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納米纖維素有望成為下一代新材料，性能優異的它還有何發展難點

文章來源：賢集網更新時間：2023-03-13 15:13:55

近年來，隨著環保監管日益嚴格，以及相關生產技術進步，納米纖維素憑借其良好的機械強度、尺寸穩定性、生物可降解性以及抗沖擊性,在緩沖材料、水處理、醫藥載體、包裝、紡織、復合材料等多個領域展現出良好應用前景。

何為納米纖維素？

納米纖維素是通過天然纖維素分離得到的直徑小于 100nm 的纖維聚集體，是從木材、甘蔗渣、稻殼、秸稈、棉花等可再生植物中獲得的一種神奇材料。納米纖維素纖維的直徑可達2-5納米級別，一旦發生碰撞，納米纖維會形成一體，強度是鋼材的5倍。納米纖維素與樹脂等容易復合，可以大幅提升樹脂的耐沖擊強度和耐熱性。

纖維素是自然界分布最廣、含量最多的一種葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水及一般有機溶液，是植物細胞壁的主要成分。而納米纖維素是指纖維直徑在納米級的纖維素，通過化學、物理、生物或者幾者結合的手段從天然纖維原纖維分離得到的直徑是小于 100nm，長度可以達到微米的纖維聚集體，可再生、可自然分解、化學性能穩定。

目前，國家大力發展生物降解塑料，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不但價格高，而且供應量有限。另外，生物塑料PBAT的耐熱性和強度較低，難以滿足更廣范圍的使用要求。

納米纖維素引入降解塑料，破局降解塑料產業發展瓶頸。首先，納米纖維素來源于可再生植物，具備生物降解功能，成本低，可持續供應，低碳環保；再者，納米纖維素強度高，在降解塑料中可以顯著提升降解塑料的強度和耐熱性。納米纖維素在降解塑料的潛能正在被逐步挖掘，并發揮越來越大的價值。

日本對納米纖維素在降解塑料的應用已非常完善。如日本綠色科學聯盟有限公司的Ryohei Mori博士利用納米纖維素-聚乳制作了各種刀、叉、勺子。

納米纖維素具有塑料的特性，同時具有木纖維的特性，可以參考木漿造紙的工藝制備納米纖維素薄膜。納米纖維素膜具有良好的機械性能和阻隔性能。

應用領域廣泛

納米纖維素不僅具有天然纖維素可再生、可生物降解等特性，還具有大比表面積、高親水性、高透明性、高強度、高楊氏模量、低熱膨脹系數等優點，為其形成各種功能性復合材料提供了可能，其在造紙、涂料、可降解材料、復合材料、電子產品、醫藥等領域具有廣闊的應用前景。

在造紙應用領域，納米纖維素原料來源于紙漿纖維素，在紙基功能材料應用中具有天然的相容性優勢，可替代或降低化工助劑的用量，使造紙體系更加清潔環保。更重要的是，其可提高紙基功能材料的附加值，提高紙張強度、降低打漿能耗、提高細小纖維及填料留著，甚至賦予紙產品其他特殊性能，拓展終端應用領域。我認為，這也是最具有應用潛力的一個方向。

在全降解材料領域，近年來白色污染問題日益嚴重，自然環境與生物健康都受到嚴重威脅。如何解決塑料垃圾問題越來越受到世界各國的重視。生物基全降解材料是當今全球最具增長性的潛在領域之一，也是解決“白色污染”的有效手段。但現有生物基材塑料產品性能不及傳統塑料制品，在很多領域尚無法與傳統塑料相媲美，且價格居高不下，導致老百姓用不起；更重要的是，我國生物質材料基礎研究和高性能材料研發滯后，成為制約領域發展的主要因素。納米纖維素是有望解決這些“卡脖子”技術難題的關鍵材料之一，將納米纖維素應用于全降解復合材料中，不僅可以增強復合材料的機械強度性能，從而增加價格低廉生物質組分用量（如淀粉、木質素）來降低成本，同時可提高材料的熱穩定性能，調節全降解復合材料的降解周期。

除此之外，涂料也是納米纖維素的一大主要應用領域，納米纖維素具有增稠、穩定、增強等優異性能，尤其可適用于較寬溫度及 pH、鹽濃度范圍，可作為優異的流變改性助劑用于涂料、水泥、油田采油等領域。

纖維素是地球上取之不盡用之不竭的生物質可再生資源，存在于木材、毛竹、棉花、秸稈、蘆葦、麻、桑皮等植物資源的細胞壁中，是自然界中儲量最為豐富的天然高分子材料。相比于人工合成高分子，纖維素來源廣泛，具有低成本、可再生、無毒、無污染、易于改性及可生物降解等優點，被認為是未來世界能源和化工的主要原料之一。將纖維素的尺寸縮減至100納米以下，即稱為納米纖維素。

納米纖維素制備工藝眾多，如生物法、化學法、機械法等，單一的制備技術通常存在污染大、成本高、濃度低等問題，綠色、低成本制備是當前全球的努力方向。據悉，生物、化學、物理等學科技術相結合的方法是綠色制備的重要手段，但目前尚處初級階段。國內納米纖維素的制備相對于國外產業化還有較大差距，尤其是綠色化制備關鍵技術亟需突破。

全球的市場需求及產能情況

納米纖維素具有輕質高強、高比表面積、極低的熱膨脹系數、優異的耐候性、良好的生物相容性和可降解性等特點，可廣泛應用于諸多領域：

1.樹脂復合材料，如汽車輕量化高強度零部件材料，全降解材料，提高樹脂材料強度性能；

2.造紙，通過對紙和紙板的增強和留著，可明顯節省纖維原料的使用；

3.涂料、水泥等，能改善涂料水泥的流變性、穩定性和強度性能；

4.化妝品及個人護理用品，具有優異的保水、成膜、導入和改善流變性等功能，且純天然，無刺激；

5.過濾分離，具有超高比表面積及均勻的孔隙率，能夠有效實現過濾及分離；

6.綠色可降解阻隔包裝材料，能延長食品保質期，替代現有不可降解石油基塑料；

7.生物醫藥，可作為藥物活性成分的載體及緩釋材料；

8.食品添加劑，增稠、有效保護食品的質地及口感等。

納米纖維素的產能，據報道多數研發單位約1000-2000Kg/d(絕干)，產業化應用方面還有待突破。

納米纖維素市場潛力巨大。據美國農業部林業局（USDA）預測：納米纖維素美國市場潛力為640萬噸，全球市場潛力為3500萬噸，美國加工公司（API）預計：納米纖維素發展趨勢與塑料類似（見圖1），2045年能實現USDA的預期目標。

納米纖維素發展趨勢

行業發展難點

由于納米纖維素的制備成本較高，限制了其在一些領域的應用；此外，納米纖維素應用是一個系統工程，研發端需要多學科交叉，多技術的集成，同時需要與市場緊密結合，缺失任一環節都可能導致失敗。一些關鍵技術還需要攻關，如納米纖維素分散技術，改性技術及及工程應用技術等。

納米纖維素的產業化瓶頸是很多的，除了制備瓶頸以外，還有產業化一些專用設備的瓶頸等。另外，在造紙行業的應用，應用技術和裝備也非常重要的。產業化過程就像一條鏈條，這條鏈條環環相扣，缺哪一個環節都會導致脫節失敗。

近年來，納米纖維素的商業化生產已從小型實驗室規模逐漸發展到每天噸級工業化示范規模。但是仍存在綠色制備關鍵技術難突破、制備成本高、環境處理壓力大、后續應用需求不匹配等瓶頸制約問題等，從而導致納米纖維素的產業化進程受阻。

國內在納米纖維素研究也十分活躍，但許多產業化關鍵技術方面尚未突破，納米纖維素的規模化制備方面較國外發達國家還有一定的差距。產業化應用的深度和廣度也有一定差距。

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