田雅慧 顏 明 習(xí) 月 石 純 陸海龍 馬金霞，*

（1. 南京林業(yè)大學(xué)輕工與食品學(xué)院，江蘇南京，210037；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇南京，210037）

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，環(huán)境友好型材料受到了廣泛關(guān)注，研究人員將目光轉(zhuǎn)向綠色可降解的生物質(zhì)材料。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，纖維素的年產(chǎn)量高達(dá)4000億t，其作為自然界來(lái)源最廣泛、可再生、可降解的高分子材料而引起了研究人員的諸多關(guān)注［1］。經(jīng)過(guò)科研工作者的不懈努力，可將微米或毫米級(jí)的纖維素制備成納米級(jí)材料［2］。相較于傳統(tǒng)納米材料，納米纖維素具有獨(dú)特的高長(zhǎng)徑比、低密度、高彈性模量等優(yōu)點(diǎn)［3］。當(dāng)納米纖維素作為生物高聚物增強(qiáng)相添加到其他基材中時(shí)，可提高復(fù)合材料的結(jié)晶度、力學(xué)性能、生物相容性等性能［4-5］，因此，納米纖維素在航空航天、包裝、傳感、食品、醫(yī)藥、紡織、芯片等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用（見(jiàn)圖1（a））。

圖1 （a）納米纖維素的分散原理及應(yīng)用；（b）納米纖維素的制備/應(yīng)用文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)Fig.1 (a)Dispersion principle and applications of nanocellulose；(b)statistics of published literature on the preparation/application of nanocellulose

根據(jù)納米纖維素性質(zhì)、尺度、來(lái)源，可將其分為三大類，即纖維素納米晶（CNC）、纖維素納米纖維（CNF）和細(xì)菌納米纖維素（BC）。CNC通常是指平均直徑為5～30 nm、長(zhǎng)度為幾百納米，呈短棒狀、針狀或球形的納米纖維素晶體［6］，一般通過(guò)酸水解法裂解糖苷鍵、斷裂纖維素制備得到［7］。CNF通常是指平均直徑處于納米尺度，而長(zhǎng)度達(dá)到微米尺度的細(xì)長(zhǎng)、絲狀的納米纖維。通常情況下，酸處理得到的CNC長(zhǎng)徑比為10～500，而機(jī)械法制得的CNF 的長(zhǎng)徑比可高至其數(shù)倍。由于CNF的非結(jié)晶區(qū)未遭到破壞，所以CNF表現(xiàn)出較高的長(zhǎng)徑比、柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度以及較低的熱膨脹系數(shù)［8-9］。而相較于以上2 種納米纖維素，BC來(lái)源比較特殊，是一種胞外直鏈高分子多糖。雖然BC 在化學(xué)組成上與纖維素相同，但物理結(jié)構(gòu)卻完全不同［10］，它是由直徑僅為20～100 nm的纖維交織而成的精密立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且不包含無(wú)定形區(qū)。因此，BC 具有更高的結(jié)晶度、更好的熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的保水能力［11-12］。

結(jié)合以上納米纖維素的特性來(lái)看，其應(yīng)用和發(fā)展都具有廣泛的前景。水被認(rèn)為是最綠色且來(lái)源最廣的天然溶劑，納米纖維素若能穩(wěn)定分散在水相中無(wú)疑是最理想的情況，然而，由于納米纖維素分子間與分子內(nèi)存在大量羥基，在水相中容易發(fā)生氫鍵結(jié)合，導(dǎo)致其在水相體系中分散性差、極易團(tuán)聚，給后續(xù)儲(chǔ)存和運(yùn)輸以及進(jìn)一步應(yīng)用均造成較大困難。為解決上述問(wèn)題，科研人員從納米纖維素自身的分子結(jié)構(gòu)特性和團(tuán)聚機(jī)理出發(fā)展開(kāi)了諸多研究，以期提高納米纖維素在水相體系中的分散穩(wěn)定性。筆者在搜集整理相關(guān)文獻(xiàn)資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，就目前已發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)說(shuō)，近年來(lái)關(guān)于納米纖維素制備及其在各領(lǐng)域應(yīng)用的文獻(xiàn)呈井噴式增長(zhǎng)（見(jiàn)圖1（b）），而其中關(guān)于納米纖維素在水相體系中分散性能的研究較少?；诖吮尘?，本文從纖維素自身的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，基于靜電排斥效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)兩種分散原理，系統(tǒng)闡述提高納米纖維素在水相體系中穩(wěn)定分散的研究及進(jìn)展，并對(duì)納米纖維素的分散性進(jìn)行了簡(jiǎn)單概述。最后，對(duì)促進(jìn)穩(wěn)定分散的方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出了納米纖維素在水相體系中分散方法的展望。

1 納米纖維素的制備

納米纖維素主要有兩種制備方法：①利用化學(xué)試劑打開(kāi)纖維素分子鏈間的氫鍵，制備得到納米尺度的纖維素；②利用強(qiáng)機(jī)械作用力破壞纖維素分子間氫鍵作用，強(qiáng)制剝離得到納米尺度的纖維素。

CNC最早于1949年由R?nby等人制備得到的，他們利用硫酸水解制備得到能夠分散在水中的納米纖維素［13］。硫酸水解制備CNC 時(shí)，磺酸基的引入使得纖維表面帶有大量負(fù)電荷，基于同種電荷相互排斥的原理，纖維素分子鏈間不易相互團(tuán)聚，從而提高了CNC在水中的分散穩(wěn)定性。然而，由于強(qiáng)酸的腐蝕性等問(wèn)題，利用強(qiáng)酸水解法制備CNC 會(huì)造成一定的環(huán)保壓力［6，14］。為了緩解這一壓力，近年來(lái)又逐步開(kāi)發(fā)了固體酸、有機(jī)酸、共晶溶劑等方法制備CNC。

CNF一般是由機(jī)械法或生物化學(xué)法預(yù)處理結(jié)合機(jī)械法制備得到。機(jī)械法主要包括超聲、球磨、高壓均質(zhì)等。生物化學(xué)預(yù)處理結(jié)合機(jī)械法（如混合酸輔助超聲、纖維素酶輔助高壓均質(zhì)等）是指在機(jī)械處理纖維前，利用化學(xué)試劑或者生物酶使得纖維尺寸減小或者纖維結(jié)構(gòu)潤(rùn)脹蓬松，這有助于減少制備過(guò)程中機(jī)械力的消耗。相較于CNC，雖然CNF具有諸多優(yōu)異的物理性能［15］（如高柔韌性、高結(jié)晶度、高長(zhǎng)徑比等），但是沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何化學(xué)改性處理的CNF極易發(fā)生氫鍵作用而互相交纏，從而導(dǎo)致其無(wú)法穩(wěn)定分散于水相體系中。因此，為提高CNF 在水相體系中的分散穩(wěn)定性，通常需對(duì)CNF 進(jìn)行一定的表面改性。研究表明［16］，纖維素分子鏈上有3個(gè)可被取代的活性羥基位點(diǎn)，這為CNF表面修飾改性帶來(lái)了極大的便利。

2 提高納米纖維素分散性的方法

纖維素是由β-（1-4）-糖苷鍵連接的脫水葡萄糖單元組成的線性聚合物［17］，其基本結(jié)構(gòu)單元為β-D-吡喃式葡萄糖基，每個(gè)葡萄糖基上有3個(gè)羥基，其中C6羥基反應(yīng)活性最強(qiáng)，通常發(fā)生酯化反應(yīng)，C2 羥基活性略遜，主要發(fā)生醚化反應(yīng)［16，18］。雖然這3個(gè)羥基基團(tuán)給纖維素的改性帶來(lái)了便利，但是當(dāng)未經(jīng)改性的纖維素分散在水相體系中，纖維素粒子間距離過(guò)近時(shí)，羥基與羥基之間極易形成分子內(nèi)和分子間氫鍵，導(dǎo)致纖維素間發(fā)生氫鍵作用，此時(shí)纖維素相互絮聚，粒子尺寸增大從而穩(wěn)定性降低，發(fā)生沉降。再結(jié)合納米材料自身比表面積大、表面能較高、熱力學(xué)不穩(wěn)定的特性［19］，以及納米纖維素表面暴露出更多的羥基，進(jìn)一步增大了絮聚的可能性。納米纖維素的絮聚沉降限制其儲(chǔ)存運(yùn)輸及后續(xù)應(yīng)用。研究人員已采取各種辦法試圖提高納米纖維素在水相體系中的分散穩(wěn)定性，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，基于靜電排斥效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)兩大原理，從納米纖維素的表面化學(xué)改性和物理吸附改性兩個(gè)研究方向?qū){米纖維素分散性的改善進(jìn)行概述。

2.1 表面化學(xué)改性

納米纖維素的表面化學(xué)改性主要是對(duì)纖維素分子鏈上游離的羥基進(jìn)行修飾，通過(guò)化學(xué)鍵的有效結(jié)合，在纖維素分子鏈上負(fù)載具有負(fù)電性的基團(tuán)或者接枝長(zhǎng)鏈聚合物。其中，負(fù)載負(fù)電性的基團(tuán)主要是基于靜電排斥原理以有效提高納米纖維素在水相體系中的分散穩(wěn)定性；而接枝長(zhǎng)鏈聚合物，主要是利用長(zhǎng)鏈聚合物在懸浮液中的空間位阻效應(yīng)及靜電排斥效應(yīng)從而有效地增強(qiáng)纖維素分子鏈間的排斥力，以達(dá)到理想的分散效果。

2.1.1 基團(tuán)改性

由于纖維素表面暴露著大量羥基，當(dāng)其分散在水中時(shí)，水分子通過(guò)氫鍵作用與纖維素結(jié)合，有序分散在纖維素周圍形成一個(gè)類似于膠體的結(jié)構(gòu)，從尺寸來(lái)看，該結(jié)構(gòu)滿足國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)對(duì)于膠體的定義［20］。通常所說(shuō)的Zeta 電位是指有序水分子層與周圍穩(wěn)定流體之間的電勢(shì)差。在實(shí)驗(yàn)研究中，Zeta電位常作為評(píng)判懸浮液是否穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)體系中粒子Zeta電位的絕對(duì)值達(dá)到30 mV時(shí)，基于電荷同性相斥的原理，此時(shí)帶同種電荷的粒子間相互排斥作用較強(qiáng)，導(dǎo)致粒子間聚集的趨勢(shì)減緩，絮聚的可能性減弱，反之則會(huì)出現(xiàn)絮聚或沉淀。根據(jù)此原理，研究人員對(duì)纖維素表面進(jìn)行改性，賦予其一定的電荷值，從而提高納米纖維素在水相體系中的分散穩(wěn)定性。常見(jiàn)的表面改性方法包括2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）氧化、酯化、磺化、醚化等（見(jiàn)圖2（a））。

Luo 等［21］利用二甲基甲酰胺 （DMF） 和氯磺酸（CSA）溶液對(duì)CNF 進(jìn)行磺化改性，制得了具有高絕對(duì)值表面電荷的磺化CNF，且該方法很好地保留了CNF 的纖維狀形態(tài)。在0.5 mmol/L 氯化鈉水溶液中，測(cè)得表面未改性CNF、TEMPO 氧化CNF 和磺化CNF的Zeta 電位值分別為-25、-49 和-48 mV，可知改性后CNF的Zeta電位絕對(duì)值大幅提高；經(jīng)表征表明，改性后CNF 在水中的分散穩(wěn)定性得到了提高［22］。由于納米纖維素產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，因此，要求納米纖維素不僅能夠在水相體系中穩(wěn)定分散，還需具有特殊的功能性；這就需要對(duì)纖維素分子鏈表面上的羥基進(jìn)行多重改性，以賦予其多種功能性的官能團(tuán)。Wang等［23］利用硫酸強(qiáng)化醋酸、在80℃下對(duì)纖維素進(jìn)行水解以制備CNC；結(jié)果表明，硫酸在水解纖維素的同時(shí)還促進(jìn)了醋酸與纖維素的酯化反應(yīng)。值得注意的是，雖然CNC 表面的乙酰氧基降低了CNC 的親水性，但這些乙酰氧基可以減弱CNC之間氫鍵的相互作用，進(jìn)而避免CNC的絮聚。同時(shí)，CNC表面引入的硫酸根基團(tuán)不僅提高了其表面的親水性，還賦予CNC表面足夠的負(fù)電荷，此時(shí)樣品的Zeta 電位值介于-30 mV 到-40 mV之間，使得CNC 能穩(wěn)定分散在水中?？偟膩?lái)說(shuō)，利用該一步法的反應(yīng)體系可制得具有乙酰化和磺化雙功能化的CNC，同時(shí)賦予CNC 親水性和疏水性，大大拓展了CNC的應(yīng)用范圍。

然而，雖然理論上靜電排斥效應(yīng)始終存在，但是當(dāng)懸浮液中離子濃度過(guò)高或懸浮液本身固體濃度超過(guò)一定范圍時(shí)，納米纖維素懸浮液仍然會(huì)發(fā)生絮聚或沉降現(xiàn)象。這一缺陷將會(huì)限制納米纖維素的實(shí)際應(yīng)用，所以在此基礎(chǔ)上，研究人員又通過(guò)空間位阻效應(yīng)來(lái)提高納米纖維素在水相體系中的穩(wěn)定分散。

2.1.2 接枝共聚

接枝共聚是基于空間位阻效應(yīng)以促使納米纖維素在水相體系中達(dá)到穩(wěn)定分散的效果。接枝共聚通過(guò)在粒子上吸附長(zhǎng)鏈高分子，隨后高分子長(zhǎng)鏈延伸到分散介質(zhì)中，在纖維素表面形成一層空間壁壘以防止粒子間的直接接觸，從而避免了粒子間的聚攏，該方法可有效維持懸浮液的穩(wěn)定性。相較于靜電穩(wěn)定，位阻穩(wěn)定不受離子濃度的干擾，在較高的固含量下也能使粒子保持良好的分散效果［24］。常用的接枝共聚法包括接枝到表面（Grafting to）和從表面接枝（Grafting from），如圖2（b）所示。兩者間的區(qū)別在于，接枝到表面法是將已合成好的聚合物長(zhǎng)鏈連接到纖維素主鏈上，而從表面接枝法則是首先合成具有引發(fā)活性中心的聚合物，然后通過(guò)活性中心引發(fā)第二種單體的聚合。因此，研究人員可根據(jù)不同的應(yīng)用需求對(duì)納米纖維素進(jìn)行相應(yīng)的接枝功能化改性，同時(shí)克服其在水相體系中分散性差的問(wèn)題，從而拓寬其應(yīng)用范圍［25］。

近年來(lái)，采用接枝共聚對(duì)納米纖維素進(jìn)行分散改性已極為常見(jiàn)，這是因?yàn)?，通常聚合物長(zhǎng)鏈還帶有負(fù)電性，此時(shí)空間位阻和靜電排斥同時(shí)作用于納米纖維素，這無(wú)疑給納米纖維素懸浮液的分散穩(wěn)定性上了“雙保險(xiǎn)”。目前，常見(jiàn)的接枝反應(yīng)有：①將胺封端的聚乙二醇 （PEG-NH2） 接枝到羧化改性的CNC 上［26］；②將硫酸水解制得的CNC脫硫后，用聚環(huán)氧乙烷進(jìn)行接枝［27］；③將聚（己內(nèi)酯-嵌段-L-丙交酯）（P（CL-b-LLA））接枝到未經(jīng)修飾的CNC 上［28］。在實(shí)際操作中，雖然可以根據(jù)不同的性能需求給納米纖維素接枝性質(zhì)不同的長(zhǎng)鏈，但若要得到較好的接枝效果，仍需針對(duì)不同的共聚物來(lái)設(shè)計(jì)接枝共聚反應(yīng)的條件。Sui等［29］在進(jìn)行甲基丙烯酸二甲氨基乙酯與納米纖維素的接枝反應(yīng)時(shí)，通過(guò)調(diào)控pH 值、溫度和濃度等反應(yīng)條件獲得了較好的接枝效果。

雖然接枝后的納米纖維素分散性能得到提高，但接枝改性技術(shù)仍存在一定的缺陷：如接枝密度及接枝長(zhǎng)度較難進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而導(dǎo)致接枝改性效果不穩(wěn)定；此外，接枝改性反應(yīng)的終止很難進(jìn)行有效調(diào)控，導(dǎo)致產(chǎn)生大量未接枝成功的游離基團(tuán)，從而對(duì)接枝改性反應(yīng)產(chǎn)生干擾［25］。這些問(wèn)題都有待研究人員的進(jìn)一步探究解決，以優(yōu)化納米纖維素的接枝效果。

2.2 表面物理吸附改性

目前，通過(guò)表面物理吸附改性納米纖維素的方法主要是添加表面活性劑和水溶性高分子。其中，表面活性劑是通過(guò)改變固液相界面間的作用力，進(jìn)而提高納米纖維素在水相體系中的分散穩(wěn)定性；而水溶性高分子則是通過(guò)體積效應(yīng)限制粒子的運(yùn)動(dòng)、減少其相互間聚集的可能性，以達(dá)到穩(wěn)定分散的效果。

2.2.1 表面活性劑

表面活性劑主要是通過(guò)改變納米纖維素與水兩相界面間的相互作用力從而達(dá)到改性的目的，其一般包含親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，通過(guò)定向排列在兩相的界面層中，使得界面的不飽和力場(chǎng)得到一定補(bǔ)償，從而使得界面張力下降，達(dá)到穩(wěn)定分散的效果（見(jiàn)圖2（c））［30］。相較于納米纖維素的表面化學(xué)改性，表面物理吸附改性相對(duì)簡(jiǎn)單且能夠很好地保留原纖維素結(jié)構(gòu)［31］，這是因?yàn)榉兜氯A力、熵效應(yīng)和靜電吸附等起主要作用。然而，由于缺少化學(xué)鍵的作用，導(dǎo)致被吸附的表面活性劑可能出現(xiàn)脫落、持久性較差等問(wèn)題［32-33］。此外，納米纖維素水懸浮液的分散穩(wěn)定性對(duì)表面活性劑的濃度及其親水部分的化學(xué)結(jié)構(gòu)較為敏感。因此，選擇合適的表面活性劑對(duì)于維持納米纖維素水懸浮液的分散穩(wěn)定性極其重要［34］。目前，比較常見(jiàn)的表面活性劑有十六烷基三甲基溴化銨（HDT?MA）陽(yáng)離子表面活性劑［35］、十二烷基三甲基溴化銨（DoTAB）［36］、季銨鹽類表面活性劑［37］、WG8168［38］等。Quennouz 等［34］以 CNF 為流變改性劑，研究了陰離子十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基醚硫酸鈉（SLES）、陽(yáng)離子十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）和非離子表面活性劑（Pluronic F68，TX100）對(duì)納米纖維素懸浮液穩(wěn)定性的影響；結(jié)果表明，表面活性劑的種類、表面活性劑的添加量及懸浮液的pH 值均會(huì)對(duì)納米纖維素懸浮液的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，若要獲得分散良好的納米纖維素懸浮液，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各因素均加以調(diào)控。

已知表面活性劑可對(duì)納米纖維素進(jìn)行簡(jiǎn)單且直接的表面修飾，不會(huì)對(duì)纖維素分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)造成太大的負(fù)面效果。雖然表面活性劑的種類繁多，但用于納米纖維素改性的主要是陽(yáng)離子型表面活性劑，這是因?yàn)榧{米纖維素表面暴露的羥基較多因而呈負(fù)電性，而陽(yáng)離子表面活性劑的作用原理是與負(fù)電性的纖維素發(fā)生靜電吸附；與其他表面活性劑相比，陽(yáng)離子表面活性劑與納米纖維素之間相互作用的動(dòng)力學(xué)最快、相互作用力最強(qiáng)［32］且操作相對(duì)簡(jiǎn)單。相較于陽(yáng)離子表面活性劑，由于缺少靜電吸附作用力，陰離子表面活性劑存在吸附不牢固的問(wèn)題。為改善這一問(wèn)題，研究人員一方面通過(guò)在纖維素上引入陽(yáng)離子或疏水基團(tuán)，利用靜電吸附原理以增強(qiáng)纖維素與陰離子表面活性劑之間的結(jié)合力；另一方面通過(guò)添加反離子電解質(zhì)以促進(jìn)陰離子表面活性劑在纖維素表面吸附［30］，這是因?yàn)樘岣唠娊赓|(zhì)濃度會(huì)產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，從而減少帶負(fù)電荷的表面活性劑與纖維素表面之間的靜電排斥［39］。

2.2.2 水溶性高分子

由于水溶性高分子的體積效應(yīng)，經(jīng)表面吸附后能限制粒子的運(yùn)動(dòng)，降低其熵值的同時(shí)增加粒子間的相互排斥作用，使得分散粒子間的接觸受到空間阻礙作用，從而保持分散體系的穩(wěn)定性（見(jiàn)圖2（d））。以常見(jiàn)的聚乙二醇（PEG）為例，其可以通過(guò)提供空間阻擋層來(lái)提高親水性和防止納米粒子團(tuán)聚［40］。除此之外，纖維素衍生物不僅結(jié)構(gòu)上與纖維素的分子骨架類似，兩者相容性優(yōu)良，而且在水中具有優(yōu)異的溶解性，從而可以提高納米纖維素水懸浮液的分散穩(wěn)定性。羧甲基纖維素（CMC）是最常見(jiàn)的纖維素醚化衍生物，具有優(yōu)異的水溶性和負(fù)電性。CMC分子鏈上大量的羧甲基與CNF 表面的羥基相互作用后，對(duì)CNF形成包裹層，提高其分散穩(wěn)定性的同時(shí)還提高了納米纖維素膠團(tuán)的負(fù)電性；基于空間位阻和靜電排斥雙重作用原理，納米纖維素粒子在水懸浮液中的團(tuán)聚和沉降得到了減緩［41］。具有類似效果和作用機(jī)理的還有殼聚糖，但由于其在水中的溶解性不佳，因此，一般利用酶對(duì)殼聚糖進(jìn)行特殊處理以制備得到分子質(zhì)量更低的、易溶于水的、與纖維素相容性良好的殼寡糖。孟宇等［42］以高碘酸鈉直接氧化微晶纖維素（MCC）制得納米纖維素，但該方法制得的納米纖維素不能均一地分散在水中。為解決這一問(wèn)題，孟宇等向產(chǎn)物中加入殼寡糖，利用殼寡糖與二醛納米纖維素之間的席夫堿反應(yīng)來(lái)提高納米纖維素的分散穩(wěn)定性。結(jié)果表明，當(dāng)殼寡糖的加入量達(dá)到2%時(shí)，可獲得穩(wěn)定分散的納米纖維素水懸浮液；進(jìn)一步提高殼寡糖的添加量時(shí)，納米纖維素水懸浮液的分散穩(wěn)定性并沒(méi)有繼續(xù)提升，這是因?yàn)闅す烟桥c纖維素之間發(fā)生更多的交聯(lián)反應(yīng)反而加劇了納米纖維素的團(tuán)聚。因此，當(dāng)使用水溶性高分子來(lái)提高納米纖維素在水相體系中的分散穩(wěn)定性時(shí)，調(diào)控其添加量十分必要。

圖2 （a）納米纖維素表面改性示意圖；（b）納米纖維素接枝共聚示意圖；（c）表面活性劑作用示意圖；（d）水溶性高分子作用示意圖Fig.2 (a)Schematic diagram of nanocellulose surface modification;(b)schematic diagram of nanocellulose graft copolymerization;(c)mechanism diagram of surfactant;(d)mechanism diagram of water-soluble polymer

3 結(jié)語(yǔ)及展望

近年來(lái)，納米纖維素的應(yīng)用正如火如荼地發(fā)展，研究人員根據(jù)納米纖維素自身特有的高生物相容性及高保水率，將其用于生物醫(yī)藥、智能傳感及人體器官等材料的構(gòu)建；基于其綠色可降解性和納米材料獨(dú)特的力學(xué)性能，可將其作為石油基材料的替代品，用作包裝、塑料和紡織材料以減少“白色污染”；同時(shí)，納米纖維素具有細(xì)密蓬松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是輕質(zhì)隔熱材料的理想選擇?？偟膩?lái)看，納米纖維素的應(yīng)用將在未來(lái)涉足到更多的工業(yè)、生活領(lǐng)域。然而，納米纖維素在水相體系中易絮聚、分散效果差等問(wèn)題嚴(yán)重制約了其更廣泛的應(yīng)用。因此，本文從納米纖維素的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析其在水相體系中難以穩(wěn)定分散的機(jī)理，基于靜電排斥效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)兩種分散原理，系統(tǒng)綜述了提高納米纖維素在水相體系中穩(wěn)定分散的研究方法及進(jìn)展，并對(duì)納米纖維素分散性進(jìn)行了簡(jiǎn)單概述。盡管目前主流的關(guān)于提高納米纖維素水懸浮液分散穩(wěn)定性的方法都有一定的效果，但還存在一定的局限性。因此，本文總結(jié)以下幾點(diǎn)展望，旨在為未來(lái)提高納米纖維素在水相體系中的分散穩(wěn)定性研究提供一定參考。

（1）對(duì)纖維素骨架進(jìn)行改性后必然會(huì)造成纖維素分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這可能會(huì)使原納米纖維素的化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)晶度、熱穩(wěn)定性等物理化學(xué)性能發(fā)生改變，從而給納米纖維素的后續(xù)應(yīng)用帶來(lái)影響。因此，未來(lái)對(duì)納米纖維素改性時(shí)應(yīng)該注意保持纖維素自身優(yōu)異的物理化學(xué)性能。

（2）雖然研究人員可以通過(guò)調(diào)節(jié)接枝時(shí)間、溫度、pH 值、濃度等控制納米纖維素表面的接枝率。然而，目前的接枝技術(shù)仍然不夠成熟，對(duì)于接枝長(zhǎng)度、密度以及反應(yīng)的終止都很難進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，且該技術(shù)存在操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，對(duì)于納米纖維素的接枝改性技術(shù)而言，未來(lái)應(yīng)該著重選擇親水性強(qiáng)的高分子聚合物，優(yōu)化納米纖維素的接枝工藝條件，確定接枝位點(diǎn)，從而提高接枝成功率，緩解接枝過(guò)程中成本高、難控制的問(wèn)題，加速接枝改性技術(shù)以提高納米纖維素水懸浮液分散穩(wěn)定性的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

（3）目前，表面物理吸附改性技術(shù)面臨的最大問(wèn)題是容易脫附和相容性較差，這不僅會(huì)造成分散的穩(wěn)定性“大打折扣”，還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生更多的副產(chǎn)物。因此，一方面可以依據(jù)納米纖維素的特性選擇與其相容性較好的或者能夠與之形成有效連接的表面活性劑或水溶性高分子；另一方面可以結(jié)合簡(jiǎn)單的表面改性技術(shù)，增強(qiáng)表面活性劑或水溶性高分子與纖維素之間的結(jié)合力、提高其相容性，最終實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、高效地提高納米纖維素在水相體系中分散穩(wěn)定性的目標(biāo)。

納米纖維素作為新興的、綠色可再生的納米尺度材料，具有廣泛的應(yīng)用前景，而促進(jìn)納米纖維素在水相體系中的穩(wěn)定分散更具有非凡的實(shí)際意義。因此，本文綜述了近年來(lái)提高納米纖維素水懸浮液穩(wěn)定分散的方案，旨在為設(shè)計(jì)出更加綠色、高效的方案提供一定的參考，從而促使納米纖維素未來(lái)在新型生物質(zhì)材料高端領(lǐng)域內(nèi)得到更加廣泛的應(yīng)用。