地球上有多少棵大樹?這個問題似乎很難回答,就好像問你天上有多少顆星星一樣。2015年耶魯大學(xué)的科研人員收集了除南極洲以外其它大洲的數(shù)據(jù)得出了一個結(jié)論,地球上有3.04萬億棵大樹,人均400棵。

400棵大樹一個人是無論如何扛不起來的。有研究表明,地球上有的樹種生長高度可以超過120 m,1991年在加利福尼亞的洪堡雷德伍德斯州立公園,一棵高113 m的海岸紅木樹轟然倒下,導(dǎo)致的振動居然被附近的地震儀感知到了。那是什么支撐起了如此一棵參天大樹粗壯的樹干以及巨大的樹冠的?

《AM》綜述:小小纖維素,如何撐起參天大樹!解鎖納米纖維素的正確利用姿勢

答案可能出乎人們的意料,支撐起如此參天大樹的是一種叫做納米纖維素的東西,只能在電子顯微鏡下才能觀察到的材料為何具有如此大的“神力”?這一切源于大自然的杰作,木材是由層層結(jié)構(gòu)組成的,但是最基本的結(jié)構(gòu)單元是納米纖維素原纖,這些原纖維寬度3-5 nm,成束后15-50 nm寬,與其它高強(qiáng)度材料相比,纖維素原纖具有令人難以置信的強(qiáng)度,如下表所示。

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這些原纖維高度結(jié)晶,抗張強(qiáng)度(σ)為2-7.7 GPa,彈性模量(E)約為140 GPa,密度(ρ)約為1.6 g·cm-3,它們在力學(xué)強(qiáng)度上與凱夫拉纖維相當(dāng),強(qiáng)度是鋼材的7倍,但比鋼輕5倍。

以這些高強(qiáng)度原纖為結(jié)構(gòu)單元,通過纖維素鏈段上含量高達(dá)30%的羥基,原纖之間形成了高度結(jié)晶結(jié)構(gòu),這些結(jié)晶結(jié)構(gòu)之間又形成束,這些束最后組成了層層的木材結(jié)構(gòu),也就是說高強(qiáng)度原纖加上豐富的層級結(jié)構(gòu)才支撐起了參天大樹。

人們在驚嘆納米纖維素原纖高強(qiáng)度的同時,也希望以它為增強(qiáng)材料制備出即環(huán)保,又輕巧,還堅固的復(fù)合材料。

其實人們對納米纖維素的利用很早就開始了,比如東漢蔡倫發(fā)明的造紙術(shù),其實就是纖維素利用最成功的案例之一,只不過那個時候沒有電鏡,不知道還有納米纖維素這個東西。

目前,人們對納米纖維素原纖的利用主要有兩種形式,一種是被稱作纖維素納米纖維(CNF)的半結(jié)晶結(jié)構(gòu),通常為3-50 nm寬,1-3 μm長,具有高的縱橫比和柔韌性;第二種原纖形式是高度結(jié)晶的,比較短(通常<500 nm),有點(diǎn)窄(通常3 nm~20nm寬),具有低的縱橫比,但是強(qiáng)度高,稱為纖維素納米晶須或納米棒或納米晶體(CNC),是通過水解基本原纖維的非晶態(tài)部分獲得的。

纖維素分子鏈段上高達(dá)30%的羥基通過氫鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造就了納米纖維素原纖超強(qiáng)的力學(xué)性能,但是成也蕭何敗蕭何,分子間強(qiáng)大的氫鍵使得原纖難以分散,特別是在非極性材料中,分散不佳的原纖嚴(yán)重阻礙了其發(fā)揮超強(qiáng)力學(xué)性能的本領(lǐng),而且還導(dǎo)致材料容易吸水。

因此,如何對納米纖維素原纖進(jìn)行化學(xué)和非化學(xué)的表面/界面工程修飾是發(fā)揮原纖力學(xué)性能以及發(fā)掘新功能的關(guān)鍵所在。

成果介紹

基于以上分析,京都大學(xué)Hiroyuki Yano教授南京林業(yè)大學(xué)韓景泉副教授課題組回顧了納米纖維素先進(jìn)材料在表面和界面工程修飾領(lǐng)域的最新進(jìn)展,特別是在水溶液或者無溶劑狀態(tài)下怎么利用好納米纖維素,如何在分離納米纖維素之前、分離過程中或者制備成復(fù)合材料后對其進(jìn)行化學(xué)修飾,如何不對納米纖維素進(jìn)行分離直接進(jìn)行利用等方面進(jìn)行了闡述,從這些研究領(lǐng)域我們不難看出,納米纖維素作為一種大自然的“饋贈”,環(huán)保、簡便、高效的對其進(jìn)行利用才是正確的“姿勢”。

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納米纖維素在水溶液中的改性

納米纖維素的改性一般多在有機(jī)溶劑中進(jìn)行,如果能以水為溶劑進(jìn)行改性必然大受歡迎。研究者重點(diǎn)關(guān)注了在水介質(zhì)中的納米纖維素偶聯(lián)、接枝和表面涂層方面的研究。

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圖1. (a)在CNF表面的紫外引發(fā)接枝;(b)CNF表面進(jìn)行表面引發(fā)ATRP(SI-ATRP)接枝。

在納米纖維素表面進(jìn)行接枝是一種調(diào)控納米纖維素自組裝的有效方法,還可以改善納米纖維素與其它材料的相容性。K. T. R. O. Abe等人在CNF的懸浮水溶液中,用紫外光引發(fā)丙烯酰胺、甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯在CNF表面進(jìn)行了接枝反應(yīng),發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的納米纖維素有不同的反應(yīng)性:TOCN(TEMPO氧化處理的纖維素)> CNF> CNC,研究者認(rèn)為在紫外光的照射下,纖維素鏈段上C-O和C-C鍵的斷裂會產(chǎn)生初級自由基以引發(fā)聚合。Kaldeus等人通過靜電吸附將陽離子大分子引發(fā)劑附著到了CNF上,在CNF表面進(jìn)行表面引發(fā)ATRP(SI-ATRP)聚合,由于大分子引發(fā)劑具有兩親性,疏水性和親水性單體都可以在水中實現(xiàn)聚合,但是這種方法的前處理工作比較復(fù)雜。

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圖2. (a)在CNF上涂覆多巴胺(PDA)的示意圖;(b)在CNC上涂覆單寧酸(TA):(1)CNC干粉,(2)2%的CNC水溶液,(3)2%的CNC-TA水溶液,(4)水溶液中的CNC-TA-DA,(5)CNC-TA-DA干粉,(6)2%甲苯中的CNC-TA-DA;(c)TOCN @ MOF雜化納米纖維合成示意圖。

多巴胺(PDA)可以在水溶液中進(jìn)行自聚合,從而可以修飾納米纖維素。2017年,Su等人以多巴胺鹽酸鹽和三(羥甲基)氨基甲烷為單體在pH 8.5的CNF水溶液中進(jìn)行了聚合,利用多巴胺與CNF表面羥基的反應(yīng)形成了共價鍵鏈接,在CNF纖維表面形成了牢固的涂層。單寧酸(TA)是一種價格便宜的天然多酚,2017年,Hu等人首先以TA為原料對CNC進(jìn)行改性,然后通過形成席夫堿或邁克爾加成反應(yīng)將癸胺(DA)以共價鍵的形式結(jié)合到CNC上,使得CNC的疏水性從21°提高到了74°。Zhou等人在水溶液中TOCN纖維表面生長了一層導(dǎo)電MOF層,在纖維之間形成了1.5nm的MOF微孔和15-50 nm的中孔結(jié)構(gòu),可以用作柔性能量存儲設(shè)備以及3D打印水凝膠墨水。

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圖3. (a)導(dǎo)電聚合物在CNF上的原位聚合示意圖;(b)CNF表面PANI涂層的形成機(jī)理和TEM圖像。

導(dǎo)電聚合物,例如聚苯胺(PANI)和聚吡咯(PPy),也可以在水溶液中涂覆在納米纖維素表面,這就將導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性與CNF的生物模板作用結(jié)合在了一起。由于CNF上含有大量羥基,會與苯胺(ANI)中的酰胺基團(tuán)或吡咯(Py)環(huán)中的N-H基團(tuán)形成分子間氫鍵,因此PANI或PPy可以均勻的涂覆在CNF表面,形成核-殼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電納米復(fù)合物。

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圖4.(a)PANI/CNF柔性材料的EMI屏蔽干擾示意圖;(b)導(dǎo)電CNF-PANI/NR彈性體的性能;(c)安裝在食指上的水凝膠應(yīng)變傳感器圖片,用于記錄手指的彎曲運(yùn)動;(d)水凝膠的原位自修復(fù)和動態(tài)可逆交聯(lián)示意圖;(e)水凝膠電極的電化學(xué)性能。

Gopakumar等人在CNF水溶液中進(jìn)行了ANI單體的原位聚合,ANI的胺基和CNF的羥基之間的分子間氫鍵使涂層更加牢固,在8.2-12.4 GHz(X波段)頻率內(nèi)具有優(yōu)秀的電磁屏蔽效果。Han等人在CNF表面上進(jìn)行了ANI的原位氧化聚合,得到了PANI/CNF納米復(fù)合材料,然后將其均勻分散到天然橡膠(NR)中,制備出具有分層3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電CNF-PANI/NR彈性體,這種導(dǎo)電彈性體拉伸強(qiáng)度為9.7 MPa,楊氏模量10.9 MPa,斷裂伸長率高達(dá)511%,導(dǎo)電性高達(dá)8.95×10-1?S·m-1,在周期性拉伸應(yīng)變下具有較高的靈敏度和良好的重復(fù)性。隨后,Han等人將導(dǎo)電聚合物修飾的CNF分散到聚乙烯醇(PVA)-硼砂(PB)凝膠體系中,開發(fā)出了導(dǎo)電水凝膠,可以在機(jī)械損壞后15-20 s內(nèi)完全自修復(fù),將其做成電極后,電導(dǎo)率約為5.2 S·m-1,最大比容量為226.1 F·g-1,在3000次循環(huán)后其容量保持率為74%,而且還具有生物相容性,有望用作可植入生物電子產(chǎn)品。

無溶劑條件下納米纖維素的改性

在無溶劑條件下對納米纖維素進(jìn)行改性一般在高溫條件下進(jìn)行,具有環(huán)境友好的特點(diǎn),這一研究始于2006年。S. Kuga等人將CNC與辛烯基琥珀酸酐(OSA)混合進(jìn)行反應(yīng),OSA改性的CNCs與大豆油形成牢固的凝膠狀乳液,其模量明顯高于未改性的CNC乳液。M. L. Foresti等人以乙酸酐為反應(yīng)物,檸檬酸為催化劑,在無溶劑條件下120℃進(jìn)行了CNC的酯化反應(yīng),在100-120℃進(jìn)行了CNC和低芥酸菜子油脂肪酸甲酯的酯交換反應(yīng),在130℃下進(jìn)行了苯甲酸與CNC的酯化反應(yīng)。2016年,Yoo等人提出了一種有趣的方法,他們首先將CNC水懸浮液和dl-乳酸混合,加熱到180℃后水被蒸出,dl-乳酸隨后在CNC表面接枝形成了低聚物,這些反應(yīng)顯著提高了CNC的疏水性,可以用作高分子材料的增強(qiáng)改性劑。

納米纖維素在不同加工階段的改性

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圖5.不同加工階段納米纖維素的改性。(a)典型的纖維素改性過程;(b)在不同加工階段對纖維素進(jìn)行改性。

典型的纖維素改性過程是先將纖維素進(jìn)行分離,然后進(jìn)行改性,最后進(jìn)行加工。有的研究者在纖維素分離之前或者分離過程中就對纖維素進(jìn)行改性,還有的研究者在纖維素加工過程中或者完成后才進(jìn)行改性,這就形成了不同階段納米纖維素的改性研究。

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6. (a)纖維素分離之前進(jìn)行改性:通過熔融擠出對烯基琥珀酸酐處理的紙漿進(jìn)行納米原纖化;(b)纖維素分離過程中的改性:通過球磨在納米原纖化過程中酯化CNF;(c)復(fù)合加工過程中的改性:通過反應(yīng)擠出將PLA接枝到CNC上;(d)材料形成后的改性:通過CVD對濕紡CNF細(xì)絲進(jìn)行改性。

Yano等人在2018年提出了一種紙漿直接捏合工藝,他們首先將鏈烯基琥珀酸酐與紙漿混合進(jìn)行反應(yīng),隨后進(jìn)行纖維素的納米原纖化,然后通過熔融擠出的方法與高密度聚乙烯(HDPE)在擠出機(jī)中進(jìn)行復(fù)合,這種工藝提高了纖維素納米原纖化的程度,但是纖維素對聚合物的增強(qiáng)效果有所下降。

2012年,Huang等人提出了一種在球磨過程中同時酯化CNF的工藝,他們以干燥的纖維素粉末為原料,以己酰氯為反應(yīng)物,以N,N-二甲基甲酰胺為溶劑,球磨24小時后,獲得了取代度為0.60,直徑20 nm的CNF。但是這種方法難以控制反應(yīng)溫度,比較費(fèi)時,反應(yīng)后的純化步驟繁瑣。

2016年,Dhar等人通過反應(yīng)擠出方法制備了PLA接枝的CNC(CNC-g-PLA)材料,他們將涂有DCP的PLA顆粒與冷凍干燥的CNC混合,然后在雙螺桿擠出機(jī)中于180℃下擠出,DCP奪取了PLA和CNC鏈段上的氫原子,形成了PLA和CNC大分子自由基,從而將PLA偶聯(lián)到CNC上,當(dāng)添加1 wt%的CNC時,復(fù)合材料的抗張強(qiáng)度和楊氏模量分別提高了41%和490%,可以用作食品包裝薄膜。

納米纖維素形成材料之后也可以進(jìn)行改性、Córdova等人通過催化有機(jī)點(diǎn)擊化學(xué)對CNF氣凝膠進(jìn)行改性。Jiang等人用三乙氧基(辛基)硅烷通過CVD改性CNF氣凝膠,提高了氣凝膠的疏水性和在水中的機(jī)械性能。Cunha等人通過CVD用有機(jī)硅烷改性濕紡CNF長絲,有趣的是,使用三氯甲基硅烷會在長絲表面形成毛發(fā)狀結(jié)構(gòu),而二甲基二氯硅烷則產(chǎn)生了連續(xù)的均勻涂層。改性后,CNF長絲吸水性下降,濕強(qiáng)度提高了兩倍。

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圖7.(a)淀粉-CNF薄膜的紫外吸收圖;(b)FESEM圖像和(c)氣凝膠處理染料水的效果曲線;(d)氣凝膠的壓縮性能;(e)可自修復(fù)的柔性超級電容器示意圖;(f)在生物支架上培養(yǎng)hDFC的SEM和(g)共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)圖像。

通過對納米纖維素進(jìn)行改性,加工成不同結(jié)構(gòu)的材料,可以用作包裝材料、水處理劑、CO2收集材料、柔性電子材料、儲能材料,或者生物醫(yī)學(xué)材料等。Balakrishnan等人制備的納米纖維素增強(qiáng)生物復(fù)合膜降低了水蒸氣滲透性,具有優(yōu)秀的紫外線屏蔽性能。Gopi等人制備的CNC改性的纖維素氣凝膠,可以從水溶液中吸附染料。Han等人制備的CNT/CNF納米雜化PVA導(dǎo)電水凝膠電導(dǎo)率高達(dá)10.0 S·m-1,20 s就可自修復(fù),組裝成柔性超級電容器后在10次損傷/自愈后容量保持率依然高達(dá)98.2%,在1000次循環(huán)后容量保持率為95%。A.R.Boccaccini等人制備了一種用于組織工程的全纖維素支架材料,培養(yǎng)的細(xì)胞可以在生物支架的表面和內(nèi)部快速繁殖。

納米纖維素的非化學(xué)改性

對納米纖維素進(jìn)行化學(xué)改性可以顯著提高其憎水性,改善了與聚合物材料的相容性,但是改性過程往往需要加入有機(jī)溶劑,這難免導(dǎo)致環(huán)境污染,因此采用物理改性的方法受到研究者的廣泛研究。

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圖8.用聚合物浸漬納米纖維素。(a)納米纖維素基納米復(fù)合材料的典型力學(xué)行為;(b)浸漬方法示意圖;(c)隨著CNF含量的增加,機(jī)械性能顯著提高;(d)具有復(fù)雜形狀的納米纖維素支架/預(yù)成型坯體的3D打印,隨后通過樹脂浸漬制備納米復(fù)合材料。

目前,絕大多數(shù)的納米纖維素復(fù)合材料中纖維素含量都小于25 wt%,這是由于含量再增加會導(dǎo)致納米復(fù)合材料力學(xué)性能下降。為了開發(fā)出高納米纖維素含量的復(fù)合材料,研究者通過將聚合物浸漬到納米纖維素預(yù)成型坯體來制備納米纖維素含量高達(dá)60~80 wt%的復(fù)合材料,例如納米紙、氣凝膠和有機(jī)凝膠等。這些納米復(fù)合材料的機(jī)械性能隨著納米纖維素含量的增加而增加,這是由于納米纖維素良好的分散性以及在預(yù)成型坯中形成氫鍵造成的。如包含60-70 wt%CNF的環(huán)氧復(fù)合材料彈性模量高達(dá)21 GPa,是大多數(shù)工程塑料的五倍,并且σ高達(dá)325 MPa,但它可以像紙一樣折疊,而且是光學(xué)透明的。

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9.通過Pickering乳液中納米纖維素的界面組裝來制造各種納米纖維素材料。(a)CNC在油/水界面處的穩(wěn)定性示意圖;(b)短的CNC促進(jìn)單個液滴的形成,而長的CNF促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的形成;(c)由CNF穩(wěn)定的水包油Pickering乳液制備光學(xué)透明、低CTE、強(qiáng)韌的CNF增強(qiáng)納米復(fù)合材料;(d)功能性光子能量轉(zhuǎn)換納米紙;(e)由CNCs/CNT(碳納米管)穩(wěn)定的O/W Pickering乳液制造導(dǎo)電超輕納米纖維素泡沫;(f)W/O的CNC-PLA乳液的電紡絲生產(chǎn)納米纖維素。

在油水乳液中納米纖維素通過不可逆的吸附,可以在油水界面起到穩(wěn)定劑的作用,這是由于CNC不同的晶面顯示出對水的不同親和力,有的晶面更加親水有的則具有憎水性,這樣就形成了兩親性纖維素晶體,CNF的Pickering乳液穩(wěn)定機(jī)制與CNC有所不同,雖然還不是很清楚,但是多數(shù)研究者認(rèn)為與CNF高的長徑比有關(guān)。在乳液中加入納米纖維素,可以制備出高穩(wěn)定性的聚丙烯酸酯和聚苯乙烯乳液。K. Landfester等人將光敏劑和發(fā)射體分子注入乳液中的十六烷油相中,可以制備出光子能量轉(zhuǎn)換納米紙。在乳液中用納米纖維素可以顯著提高泡沫的機(jī)械強(qiáng)度,不僅如此,I. Capron等人還在乳液中加入碳納米管來制備導(dǎo)電超輕泡沫(密度= 14 mg·cm-3),在電池、屏蔽材料中有潛在應(yīng)用。

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圖10. “水泥磚塊”結(jié)構(gòu)的高性能納米纖維素材料。(a)質(zhì)量輕而且強(qiáng)韌的CNF/石墨(1:1)納米復(fù)合材料;(b)CNF/蒙脫土納米復(fù)合材料出色的防火/隔熱性能;(c)水泥磚塊”結(jié)構(gòu)的納米纖維素復(fù)合材料在拉伸下的斷裂過程;(d)CNF/MMT/聚乙烯醇(PVA)納米復(fù)合材料;(e)CNF/MMT/PVA三元泡沫,具有出色的阻燃性和高強(qiáng)度。

在自然界中的一些仿生結(jié)構(gòu),如珍珠層、甲殼、骨頭等具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn),與這些結(jié)構(gòu)的“水泥磚塊”結(jié)構(gòu)密不可分,逐漸受到研究者的關(guān)注。A. Walther等人以納米纖維素作為“水泥”,以粘土、MXene、滑石粉、石墨烯為“磚塊”制備出了質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的納米復(fù)合材料。納米纖維素通過物理吸附,在“磚塊”表面形成涂層,即可以穩(wěn)定這些無機(jī)材料的分散,還通過表面的氫鍵相互作用顯著提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度,當(dāng)材料受到應(yīng)力破壞時,這些氫鍵被破壞,纏繞的纖維素鏈段被拉伸,可以吸收大量的能量,這類材料的彈性模量高達(dá)20 GPa,韌性可以達(dá)到4 MJ·m-3。如果加入第三種組分,如聚合物或者石墨烯,可以降低“磚塊”之間的摩擦系數(shù),有利于界面應(yīng)力的傳導(dǎo),如三元CNF /粘土/聚乙烯醇復(fù)合材料,彈性模量為23GPa,或者賦予材料隔熱、電磁屏蔽或者阻燃性能。

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圖11. 木質(zhì)纖維素材料的性能。(a)天然狀態(tài)下的模型纖維素原纖維的橫截面示意圖;(b)不含木質(zhì)素的CNF(左)和含木質(zhì)素的LCNF(右)的AFM圖像;(c)濃縮的不含木質(zhì)素的CNF懸浮液(左)和LCNF懸浮液(右)的照片;(d)通過熱壓形成LCNF膜的示意圖;(e)由LCNF(A)制成的薄膜與由無木質(zhì)素CNF制成的薄膜的機(jī)械性能;(f)無木質(zhì)素的CNF膜(左)和LCNF膜(右)的外觀。

在纖維素中,纖維素原纖維被半纖維素包圍,并被木質(zhì)素粘合在一起,生產(chǎn)納米纖維素就要去除木質(zhì)素以及部分半纖維素,這個過程能耗高、耗時,而且對環(huán)境破壞性大。研究者就開始考慮不去除木質(zhì)素直接應(yīng)用,木質(zhì)素的存在可以改變納米纖維素的表面性質(zhì),影響納米纖維素的原纖化和界面納米纖維素材料之間的相互作用。木質(zhì)素是一種熱塑性材料,在含有5%水分時,在135℃下加熱就能軟化,形成由CNF增強(qiáng)的連續(xù)基體。當(dāng)形成薄膜后,木質(zhì)素的存在會增加疏水性并降低薄膜的透氧性,膜的機(jī)械性能與不含木質(zhì)素的相當(dāng)。木質(zhì)素薄膜通常為深褐色,由于光的吸收和散射而不透明。最近,研究者成功制備了直徑<5 nm的含木質(zhì)素CNF,木質(zhì)素含量≈14wt%時,在650 nm波長下薄膜的總透光率為82%。以木質(zhì)素CNF為增強(qiáng)填料,可以提高聚乳酸的機(jī)械性能,添加10 wt%后其模量和強(qiáng)度分別提高了88%和111%,而且韌性也顯著增加。木質(zhì)素CNF具有抗氧化特性、高透光性以及紫外線吸收能力,加入10 wt%后,PVA復(fù)合薄膜在UV-A(315-400 nm)的透射率達(dá)到50%。木質(zhì)素CNF可以增強(qiáng)PVA水凝膠,加入2%后,其彈性模量提高了17倍,比楊氏模量提高了4倍。

小結(jié)

納米纖維素是支撐起參天大樹的關(guān)鍵,作為一種可再生的納米材料,人們對納米纖維素的研究越來越深入。京都大學(xué)Hiroyuki Yano教授和南京林業(yè)大學(xué)韓景泉副教授課題組不僅總結(jié)了近年來納米纖維素先進(jìn)材料在表面和界面工程修飾領(lǐng)域的最新進(jìn)展,還著重介紹了更加環(huán)保的納米纖維素制造和利用方法,比如如何在水溶液中進(jìn)行改性,不使用溶劑直接進(jìn)行改性,到最后不進(jìn)行改性或者不對纖維素進(jìn)行處理直接利用,這些研究無不表明了人們對納米纖維素的利用越來越環(huán)保、簡便和高效,也許這才是納米纖維素利用的正確姿勢。

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002264

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