纖維素基先進功能材料的制備及其應用*

黎晶雪，陳善帥，馬帥帥，朱萬斌，王洪亮

(中國農業大學 農學院，生物質工程中心，北京 100094)

0 引 言

近年來，有關促進材料循環利用和降低材料生態影響的新法規相繼出臺，使得開發基于可再生資源為原料的先進功能材料成為了研究熱點[1-2]。在各類可再生資源當中，木質纖維素作為一種存量大、分布廣、廉價易得的生物質資源，具有制備先進材料的重大潛力[3]。纖維素是木質纖維素的主要成分，一般占木質纖維素干重的40%～60%，是植物體內最重要的結構材料，也是制備先進功能材料的重要原料[4-5]。纖維素可通過酸解法、酶解法、機械精煉法、離子液體等溶劑提取法、氧化法和以上聯合工藝等方法從木質纖維素中提取出來[6-14]。纖維素是由葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵構成的線性高分子，分子內存在大量氫鍵和羥基，經特定的物理、化學、生物及其聯合工藝可降解、重構、接枝改性制備成不同類型的功能材料，在分離膜、生物醫學植入物、藥物載運，電子元器件模板，超級電容器等領域具有廣闊的應用前景[15]。

最近在國際范圍內，利用纖維素改性開發出的具有高應用價值的先進功能材料受到廣泛關注，優秀成果不斷涌現。不同于單一性能結構材料，經過處理后的纖維素功能材料除具有一定的機械特性外，還附有特定屬性，如光、磁、電、熱、化學、生物等方面的功能特性，可實現傳輸、轉換或儲存物質、能量和信息等目的。本文綜述了近年來纖維素基先進功能材料研究方面的重要進展，對其制備方法和應用進行了詳細歸納和討論，分析了各種方法的優缺點，展望了該領域未來研究趨勢。文章依據纖維素材料前沿應用領域，主要分為以下3個部分進行闡述：(1)力學功能材料；(2)化學功能材料；(3)光電功能材料。

1 力學功能材料

力學功能材料主要是指強化功能材料，如超高強材料等。目前，具有優異機械性能的合成材料(例如鋼和合金等)通常具有質量較大、生產過程不環保、制造工藝復雜，成本較高等缺點。纖維素是一種廉價而豐富的可再生材料，經特定處理后可獲得品類豐富、性能優異的力學功能材料，能在一定程度上克服當前合成材料所存在的問題[16-17]。

1.1 建筑強化材料

木材是最豐富、可持續、廉價、美觀的結構材料之一，廣泛應用于建筑領域。然而，木材的易燃性很大程度上限制了其應用范圍。采用物理膨脹法將鹵代阻燃劑浸漬到木材孔隙中是一種傳統的制備阻燃材料的方法，但這些化合物由于存在人體生物積累的風險，不能滿足現代建筑對環境和人體健康的高要求。Hu等人開發了一種脫木質素和致密化相結合的木材改性方法，在提高木材機械性能的同時也提高了其阻燃性能[16]。Hu等人使用NaOH/Na2SO3對材料進行部分脫木質素處理，隨后進行機械壓制的致密化處理，可以完全去除木材細胞壁之間的空隙，使之形成高密度的層狀結構。天然木材結構內部大量的多孔結構在燃燒中為氧氣提供了充足的管狀通道，破壞了其阻燃性能，而這種致密的層狀結構有效降低了材料的透氣性，在著火時有助于在木材表面形成隔熱的炭層。致密的炭層為底層木材創造了一個絕熱屏障，通過減少熱量和氧氣的擴散，提高了阻燃性，對降低熱釋放速率，阻止燃燒起到了至關重要的作用。致密化木材除了具有良好的阻燃性能外，還具有優異的抗壓強度，有效地防止了木結構建筑的倒塌和破壞，發生火災時可增加寶貴的救援時間。該方法制備的改性木材阻燃性強、機械強度高，在綠色、高性能建材制備領域具有重大的應用潛力。

圖1 致密化木材形成阻燃碳層及其防火原理。(經參考文獻[16]批準轉載;版權所有(2019) Wiley-VCH)Fig 1 Schematic representation demonstrating the working principle of the self-formed wood char layer of densified wood for fire resistance

1.2 功能紡織強化材料

由于纖維素膜材料具有拉伸性能好、機械強度高，易于染色等優點，可廣泛應用于電極材料，紡織品，可穿戴設備等領域，如表1所示。其中，防水透濕膜在有效傳遞水蒸汽的同時能夠阻止液態水的滲透，在高端運動服、醫用防護、精密電子等領域有著廣闊的應用前景。Yu等人采用水性無氟交聯劑(BIC)和水性無氟疏水劑(ECO)對可生物降解的醋酸纖維素(CA)納米纖維膜基材進行逐步涂層改性，并經過高溫固化處理制備出了環境友好、高強度、無氟、防水透濕的纖維膜材料，避免了疏水劑中含氟物質和有機溶劑產生的環境問題[18]。樹枝狀超支化大分子聚合物ECO具有較長的碳氫鏈段，賦予了纖維膜良好的疏水性能。所制備的纖維膜耐水壓為102.9 kPa，透濕量為12.3 kg·m-2·d-1，拉伸強度為16.0 MPa，遠遠優于其它無氟防水透濕膜。此外，該涂層體系還可用于涂覆聚丙烯腈等其它親水性纖維基材，經涂覆處理后可獲得良好的防水、透濕性能，為環境友好型防水透濕材料、功能性紡織品的設計和制備提供了一種新思路。

表1 纖維素基先進膜材料Table 1 Cellulose based advanced film materials

1.3 其他力學強化材料

廢棄塑料在食物鏈中積累，對環境和人類健康造成了極大的威脅，因此制造生態友好、可生物降解的傳統塑料替代品迫在眉睫。纖維素紙具有良好的生物降解性、資源豐富、原料成本低等優點，但存在抗水性較差、機械強度較低等缺點，使其在替代塑料方面的應用受阻。Hu等人受天然木材中纖維素和木質素的強化原理的啟發，通過將木質素整合到纖維素中，開發出一種強度高且耐水的纖維素材料[24]。他們將木質素重新引入到堿脹纖維素紙中，使得木質素填滿膨脹的纖維素微腔，均勻地吸附在纖維表面，再通過連續滲透和機械熱壓處理，使木質素與纖維素纖維均勻地包裹在一起。在此過程中，木質素作為天然的粘結劑和增強基體與纖維素纖維骨架結合，提高了纖維素材料的機械性能，所得到的木質素-纖維素復合材料的各向同性抗拉強度為200 MPa，顯著高于常規纖維素紙(40 MPa)和一些商用石油基塑料，并且具有優越的濕強度、熱穩定性和防紫外線性能。然而，該方法需將木材中的木質素脫去，獲得纖維素紙，而后再將木質素引回纖維素之中，操作步驟較為繁瑣。若能在造紙的過程中定量脫去部分木質素，再經過熱壓獲得可替代塑料的高強度紙，則可以省略很多步驟，降低成本，提升該技術的應用潛力。纖維素納米顆粒是一種具有廣闊應用前景且可持續化制備的納米材料，可用作納米填料(如增強劑)、水凈化劑和石油分散劑等。Sirvio等人以鹽酸胍和無水磷酸(摩爾比為1∶2)為原料制備了低共熔溶劑(DES)，在室溫下溶解微晶纖維素和紙漿，然后通過機械破碎制備了再生纖維素納米顆粒(RCNPs)[19]。溶解過程中纖維素的聚合度降低，晶型由Ⅰ型變為Ⅱ型。經過沉淀和洗滌后，再生的纖維素很容易解體成尺寸均勻的納米纖維素顆粒 (直徑在6nm左右)。作者研究了RCNPs在聚乙烯醇(PVA)復合膜中的填充性能，由于RCNPs的尺寸較小、纖維性和柔韌性較高，在其低濃度(1%～5%)時，可在不降低PVA膜強度性能的情況下提高膜的伸長率。在較高濃度下，RCNPs的摻入可提高PVA的拉伸強度和模量。該方法為獲得粒徑分布均勻、機械性能可調控的先進納米纖維素材料提供了一條可行的途徑。

圖2 木質素-纖維素復合材料制備原理。(經批準轉載自參考文獻[24];版權所有(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)

關于天然纖維基材料的力學性能增強方法有很多報道，包括添加粘合劑和無機顆粒等方法[25-26]。Shen等人發現加入碳納米管可以改善苧麻纖維復合材料的力學性能和斷裂性能[27]。Loong等人發現乙酸酐處理可以提高亞麻纖維生物樹脂復合材料的拉伸強度、剛度和粘結剪切強度[28]。然而，很多天然纖維材料經膠粘劑處理后成為一次性產品。高性能自粘天然纖維材料(SNFM)是一種新型的纖維素纖維材料，它以豐富而廉價的農林作物如秸稈、紅麻、木材廢料等為起始材料制成，通過自粘獲得了的優良力學性能[29]。Wang等人研制了一種SNFM，其機械強度遠遠高于天然木材和塑料(如HDPE、PP、PVC、ABS等)[30]。他們用亞氯酸鈉去除木質素，再用微波輔助甲酸水解去除半纖維素。在壓縮成型過程中，通過控制纖維含水量調節細胞壁塑性。獲得的SNFM產品力學性能顯著提高，纖維塑性的增加使拉伸強度由38.0 MPa提高到83.5 MPa，彎曲強度由31.2 MPa提高到73.3 MPa。表面木質素的選擇性去除使抗彎強度從101.3 MPa提高到122.1 MPa。

2 化學功能材料

化學功能材料是指具有某些化學功能的材料。利用纖維素基材料的某種化學性質，可獲得特定功能，如油/水分離功能、吸附功能以及緩釋功能等。

2.1 油/水分離材料

開發用于處理原油泄漏或其他含油廢水的油/水分離材料在環保領域具有重要意義。纖維素豐富的羥基使其易于功能化，通過化學改性可將其制備成不同類型的油/水分離材料[31]。如，纖維素直接改性獲得的油/水分離材料[32-35]，以及天然木材脫除半纖維素和木質素等物質獲得的天然木材基油/水分離材料等[36-38]。Yang等人制備出一種具有優異的憎油性能和高效的油/水分離能力的脫木質素木材[37]。脫木質素木材的水結合能力來自于其內部纖維素的羥基與水分子間較強的氫鍵相互作用，纖維素中的羥基均勻對稱地分布在吡喃糖環上，同時恒定數量的羥基保持向外取向，使其能夠與水分子良好接觸。因此，脫木素木材表現出優良的水化性能和超低的水下原油附著力。然而，由于部分木質素和半纖維素的殘留，使得脫木質素木材的抗油粘附性受到阻礙，只有在水下才能高效地工作。作者針對該現象，在脫木質素木材表面涂覆了醋酸纖維素涂層，使其具有完整的纖維素表面，表現出突出的表面親水性、高的水下油接觸角、優異的油下潤濕性，在干燥和預水化狀態下都具有優異的憎油性能。該材料在長期重復使用過程中不會降低水的滲透通量，有利于從含油污水中完全分離、收集原油。

2.2 吸附功能材料

吸附功能材料是能夠有效地從氣體或液體中選擇性吸附某些成分的材料，對吸附質有強烈、選擇性吸附能力，具有一定的再生特性和機械特性[39]。

水體中存在的各類污染物，包括工業和農業活動產生的無機陰離子、重金屬離子及合成有機化學品等，如亞硝酸鹽陰離子，即使經過處理后仍可能留在水中，嚴重危害了人類和其他生物的生命健康[40-41]。纖維素材料在處理水中的污染物方面展現出巨大潛力[42]。Hossein等人以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和香豆素改性纖維素，合成了纖維素納米晶(CNC)接枝共聚物和游離共聚物[43]。這類兩親共聚物在水中自組裝成囊泡結構，通過二氧化碳(CO2)、溫度和光刺激，可實現對亞硝酸鹽離子的高效吸附。吸附完成后，可以通過紫外光照射和氮氣處理再生吸附劑。Hashimoto等人將纖維素酯類衍生物，如醋酸纖維素、醋酸丙酸纖維素和醋酸丁酸纖維素及其復合材料混合在具有低蒸氣壓的溶劑(如DMF、DMSO和NMP)中，室溫下通過浸沒沉淀式3D打印(ip3DP) 技術制備出纖維素基多孔結構材料(孔徑1-20 μm)，可用作優質吸附劑[44]。

亞鐵離子(Fe2+)在許多生物過程中起著至關重要的作用，是芬頓(Fenton)反應的催化劑。Fenton反應產生的羥基自由基是生物系統中有害的活性氧化物，它會造成嚴重的細胞損傷，因此Fe2+的濃度關系到人類的健康。開發快速、準確的方法檢測溶液中的Fe2+濃度十分必要。Zhang等人合成了一種纖維素基熒光傳感器(Phen-MDI-CA)，以4,4 -亞甲基二苯二異氰酸酯(MDI)為交聯劑將1,10-菲咯啉-5-胺(Phen)與醋酸纖維素(CA)結合，實現了對Fe2+離子的高選擇性、快速檢測[45]。遇到Fe2+離子時，該材料會立即呈現為紅色、不溶、非熒光的Fe-(Phen-MDI-CA)絡合物。由于纖維素骨架的錨定和稀釋作用，合成的Phen-MDI-CA在溶液和固體中均表現出優異的熒光性質，同時Phen對Fe2+的敏感性顯著提高。因此，Phen-MDI-CA可以作為熒光傳感器，用于Fe2+高選擇性、高靈敏度的快速檢測。此外，Phen-MDI-CA在常見的有機溶劑中具有良好的溶解性和可加工性，方便了它在不同產品 (如油墨、涂料、薄膜)中的應用。使用該材料在無需儀器的視覺檢測模式下，Fe2+離子的檢出限為50 ppb，在熒光檢測模式下，檢出限為2.6 ppb。與菲咯啉等其他Fe2+傳感器相比，Phen-MDI-CA具有檢測限低、響應時間短、可進行無需儀器的視覺檢測和多模式響應等優點，還具有可生物降解、無毒、低成本和易于加工等特性，這使其在檢測和吸附Fe2+離子方面具有巨大的潛力。

圖3 在可見光(上部)和365nm紫外線(下部)照射下不同形式的Phen-MDI-CA材料實物圖：(a)Phen-MDI-CA在濾紙上進行熒光打印，(b)Phen-MDI-CA柔性熒光膜，(c)Phen-MDI-CA涂覆在玻璃和鋼上。(經批準轉載自參考文獻[45];版權所有(2018)美國化學學會)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 緩釋功能材料

纖維素水凝膠具有多種新穎優異的功能，結合3D打印技術可快速制備具有復雜結構的緩釋功能材料，該方法具有成本低、易于規模化等優勢[46-49]。Mathew等人采用一鍋法合成了以TEMPO氧化納米纖維素(TOCNFs)為載體的含有咪唑基有機金屬框架(ZIF-8)的水凝膠材料(ZIF-8@TOCNF)，該材料可包載藥物并可用做3D打印油墨，實現緩釋藥物的快速精準制備[49]。TEMPO氧化所得納米纖維素具有典型的纖維素I型晶體結構，具有高縱橫比(>100)、負zeta電位、無毒等特性，同時具備形成凝膠的能力和良好的3D打印性能[50-51]。作者利用Zn2+或Fe2+與TOCNF的羧基配位，實現了機金屬框架結構(ZIF-8)在TOCNFs上的原位生長。得到的ZIF-8@TOCNF材料負載姜黃素和亞甲藍等藥物高分子后，可實現基于生物信號pH刺激的藥物控釋。該合成路線簡單、快速、環境友好、可在室溫下進行，有望在生產醫用和植保等緩釋藥物方面實現大規模應用。

龐龍等人在LiCl和DMAc溶劑體系中，用交聯劑2,4-甲苯二異氯酸酯將紫外線吸收劑4,4 -二羥基苯甲酮接枝到微晶纖維素上，制備出了具有抗紫外性能的纖維素膜[23]。該膜材料不僅具有很好的緩釋農藥性能，而且具有良好的抗紫外線能力，能夠有效減少農藥的降解損耗。此外，他還用異佛爾酮二異氰酸酯做接枝劑，將用熒光素和萘乙酸合成的熒光素二萘乙酸酯接枝到了乙基纖維素上，制備出具有熒光指示釋放進度功能的，可控釋農藥萘乙酸的纖維素膜[23]。改性后的纖維素膜材料可用于農藥的緩釋、控釋，同時在熒光指示方面也具有良好的應用前景。

2.4 其他化學功能材料

纖維素每個葡萄糖環單元上有3個自由羥基，可進行酯化、醚化、接枝、氧化，交聯等化學反應，為纖維素的功能化改性提供了條件。

聚合物接枝可以賦予纖維素納米纖維(CNF)新的特性。然而，聚合物接枝過程通常涉及大量的有機溶劑，造成環境污染。Yang等人提出了一種不使用有機溶劑的綠色方法，用紫外光照射CNF的水懸浮液，在CNF表面產生自由基引發聚合物接枝，使得聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)易于嫁接在CNF上[52]。PMMA接枝纖維素在水中具有獨特的納米纖維-納米顆粒結構，在有機溶劑中表現出良好的疏水性和再分散性。除PMMA外，CNFs還可以在不使用有機溶劑的情況下接枝各種其他聚合物。這種紫外光誘導的纖維素納米纖維接枝技術為制備性能各異的CNF功能材料提供了一種綠色、快捷的方法。纖維素材料固有的易燃性是阻礙實際應用的主要因素。Zhang等人提出了一個簡易的方法，將高度易燃的纖維素轉化為無鹵、防滴的阻燃材料DOPO-纖維素丙烯酸酯(DCA)[53]。通過共價固定和加成反應將丙烯酸酯基團和9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(DOPO)引入到到纖維素鏈中。DCA中少量的DOPO基團能顯著降低材料燃燒時的熱釋放速率和總熱釋放量，促進致密連續炭層的形成。同時，保留DCA中的部分丙烯酸酯基團，可促進紫外光誘導剛性三維交聯網絡的形成，以抑制熔滴。此類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，保護紙張、木材等各種易燃材料不受火災傷害。

玻璃結合了傳統熱固性材料和熱塑性塑料的特性，受到了工業界的廣泛關注。玻璃復合材料的制備可以大大降低玻璃材料的成本，增加玻璃基材料的種類，擴大其在不同領域的應用。Zhao等人以生物質衍生的聚碳酸酯為基體，天然纖維素紙為增強骨架，開發了一種玻璃-纖維素紙復合材料[54]。隨機排列的纖維素纖維與聚碳酸酯類玻璃高分子的動態共價交聯網絡產生協同效應，使得該材料具有優異的機械性能，良好的熱穩定性及化學穩定性，同時具有形狀記憶、自愈合和可再加工等一系列智能性能，符合新型綠色可持續材料的要求。

3 光電功能材料

光電功能材料指具有電學，光學等功能特性的材料，在信息、能源、環境等領域有廣泛的應用。

3.1 電學功能材料

電學功能材料包括導電高分子，柔性電極，超級電容器等材料。由纖維素等生物質材料制備的電學功能材料因具有綠色可再生，生物相容性好等優點近年來備受關注，如表2[20-21,55-60]。

表2 纖維素基電子設備Table 2 Cellulose-based electronic equipments

二維(2D)金屬碳化物和氮化物家族(MXenes)，是最具前景的超級電容器電極材料之一，具有較高的類金屬電導率和表面功能化基團，但機械強度較低。Hamedi等人從一維納米羧甲基纖維素(CNFs)穩定的膠態分散體中組裝出具有較高機械強度的MXene (Ti3C2Tx)納米復合材料[59]。CNF的高長徑比及其與MXene的特殊相互作用使納米復合材料在不犧牲電化學性能的情況下具有較高的機械強度和電導率。MXene/CNF力學強度的提高源于兩個因素：(1)強烈的界面相互作用。主要來源于材料之間的范德華力，以及CNF的羥基和羧酸與MXene薄片上的羥基之間的氫鍵作用；(2) 1D和2D材料之間的空間互補。CNF很薄且比MXene薄片長，可充當將MXene連接在同一平面上的橋梁。MXene/CNF混合分散體可作為油墨，用來印刷柔性精密超級電容器，制備輕量結構器件，如可穿戴設備的柔性電極和其他電學器件等。

Hu等人對天然木材進行醚化和致密化處理，制備出一種高導電性陽離子膜[20]。通過醚化將陽離子官能團鍵合到纖維素骨架上，使木材帶有正電荷。致密化處理消除了天然木材中較大的氣孔，形成了層狀結構，使纖維素納米纖維之間的納米尺度間隙增加，有利于離子的快速傳輸。改性后的材料比天然木材的離子電導率提高了25倍，機械拉伸強度也大大增加。He等人制備出了具有電、光、熱各向異性的柔性超薄液態金屬(LM) Janus導電薄膜[21]。該Janus薄膜由液態金屬納米顆粒、纖維素納米纖維及聚乙烯醇的懸浮液簡單混合，經密度沉積自組裝而成，薄膜一側為液態金屬納米顆粒(LM)，另一側為聚乙烯醇(PVA)和纖維素納米纖維(CNC)，與傳統的Janus薄膜制備方法相比，操作簡便也更節省時間。在初始狀態下，薄膜的兩側都是電絕緣的，經過剪切摩擦后，LM液滴可連接起來形成特定的導電線路。該薄膜具有獨特的基體-墨水集成特性和剪切摩擦啟動直寫特性，還可以做光轉換開關和溫度調節器，為多功能(如電、熱和光學)各向異性電子產品的現場生產和多層電路的一步制造提供了一種新的方法。Reynolds等人使用纖維素納米纖維(CNF)涂布紙作為基材制備了低阻、無色的PEDOT(PEDOT:PSS) 印刷電極[60]。PEDOT:PSS/紙電極支持三種電致變色聚合物(ECP)(青色、洋紅和黃色)的可逆氧化，具有全印刷彩色顯示性能。在9000次畫面切換后，仍能夠保持86%的顏色對比度，與使用ITO/玻璃電極的器件性能相當。該材料在動態標牌和智能包裝等領域具有廣闊的應用前景。然而，由于固體電解質的電導率通常比液體或凝膠低得多，而器件的開關速度高度依賴于電導率，導致該固態器件的開關速度可能會較慢，這將是纖維素基顯示器需要面臨的重要難題之一。

3.2 光學功能材料

光學功能材料通常具有特定的光學性能，如熒光性、反射光性，吸收光性等，可用于制備熒光材料，防偽材料以及輻射冷卻材料等。

可調多色熒光材料在顯示、傳感，防偽等領域都有著廣泛的應用。Zhang等人基于動態可調諧熒光共振能量轉移(FRET)工藝，設計和制備了一種類似變色龍的熒光纖維素材料[62]。將螺吡喃、熒光素和芘分別與纖維素鏈共價連接，合成了一組三色(紅色、綠色和藍色)固體熒光材料，再通過調節三種顏料的摻混比例實現各種顏色變換。纖維素鏈的錨定、分散與靜電排斥作用可有效避免熒光誘導猝滅。材料的變色性質是通過供體(綠色和藍色)和受體(紅色)之間的動態可調諧能量轉移實現的，調整輻照可精細調節該能量轉移過程。最終，在肉眼可識別的時間尺度上能夠可逆調節熒光顏色和強度。該材料具有優異的加工性能，可制備成具有復雜熒光輸入-輸出依賴關系的墨水，為信息加密、安全打印和動態防偽加密提供了一種新的原料和途徑。基于纖維素熒光材料的動態熒光性質還可以開發更多的應用，如生物成像、熒光追蹤、化學檢測等。

有機熒光高分子因其獨特的光物理性質而具有廣泛的應用前景。與傳統的共軛熒光高分子相比，非共軛有機熒光高分子具有制備方便、環境友好、生物相容等優點。Zhao等人報道了一種基于動態共價交聯的新型聚羥基聚氨酯熒光高分子[63]。該熒光高分子不含共軛結構，具有固態強熒光發射特性，以及良好的形狀記憶性和自愈性，可用于制備防偽纖維素紙基功能材料。在天然纖維素紙上原位進行該熒光高分子的合成，然后用紫外線照射進行防偽印刷，可代替昂貴的防偽油墨。該材料在制藥、紙質智能包裝材料、智能標簽和食品工業中有很好的應用前景。

目前，全球對空調等低能效制冷方法依賴嚴重，如能減少對這種制冷依賴，將對全球能源格局產生重大影響。Li等人通過對木材進行完全脫木質素和致密化處理，得到了一種多功能輻射冷卻材料[64]。該材料具有高日光反射率和高紅外發射率，可有效散熱、降低建筑溫度。此外，該冷卻木材的強度是天然木材的8.7倍，韌性是天然木材的10.1倍，比強度達到334.2 MPa·cm3·g-1，超過了鐵錳鋁碳合鋼、鎂鋁合金、鈦合金等大多數結構材料，可單獨用作屋頂和壁板支撐材料。據估算，應用冷卻木材可節能20%到60%，尤其是在炎熱干燥的氣候中節能效果更為顯著，為提高建筑物的制冷效率、減少能耗提供了一條新途徑。

3.3 熱電轉換材料

把低品位熱能轉化為電能需要高效、低成本的技術。Hu等人通過對天然木材進行處理制備了一種熱電轉化纖維素膜[22]。采用化學方法提取并溶解天然木材中的木質素和半纖維素，經處理后自然排列的纖維素納米纖維表面帶有負電荷，隨后通過TEMPO氧化進一步提高了其表面的負電荷密度。該膜的納米通道在熱梯度下具有選擇性擴散Na+離子的功能，隨著負電荷密度增加，帶電分子鏈的離子選擇性增強，熱能轉化的電壓顯著提高。這種利用豐富的木材纖維素納米纖維來獲取低品位熱能的技術，具有易于規模化、可持續生產和成本低廉等優勢，進一步發展該技術有望實現低品位熱能的規模化收集和熱電轉換在可穿戴技術上的實際應用。然而，該技術目前仍存在一些挑戰，諸如如何優化電極以實現連續穩定操作，如何增強水系統的穩定性以及如何將該技術擴展到其他離子的選擇性擴散調控等。

4 結 語

纖維素是一種豐富的可再生資源，經過特定處理后，可替代石化基材料或金屬材料，應用于眾多領域，并展現出卓越性能。纖維素的本征特性及其易于改性的特點使其所制得的材料往往具有多功能性，除擁有常規材料的一些基本性能外，還具有其他功能，如抗紫外性能、熒光性能、pH響應性等。纖維素基先進功能材料當前仍以基礎研究居多，大范圍應用較少，但未來幾年有望在電子產品(如可穿戴設備，印刷電路板等)、建筑保溫，醫用防護品(如口罩，防護服)以及植入器械(如3D打印材料等)多個領域實現規模化應用。纖維素基功能材料已然成為當今全球新材料熱點之一，但現階段產品市場尚未完全打開，其主要原因有：(1)生產成本相對傳統材料高，價格缺乏競爭力；(2)連續大宗穩定地合成纖維素基功能材料技術尚不成熟，產品性能沒有傳統材料覆蓋范圍廣；(3)尚無明確的產品評價標準，市場較混亂；(4)行業政策和相關法規不夠完善，消費者的環保意識不夠強。

對纖維素制備先進功能材料的最新方法、所得材料的性能和主要應用進行了評述，詳細介紹了纖維素在制備具有優異力學功能、化學功能、光電功能材料研究方面的最新進展。目的在于促進纖維素高值利用，激發廣泛興趣利用這種可再生、可持續的自然資源，創造新的價值，解決人類社會當前所面臨的資源和環境危機。