嚴(yán)紅艷

（蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009）

1 納米纖維素的結(jié)構(gòu)及其特性

1.1 納米纖維素的結(jié)構(gòu)

天然纖維素是自然界中來(lái)源豐富、分布廣泛的一種生物可再生高分子材料之一，纖維素具有埃米級(jí)纖維素分子層，納米級(jí)纖維素晶體超分子層和原纖超分子結(jié)構(gòu)層的三層結(jié)構(gòu)。纖維素的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)是相互交錯(cuò)的，沒(méi)有鮮明分界線，通過(guò)一定方法除去無(wú)定形區(qū)、保留結(jié)晶區(qū)而提取出來(lái)的納米纖維素是一種擁有精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的剛性棒狀纖維素，它的直徑小于100 nm，是纖維素中最小的物理結(jié)構(gòu)單元。納米纖維素會(huì)隨著制備原料的種類和反應(yīng)條件，如反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度，反應(yīng)物配比等的不同而呈現(xiàn)不同的形態(tài)[1]。

1.2 納米纖維素的特性

納米纖維素保留了天然纖維素大部分固有的特性，如密度低、優(yōu)異的生物可降解性、可持續(xù)再生性和生物相容性等，但也與天然纖維素有所不同，納米纖維素的結(jié)晶度比天然纖維素高，由于納米纖維素表面存在大量的纖維素分子鏈的斷裂點(diǎn)和小分子纖維素鏈段，它們相互之間排列疏松，不規(guī)整，形成的許多缺陷點(diǎn)使納米纖維素對(duì)熱的穩(wěn)定性比天然纖維素差，納米纖維素不僅具有很多納米粒子的特性，如高結(jié)晶度、超精細(xì)結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度、高透明性、高楊氏模量、可長(zhǎng)期穩(wěn)定分散在水中形成穩(wěn)定的膠體等[2]，而且具有很多其他高比表面積、大縱橫比、高結(jié)晶度、高表面活性和良好的流變學(xué)性質(zhì)等優(yōu)異性能。納米纖維素因?yàn)楦弑缺砻娣e而具有的較強(qiáng)的側(cè)向吸附能力，使其可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域，如作為藥物載體制備緩釋藥物。納米纖維素的流變學(xué)性質(zhì)，如觸變性、懸浮性、和穩(wěn)定性等使其可以應(yīng)用于食品領(lǐng)域，如作為食品添加劑增強(qiáng)乳制品的懸浮穩(wěn)定性和乳化穩(wěn)定性。

2 納米纖維素的制備

目前國(guó)內(nèi)外制備納米纖維素的方法有物理法（高速攪拌法、熱壓法、低溫壓榨法、高壓剪切法、溶劑澆鑄法和擠塑法等）、化學(xué)法（酸解和酶解）、生物法（微生物合成）和人工合成（酶催化和葡萄糖衍生物的開(kāi)環(huán)聚合）。

2.1 物理機(jī)械法

物理機(jī)械法是利用物理的方法，如打漿法、低溫壓榨法和溶劑澆鑄法等將纖維素原料打碎，切斷纖維素，使纖維素發(fā)生細(xì)纖維化作用，然后再利用一定方法分離出具有納米尺度的纖維素納米晶體。物理機(jī)械法制備納米纖維素原料簡(jiǎn)單，不需要化學(xué)試劑，反應(yīng)廢料易處理，對(duì)環(huán)境影響小，但是機(jī)械法會(huì)用到的設(shè)備如研磨機(jī)、粉碎機(jī)、均化器和微流化器等對(duì)能源需求較大，過(guò)程中對(duì)器材設(shè)備要求也較高[3]。

2.2 化學(xué)水解法

無(wú)機(jī)酸水解法是制備納米纖維素的化學(xué)方法中最常用的一種制備方法。水解法是通過(guò)破壞纖維素原料中的無(wú)定形區(qū)，保留其結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)，分離出來(lái)的具有納米尺度和高結(jié)晶度的纖維素納米晶體。不同的水解條件會(huì)造成制備出來(lái)的纖維素納米晶體形狀、尺寸、粒徑分布和分散性的差異。無(wú)機(jī)酸水解法是通過(guò)硫酸或鹽酸等無(wú)機(jī)酸酸解使纖維素中的無(wú)定形區(qū)橫向分裂，保留結(jié)晶區(qū)，但是制備出來(lái)的纖維素納米晶體中會(huì)有大量的酸殘留，需要用大量去離子水反復(fù)抽濾，耗時(shí)長(zhǎng)，反應(yīng)物殘留廢料難回收處理。纖維素酶水解法利用酶的高選擇性對(duì)纖維素中無(wú)定形區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行水解，使纖維素發(fā)生切斷作用和細(xì)纖維化作用，降低纖維素的聚合度，分離出結(jié)晶區(qū)的晶體，是無(wú)機(jī)酸水解方法的綠色環(huán)保替代方法。

2.3 生物合成法

生物法制備納米纖維素是利用微生物合成的方法制備具有超微網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)的細(xì)菌纖維素，能合成細(xì)菌纖維素的菌株種類很多，其中木醋桿菌合成細(xì)菌纖維素的能力最強(qiáng)。合成的細(xì)菌纖維素隨著菌株種類和生產(chǎn)條件的不同而呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)。生物合成法制備出的細(xì)菌纖維素純度很高，有更好的生物相容性。生物法易于調(diào)控納米纖維素的晶型、結(jié)構(gòu)和粒徑分布，對(duì)環(huán)境影響小，能耗低。

3 納米纖維素在電化學(xué)中的應(yīng)用

3.1 在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

超級(jí)電容器是一種介于電解電容器和可充電電池之間的大容量、高功率密度、長(zhǎng)工作壽命和綠色安全的電容器，超級(jí)電容器在普通的電容器基礎(chǔ)上調(diào)整了結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了旁路、去耦、儲(chǔ)能等方面性能，可以滿足負(fù)荷更大，更復(fù)雜的電路。納米纖維素的化學(xué)和電化學(xué)性很穩(wěn)定等特性，可以作為活性導(dǎo)電物的機(jī)械增強(qiáng)材料制備出孔徑分布合理、比表面積高、電化學(xué)性能高和機(jī)械性能良好的柔性導(dǎo)電材料，如納米纖維素復(fù)合氣凝膠、細(xì)菌纖維素基碳纖維和納米纖維素、碳納米管、納米銀線柔性電極材料等，以這種柔性導(dǎo)電材料作為電極的超級(jí)電容器具有成本低、性能好和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)[4]。

3.2 在鋰硫電池中的應(yīng)用

鋰硫電池是由正極硫和負(fù)極金屬鋰構(gòu)成的具有高能量密度、成本低和綠色環(huán)保的二次儲(chǔ)能電源。納米纖維素合理的孔徑分布和高比表面積可以縮短鋰離子傳輸路徑、加速電子傳輸并增加電解質(zhì)對(duì)電極材料的潤(rùn)濕能力，因此由納米纖維素衍生的碳導(dǎo)電材料可以直接作為鋰硫電池的電極，也可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)納米纖維素和其他活性材料復(fù)合的碳導(dǎo)電材料作為鋰硫電池的電極，這種電極材料可以負(fù)載活性物質(zhì)硫，抑制多硫化物擴(kuò)散，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。納米纖維素不僅可以作為鋰硫電池的電極材料，還可以作為鋰硫電池的電極粘合劑和電池隔膜，如納米纖維素與軟木牛皮紙纖維和聚磺酰胺纖維制得的多孔復(fù)合膜具有高耐熱性且可以增強(qiáng)電解質(zhì)的吸收，從而提高鋰硫電池的庫(kù)侖效率和比容量[5]。

3.3 在傳感器中的應(yīng)用

傳感器是一種檢測(cè)環(huán)境中的事物或變化并將信息發(fā)送給其他電子設(shè)備的設(shè)備、模塊或子系統(tǒng)，通過(guò)自我檢測(cè)和自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)微型化、數(shù)字化和智能化。納米纖維素具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)、納米尺度和特殊的光學(xué)性質(zhì)，從而可以成為制備傳感器的材料，如柔性銀納米線、纖維素納米纖維導(dǎo)電復(fù)合納米紙具有基底平整，透明和比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，可以提高傳感器的選擇性和靈敏度，使傳感器更好地應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

4 納米纖維素的發(fā)展前景

隨著人口的增長(zhǎng)，科技的進(jìn)步，人們對(duì)能源和資源的需求越來(lái)越大，然而石油、煤和天然氣等不可再生資源的儲(chǔ)量不斷下降，日漸枯竭，納米纖維素作為一種來(lái)源廣泛、性能優(yōu)異、環(huán)境友好可再生資源受到了各界的廣泛關(guān)注，納米纖維素因?yàn)槠鋬?yōu)異的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性在電化學(xué)領(lǐng)域成為了研究前沿和熱點(diǎn)。納米纖維素不僅可以應(yīng)用于超級(jí)電容器、鋰硫電池、傳感器、鋰離子電池和電池隔膜等電化學(xué)領(lǐng)域，還可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)、磁性材料、催化劑、環(huán)保、紡織和機(jī)械等領(lǐng)域。從納米纖維素的特性和應(yīng)用可以預(yù)測(cè)，將來(lái)在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛。納米纖維素的制備正在朝著綠色、安全、高效方向發(fā)展，成本較其他無(wú)機(jī)納米材料低得多，對(duì)環(huán)境保護(hù)和促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。納米纖維素有著無(wú)限商機(jī)和美好發(fā)展前景，它的科研價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值不可估量。