸盐结合的纳米纤维素经过改性后，对HIV和甲病毒属有一定的抑制作用；利用CNC的独特性质，在海藻酸盐和明胶基质中添加纳米纤维作为增强剂用于人体组织工程中，有利用促进细胞分化，促进骨组织再生与修复。羟基磷灰石-胶原蛋白是动物骨骼的主要成分，为了研制出生物相容性好、机械程度高、可有效避免交叉感染的人造骨骼，研究者寄希望于细菌纤维素-羟基磷灰石复合材料。Saska等[27]模拟纳米纤维素-羟基磷灰石生物复合膜的作用关系进行临床实验，发现该复合膜在生物体内不仅起到抗病毒的消炎作用，还能够促进骨骼细胞组织的再生。Huang等[28]在研究改性纳米纤维素创伤敷料的作用时，发现了一种水溶性可注射水凝胶，其成分主要为羧甲基壳聚糖和二醛改性CNCs，对伤口起到凝血、抗菌和消炎作用，并且能够深度治疗创伤部位。如图2所示，在大规模的创伤表面注射纤维素水凝胶后再按需注射氨基酸溶液，如此多次反复治疗，被溶解的水凝胶有效加快烧伤创面局部深度愈合，且能减轻病人疼痛，不留下疤痕。

图2 烧伤创面深度局部愈合按需可溶自愈水凝胶流程图[25]Fig.2 Flow chartofon-demand dissolvable self-healing hydrogelsfor deeppartial thickness burn wound healing[25]

4.2 能源电子行业

纳米纤维素衍生物在光电功能材料上也占有重要位置。纯度高的纤维素醚可以配成稳定的耐酸、耐盐的胶体作为电池的电解液增稠稳定剂。具有双折射性的特殊光学性能的纤维素液晶，因其特殊的螺旋层状排列结构，纤维素液晶呈现出旋光性、选择透过性、圆偏振光二色性等光学性质以及强力学性能，有望应用于信息记载材料、显示材料、光敏识别材料、光学分离用膜和光学防伪技术等方面。

手性向列液晶膜在自然光的照射下，可控性选择反射一定波长的光，透过其余波长的光，呈现出虹彩般的颜色。通过改变其螺距、温度、磁场、表面电荷以及超声的方法，进而调控向列液晶的光学性质。

Shidong Dai等[29]发现125 mmol/g CuCl2与NCC悬浮液制备的胆甾相液晶膜对氨气有最大响应值，发明了氨气传感器。其原理是氨气与膜表面的铜离子发生螯合反应，产生静电排斥，增大了液晶结构中层与层的距离，进而增加手性光子晶体的螺距，因此在吸收氨气后，吸收光的波长增大，产生红移现象。Zhang Y P等[30]也利用类似原理，根据湿度变化引起的螺距变化发明了湿度传感器。不过，因为湿度变化属于可控的物理改变螺距，它是一种可逆的颜色变化，湿度增大，螺距增大，反之湿度降低，螺距减少，发生波长蓝移现象。不仅于此，Zhang Y P还发现在NCC薄膜添加荧光增白剂在紫外光下通过圆偏振光可被识别出虹彩色，能有效帮助防伪技术的提高。

4.3 食品行业

传统的食物包装材料为聚乙烯、聚丙烯等有毒难降解的高分子聚合物，因此研究者们致力于将生理无害的纳米纤维素为原料替代传统包装。壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的降解产物，化学结构上存在大量氨基与羟基，溶剂溶解活性高，主要被人们用于食品的防腐保鲜和水净化。而纳米纤维素机械强度高，热封阻隔性好，因此壳聚糖-纳米纤维素复合膜作为食品抗菌保鲜的优质复合膜材料引起了许多研究者的兴趣。在纳米纤维素抗菌膜的研究中，Noorbahh等[31]利用湿法工艺，制备了纳米纤维素、壳聚糖、淀粉复合膜，在拉伸试验中发现，纳米纤维素含量的增加可增强其断裂强度；增加壳聚糖的含量，可延长食物保鲜天数。Kai Chi等[32]利用高剪切共混法制备了CNC/壳聚糖(CS)和羧甲基纤维素(CMC)、三元多聚糖聚电解质复合物(PPC)，一种以隔水和油脂为主要功能的薄膜。实验证明，当CNC含量<5wt%时，阻隔作用最好。纤维素除了在食物的外包装材料中的应用，还能作为食物的添加剂和食品成分，比如作为食物的增稠剂、乳化剂、稳定剂等。99.5%以上的羧甲基纤维素(CMC)可作为奶制品的添加剂。Winuprasith等[33]探究了在豆油水包油型乳剂中添加高压均质法制备的微化纤维素对食品的乳化稳定性的影响。实验结果表明：随着均化次数的增加，MFC的乳化稳定性提高；微化纤维素含量在0.05%～0.7%，乳剂表现出更小的液滴尺寸和更强的三维网络状结构，认定性也逐渐增大，但是超出这个范围，乳剂的凝聚程度变差。

4.4 造纸领域

纳米纤维素的衍生物有很多，因此应用领域也很宽广，在造纸工业中也有不可或缺的贡献，可以用作造纸添加剂、涂布黏合剂、表面施胶剂、特种材料等。如羧甲基纤维素钠与纸张和填料颗粒具有相同电荷，增强了分子之间的相互作用，提高了纸张强度、撕裂程度和匀称度，可作为纸张内部添加型增强剂；又可作为表面施胶剂，提高表面强度纸张的吸墨能力，增加染色效果。阳离子纤维素醚还能用作造纸助留助滤剂，提高纤维和填料的留着率，增强纸张的机械强度。王俊芬等[34]探究了纳米纤维素/高分子量阳离子聚丙酰胺(CPAM)二元助留助滤率体系对纸张填料留着率的影响，发现当添加CNC/CPAM含量从0.2%到0.15%时，打浆度降低了16°SR，填料留着率提高25%，纸张的整体性能也比没有添加助滤剂的性能更好，特别是耐折度和耐破损度。刘雄利等[35]比较了CNC/羧基型NFC和未改性NFC三种作为稀释剂对涂布黏度的影响，发现CNC的黏度变化在15.8～36.8 MPa·s，分子间结合能力最强，稳定性最好。当CNC的含量在0.1%时，烟草薄片抗张指数达到了13.3 N·m/g，增幅达到32.6%，表面强度为1.74 m/s。除此之外，纤维素自身也可以制造成特殊功能的纸张。Medina等[36]发明了一种新型的粘土纤维素热固纳米复合材料，它是环氧树脂(EP)为黏合剂与黏土(MTM)、纤维素(CNF)复合而成的具有良好的阻气性和机械强度的三相复合材料。在50%相对湿度条件下，TMM/CNF/EP含量比为35%、35%、30%，纸张的杨氏模量和极限强度分别为18 GPa和139 MPa。