纖維素納米材料的研究路線和進展

纖維素納米材料的研究路線和進展

纖維素納米材料可用取之不盡的再生原材料制備，擁有廣闊的應用前景。其所面臨的技術挑戰(zhàn)是什么，怎樣攻克這些挑戰(zhàn)以進一步促進纖維素納米材料技術的發(fā)展？該文介紹了Agenda 2020技術聯(lián)盟公布的有關纖維素納米材料的研究路線、執(zhí)行策略和執(zhí)行方法，以及該技術領域的6個優(yōu)先研究課題；同時介紹了當前纖維素納米材料的研究進展情況。

近幾個月來，世界范圍內(nèi)探索者針對纖維素納米材料的應用領域做了商業(yè)嘗試，這些應用領域包括吸收性個人衛(wèi)生用品、化妝品、油氣產(chǎn)品、液體食品低定量紙基包裝材料以及生物醫(yī)藥領域，如用作細胞培養(yǎng)中的水凝膠。纖維素納米材料擁有廣闊的應用前景，那么問題來了，其所面臨的技術挑戰(zhàn)是什么，怎樣攻克這些挑戰(zhàn)以進一步促進纖維素納米材料技術的發(fā)展。

在獲得大量投資之后，纖維素納米材料的供應量充足且品類多樣，足以支持一系列產(chǎn)品開發(fā)機會。達到上述程度，需要研究人員和生產(chǎn)商的聰明才智去攻克包括降低能耗、提高過程化學品回收率及產(chǎn)品的多樣性等在內(nèi)的各種挑戰(zhàn)。美國農(nóng)業(yè)部（USDA）森林服務導向研究預測，纖維素納米材料的全球市場潛力為3 500萬t，然而迄今為止其市場滲透率還非常低。更多技術課題有待研究尤其是纖維素納米材料的干燥、再分散以及控制自然保水量等領域。

圖1為USDA位于威斯康州麥迪遜的林產(chǎn)品實驗室中的納米纖維素晶體中試生產(chǎn)設備。

圖1 林產(chǎn)品實驗室中的納米纖維素晶體中試生產(chǎn)設備

1 跨越障礙：Agenda 2020路線圖

產(chǎn)品的研發(fā)者通常想要緊跟市場步伐，而并非跟隨研究步調(diào)。Agenda 2020技術聯(lián)盟已經(jīng)明確，挖掘纖維素納米材料的潛力在林產(chǎn)品工業(yè)中具有最重要的研究開發(fā)優(yōu)先權。該聯(lián)盟的職責是，確定制漿造紙行業(yè)中具有高優(yōu)先度的、預競爭階段中面臨的科技挑戰(zhàn)，促進科學研究和研發(fā)項目攻克該挑戰(zhàn)。該聯(lián)盟的目標是：減少水消耗，提高水的循環(huán)利用率；降低能耗，減少溫室氣體排放；提高生產(chǎn)工藝效率；提高原材料得率；研發(fā)新型生物質(zhì)產(chǎn)品。纖維素納米材料屬于新型生物質(zhì)材料。這些優(yōu)先目標和該聯(lián)盟成員公司的可持續(xù)發(fā)展目標以及國家優(yōu)先發(fā)展領域是非常吻合的。

該聯(lián)盟于2013年在5個研究領域組建了工作團隊，以確定在實現(xiàn)自身優(yōu)先目標過程中所遇到的技術障礙，并研究戰(zhàn)勝這些困難的路徑。2014年，該聯(lián)盟獲得美國國家標準和技術機構（NIST）提供的先進制造技術（AM技術）資助。該資助旨在開發(fā)能夠促進實現(xiàn)上述目標的深度技術路線圖。在該項資助下，Agenda 2020技術聯(lián)盟組織了大量研討會，并于近期公布了纖維素納米材料的研究路線圖，以及纖維素納米材料在其他技術領域的應用路線圖（圖2）。

2 策略

Agenda 2020技術聯(lián)盟纖維素納米材料工作團隊的策略是，雙管齊下地將預競爭階段針對當前障礙的科學研究應用到近期大規(guī)模的生產(chǎn)和應用中：（1）生產(chǎn)和（2）驅(qū)動商業(yè)應用的技術進步。針對生產(chǎn)環(huán)節(jié)，該團隊主要關注產(chǎn)品表征標準的研發(fā)以及理解并解決脫水和干燥工藝中遇到的問題，改善成本效益，使得纖維素納米材料在懸浮液中均勻地進行再分散，促進其在終端使用系統(tǒng)中的經(jīng)濟性。

當前，針對給定的纖維素納米材料的表征還停留在實驗室階段，許多因素都會導致纖維素納米材料的多變性，如木材種類、樹齡及生產(chǎn)方法。然而普遍能夠理解的定義尚未出現(xiàn)，這使得實驗及產(chǎn)品試驗的比較和重復變得困難。由于原材料供應鏈存在不確定性，市場難以開拓。

為使纖維素納米材料的應用變?yōu)榭赡?，Agenda 2020技術聯(lián)盟團隊關注的焦點是確定一種表面功能化的方法，以改善終端使用的復合材料中纖維素納米材料的分散性和可壓縮性。該工作團隊還決定為解決產(chǎn)品上市時所面臨的產(chǎn)品安全和管理問題奠定基礎。

圖2 纖維素納米材料的研究及應用路線圖

3 優(yōu)先研究課題

已經(jīng)確定的6個優(yōu)先研究課題是：

（1）開發(fā)可變的脫水方法；

（2）開發(fā)可變的纖維素納米材料干燥方法，該方法要能夠保留纖維素納米材料的特征，檢驗其成本有效性，并符合環(huán)境、安全與健康及可持續(xù)發(fā)展目標；

（3）通過攻克技術挑戰(zhàn)以及規(guī)模性、分散性及可壓縮性等問題，促進高體積纖維素納米材料復合物的商業(yè)化；

（4）開發(fā)纖維素納米材料及其復合物結構和機械性能的標準表征方法；

（5）為美國食品及藥品管理機構明確產(chǎn)品的大眾安全性（GRAS）制備應用產(chǎn)品，以表明產(chǎn)品的安全性，并促進纖維素納米材料在包裝行業(yè)及與食品接觸產(chǎn)品領域的應用；

（6）對纖維素納米材料生產(chǎn)進行生命周期-循環(huán)分析及應用路線分析。

4 研究路線的執(zhí)行

Agenda 2020路線圖將Agenda 2020技術聯(lián)盟由路線圖開發(fā)者轉(zhuǎn)變?yōu)槁肪€的實現(xiàn)者。2016年，Agenda 2020技術聯(lián)盟計劃尋求建議和鑒別并資助那些旨在解決高優(yōu)先度挑戰(zhàn)的項目，并且當資助機會出現(xiàn)時快速響應聯(lián)邦政府、州政府和非盈利機構的資助申請。

Agenda 2020技術聯(lián)盟不建議將該路線圖中列舉的項目代表所有在加速纖維素納米材料商業(yè)化進程中需要解決的挑戰(zhàn)。對于有影響的研究方法的其他想法，Agenda 2020技術聯(lián)盟持歡迎態(tài)度。

5 研究資助來源

能夠?qū)で蟮窖邪l(fā)前階段的資助嗎？以下是幾種可利用的資助來源。除此以外歡迎有更多的資助。

Agenda 2020技術聯(lián)盟的生產(chǎn)和供應商聯(lián)盟已經(jīng)承諾，將資助那些有實體公司支持的并有著良好研究基礎的科研項目。Agenda 2020技術聯(lián)盟的一些工作團隊已經(jīng)著手開展提案請求（RFPs）。這些提案請求正被展示給生產(chǎn)商投資者們，以確定對此感興趣的投資者。當有足夠多的公司支持這個商業(yè)案例時，RFPs將會被公布。

近些年來，USDA林務林產(chǎn)品實驗室3次追加纖維素納米材料相關研究和開發(fā)資助，旨在創(chuàng)造森林資源的商業(yè)需求。美國林業(yè)局將創(chuàng)造森林生物質(zhì)需求看作減少森林火災的一種策略，對森林生物質(zhì)的需求可以減少依靠森林提供燃料的程度，同時可以幫助支付森林植被恢復作業(yè)的費用。從2011年起，在USDA的年度撥款中該追加資助項目金額已經(jīng)達到約900萬美元。根據(jù)美國國家納米技術倡議（NNI）年度預算補充報告，自2011年以來，USDA林業(yè)局在纖維素納米材料研究領域共投資了2 810萬美元。這些資金資助了農(nóng)業(yè)產(chǎn)品實驗室、緬因州大學大學研究項目、工程研究項目中纖維素納米材料的生產(chǎn)設施，這些項目主要針對纖維素納米材料的商業(yè)生產(chǎn)。前不久，美國林產(chǎn)品實驗室宣布啟動第4輪資助，資助金額為155萬美元，用以支持下文所述的P3Nano公私合作項目。

美國國家基金針對林業(yè)和社區(qū)領域設計了一個名為P3Nano的開發(fā)纖維素納米材料的項目，將其作為一種為依賴森林的社區(qū)創(chuàng)造和保留工作的手段。P3Nano項目致力于將實驗室中的納米纖維素技術商業(yè)化。自2013年起，美國國家基金已經(jīng)在纖維素納米材料研究領域投資了約500萬美元，預期今年的投資額為250萬美元。

佐治亞理工學院可再生生物質(zhì)制品研究所（其前身為造紙科學與技術研究所）管理著一個致力于研究生研究和領導力發(fā)展的基金。該基金每年提供10名新生獎學金。在過去的幾年中，每年的研究資助項目中戰(zhàn)略性優(yōu)先項目之一即為纖維素納米材料相關的研究。自2010—2011學年起，可再生生物質(zhì)制品研究所基金已經(jīng)為纖維素納米材料相關研究生研究提供了約270萬美元資助，其中包括2016年4月20日宣布的3個獎學金。這個數(shù)額不包括佐治亞理工學院15個或者更多學院資助的其他領域的科研資金。

6 聯(lián)邦政府的額外資助

超強輕質(zhì)材料可減少運輸成本且節(jié)省能量，其研發(fā)工作在全美范圍內(nèi)引起關注，如果這些材料能由可再生的森林材料制備則是更佳方案。因此，Qak Ridge、國家可再生能源實驗室和其他國家實驗室、美國能源部生物能源技術辦公室，以及其他機構均已開展相關研究項目。

NNI已經(jīng)達成了一個簽署計劃，旨在促進纖維素納米材料的商業(yè)化進程。和美國國家標準和技術研究所一道，NNI已經(jīng)資助了許多技術會議和研討會，尤其在纖維素納米材料計量和表征方面。

USDA的國家食品與農(nóng)業(yè)研究所（NIFA），憑借各種富有競爭力的配套資助項目，通過提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和生物多樣性，支持某些和食品安全相關的納米級科學和納米技術；改善飼料的營養(yǎng)價值，提供更有效的療法，顯著影響動物的健康狀況；增強食品安全和物種安全；增加對自然資源、環(huán)境以及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的保護。在2015年，NIFA宣布資助納米級科學和納米技術項目，資助金額為1 350萬美元。

建立一個專注于纖維素納米材料領域的生產(chǎn)創(chuàng)新機構可能引起了相關方的興趣。這樣一個政府中心將會提供協(xié)調(diào)機制和幫助，以減少纖維素納米材料的商業(yè)化風險，加速技術向市場轉(zhuǎn)化，促進供應鏈創(chuàng)新。

7 纖維素納米材料的研究進展

目前相關纖維素納米材料的研究和Agenda 2020技術聯(lián)盟主張的優(yōu)先研究課題相吻合：

（1）加拿大林產(chǎn)品創(chuàng)新研究院的Beck和Bouchard探究了離子強度和黏度之間的關系，這對許多應用來說都很重要；

（2）Chauve等人研究了表面化學對熱穩(wěn)定性的影響和保留其他材料性能的方法步驟；

（3）Hellstr?m及其共同作者比較了在高壓均質(zhì)機中制備微纖化纖維素的預處理方法，確定了一種低能耗的方法；

（4）緬因州大學和GL&V公司的Johnson及其共同作者，記錄了不同水平的CNF添加量對紙張強度、表面性能及紙機可運行性的影響；

（5） Shatkin，Wegner和 Goergen（分別來自 Vireo Advisors，美國林業(yè)局森林產(chǎn)品實驗室和P3Nano項目部）描述了開發(fā)纖維素納米材料相關材料安全數(shù)據(jù)冊的信息需求評價；

（6）Schenker及其同事解決了羧甲基纖維素和微纖化纖維素原材料流變性能與不同復合物之間的聯(lián)系和影響，以及產(chǎn)生功能性相互作用的可能性；

（7）Wang和Zhu報道了納米纖維素纖維（CNF）懸浮液的透明度與微纖化之間的關系。他們發(fā)現(xiàn)，隨著研磨時間縮短，CNF薄膜的抗張強度和楊氏模量增大。

8 不斷前進

為加速纖維素納米材料的商業(yè)化進程，應當解決涉及生產(chǎn)工藝優(yōu)化以及技術發(fā)展的相關問題，以在尖端應用領域中最大化利用纖維素納米材料的獨特性能和特征。Agenda 2020技術聯(lián)盟已經(jīng)確定了其優(yōu)先研發(fā)的領域。同時，在當前市場以及新興市場條件下，有必要將研發(fā)人員和生產(chǎn)廠家聯(lián)系起來，以充分地發(fā)揮市場拉動作用。當前政府和社會資本合作關系的培育以及新型合作關系的形成將有助于傳播相關理念，并強化針對生產(chǎn)和市場的重要研究。誰會倡導那些對先進的、多功能、可持續(xù)、可再生及可循環(huán)的原料有需求的人們使用纖維素納米材料呢？工業(yè)界的營銷和通信部門可以提供幫助。商業(yè)成功需要借助一個廣泛的、有目的的營銷運動來拉近希望與市場之間的差距。

（申正會 編譯）