纳米纤维素的制备工艺：从实验室到工业化探索纳米纤维素科学的前沿领域

2025-09-02 10:10

纳米纤维素(NCC)由于其大量、可再生、可生物降解以及优良的力学性能，成为纳米技术领域研究的热点，其在造纸、建筑、汽车、食品、化妆品、电子产品、医学等领域有巨大的潜在应用前景。

水解法制备

纤维素的酸水解主要是指稀酸水解，稀酸主要是作用于无定形区，它不能将纤维素溶解，水解是在两相中进行，将无定形区溶解后剩下结晶区，从而得到结晶度高、结晶结构完整的纳米微晶纤维素。

酸水解法制备纳米微晶纤维素常用的无机酸有硫酸、盐酸和磷酸，其中以硫酸的使用最为常见。盐酸水解产生的纳米纤维素有最小的表面电荷，硫酸水解则产生高稳定的水溶液悬浮液。会产生大量的废酸和杂质，对反应设备要求高，且反应后残留物较难回收，但制备工艺比较成熟，已实现工业化生产。

酶解法制备

酶解即利用纤维素酶选择性酶解无定型纤维素，剩余部分即为纤维素晶体。酶解研究采用较多的原料是木质纤维素、多种细菌纤维素和MCC。可以作为增强剂添加到复合材料中以增加其机械性能。酶解法制备工艺条件温和，专一性强，且所用的试剂酶与纤维素酶均为可再生资源，因此其对社会可持续发展具有重要意义，预测酶解法将成为未来研究的热点。

机械法制备

机械法主要是利用外力，如高剪切、碾磨、微射流、高压均质和超声波等物理方法将高等植物的细胞壁破坏，从而使其中的纳米纤维素纤维释放出来；或者是直接将天然纤维束直接破碎成纳米级别的纤维素纤维。通过机械法制备NCC，无需化学试剂，对环境的影响较小，但机械法制备的NCC的粒径分布较宽。同时，机械法制备所需的设备较特殊，能量消耗高。高压均质法和化学机械法都属于机械制备法。

热压法制备

使用热压法无须合成高分子而且无须分离出半纤维素和木质素，法可制备出纤维间有超强黏结强度的微纤化纤维素。

生物法制备

通过微生物合成的方法制备的纤维素通常被称为细菌纤维素。与天然植物纤维素相比，细菌纤维素具有超细的网状纤维结构，每一丝状纤维由一定数量的纳米级的微纤维组成。细菌纤维素具有生物合成时的可调控性。因此很容易实现工业化和商品化。但是细菌纤维素制备过程复杂、耗时长、成本高、价格贵、得率低。

溶剂法制备

通过将非溶剂加入到不断搅拌的纤维溶液中制备纤维纳米颗粒是可行的，并且发现加入非溶剂的速度越快，形成的NCC颗粒越小。

热压法制备

使用热压法无须合成高分子而且无须分离出半纤维素和木质素，法可制备出纤维间有超强黏结强度的微纤化纤维素。

离子液体溶解法制备

用离子液体将微晶纤维素部分溶解，然后将其浇铸成薄膜纳米复合材料，制备的薄膜具有均质、透明、高结晶度等特性。

纳米材料是近年来新兴的一种特殊材料，具有优异功能的新纳米精细化工品、新纳米材料是纤维素科学的前沿领域和热点。纳米纤维素在中国将会发展成一个大产业。研究发展出新型的简单、绿色、低能耗、快速、高效的制备纳米纤维素方成为了广大科研工作人员研究的热点。