納米纖維素增強復合材料的研究與開發(fā)現(xiàn)狀

蘆長椿

摘要：納米纖維素是一種新型納米材料，具有生物可降解性能，且強力高于普通的鋼材或芳香族聚酰胺（Kevlar ），因具有良好的透明性、吸濕性以及導電性在業(yè)內(nèi)受到廣泛關注。本文介紹了納米纖維素的技術特征、研究與開發(fā)現(xiàn)狀，并對納米纖維素復合材料的應用和潛在市場作深入分析。

關鍵詞：納米纖維素；復合材料；生物基納米材料；開發(fā)；應用

中圖分類號：TB332；TQ352 文獻標志碼：A

Research and Development of Nanocellulose-reinforced Composite Materials

Abstract： Nanocellulose is a new nano-material， which has bio-degradability， higher tenacity than conventional steel or aramid fiber （Kevlar ）， good transparency， moisture absorbency and conductivity. The paper introduces the technical features and progress in research and development of nanocellulose， and analyzes the applications and potential market of nanocellulose composite materials.

Key words： nanocellulose； composite material； bio-based nano-material； development； application

1 全球納米纖維素市場概況

納米纖維素是一種新型納米材料，具有生物可降解性能，且強力高于普通的鋼材或芳香族聚酰胺（Kevlar ），因具有良好的透明性、吸濕性以及導電性在業(yè)內(nèi)受到廣泛關注。

納米纖維素制品極高的性能/重量比，使其在應用市場展現(xiàn)出巨大的潛力。如北歐YTT技術中心的研究報告預測，納米原纖化纖維素（NFC）2020年全球市場的需求量在10萬t左右，2025年將達到40萬t；而納米晶纖維素（NCC）2020年市場規(guī)模應在8 000 t左右，2025年將超過 5 萬t。

目前納米纖維素已在多個領域完成了商業(yè)化應用。無毒和優(yōu)良的生物相容性使其在醫(yī)用組織支架、繃帶、人造血管和藥液控釋等領域的應用取得進展；經(jīng)過改性的納米纖維素使增強相的復合材料表現(xiàn)出巨大的市場潛力；納米纖維素超高的比表面積（約1 000 m2/g）使其成為優(yōu)良的電池隔膜材料；納米纖維素具有優(yōu)良的吸水、持水和控制釋放能力，其產(chǎn)品已在紙尿褲、醫(yī)用創(chuàng)傷敷料、衛(wèi)生巾和低熱值產(chǎn)品中使用；用作造紙?zhí)盍?，添加劑量?% ～ 10%時，可使紙制品的強力和韌性提高50% ～90%。納米纖維素薄膜柔軟且透明，可用作功能性包裝材料或安全用紙；亦可以制作撓性電子產(chǎn)品，如撓性顯示器、可彎曲電池和LED產(chǎn)品。

納米纖維素在商業(yè)化方面展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，美國紙漿與造紙工業(yè)技術協(xié)會（TAPPI）樂觀地預測，納米纖維素在制漿造紙工業(yè)、聚合物增強復合材料、功能性薄膜、建筑材料、油氣資源開發(fā)等領域，全球每年有2 300萬t待開發(fā)的消費能力，其中NFC占60%，NCC占20%。

2 納米纖維素研究與開發(fā)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外研究概況

20世紀70年代，有實驗室成功制得NFC，其后NFC產(chǎn)品開始在食品工業(yè)中出現(xiàn)，NFC透明紙制品亦相繼進入人們的視線。近10年來，納米纖維素的合成、改性技術及其復合材料的結(jié)構(gòu)與性能研究等均取得了令人矚目的進展。

2011年，世界第一套產(chǎn)能為100 kg/d的納米原纖化纖維素裝置投入運轉(zhuǎn)，次年納米晶纖維素試驗線在加拿大開始了半商業(yè)化運行。目前全球已有十幾條NFC試驗生產(chǎn)線，其中美國Maine（緬因）大學的生產(chǎn)裝置產(chǎn)能達到了300 t/a。另有近10條納米晶試驗生產(chǎn)線，其中加拿大Celluforce公司的商業(yè)化裝置的產(chǎn)能達到了300 t/a。

納米纖維素及其產(chǎn)品的應用研究呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢。據(jù)統(tǒng)計，截至2015年全球從事納米纖維素研究與開發(fā)的企業(yè)與機構(gòu)多達167家，包括119家研究院所，其中有25個納米纖維素研究中心。

國內(nèi)納米纖維素研究尚處于起步階段，目前中科院、制漿造紙研究院所及相關大學開展了納米纖維素的研究工作，2015年國家林業(yè)局啟動了科研專項計劃“納米纖維素綠色制備、高值化應用技術研究”。而國內(nèi)化纖業(yè)相關研究投入顯得不足，幾乎沒有企業(yè)涉足。

2.2 納米纖維素的技術特征

納米纖維素主要有 3 種類型，即納米原纖化纖維素、納米晶纖維素和細菌纖維素，其技術特征如表 1 所示。

納米纖維素取材于木漿或生物質(zhì)資源，代表性制造工藝包括生物法、機械法和化學法等。納米纖維素的生產(chǎn)過程主要包括兩個階段，即預處理工序和處理工序，前者多采用機械法、Tempo氧化法、羧甲基化法和生物酶法等；處理工序主要使用高剪切均化加工、超高壓微細流加工和微細研磨/剪切加工。開發(fā)中的納米纖維素及其增強復合材料的產(chǎn)業(yè)鏈如圖 1 所示。

能耗是制約納米纖維素生產(chǎn)的重要因素。隨著機械研磨工藝、化學處理技術的進步以及預處理與處理工藝間的合理配置，納米纖維素的能耗已可控制在2 000 kW·h/t以內(nèi)，能耗成本降低了93%。