沈愛平

【摘 要】納米纖維素主要來自于植物，作為一種新型的生物材料，由于其特殊的尺寸結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和光學(xué)性能，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，受到科研工作者的青睞，成為未來纖維素研究的熱點。本文簡要綜述了納米纖維素的制備方法，討論了各種制備方法的優(yōu)點和缺點，指出了納米纖維素的主要研究基礎(chǔ)和制備方法，以及未來發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】納米纖維素；制備；應(yīng)用

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，不可再生資源日益匱乏，環(huán)境污染等問題日益突出，可再生資源在科學(xué)、醫(yī)藥、能源、衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視，纖維素隨之走進大家的視野。纖維素的主要來源是植物，由植物通過光合作用合成，是廣泛存在于自然界中的，可降解無污染的天然高分子材料，另外特定的細(xì)菌、真菌及動物等也可以生產(chǎn)纖維素，主要用于造紙、食品、醫(yī)藥等生產(chǎn)部門。納米纖維素（Nanocellulose）由于具有較高的比表面積、楊氏模量、及抗拉強度和分散性能等一系列獨特的性質(zhì)，在納米精細(xì)化工、納米復(fù)合材料、電子產(chǎn)業(yè)和新能源等領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用，也成為近年來國內(nèi)外科學(xué)家競相開展的研究項目。利用納米纖維素強度高、熱膨脹系數(shù)低、透過光率高等特性可以開發(fā)出柔性顯示屏、精密光學(xué)器件配件等新產(chǎn)品，在生物醫(yī)療、生物影像、納米復(fù)合材料、氣體阻隔薄膜以及透明的光學(xué)功能性材料方面顯示了巨大的應(yīng)用潛能[1]。國際上的科研人員已對納米纖維素進行了幾十年的系統(tǒng)研究，而我國的科研工作者盡管也對納米纖維素進行了一些研究，但尚處于起步階段，納米纖維素的制備主要包括化學(xué)法、物理法、生物合成法及人工合成等，本文主要介紹了化學(xué)法、物理法、生物合成法制備納米纖維素，并對其優(yōu)缺點進行了簡要介紹。

1 納米纖維素的常用制備方法

1.1 化學(xué)法制備納米纖維素

化學(xué)方法制備納米纖維素的同時可以對納米纖維素實現(xiàn)表面改性，改變納米纖維素的表面特性，賦予其新的功能和特性，化學(xué)法制備納米纖維素的常用方法包括無機酸水解法和纖維素酶水解法。（1）無機酸水解法。利用強酸實現(xiàn)纖維素的水解，通過采用超聲預(yù)處理等方式提高產(chǎn)品得率，縮短反應(yīng)時間。水解過程中的溫度、反應(yīng)時間、強酸的種類和濃度、植物纖維素的用量等均會影響納米纖維素的性質(zhì)，該法會產(chǎn)生大量的廢酸和雜質(zhì)，并消耗大量的水和動力資源。（2）纖維素酶水解法，即利用選擇性較強的纖維素酶去除無定形的纖維素而剩下部分纖維素晶體，該法工藝條件溫和、專一性強。纖維素預(yù)處理常用的方法有稀酸法、無機溶劑法、爆破法等?；瘜W(xué)法制備納米纖維素對反應(yīng)設(shè)備要求高，要求設(shè)備能夠耐受強酸，另外對反應(yīng)后的殘留物進行回收和處理比較困難。

孟圍等[2]用超聲輔助硫酸水解蘆葦漿制備納米纖維素，通過優(yōu)化超聲時間加強硫酸水解蘆葦漿制備納米纖維素，研究結(jié)果表明超聲輔助預(yù)處理可以提高納米纖維素得率，超聲預(yù)處理 30min時蘆葦漿納米纖維素得率最高。

1.2 生物法制備納米纖維素

生物法制備纖維素通過細(xì)菌合成纖維素，通常將這種微生物合成法制備的纖維素稱為細(xì)菌纖維素（BC）。細(xì)菌纖維素在化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)上與天然植物纖維素相同，同時具有較高的生物相容性和良好的可降解性。生物法制備納米纖維素的最大優(yōu)點是低能耗、無污染，另外通過選擇合適的微生物菌株，控制細(xì)菌生物合成條件，可以調(diào)控納米纖維素的結(jié)構(gòu)、晶形、粒徑分布等，容易實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，但生物法制備細(xì)菌納米纖維素操作復(fù)雜、耗時長、成本高，盡管國內(nèi)外的研究較多，但未得到廣泛應(yīng)用。

自1986年Brown等人發(fā)現(xiàn)木醋桿菌可生產(chǎn)細(xì)菌纖維素后，人們對細(xì)菌纖維素的研究不斷深入，發(fā)現(xiàn)除木醋桿菌（Acetobacter xylinum）可以生產(chǎn)細(xì)菌纖維素外，根瘤農(nóng)桿菌（Agrobacterium tumefaciens）、假單細(xì)胞桿菌屬 、固氮菌屬、根瘤菌等某些特定的細(xì)菌也能合成細(xì)菌纖維素[3]，但目前已知合成纖維素能力最強的微生物菌株依然是木醋桿菌，其次為根瘤農(nóng)桿菌。在培養(yǎng)基中，根瘤農(nóng)桿菌菌體分泌出胞外纖維素質(zhì)膠和纖絲的速度較慢，僅為木醋桿菌合成細(xì)菌纖維素的1/10。

1.3 物理法制備微纖化纖維素

物理法是指通過壓力、摩擦、加熱爆破等物理手段，實現(xiàn)纖維素的分離分解，制備得到納米級纖維素。高壓均質(zhì)法是將纖維素分解得到納米級纖維素的一種常用的物理制備方法，高壓均質(zhì)法通過壓力能的釋放和高速運動粉碎物料，天然的纖維素經(jīng)高壓機械處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新型高度潤脹的膠體狀納米纖維素，稱為微纖化纖維素（MFC）。

物理法制備微纖化納米纖維素工藝簡單，易于操作，但需要采用特殊的設(shè)備，能量消耗比較高，制備的納米纖維素粒徑分布寬，另外還容易出現(xiàn)均質(zhì)機堵塞等問題，無法實現(xiàn)制備過程連續(xù)化，后者通過引入化學(xué)機械法得到了有效的解決，化學(xué)機械法是指先用無機酸等化學(xué)降解方法對纖維進行適當(dāng)?shù)慕到忸A(yù)處理，再用高壓均質(zhì)機進行均質(zhì)化處理，通過化學(xué)機械法可以從木材、麥草和大豆等植物成分中制備出納米級纖維素。

1.4 其他制備方法

另外納米纖維素的制備方法還有人工合成法及靜電紡絲法，但這兩種方法均不夠完善，尚處研究階段。

人工合成納米纖維素包括兩種方法，酶催化和葡萄糖衍生物的開環(huán)聚合。人工合成納米纖維素的優(yōu)點是納米纖維素的結(jié)構(gòu)、粒徑分布等容易調(diào)控，但合成的納米纖維素聚合度低，分子量低，難以達到自然界中高度聚合的織態(tài)結(jié)構(gòu)。

靜電紡絲以人工的方法可制備目前最細(xì)的納米級纖維，但靜電紡絲制備微細(xì)纖維橫截面大，橫截面分布也很寬。

2 總結(jié)

納米纖維素制備方法眾多，如何通過改進制備過程，調(diào)整制備條件，在納米尺寸范圍內(nèi)操控纖維素分子，設(shè)計結(jié)構(gòu)并組裝出穩(wěn)定的多重構(gòu)型，生產(chǎn)出具有優(yōu)異功能的納米纖維素材料，是纖維素研究的前沿和熱點。盡管科研人員已經(jīng)對納米纖維素的制備方法進行了不斷改進，但仍存在局限性，因此，研究發(fā)展出新型的簡單、快速、高效的制備納米纖維素方法刻不容緩。

【參考文獻】

[1]計紅果.納米微晶纖維素聚合物的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].廣州化學(xué)，2013，38（2）：65-71.

[2]孟圍，王海英，劉志明.超聲時間對蘆葦漿納米纖維素得率和形貌的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（3）：235-237.

[3]董鳳霞，劉文，劉紅峰.納米纖維素的制備及應(yīng)用[J].中國造紙，2012，31（6）：67-73.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]