纖維素納米晶體的制備及性能

饒澤通 劉慰 張?bào)銉x 劉丹 劉瑩 李子江, 張潔 李婉 司傳領(lǐng),

（1.天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)造紙學(xué)院，天津300457；2.天津尖峰天然產(chǎn)物研究公司，天津300457； 3.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南250103 4.四川電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，成都610041）

纖維素是地球上最豐富的天然聚合物之一，是各種植物細(xì)胞壁的重要組成成分(圖1)。除了植物，纖維素還廣泛存在于各類(lèi)生物中，如藻類(lèi)、真菌、細(xì)菌；甚至在一些海洋動(dòng)物中也有發(fā)現(xiàn)， 如被囊動(dòng)物[1]。 纖維素是一種具有纖維性、韌性和不溶于水等性質(zhì)的聚合物，在支撐植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)方面起著重要作用。此外，纖維素還是一種具有可生物降解性、 生物相容性和可再生性的天然聚合物， 因此被認(rèn)為是不可降解化石燃料聚合物的理想替代品。

圖1 植物細(xì)胞壁纖維素基本結(jié)構(gòu)

納米纖維素可以從棉花、木材、被囊類(lèi)、麥秸或苧麻中獲得，其種類(lèi)取決于加工條件：纖維素納米晶體(cellulose nanocrystals, CNCs)由纖維素經(jīng)化學(xué)處理后獲得；纖維素納米纖維(cellulose nanofibers, CNFs)由機(jī)械或化學(xué)方法處理纖維素后獲得[2]。CNCs由纖維素的結(jié)晶區(qū)組成，呈晶體結(jié)構(gòu)。 這些納米晶體也被稱(chēng)為晶須、納米顆粒、納米纖維、微晶等，但是被最廣泛接受的術(shù)語(yǔ)是纖維素納米晶體。天然形成的纖維素微纖絲由高度有序的晶體區(qū)和一些不規(guī)則的非晶區(qū)組成。當(dāng)這些微纖絲受到機(jī)械、化學(xué)或酶處理時(shí)，纖維素微纖絲的結(jié)晶區(qū)被提取出來(lái)，從而形成CNCs[3]。CNCs由精細(xì)的紙漿纖維經(jīng)酸水解過(guò)程產(chǎn)生，酸水解過(guò)程破壞了纖維素分子內(nèi)的氫鍵， 切斷了纖維的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生晶界清晰的晶棒（圖2）。 與具有較大非晶區(qū)組分的纖維素相比， 這些CNCs具有較高的強(qiáng)度、模量、比表面積和獨(dú)特的液晶性能。 隨著納米技術(shù)的發(fā)展，纖維素以一種新的形式在新型生物納米復(fù)合材料領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)方向上受到越來(lái)越多的關(guān)注[4]。

圖2 不同纖維形態(tài)電鏡圖[2]

1 CNCs的制備

CNCs的制備方法可分為物理法、化學(xué)法、酶解法等。 其中，物理法可采用高壓均質(zhì)化、高強(qiáng)度超聲處理、微流化技術(shù)、低溫處理等工藝提取纖維素微纖維。機(jī)械處理過(guò)程產(chǎn)生足夠的剪切力使纖維素纖維沿縱軸斷裂，進(jìn)而從纖維素中提取到纖維素微纖維[5]。纖維素微纖維呈直鏈排布， 可看作是由非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)沿微纖維方向連接而成的纖維素晶體。 化學(xué)法多為強(qiáng)酸水解， 強(qiáng)酸水解通常用于去除沿微纖維方向規(guī)則分布的非晶區(qū)。 強(qiáng)酸可滲透到纖維素微纖維的非晶區(qū)并破壞其結(jié)構(gòu)使之?dāng)嗔阉猓?而結(jié)晶區(qū)不受影響。 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明， 化學(xué)法提取纖維素微纖維中的CNCs優(yōu)于機(jī)械法，化學(xué)法既降低了能耗，又能產(chǎn)生短棒狀CNCs，提高結(jié)晶度[6]。

1.1 無(wú)機(jī)酸水解法

無(wú)機(jī)酸水解法是制備CNCs最常用的方法。 無(wú)機(jī)酸水解法制備CNCs的原料來(lái)源廣泛， 如油棕櫚樹(shù)[7]、番茄皮[8]、稻殼[9]、廢棉布[10]等都可用于CNCs的制備。 無(wú)機(jī)酸水解法制備CNCs的機(jī)理是無(wú)機(jī)酸的氫離子能有效地作用于纖維素的1-4-β 苷鍵使非結(jié)晶區(qū)水解， 而纖維素的結(jié)晶區(qū)因結(jié)構(gòu)致密使得酸難以滲透而得以保留。

常用的無(wú)機(jī)酸包括硫酸(H2SO4)[11]、鹽酸(HCl)[12]、磷酸(H3PO4)[13]、氫溴酸(HBr)[14]及其一定比例的混合酸[15]。 H2SO4是最常用的無(wú)機(jī)酸，其能在纖維素表面產(chǎn)生負(fù)電荷， 從而使水解過(guò)程中的纖維懸浮液更加穩(wěn)定。通常情況下，水解過(guò)程中的H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～65%，反應(yīng)溫度為40～50 ℃，反應(yīng)時(shí)間為30～60 min，但由于過(guò)度水解，CNCs的得率很低(＜30%)。

Fan 等[16]優(yōu)化了以棉漿為原料的H2SO4水解條件，CNCs得率達(dá)到63.8%。 Chen 等[11]在H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%、溫度為56℃的條件下浸泡原料210 min，CNCs的得率為75.6%。 實(shí)驗(yàn)表明， 通過(guò)降低H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)和延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間可顯著地提高CNCs得率。 H2SO4水解法制備的CNCs熱穩(wěn)定性較差，可通過(guò)NaOH 中和以提高CNCs的熱穩(wěn)定性。 控制反應(yīng)條件也可改變CNCs的形狀。 H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.5%時(shí)在超聲波條件下攪拌原料3 h，可得到平均尺寸為35 nm 的球型CNCs[17]。 Zianor 等[18]也報(bào)道了關(guān)于制備球形CNCs的類(lèi)似條件： 在原料中加入質(zhì)量濃度640 g/L 的H2SO4溶液， 在45 ℃下超聲水浴2 h，進(jìn)行CNCs的制備反應(yīng)，該反應(yīng)提取到平均直徑為30～40 nm 的球形CNCs。

HCl 也常用于制備CNCs。 雖然采用HCl 制備的CNCs由于表面電荷少而容易在水中發(fā)生絮凝，但采用HCl 制備的CNCs的熱穩(wěn)定性強(qiáng)于H2SO4。Yu 等[12]在加熱條件下利用HCl 處理纖維素原料， 所得CNCs的結(jié)晶度為88.6%，得率為93.7 %。 最高降解溫度為363.9 ℃。

H3PO4屬于中強(qiáng)酸（pKa=2.12），可用于制備具有熱穩(wěn)定性和懸浮穩(wěn)定性的CNCs。 Lu 等[13]報(bào)道了一種制備CNCs的機(jī)械化學(xué)方法。 其采用H3PO4對(duì)竹纖維素紙漿進(jìn)行了化學(xué)處理。 反應(yīng)過(guò)程中纖維素I 的結(jié)晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素II 的結(jié)晶結(jié)構(gòu)， 結(jié)晶度指數(shù)從66.44%下降到59.62%。 最后得到長(zhǎng)度為100～200 nm、寬度為15～30 nm 的CNCs。

Sucaldito 等[14]利用HBr 水解淡水綠藻，得到高結(jié)晶CNCs（結(jié)晶度指數(shù)為94.0%），平均直徑為（20.0±4.4） nm，分解溫度達(dá)到381.6 ℃。 Zhang 等[15]報(bào)道了利用MCC 超聲輔助混合酸體系制備CNCs的方法。 混合酸體系是硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%）、鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%）和水的混合物，體積比為3∶1∶6，在80 ℃下超聲加熱8 h， 制備的CNCs的粒徑在60～570 nm 范圍內(nèi)。

Tang 等[19]以一種陽(yáng)離子交換樹(shù)脂水解法制備CNCs。此方法采用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(NKC-9)水解微晶纖維素(microcrystalline cellulose，MCC)，以1∶10 的比例在48 ℃下反應(yīng)189 min 可獲得最佳產(chǎn)率(50.04%)。制備的CNCs直徑約為10～40 nm， 長(zhǎng)度為100～400 nm。 樹(shù)脂CNC 的結(jié)晶度高于硫酸CNC。 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂具有可回收性，是制備CNC 的一種比較有前景的方法。

Liu 等[20]以漂白硬木漿為原料，用磷鎢酸(HPW)催化水解制備CNCs。 用質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%的磷鎢酸在90 ℃的條件下處理纖維素原料30 h， 制得直徑為15～40 nm 的CNCs， 該方法制備的CNCs具有較高的熱穩(wěn)定性和水相分散性。Torlopov 等[21]還報(bào)道了一種利用磷鎢酸/醋酸體系破壞棉花纖維素的CNCs制備工藝。該方法制備的CNCs具有高度結(jié)晶結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的礦物酸水解法相比， 固體酸水解法的條件溫和，對(duì)設(shè)備和固體的腐蝕性低，酸可以循環(huán)利用，而且CNCs的產(chǎn)量較高。

無(wú)機(jī)酸水解法生產(chǎn)CNCs的方法簡(jiǎn)單有效，且生產(chǎn)規(guī)模相對(duì)較大。 然而， 這種方法仍然存在一些缺點(diǎn)，例如設(shè)備腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重，導(dǎo)致企業(yè)對(duì)生產(chǎn)成本難以承受。 此外， 酸水解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢酸等污染物，很難處理和回收。 因此，開(kāi)發(fā)綠色、低成本的CNCs生產(chǎn)技術(shù)是非常必要的。

1.2 酶解法

纖維素酶是一種多組分酶系由多種酶構(gòu)成，包括葡萄糖內(nèi)切酶(EG)、纖維二糖水解酶(CBH)、β-葡萄糖苷酶(GB)的各組分對(duì)纖維素的作用機(jī)理為：各種酶主要作用于纖維素的無(wú)定形區(qū)域， 隨機(jī)水解β-1,4-苷鍵導(dǎo)致長(zhǎng)鏈纖維素分子截成短鏈纖維素分子；CBH 主要作用于線(xiàn)狀纖維素分子的末端，破壞纖維素的結(jié)晶區(qū)；GB 用于將纖維素水解成葡萄糖。 在采用酶解法制備CNCs時(shí)， 應(yīng)盡量避免CBH 對(duì)纖維素結(jié)晶面積的破壞。因此，纖維素酶的三種組分應(yīng)相互分離。EG 用于水解纖維素的非晶態(tài)區(qū)域，以保留了更多的晶態(tài)區(qū)域。

Filson 等[22]成功地利用內(nèi)葡聚糖酶酶解回收紙漿制備CNCs。 當(dāng)EG 增加到420 EGU/g 時(shí)，利用微波加熱，在反應(yīng)溫度為50 ℃的條件下加熱60 min，制得CNCs的直徑為30～80 nm，長(zhǎng)度為100 nm～1.8 μm，其得率為38.2%，平均電動(dòng)電勢(shì)是-31.37 mV。 Chen等[23]通過(guò)紙漿纖維的酶解法制備了球形CNCs。研究表明：酶解紙漿纖維可得到直徑約30 nm 的CNCs，且具有良好的分散性和均勻性。 當(dāng)酶解的復(fù)合酶濃度為20 U/mL （纖維素酶與木聚糖酶質(zhì)量比為9∶1）時(shí)，CNCs的產(chǎn)率達(dá)到13.6%。 Meyabadi 等[24]也報(bào)道了以廢棉為原料，輔以超聲合成CNCs的酶解方法。獲得的CNC 直徑小于100 nm。

總的來(lái)說(shuō)，與礦物酸水解相比，雖然酶解法制備CNCs的工藝實(shí)驗(yàn)條件苛刻，CNCs收率低， 反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，但對(duì)環(huán)境友好。纖維素原料的酶解是工業(yè)化生產(chǎn)CNCs的重要途徑， 因此進(jìn)一步研究高效的酶解工藝勢(shì)在必行。

2 CNCs的性質(zhì)

2.1 幾何尺寸

CNCs的幾何尺寸(如長(zhǎng)度、寬度、長(zhǎng)寬比等)隨原料的來(lái)源和酸水解條件(如時(shí)間、溫度、濃度等)變化而變化。CNCs的尺寸因原料不同而相差較大。不同來(lái)源和制備方法所得的CNCs尺寸見(jiàn)表1。

表1 不同來(lái)源和制備方法所得的CNCs尺寸

CNCs的平均長(zhǎng)度在幾十納米到幾微米之間，而寬度可以在幾納米到幾十納米之間。據(jù)報(bào)道，從木材中獲得的CNCs寬度為3～5 nm， 長(zhǎng)度為100～300 nm[25]。從棉花中獲得的CNCs寬度為5～10 nm， 長(zhǎng)度為100～150 nm， 采用苧麻制備得到的CNCs長(zhǎng)度為70～200 nm，寬度為5～15 nm[26～27]。采用劍麻制備所得的CNCs長(zhǎng)度為100～300 nm， 寬度為3～5 nm[28]。Valonia 等[29]用海藻制備所得的CNCs寬度在20 nm范圍內(nèi)，長(zhǎng)度為1 000～2 000 nm，而用被囊類(lèi)原料制備得到的CNCs寬度為10～20nm， 長(zhǎng)度為500～2000nm。硫酸和鹽酸是水解過(guò)程中最常用的酸。 用HCl 水解細(xì)菌纖維素得到的CNCs，其寬度和長(zhǎng)度分別為10～20 nm 和100～300 nm，而用H2SO4水解得到的細(xì)菌CNCs具有較高的長(zhǎng)寬比[30-31]。 CNCs的幾何長(zhǎng)寬比即長(zhǎng)徑比(L/D)，是確定CNCs加固能力的重要參數(shù)。長(zhǎng)寬比高的CNCs一般具有較好的加固能力。 長(zhǎng)寬比對(duì)納米復(fù)合材料的力學(xué)性能以及滲濾網(wǎng)絡(luò)的形成也起著重要作用。 不同的酸對(duì)CNCs的分散性和膠體穩(wěn)定性也有顯著影響。 硫酸水解生成的CNCs表面含有大量帶負(fù)電荷的硫酸鹽酯基， 容易分散在水中，而鹽酸水解生成的CNCs溶液膠體穩(wěn)定性較差。

2.2 機(jī)械性能

CNCs還具有其他優(yōu)異特性：比表面積大（250～500 m2/g）；機(jī)械強(qiáng)度高(抗拉強(qiáng)度7 500 MPa，楊氏模量100～140 GPa)[32]。 極高的楊氏模量是CNCs的一個(gè)很有吸引力的特性。由于多軸納米材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得對(duì)其力學(xué)性能的測(cè)量變得復(fù)雜， 從而對(duì)CNCs拉伸模量和強(qiáng)度大小的測(cè)定產(chǎn)生極大的挑戰(zhàn)性。 此外，各向異性、納米晶缺陷、結(jié)晶度百分比、樣品尺寸等不同因素也會(huì)影響結(jié)果。 但仍可利用原子力顯微鏡(AFM)、X 射線(xiàn)衍射分析、非彈性X 射線(xiàn)散射、拉曼散射等理論計(jì)算和間接實(shí)驗(yàn)來(lái)計(jì)算CNCs的彈性性能[33]。 研究人員采用原子力顯微鏡測(cè)定被囊類(lèi)原料獲得的CNCs的彈性模量， 測(cè)得加工中心的彈性模量為150 GPa[34]。 Lahiji 等[35]通過(guò)建立理論回歸線(xiàn)性方程進(jìn)行理論計(jì)算， 再利用原子力顯微鏡測(cè)定CNCs的橫向彈性模量。測(cè)量結(jié)果表明單個(gè)CNCs的橫向彈性模量在18～50 GPa 范圍內(nèi)。

2.3 液晶性能

CNCs的液晶相具有手性向列型結(jié)構(gòu)(chiralnematic ordering)，在偏光顯微鏡下可以觀(guān)察到“指紋”現(xiàn)象，因此可以認(rèn)為CNCs的液晶相為手性向列型液晶[36]。 手性向列型液晶又稱(chēng)膽甾型液晶(cholesteric liquid crystal)，是一種比較簡(jiǎn)單的液晶相結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，“棒狀” 的CNCs顆粒成層狀排列，層內(nèi)顆粒相互平行， 而各層之間顆粒的長(zhǎng)軸逐漸向著一個(gè)方向(向左或向右)扭轉(zhuǎn)，形成螺旋結(jié)構(gòu)。 也有研究認(rèn)為CNCs液晶相的手性向列特性還來(lái)源于其“棒狀”顆粒自身的螺旋扭轉(zhuǎn)。 比較有趣的是，在干燥之后，CNCs液晶相的這種手性向列結(jié)構(gòu)在固體狀態(tài)下可以被比較完好地保留下來(lái)，形成顏色各異的CNCs膜材料，在工業(yè)催化、包裝防偽等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。酸的種類(lèi)也會(huì)影響液晶相的性質(zhì)。硫酸水解得到的CNCs表面帶有大量負(fù)電荷，可使其在水中均勻分散[37]。 高度磺化的CNCs由于靜電斥力的作用可以減弱CNCs之間的相互作用， 從而使其容易分散，這就促進(jìn)了可溶性CNCs的發(fā)展。硫酸和磷酸水解的CNCs通常具有手性向列型液晶相結(jié)構(gòu)，而鹽酸制備CNCs經(jīng)過(guò)磺化后會(huì)產(chǎn)生雙折射液晶相結(jié)構(gòu)。

圖3 手性相列型液晶相結(jié)構(gòu)[38]

2.4 表面化學(xué)性能

CNCs具有纖維素或多糖的化學(xué)性能。 由于CNCs的大多數(shù)分子鏈都在結(jié)晶區(qū)內(nèi)，因此與非晶纖維素鏈相比，CNCs的反應(yīng)性較差。 組成CNCs的纖維素單體中的葡萄糖單元具有3 個(gè)羥基， 為化學(xué)修飾提供了良好的結(jié)合位點(diǎn)。 CNCs表面除了含有豐富的羥基外，還可能含有其他類(lèi)型的官能團(tuán)，這些官能團(tuán)與CNCs的制備加工條件有關(guān)。 常見(jiàn)官能團(tuán)有硫酸鹽基(—OSO3)和羧基(—COOH)。 伴隨其他的水解反應(yīng)，醛基(—CHO)、氨基(—NH2)或硫醇基(—SH)也可能被引入CNCs表面[39]。 通過(guò)在其表面引入某一基團(tuán)，可以改善CNCs的化學(xué)性能。根據(jù)表面官能團(tuán)的不同，CNCs呈現(xiàn)出不同的電荷特性。 常用的CNCs表面功能化反應(yīng)有酯化、醚化、氧化、酰胺化、氨基化、親核取代、硅酰化、聚合物接枝等[40]。功能化反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)在于可以在CNCs表面引入負(fù)電荷或正電荷，從而保證最終在各類(lèi)溶劑/聚合物中都有良好的分散性。例如對(duì)CNCs進(jìn)行季銨鹽基改性，可以使其表面具有永久性的陽(yáng)離子電荷。 表面帶有硫酸鹽或羧基的CNCs在各種pH 條件下均帶負(fù)電荷，而表面帶有氨基的CNCs在弱堿性條件下均帶正電荷。通過(guò)表面改性還有助于調(diào)整CNCs的表面能量特性，以提高相容性，特別是在與非極性或疏水性聚合物基質(zhì)一起使用時(shí)有良好的效果。 酯化反應(yīng)是使CNCs表面的羥基轉(zhuǎn)化為酯基。 其中，硫化和磷酸化是纖維素常用的酯化反應(yīng)。 醚化是另一種重要的化學(xué)修飾， 最常用的方法是用氯化三甲基銨或其衍生物對(duì)CNCs表面進(jìn)行陽(yáng)離子化[41]。

2.5 流變特性

CNCs在水中通過(guò)氫鍵相互作用， 形成了穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)結(jié)構(gòu)能， 具有膠體的性質(zhì)。 在外力的作用下， 這種結(jié)構(gòu)水懸浮液由于強(qiáng)大的剪切力作用能夠形成穩(wěn)定的膠狀液體。 與典型的膠體體系一樣，納米纖維素的大小、形狀和高表面積都會(huì)影響其在水介質(zhì)中的性質(zhì)，如懸浮體的光學(xué)特性、穩(wěn)定性和流變性。 在相對(duì)較高的濃度下， 纖維素納米晶體自組裝成手性向列相液晶相。 CNCs的流變特性表明了液晶的形成，它們由自組織結(jié)構(gòu)組成，具有流體性質(zhì)，例如流動(dòng)能力。 CNCs分散體的黏度和模量隨濃度和兩個(gè)臨界值 （重疊和凝膠濃度） 急劇增加。CNCs的分散性依賴(lài)于晶體的長(zhǎng)寬比。 納米纖維素在水分散體中的存在所產(chǎn)生的增稠效應(yīng)歸因于纖維素鏈的纏結(jié)， 從而形成網(wǎng)絡(luò)。 高頻流變性能由流體動(dòng)力控制， 而CNCs粒子間的范德華力相互作用導(dǎo)致低頻流動(dòng)[42]。

2.6 熱降解性能

CNCs作為增強(qiáng)填料在高分子復(fù)合材料中的應(yīng)用，因其可再生的特性和較高的力學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。CNCs的熱降解性能使得CNCs具有熱穩(wěn)定性，穩(wěn)定性能越高，耐高溫能力越強(qiáng)。 熱穩(wěn)定性對(duì)具體應(yīng)用有重要影響，特別是對(duì)熱塑性塑料(加工溫度經(jīng)常超過(guò)200 ℃)，為保證在成型的過(guò)程中不至于因高溫而產(chǎn)生分解和變形現(xiàn)象，CNCs必須要達(dá)到足夠的熱穩(wěn)定性。CNCs的熱穩(wěn)定性主要受兩個(gè)方面影響：一是化學(xué)組成，由于自身攜帶大量磺酸基， 受官能團(tuán)影響，CNCs熱穩(wěn)定性普遍不高，所以在成型過(guò)程中為保證機(jī)械性能，需保證成型溫度始終低于它的耐受溫度；二是物理特征，其中包括尺寸，比表面積，聚合度以及堆積形式等[42]。

2.7 結(jié)晶度

CNCs的結(jié)晶度能夠顯著影響自身的機(jī)械性能。高度結(jié)晶的CNCs楊氏模量較高，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)性能遭到削弱。 除了原料本身的結(jié)晶度會(huì)對(duì)CNCs的結(jié)晶度產(chǎn)生影響外， 水解程度也會(huì)影響CNCs的結(jié)晶度，在制備過(guò)程中纖維素的無(wú)定形區(qū)很大一部分會(huì)與酸發(fā)生水解反應(yīng)，最終被除去，這時(shí)CNCs的結(jié)晶度較起初會(huì)有大幅度提升，水解程度進(jìn)行地越深，最后得到的CNCs結(jié)晶程度越高[43-47]。

3 總結(jié)

CNCs因具有可再生性、可持續(xù)性、無(wú)毒性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)在眾多納米結(jié)構(gòu)材料中具有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。新興工業(yè)對(duì)CNCs提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更高的產(chǎn)量和質(zhì)量。目前，對(duì)CNCs的研究大多集中在形態(tài)學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和液晶特性的表征上；而在不影響其固有性能的前提下， 對(duì)CNCs表面進(jìn)行改性將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。 在聚合物納米復(fù)合材料體系中， 如何使CNCs在聚合物基質(zhì)中均勻分散和分布仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。 為了有效地將CNCs聚合到不同的聚合物上， 對(duì)其表面其進(jìn)行化學(xué)改性很有必要。 對(duì)CNCs進(jìn)行表面改性這一領(lǐng)域的創(chuàng)新將帶來(lái)更多高性能、多功能化的納米材料，這將使CNCs具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景，如高性能生物降解材料、電子科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、藥物遞送、催化劑等。