納米纖維素在功能材料中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張強

摘 要：納米纖維素作為可持續(xù)發(fā)展材料，在諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。基于此，對納米纖維素種類及特性展開了分析，探究了該種材料在包裝、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、光電等多種功能材料中的應(yīng)用研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)材料改性過程依然復(fù)雜，限制了材料的大規(guī)模運用，后續(xù)應(yīng)加強簡單、高效材料量產(chǎn)方法探究，希望能夠為關(guān)注材料應(yīng)用情況和發(fā)展前景的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：納米纖維素;功能材料;應(yīng)用研究進(jìn)展

引言：作為可再生、儲量豐富的天然高分子聚合物，纖維素可以加工成薄膜、氣凝膠等多種結(jié)構(gòu)形式，在納米尺寸下獲得良好機械性、親水性、熱穩(wěn)定性等多種性能優(yōu)勢，因此在包裝、紡織、傳感等多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。探索納米纖維素在功能材料中的應(yīng)用情況，可以進(jìn)一步把握材料優(yōu)勢及其與其他材料復(fù)合、改性情況，為推動材料的應(yīng)用發(fā)展指明方向。

一、納米纖維素的種類及特性

納米纖維素（NCM）是采用化學(xué)、機械、生物等多種方法加工獲得的納米級高分子生物材料，具備纖維素可降解、吸濕性強等特性的同時，也具有納米材料高強、比表面積大等特性，因此具有高強、高聚合度、高反應(yīng)活性等優(yōu)勢[1]。按照制備方法和原料形態(tài)，可以將納米纖維素劃分為晶體、纖絲、細(xì)菌合成等類型。如表1所示，不同類型材料采用制備方法存在差異，使得材料擁有了各自的特性。

二、納米纖維素在功能材料中的應(yīng)用研究

（一）在包裝材料中的應(yīng)用

在商品生產(chǎn)領(lǐng)域，多年來廣泛使用石油基塑料，力學(xué)性能較好。但受資源枯竭、環(huán)境污染等多重因素影響，生物基材料在包裝材料中逐漸得到了應(yīng)用。其中，NCM擁有較大比表面積和納米級尺寸，可以保持較高力學(xué)性能和反應(yīng)活性，相較于其他生物基材料在包裝領(lǐng)域更具優(yōu)勢。CNF和BNC等材料由于可以達(dá)到較高結(jié)晶度和聚合度，模量和強度較高，用于制備包裝復(fù)合膜可以增強結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，發(fā)揮氣體阻隔作用。如采用纖維素、銀納米離子等制備的材料膜可以將復(fù)合膜抗拉性能提升2倍左右。采用流延法制備殼聚糖類包裝膜時，通過添加網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)NCM能夠使膜的透氣性降低20%以上，同時有效降低透水率，發(fā)揮阻隔空氣、油污等多重作用[2]。采用纖維素和氧化鋅納米制備的多層包裝材料不僅可以獲得較強力學(xué)性能，也具有抗菌作用。將纖維素當(dāng)成是載體，可以對抗菌劑進(jìn)行吸附，制備成涂料涂抹紙張表面，可以加工成抗菌紙，有效抵抗大腸桿菌等常見有害病菌。但目前使用NCM生產(chǎn)的包裝薄膜依然停留在實驗層面，未能提出成熟配方和量產(chǎn)工藝，難以滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的低成本、高效率要求。

（二）在醫(yī)學(xué)材料中的應(yīng)用

擁有較好生物兼容性，使NCM可以用于醫(yī)學(xué)材料制造。憑借纖維素生物結(jié)構(gòu)，NCM可以攜帶藥物，并通過緩慢釋放延長藥物作用。如采用靜電紡絲工藝制備的NCM能夠?qū)Π逼S西林鈉等藥物進(jìn)行包覆，并通過增加NCM含量獲得較強親水性，降低藥物釋放速率。采用晶體類型NCM與聚乙二醇反應(yīng)制備納米凝膠，對姜黃素等藥物體現(xiàn)出了一定親和性，可以幫助腸道更好吸收藥物。具有抗菌、透水性強等特性，使NCM可以用于制作創(chuàng)面敷料，使創(chuàng)面保持一定濕度的同時，對多余滲出物進(jìn)行吸附，減少人體蛋白質(zhì)、電解質(zhì)等物質(zhì)損失，避免發(fā)生二次損傷。如采用細(xì)菌合成類型NCM制備復(fù)合水凝膠，不僅具有廣譜抗菌性，也能發(fā)揮凝血作用，屬于良好敷料基材。擁有仿生性，使NCM可用于3D打印人耳、人造血管等材料制備，如通過循環(huán)凍融、澆筑制備的NCM和聚乙烯醇水凝膠材料，可用于制備人造血管，不僅能夠延長材料使用壽命，也能抑制血栓形成。目前，實驗室研制的部分NCM醫(yī)學(xué)材料已經(jīng)可以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，功能良好，但成本依然較高，尚未在臨床實踐中大量應(yīng)用。

（三）在環(huán)境材料中的應(yīng)用

隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)重，可降解的生物材料開發(fā)力度不斷加大。而利用NCM除了可以研制能降解的包材等材料，也能憑借生物吸附特性用于制備過濾膜，直接用于治理環(huán)境污染。擁有較強強度和比表面積，同時富含的表面活性基團(tuán)可以輕松改性、修飾，促使NCM能夠用于制備復(fù)合型吸附材料。如利用聚乙烯亞胺對晶體類型NCM進(jìn)行改性，可以獲得較強的Pt吸附能力。現(xiàn)階段，利用NCM制備的吸附材料擁有多孔結(jié)構(gòu)，對Hg、Cu等金屬可以進(jìn)行選擇性吸附，體現(xiàn)出了高效吸附特征[3]。從現(xiàn)有研制工藝來看，多采用基團(tuán)接枝方法對NCM進(jìn)行處理，也可以采用靜電紡絲技術(shù)完成多孔復(fù)合吸附材料制備，達(dá)到過濾金屬離子、有色物質(zhì)等效果。該類吸附材料具有細(xì)胞兼容性，可以作為生物吸附劑，確保小分子快速擴散。采用浸漬沉淀相轉(zhuǎn)化等方法，能夠通過對NCM進(jìn)行改性制備共混超濾膜，提高膜拉伸強度的同時，獲得更高水通量和超濾性能。但采用上述制備工藝存在能耗大的問題，并且需要采用的有機溶劑量較大，后期面臨回收難題，同樣會帶來環(huán)境污染。因此應(yīng)用NCM制備超濾膜，仍然需要解決制備工藝存在的缺陷，確保NCM能夠用于增強膜材料擴展空間的同時，在環(huán)境治理方面獲得更大應(yīng)用潛力。

（四）在光電材料中的應(yīng)用

利用NCM制備電子器件，可以通過回收利用電子設(shè)備減少環(huán)境污染。憑借NCM機械強度高、阻隔性強、熱膨脹系數(shù)小等特性，制備出的光電晶體管可以達(dá)到70%以上透光率，同時擁有良好電氣性能。將對環(huán)境無害成分與活性材料結(jié)合在一起，制備的電氣器件體現(xiàn)出了環(huán)境友好性，如CNF雜化膜能夠?qū)崿F(xiàn)光刻圖案化，可以使用CNF制備可拉伸折紙基材，擁有一定發(fā)展?jié)摿Α２捎肗CM制備發(fā)光二極管表面紙基，能夠使元器件獲得更高發(fā)光效率，并對角向光分布進(jìn)行拓展，體現(xiàn)材料柔性特點。NCM具有凝膠化特性，容易成膜，可以作為光電器件基體材料或骨架，與其他材料復(fù)合制備的NCM導(dǎo)電薄膜具有輕薄、環(huán)保等特性，能夠在生物傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用。如采用NCM和羧甲基纖維素進(jìn)行導(dǎo)電膜材料制備，可以依靠復(fù)合材料穿網(wǎng)結(jié)構(gòu)加強光電傳導(dǎo)，使材料力學(xué)和電學(xué)性能保持協(xié)同，獲得較強抗拉性、抗電磁干擾等性能。與石墨烯等材料制備導(dǎo)電薄膜，可以獲得較強分散和較高導(dǎo)電率，制備的電極可以促進(jìn)電解液離子擴散。此外，與金屬、氧化鐵等材料復(fù)合制備導(dǎo)電薄膜，在納米結(jié)構(gòu)器件、反應(yīng)器等領(lǐng)域展現(xiàn)了優(yōu)良性能。但相較于普通電子元器件，使用NCM制備的器件價格依然較高，在一定程度上限制了材料的應(yīng)用推廣。

（五）在其他材料中的應(yīng)用

NCM擁有諸多優(yōu)良性能，促使材料也可以應(yīng)用在儲能、絕緣等多個領(lǐng)域。如用于制備鋰離子電磁膜，可以獲得更高能量密度和循環(huán)壽命。憑借電解質(zhì)潤濕性、高熱穩(wěn)定性等性能，NCM能夠當(dāng)成是凝膠劑與聚乙烯等隔膜材料復(fù)合，能夠添加至甲基丙烯酸基體中制備電解質(zhì)隔膜，改善膜力學(xué)性能和導(dǎo)電性。相較于普通的PP隔膜，制備出的電池放電率較低，電容留存率較高，可以獲得更強循環(huán)性能。但受制作成本限制，目前該類隔膜僅用于制備高性能儲能電池。在紙基絕緣材料研究領(lǐng)域，NCM能夠用于改善材料絕緣強度和機械強度，延長材料使用壽命。利用NCM對絕緣材料進(jìn)行改性，能夠抑制電荷積聚過程，確保電場分布均勻，保障絕緣安全。NCM納米級顆粒將被填充至材料內(nèi)部空隙中，依靠氫鍵吸附在纖維表面，縮小內(nèi)部聚集空間，因此制備的材料具有較高介電擊穿性，可以減少局部放電產(chǎn)生，但有關(guān)研究多停留在實驗室階段。

結(jié)論：通過研究可以發(fā)現(xiàn)，NCM在隔絕性、生物兼容性、導(dǎo)電性等多個方面擁有顯著性能優(yōu)勢，促使材料能夠在包裝、醫(yī)學(xué)、光電等多個領(lǐng)域應(yīng)用。但受制備工藝、材料結(jié)合方案等多種因素的影響，目前使用NCM制備的功能材料無法達(dá)到工業(yè)化要求，因此未來需進(jìn)一步加強材料應(yīng)用研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]符金洲，王漢偉，李瑩瑩，等.微納米纖維素功能膜在能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報，2021，42（05）：1407-1429.

[2]陳嘉川，顏家強，張凱，等.微晶纖維素的制備及其在功能材料領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國造紙，2021，40（03）：63-70.

[3]劉仁，魯鵬，吳敏，等.納米纖維素在氣體阻隔包裝材料中的應(yīng)用進(jìn)展[J].包裝工程，2019，40（07）：51-59.A966CE03-6294-4C5C-AEEA-9D9B1243428D