納米纖維素的制備研究

沈愛平

【摘 要】納米纖維素主要來自于植物，作為一種新型的生物材料，由于其特殊的尺寸結構、力學性能和光學性能，在諸多領域得到廣泛應用，受到科研工作者的青睞，成為未來纖維素研究的熱點。本文簡要綜述了納米纖維素的制備方法，討論了各種制備方法的優點和缺點，指出了納米纖維素的主要研究基礎和制備方法，以及未來發展方向。

【關鍵詞】納米纖維素；制備；應用

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，不可再生資源日益匱乏，環境污染等問題日益突出，可再生資源在科學、醫藥、能源、衛生等領域的應用越來越受到重視，纖維素隨之走進大家的視野。纖維素的主要來源是植物，由植物通過光合作用合成，是廣泛存在于自然界中的，可降解無污染的天然高分子材料，另外特定的細菌、真菌及動物等也可以生產纖維素，主要用于造紙、食品、醫藥等生產部門。納米纖維素（Nanocellulose）由于具有較高的比表面積、楊氏模量、及抗拉強度和分散性能等一系列獨特的性質，在納米精細化工、納米復合材料、電子產業和新能源等領域中得到越來越廣泛的應用，也成為近年來國內外科學家競相開展的研究項目。利用納米纖維素強度高、熱膨脹系數低、透過光率高等特性可以開發出柔性顯示屏、精密光學器件配件等新產品，在生物醫療、生物影像、納米復合材料、氣體阻隔薄膜以及透明的光學功能性材料方面顯示了巨大的應用潛能[1]。國際上的科研人員已對納米纖維素進行了幾十年的系統研究，而我國的科研工作者盡管也對納米纖維素進行了一些研究，但尚處于起步階段，納米纖維素的制備主要包括化學法、物理法、生物合成法及人工合成等，本文主要介紹了化學法、物理法、生物合成法制備納米纖維素，并對其優缺點進行了簡要介紹。

1 納米纖維素的常用制備方法

1.1 化學法制備納米纖維素

化學方法制備納米纖維素的同時可以對納米纖維素實現表面改性，改變納米纖維素的表面特性，賦予其新的功能和特性，化學法制備納米纖維素的常用方法包括無機酸水解法和纖維素酶水解法。（1）無機酸水解法。利用強酸實現纖維素的水解，通過采用超聲預處理等方式提高產品得率，縮短反應時間。水解過程中的溫度、反應時間、強酸的種類和濃度、植物纖維素的用量等均會影響納米纖維素的性質，該法會產生大量的廢酸和雜質，并消耗大量的水和動力資源。（2）纖維素酶水解法，即利用選擇性較強的纖維素酶去除無定形的纖維素而剩下部分纖維素晶體，該法工藝條件溫和、專一性強。纖維素預處理常用的方法有稀酸法、無機溶劑法、爆破法等。化學法制備納米纖維素對反應設備要求高，要求設備能夠耐受強酸，另外對反應后的殘留物進行回收和處理比較困難。

孟圍等[2]用超聲輔助硫酸水解蘆葦漿制備納米纖維素，通過優化超聲時間加強硫酸水解蘆葦漿制備納米纖維素，研究結果表明超聲輔助預處理可以提高納米纖維素得率，超聲預處理 30min時蘆葦漿納米纖維素得率最高。

1.2 生物法制備納米纖維素

生物法制備纖維素通過細菌合成纖維素，通常將這種微生物合成法制備的纖維素稱為細菌纖維素（BC）。細菌纖維素在化學組成和分子結構上與天然植物纖維素相同，同時具有較高的生物相容性和良好的可降解性。生物法制備納米纖維素的最大優點是低能耗、無污染，另外通過選擇合適的微生物菌株，控制細菌生物合成條件，可以調控納米纖維素的結構、晶形、粒徑分布等，容易實現工業化大規模生產，但生物法制備細菌納米纖維素操作復雜、耗時長、成本高，盡管國內外的研究較多，但未得到廣泛應用。

自1986年Brown等人發現木醋桿菌可生產細菌纖維素后，人們對細菌纖維素的研究不斷深入，發現除木醋桿菌（Acetobacter xylinum）可以生產細菌纖維素外，根瘤農桿菌（Agrobacterium tumefaciens）、假單細胞桿菌屬 、固氮菌屬、根瘤菌等某些特定的細菌也能合成細菌纖維素[3]，但目前已知合成纖維素能力最強的微生物菌株依然是木醋桿菌，其次為根瘤農桿菌。在培養基中，根瘤農桿菌菌體分泌出胞外纖維素質膠和纖絲的速度較慢，僅為木醋桿菌合成細菌纖維素的1/10。

1.3 物理法制備微纖化纖維素

物理法是指通過壓力、摩擦、加熱爆破等物理手段，實現纖維素的分離分解，制備得到納米級纖維素。高壓均質法是將纖維素分解得到納米級纖維素的一種常用的物理制備方法，高壓均質法通過壓力能的釋放和高速運動粉碎物料，天然的纖維素經高壓機械處理后，轉變為一種新型高度潤脹的膠體狀納米纖維素，稱為微纖化纖維素（MFC）。

物理法制備微纖化納米纖維素工藝簡單，易于操作，但需要采用特殊的設備，能量消耗比較高，制備的納米纖維素粒徑分布寬，另外還容易出現均質機堵塞等問題，無法實現制備過程連續化，后者通過引入化學機械法得到了有效的解決，化學機械法是指先用無機酸等化學降解方法對纖維進行適當的降解預處理，再用高壓均質機進行均質化處理，通過化學機械法可以從木材、麥草和大豆等植物成分中制備出納米級纖維素。

1.4 其他制備方法

另外納米纖維素的制備方法還有人工合成法及靜電紡絲法，但這兩種方法均不夠完善，尚處研究階段。

人工合成納米纖維素包括兩種方法，酶催化和葡萄糖衍生物的開環聚合。人工合成納米纖維素的優點是納米纖維素的結構、粒徑分布等容易調控，但合成的納米纖維素聚合度低，分子量低，難以達到自然界中高度聚合的織態結構。

靜電紡絲以人工的方法可制備目前最細的納米級纖維，但靜電紡絲制備微細纖維橫截面大，橫截面分布也很寬。

2 總結

納米纖維素制備方法眾多，如何通過改進制備過程，調整制備條件，在納米尺寸范圍內操控纖維素分子，設計結構并組裝出穩定的多重構型，生產出具有優異功能的納米纖維素材料，是纖維素研究的前沿和熱點。盡管科研人員已經對納米纖維素的制備方法進行了不斷改進，但仍存在局限性，因此，研究發展出新型的簡單、快速、高效的制備納米纖維素方法刻不容緩。

【參考文獻】

[1]計紅果.納米微晶纖維素聚合物的研究現狀及應用前景[J].廣州化學，2013，38（2）：65-71.

[2]孟圍，王海英，劉志明.超聲時間對蘆葦漿納米纖維素得率和形貌的影響[J]. 江蘇農業科學，2012，40（3）：235-237.

[3]董鳳霞，劉文，劉紅峰.納米纖維素的制備及應用[J].中國造紙，2012，31（6）：67-73.

[責任編輯：楊玉潔]