随着可持续材料和生物质资源高值化利用的发展，木质纤维素纳米纤维（LCNFs）因来源广泛、可再生、可生物降解及具有良好的力学性能，在绿色包装、功能薄膜和聚合物复合材料等领域受到广泛关注。与传统纤维素纳米纤维相比，LCNFs保留了部分天然木质素，能够赋予材料紫外屏蔽、疏水性及高温成炭等功能。然而，木质素也可能限制纤维解离，影响材料的透明性和力学性能。因此，如何通过制备工艺精确调控木质素含量，实现纳米纤维结构与功能的平衡，成为该领域的重要研究方向。近日，美国华盛顿大学（University of Washington）Abhi Sidhu等研究人员以麦秸秆为原料，结合碱性过氧化物分级处理、过乙酸氧化及机械解纤，制备了具有不同木质素含量的LCNFs，系统研究了其形貌、光学、热学、表面润湿性及力学性能。研究发现，材料性能不仅取决于最终残余的木质素含量，还与木质素在不同阶段的脱除程度密切相关。

从麦秸秆到纳米纤维：通过工艺调控材料结构

麦秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。其中，木质素与半纤维素共同构成天然细胞壁结构，限制纤维素微纤丝的分离。传统纳米纤维制备通常需要较强的化学处理或高能耗机械解纤，增加了生产成本。所以，作者首先采用NaOH/H₂O₂体系对麦秸秆进行分级处理，通过改变反应温度（50–95 ℃）、NaOH和H₂O₂用量，调节木质素及半纤维素的脱除程度。随后采用不同用量的过乙酸（PAA）进一步氧化处理，并利用商业搅拌设备进行机械解纤，最终获得残余木质素含量为2.6%–11.3%的系列LCNFs。图1展示了样品的相关谱图。结果表明，各样品均保留了纤维素的典型化学结构，但不同化学处理条件改变了纤维表面的官能团和电荷特征。例如，木质素含量为3.1%的样品表面电荷密度为144.1 μmol/g，而11.3%木质素样品达到212.5 μmol/g。

图1. 不同LCNF样品的（A）FTIR光谱、（B）电荷密度对木质素含量的散点图和（C）XRD曲线。

木质素含量影响纳米纤维的尺寸与分散状态

纳米纤维的尺寸分布直接影响其比表面积、界面结合及薄膜性能。图2展示了LCNFs的纤维尺寸分布及SEM形貌。随着木质素含量增加，纤维尺寸分布逐渐变宽，较粗纤维的比例上升。其中，直径小于20 nm的纳米纤维比例由97.0%下降至77.4%，表明较高的残余木质素不利于纤维素微纤丝的充分分离。主要因为木质素在天然细胞壁中的结构性结合作用。残余木质素能够限制纤维膨胀及微纤丝分离，提高机械解纤过程中的难度。因此，在相同处理条件下，充分的脱木质素处理通常有利于获得尺寸均匀的纳米纤维。值得注意的是，木质素并非需要被完全去除。保留一定含量的木质素虽然可能影响纤维均匀性，却能够赋予材料其他功能特征。因此，合理控制残余木质素含量，比单纯追求更小的纤维尺寸更具实际意义。

图2. 不同LCNF样品的纳米纤维尺寸分布、SEM形貌及直径小于20 nm的纤维比例。

光学与热学性能：木质素赋予材料紫外屏蔽和高温成炭能力

木质素具有复杂的芳香族结构，能够吸收部分紫外光，因此其残留量直接影响LCNF薄膜的光学性能。研究发现，随着木质素含量增加，薄膜的可见光透过率逐渐下降，而紫外屏蔽能力显著增强。例如，在660 nm波长下，木质素含量为3.8%的样品的可见光透过率为78.2%，而11.3%木质素样品下降至53.8%。在320 nm处，当木质素含量超过5.6%时，薄膜的紫外透过率降低至1%以下，具有优异的紫外防护能力。同时，较高的木质素含量通常伴随更大的光学雾度，这与木质素的光学吸收特性、纤维尺寸及薄膜厚度有关。在热稳定性方面，图3展示了不同LCNF薄膜的热重（TGA）及微分热重（DTG）分析结果。随着木质素含量由3.1%增加至11.3%，薄膜的总热失重由80.2%降低至75.7%，表明较高木质素含量有利于提高高温残留量。这主要归因于木质素的芳香族结构在热分解过程中具有较强的成炭倾向，能够促进形成相对稳定的炭化残留物。不过，不同样品的最大热分解速率对应温度集中在342.2–347.5 ℃，并未随木质素含量增加而呈现明确变化。因此，木质素的主要贡献体现在促进高温成炭和降低总热失重，而非简单提高热分解温度。

图3. (A) 热重分析（TGA）曲线；左下角为微分热重（DTG）曲线，右上角为500–600 °C范围内的TGA曲线。(B) 热失重百分比与木质素含量之间关系的散点图。

表面润湿与力学性能：功能改善伴随着性能权衡

除了光学与热学性能，木质素含量还影响LCNF薄膜的表面润湿性及力学行为。当木质素含量由2.6%增加至11.3%时，薄膜的水接触角由80.2°提高至92.3°。这与木质素相对疏水的分子结构有关。对于需要降低吸湿性或改善与疏水性聚合物相容性的应用，适当保留木质素具有一定优势。然而，木质素含量增加通常会削弱纳米纤维之间的有效结合，降低薄膜的力学性能。例如，随着木质素含量由3.1%增加至11.3%，薄膜弹性模量由6.1 GPa下降至3.6 GPa。因此，不同应用对木质素含量的要求并不相同。对于强调透明性和力学强度的材料，较充分的脱木质素处理更为有利；而对于紫外防护、低亲水性及高温成炭等功能需求，则可以适当提高木质素保留量。

研究者进一步发现，即使最终木质素含量相近，不同制备路径得到的LCNFs仍可能表现出显著不同的力学性能。图4展示了脱木质素路径对材料表面电荷需求及极限拉伸强度的影响。研究比较了两种处理策略：一种是在前期NaOH/H₂O₂分级处理中去除较多木质素，随后采用较低用量的PAA氧化；另一种是在前期保留更多木质素，并通过较高用量的PAA完成后续脱除。结果显示，采用7.5% PAA氧化处理的样品，其最终木质素含量为3.1%，极限拉伸强度达到77.2 MPa，表面电荷密度为144.1 μmol/g。相比之下，采用30% PAA氧化处理的样品虽然具有相近的木质素含量（2.6%–3.9%），但极限拉伸强度仅为25.8–36.2 MPa，表面电荷密度则提高至175.7–194.8 μmol/g。较高用量的PAA虽然有利于木质素脱除及表面氧化，但也可能引起纤维素糖苷键断裂和分子链降解，从而削弱纤维网络的力学性能。这一结果说明，相同的最终木质素含量并不意味着相同的材料性能。脱木质素发生的阶段及其化学处理强度，同样是决定纳米纤维结构和性能的重要因素。

图4. (A) 平均电荷需求随脱木质素率的变化；(B) 平均极限拉伸强度随脱木质素率的变化。

综上，本研究以麦秸秆为原料，通过调节碱性过氧化物分级处理和过乙酸氧化条件，实现了木质纤维素纳米纤维组成、结构及性能的可控制备。研究表明，较低的木质素含量有利于获得尺寸更加均匀、透明性更好且力学性能较高的纳米纤维；较高的木质素含量则能够增强紫外屏蔽、降低表面亲水性，并促进高温成炭。更重要的是，研究揭示了脱木质素路径对材料性能的独立影响，表明仅以最终木质素含量作为工艺优化指标并不充分。这一成果为根据实际应用需求调节木质素保留量与脱除路径，实现LCNF性能的定向设计提供了实验依据，也为麦秸秆等农业废弃物在绿色包装、紫外防护薄膜及生物基复合材料中的高值化利用提供了新的研究思路。

原文信息：

Abhi Sidhu*, Anthony Dichiara, Rick Gustafson, Renata Bura

Production of lignocellulosic nanofibrils with tailored physical and chemical characteristics from wheat straw

Advanced Nanocomposites, 2026, 3: 383–396

https://doi.org/10.1016/j.adna.2026.05.002

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