纳米纤维素有望成为下一代新材料，性能优异的它还有何发展难点 -山东化工网

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纳米纤维素有望成为下一代新材料，性能优异的它还有何发展难点

文章来源：贤集网更新时间：2023-03-13 15:13:55

近年来，随着环保监管日益严格，以及相关生产技术进步，纳米纤维素凭借其良好的机械强度、尺寸稳定性、生物可降解性以及抗冲击性,在缓冲材料、水处理、医药载体、包装、纺织、复合材料等多个领域展现出良好应用前景。

何为纳米纤维素？

纳米纤维素是通过天然纤维素分离得到的直径小于 100nm 的纤维聚集体，是从木材、甘蔗渣、稻壳、秸秆、棉花等可再生植物中获得的一种神奇材料。纳米纤维素纤维的直径可达2-5纳米级别，一旦发生碰撞，纳米纤维会形成一体，强度是钢材的5倍。纳米纤维素与树脂等容易复合，可以大幅提升树脂的耐冲击强度和耐热性。

纤维素是自然界分布最广、含量最多的一种葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶液，是植物细胞壁的主要成分。而纳米纤维素是指纤维直径在纳米级的纤维素，通过化学、物理、生物或者几者结合的手段从天然纤维原纤维分离得到的直径是小于 100nm，长度可以达到微米的纤维聚集体，可再生、可自然分解、化学性能稳定。

目前，国家大力发展生物降解塑料，需要消耗大量的化工原料。如合成生物塑料PBAT消耗原料BDO（1,4-丁二醇），而原料BDO不但价格高，而且供应量有限。另外，生物塑料PBAT的耐热性和强度较低，难以满足更广范围的使用要求。

纳米纤维素引入降解塑料，破局降解塑料产业发展瓶颈。首先，纳米纤维素来源于可再生植物，具备生物降解功能，成本低，可持续供应，低碳环保；再者，纳米纤维素强度高，在降解塑料中可以显著提升降解塑料的强度和耐热性。纳米纤维素在降解塑料的潜能正在被逐步挖掘，并发挥越来越大的价值。

日本对纳米纤维素在降解塑料的应用已非常完善。如日本绿色科学联盟有限公司的Ryohei Mori博士利用纳米纤维素-聚乳制作了各种刀、叉、勺子。

纳米纤维素具有塑料的特性，同时具有木纤维的特性，可以参考木浆造纸的工艺制备纳米纤维素薄膜。纳米纤维素膜具有良好的机械性能和阻隔性能。

应用领域广泛

纳米纤维素不仅具有天然纤维素可再生、可生物降解等特性，还具有大比表面积、高亲水性、高透明性、高强度、高杨氏模量、低热膨胀系数等优点，为其形成各种功能性复合材料提供了可能，其在造纸、涂料、可降解材料、复合材料、电子产品、医药等领域具有广阔的应用前景。

在造纸应用领域，纳米纤维素原料来源于纸浆纤维素，在纸基功能材料应用中具有天然的相容性优势，可替代或降低化工助剂的用量，使造纸体系更加清洁环保。更重要的是，其可提高纸基功能材料的附加值，提高纸张强度、降低打浆能耗、提高细小纤维及填料留着，甚至赋予纸产品其他特殊性能，拓展终端应用领域。我认为，这也是最具有应用潜力的一个方向。

在全降解材料领域，近年来白色污染问题日益严重，自然环境与生物健康都受到严重威胁。如何解决塑料垃圾问题越来越受到世界各国的重视。生物基全降解材料是当今全球最具增长性的潜在领域之一，也是解决“白色污染”的有效手段。但现有生物基材塑料产品性能不及传统塑料制品，在很多领域尚无法与传统塑料相媲美，且价格居高不下，导致老百姓用不起；更重要的是，我国生物质材料基础研究和高性能材料研发滞后，成为制约领域发展的主要因素。纳米纤维素是有望解决这些“卡脖子”技术难题的关键材料之一，将纳米纤维素应用于全降解复合材料中，不仅可以增强复合材料的机械强度性能，从而增加价格低廉生物质组分用量（如淀粉、木质素）来降低成本，同时可提高材料的热稳定性能，调节全降解复合材料的降解周期。

除此之外，涂料也是纳米纤维素的一大主要应用领域，纳米纤维素具有增稠、稳定、增强等优异性能，尤其可适用于较宽温度及 pH、盐浓度范围，可作为优异的流变改性助剂用于涂料、水泥、油田采油等领域。

纤维素是地球上取之不尽用之不竭的生物质可再生资源，存在于木材、毛竹、棉花、秸秆、芦苇、麻、桑皮等植物资源的细胞壁中，是自然界中储量最为丰富的天然高分子材料。相比于人工合成高分子，纤维素来源广泛，具有低成本、可再生、无毒、无污染、易于改性及可生物降解等优点，被认为是未来世界能源和化工的主要原料之一。将纤维素的尺寸缩减至100纳米以下，即称为纳米纤维素。

纳米纤维素制备工艺众多，如生物法、化学法、机械法等，单一的制备技术通常存在污染大、成本高、浓度低等问题，绿色、低成本制备是当前全球的努力方向。据悉，生物、化学、物理等学科技术相结合的方法是绿色制备的重要手段，但目前尚处初级阶段。国内纳米纤维素的制备相对于国外产业化还有较大差距，尤其是绿色化制备关键技术亟需突破。

全球的市场需求及产能情况

纳米纤维素具有轻质高强、高比表面积、极低的热膨胀系数、优异的耐候性、良好的生物相容性和可降解性等特点，可广泛应用于诸多领域：

1.树脂复合材料，如汽车轻量化高强度零部件材料，全降解材料，提高树脂材料强度性能；

2.造纸，通过对纸和纸板的增强和留着，可明显节省纤维原料的使用；

3.涂料、水泥等，能改善涂料水泥的流变性、稳定性和强度性能；

4.化妆品及个人护理用品，具有优异的保水、成膜、导入和改善流变性等功能，且纯天然，无刺激；

5.过滤分离，具有超高比表面积及均匀的孔隙率，能够有效实现过滤及分离；

6.绿色可降解阻隔包装材料，能延长食品保质期，替代现有不可降解石油基塑料；

7.生物医药，可作为药物活性成分的载体及缓释材料；

8.食品添加剂，增稠、有效保护食品的质地及口感等。

纳米纤维素的产能，据报道多数研发单位约1000-2000Kg/d(绝干)，产业化应用方面还有待突破。

纳米纤维素市场潜力巨大。据美国农业部林业局（USDA）预测：纳米纤维素美国市场潜力为640万吨，全球市场潜力为3500万吨，美国加工公司（API）预计：纳米纤维素发展趋势与塑料类似（见图1），2045年能实现USDA的预期目标。

纳米纤维素发展趋势

行业发展难点

由于纳米纤维素的制备成本较高，限制了其在一些领域的应用；此外，纳米纤维素应用是一个系统工程，研发端需要多学科交叉，多技术的集成，同时需要与市场紧密结合，缺失任一环节都可能导致失败。一些关键技术还需要攻关，如纳米纤维素分散技术，改性技术及及工程应用技术等。

纳米纤维素的产业化瓶颈是很多的，除了制备瓶颈以外，还有产业化一些专用设备的瓶颈等。另外，在造纸行业的应用，应用技术和装备也非常重要的。产业化过程就像一条链条，这条链条环环相扣，缺哪一个环节都会导致脱节失败。

近年来，纳米纤维素的商业化生产已从小型实验室规模逐渐发展到每天吨级工业化示范规模。但是仍存在绿色制备关键技术难突破、制备成本高、环境处理压力大、后续应用需求不匹配等瓶颈制约问题等，从而导致纳米纤维素的产业化进程受阻。

国内在纳米纤维素研究也十分活跃，但许多产业化关键技术方面尚未突破，纳米纤维素的规模化制备方面较国外发达国家还有一定的差距。产业化应用的深度和广度也有一定差距。

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