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納米纖維素“四十年磨一劍”，新方法實(shí)現(xiàn)綠色噸級(jí)規(guī)模化生產(chǎn)
文章來(lái)源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-03-15 16:18:16
日前，東北林業(yè)大學(xué)于海鵬教授和團(tuán)隊(duì)提出一種羧基化纖維素納米纖維的制備新方法解決了此前這種納米纖維素難以實(shí)現(xiàn)低成本、規(guī)模化、可持續(xù)制備的難題，有助于實(shí)現(xiàn)納米纖維素的綠色規(guī)模化生產(chǎn)。



據(jù)介紹，這種方法可以保留天然結(jié)構(gòu)的纖維素納米纖維，所制備的纖維素納米纖維不僅具有超細(xì)的直徑、高長(zhǎng)徑比和豐富的羧基，而且繼承了纖維素的天然優(yōu)秀屬性。



1、納米纖維素“四十年風(fēng)雨路”



眾所周知，當(dāng)今社會(huì)面臨著化石資源的枯竭、以及對(duì)于碳中和的要求。解決途徑之一：便是將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為高附加值的生物基材料、能源和化學(xué)品等高附加值產(chǎn)品。



納米纖維素，廣泛存在于各類(lèi)植物比如木材、竹、棉、麻、秸稈、麥草、蘆葦、紙漿中，是植物纖維素組分的一種纖絲表現(xiàn)形式。因其直徑尺寸通常在 100nm 以?xún)?nèi)，固被稱(chēng)為“納米纖維素”。







納米纖維素的分子結(jié)構(gòu)、幾何形狀、化學(xué)特性、物理力學(xué)特性和生物學(xué)特性都極具特點(diǎn)，并已實(shí)現(xiàn)廣泛的用途。



早在 1983 年，學(xué)界就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中獲得了納米纖維素，但直到 2004 年后人們才開(kāi)始密集研究這一領(lǐng)域，2012 年后形成全球范圍內(nèi)的研究熱潮并保持至今。



近年來(lái)，學(xué)界開(kāi)發(fā)了許多制備方法，包括化學(xué)法、機(jī)械法、生物法、混合法。



從制備效果和普及度而言，強(qiáng)酸水解法、TEMPO（2,2,6,6-Tetramethylpiperidoxyl，2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物）氧化法、化學(xué)-機(jī)械法最具代表性。



強(qiáng)酸水解法，主要用來(lái)生產(chǎn)長(zhǎng)徑比相對(duì)較小的纖維素納米晶。化學(xué)-機(jī)械法，主要用來(lái)生產(chǎn)長(zhǎng)徑比相對(duì)較高的纖維素納米纖維。



TEMPO 氧化法，所生成產(chǎn)物的長(zhǎng)徑位于上述二者之間，但是更為精細(xì)，表面帶有羧酸根官能團(tuán)，因此性質(zhì)較為穩(wěn)定，功能應(yīng)用也更加出色。



這些納米纖維素的制備方法，盡管在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究中相對(duì)成熟，但是真正實(shí)現(xiàn)商用的并不多。



納米纖維素的生產(chǎn)實(shí)踐，不僅要求方法和過(guò)程具備高效性，還需要綜合考慮工業(yè)放大的裝置問(wèn)題、能耗問(wèn)題、試劑成本問(wèn)題、試劑循環(huán)利用問(wèn)題、廢液排放問(wèn)題、以及環(huán)境影響等。否則，就會(huì)制約其生產(chǎn)和應(yīng)用的發(fā)展。



因此，發(fā)展一種具備工業(yè)化前景的新方法，所采用的溶劑必須符合“綠色化學(xué)的十二法則”，并能滿(mǎn)足與可持續(xù)發(fā)展高度契合的發(fā)展要素。



2、展望未來(lái)



盡管納米纖維素在電池隔膜領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果，但仍需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。未來(lái)的研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面：



a. 優(yōu)化制備工藝：進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，降低成本，提高產(chǎn)量。







b. 提高性能：通過(guò)改進(jìn)制備工藝或添加其他材料，進(jìn)一步提高納米纖維素電池隔膜的性能。



c. 擴(kuò)大應(yīng)用范圍：將納米纖維素電池隔膜應(yīng)用于不同類(lèi)型的電池中，如鋰離子電池、鈉離子電池等。



納米纖維素是一種由植物細(xì)胞壁提取得到的納米級(jí)材料，因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著電磁輻射問(wèn)題的日益嚴(yán)重，電磁屏蔽材料的需求也在持續(xù)增長(zhǎng)。因此，納米纖維素在制造高性能電磁屏蔽材料等領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。



近年來(lái),納米纖維素受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，在綠色建材領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的應(yīng)用前景。然而，固有的親水性仍然是阻礙納米纖維素大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用的主要缺點(diǎn)，因此需要采用化學(xué)手段對(duì)納米纖維素的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性,進(jìn)一步推動(dòng)納米纖維素的商業(yè)化普及。

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