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Bio-based 2019：两位日方高级专家为您解读日本纳米纤维素材料的发展

已有 9112 次阅读 2019-4-3 10:39 |个人分类:生物基|系统分类:科研笔记| 生物基, 纳米纤维素, 日本, 天然高分子, 生物质

资源紧张、资源短缺、环境污染成为制约当今世界经济可持续发展的关键问题，人们越来越关注于如何降低能源消耗、合理利用不可再生资源、有效利用可再生资源以及减少环境污染。因此，绿色、环保、可降解再生的新型材料成为社会发展的新趋势。纤维素是一种可再生的天然环保材料，因其储量丰富、可生物降解，且无毒无害等特点而拥有巨大的开发价值

纳米纤维素

纳米纤维素（NFC）是指以植物纤维为原料，经过细化处理后得到的一种直径小于100nm的纳米级生物质材料，如图1为NFC的SEM图。20世纪80年代，由Herrick等人首先以亚硫酸盐铁杉浆为原料，用高压均质法制备出纳米纤维素。NFC是一种质轻、环境友好、可生物降解的天然高分子材料，具有许多优良性能，如高纯度、高强度、高聚合度、高结晶度、高亲水性、高透明性、高杨氏模量和超精细结构等。因此，对纳米纤维素的研究已经成为当今材料学科中非常活跃的研究热点之一，并越来越占据一定的重要地位。

图1 NFC的SEM图

（图片来源于文献《聚乙烯醇 /纤维素纳米纤热塑性复合材料的制备及表征》，作者：肖梅杰）

纳米纤维素的制备

制备纳米纤维素的原料主要来源于木材和非木材纤维，如：桉木、杨木、棉花、竹子、甘蔗渣等。纳米纤维素的制备通常采用两步进行，即对纤维素纤维的预处理和纳米纤维素的分离。

1、纤维素纤维的预处理

生产纳米纤维素首先要将木质素去除，木质素是一种天然多芳环大分子聚合物，由以苯丙烷为骨架的疏水性非极性基团和羧基等亲水性极性基团组成。目前脱木质素最常用的方法是在高温下采用碱法或酸法将原料蒸煮成为浆状，来破坏木质素中碳水化合物复合体及大分子间的连接，以达到溶解木质素的目的。但该方法不仅能耗大，给环境也带来极大的污染，造成资源浪费。左林以甘蔗渣为原料，采用超临界CO2萃取技术，设计了工艺简单、萃取速度快、无溶剂残留的木质素去除方案。研究得出，脱木质素最优试验条件是温度为180℃，压力为20MPa、时间为60min、夹带剂1,4-二氧六环体积为2mL，其脱木质素率可达79.61%。在纳米纤维素生产过程中，有机械预处理、化学预处理和生物预处理三种方法。

图2 美国黑松硫酸盐浆经过10次研磨制备的纳米纤维素扫描电镜照片

（图片来源于文章《纳米纤维素的制备》，作者：李伟）

a 酸性条件下纤维素水解机制

b TEMPO 催化氧化纤维素机制

图3 （图片来源于文章《化学法制备纳米微晶纤维素的研究进展》，作者：李媛媛）

A.酶用量为20ECU/g；B.酶用量为40 ECU/g；C.酶用量为60 ECU/g；D.酶用量为80 ECU/g

图4纤维素酶用量对桉树纸浆纤维微／纳纤丝微观形貌的影响

（图片来源于文章《酶预处理结合研磨法对桉树纸浆纤维微／纳纤丝微观形貌的影响》，作者：何玉婵）

2、纳米纤维素的分离

纳米纤维素分离常用的机械处理方法包括：高压均质，微流化，高速研磨，高强度超声波处理和蒸汽爆炸等。

（1）高压均质处理过程中，通过均质阀施压形成空穴效应产生高剪切作用，将木材纤维纳米化，制得NFC。高压均质处理最为常用，易于工业生产，广泛应用于化学处理、制药、食品、化妆品和生物技术产业。但是在操作过程中长纤维容易阻塞系统，特别是串联的阀门，必须分解开清洗，同时能量消耗比较大，所得NFC的尺度不均匀。

（2）微流化处理是将纤维悬浮液置于z型反应腔中，经多次剪切实现纤维的分离，Z型反应腔被压缩得越小，所产生的压力越大，纳米化程度越高。目前微流化处理主要用于制药工业中制造乳剂、脂质体等产品。虽然与高压均质处理相比减少了纤维阻塞的程度，但如果纤维过长同样存在堵塞反应腔的现象，能耗依然较大。

（3）高速研磨处理是通过静态磨石与动态磨石之间产生的剪切作用使纤维细胞壁S2层裸露出来，从而提高纳米化解离效率，但是在处理过程中，NFC的结晶度会有所降低。

（4）高强度超声波处理主要是借助高强度超声波在水中产生空穴效应，进而产生强烈的分散力，将纤维纳米纤丝化。但超声波处理仍存在很多问题，如超声波功率有限，处理量少，能耗极大，以及所得样品直径分布范围较大，不均一等。

（5）蒸汽爆炸制备纳米纤维素是浆料悬浮液在高温高压的环境中维持一定时间，让高温蒸汽进入纤维内部，然后迅速泄压所产生的压降会形成“爆炸”效果，直接作用于纤维表面及内部，从而使纤维分丝帚化。

纳米纤维素的应用

纳米纤维素由于高比表面积、高结晶度、无毒且可生物降解等优良特性，已被广泛应用于生物、医药、造纸和包装等各个领域。在包装中，纳米纤维素可用于缓释抗菌、增加强度、增强阻隔等功能性包装。

日本作为全球纳米纤维素发展及应用颇具代表性的国家，已经成立相关的协会组织，每年都会组织专门的交流活动。2019国际生物基材料技术与应用论坛邀请到两位日本高级专家，将带来关于纳米纤维素材料的精彩分享。

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平田悟史

日本纳米纤维素理事会秘书长，日本产业技术综合研究所

个人简介

平田悟史博士是生物能源、生物精炼和生物经济方面的专家。曾在川崎重工业技术研究所工作，后来进入了日本产业技术综合研究所（AIST），担任生物质研究中心副主任。2014年起，他担任生物质炼油厂研究中心主任，并组织纳米纤维素的论坛，任日本纳米纤维素理事会秘书长。

演讲题目：日本纳米纤维素材料技术发展及产业化趋势

内容简介

In recent years, nanocellulose is getting a lot of attention as a new material because of its specific characteristics. Japanese government pushes its industrialization especially in the field of composite using nanocellulose. Several kinds of nanocellulose are supplied by private companies and some products using nanocellulose have already been sold in Japan. To enlarge the market, development of killer application and cost deduction are necessary. In my talk, the present situation of R&D and industrialization of nanocellulose in Japan will be explained.

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空闲重则

东京大学名誉教授,中国科学院外聘专家

个人简介

1969 东京大学毕业

1974 东京大学研究員

1985 徳克萨斯大学研究員

1996 东京大学准教授

1999-现在，东京大学教授，名誉

2011-现在，理化技术研究所外国专家

演讲题目：纤维素的活性球磨

内容简介

机械加工普遍存在于包括生物聚合物在内的材料的化学转化中。特别是球磨，广泛用于纤维素生物质的预处理，用于能量转化和衍生化。最近的趋势是在球磨中掺入活性物质，例如衍生剂和催化剂以及纤维素。在能量转换中，纤维素水解成水溶性糖已经通过机械催化的发明获得了突破，这通过纤维素原料与液体或固体催化剂的共研磨来完成。最近在CAS-IPC的研究表明，用酯化剂球磨纤维素可以改变纤维素原纤维的表面羟基，从而产生亲液性纳米纤维。这种材料可用作合成聚合物的复合材料的生物基增强剂。这些发现带来了纤维素反应性研磨的工业发展潜力。

部分内容来自上海包装杂志社，仅供参考。