广东化工2020年第20期· 230 · www.gdchem 第47卷总第430期纳米纤维素的化学改性及应用进展 微型麦克风
程书平1*，范廷玉1，彭丹2
(1．地球与环境学院安徽理工大学，安徽淮南232001；2．交通与环境学院深圳信息职业技术学院，广东深圳518172) [摘要]纳米纤维素不仅具有密度低、无毒无害和可生物降解等特性，还具有机械强度高、可塑性强和可溶性等特点，是一种优质的生物基
材料，广泛应用于各种领域。本文从纳米纤维素的特性、表面修饰、和应用等方面综述了纳米纤维素基材料的研究进展。 [关键词]纳米纤维素；化学改性；应用研究
[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2020)20-0230-02
Research on Chemical Modification and Application of Nanocellulose
Cheng Shuping1*, Fan Tingyu1, Peng Dan2
(1. School of Earth and Environment, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001；
2. Department of Transportation and Environment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, China)
Abstract:Nanocellulose not only has the characteristics of low density, non-toxic, harmless and biodegradable, but also has the characteristics of high mechanical strength, strong plasticity and solubility. It is a high-quality bio-based material, which is widely used in various fields. In this paper, the research progress of nanocellulose-based materials was described in terms of the characteristics, surface modification, and applications of nanocellulose.
泥鳅工厂化养殖技术Keywords: Nanocellulose；Chemical modification；Application research
1 引言
随着技术的发展和人们生活水平的提高，越来越多的石油化工产品被用于人类的生活和生产当中，但这类产品在生产过程中以及在达到使用寿命后会产生一系列的污染物，严重危害生态环境环境，因此，对新型环境友好型材料的开发迫在眉睫。纳米纤维素因其良好的物理化学性质、丰富性和可再生性，被认为是最有潜力的绿材料之一。
纤维素是生物圈中最常见的具有两亲性结构的可再生高分子资源，年产量大约为7.5×1010吨[1]。纤维
素由纤维素纤维组成，包含结晶区和非结晶区，由β-D-吡喃葡萄糖单体通过β-1,4键连接成的D-葡萄糖的二聚体构成，这些二聚体通过分子间氢键和疏水作用形成纤维[2]。这种几乎可以无限供应的多糖具有显著的物理和化学性质，可用于包括精细化学品在内的各种材料和产品，最常见的如木材、纺织品、纸张等。纳米纤维素则是通过机械或化学水解作用将纤维素分解成细长的，50~1000 nm不等的棒状晶体粒子，它不仅具有纤维素已有的低密度、无毒和可降解等特性，还具有机械强度高、可塑性强和可溶性等特点，因此在过去的几十年里广受关注，同时通过各种改性方式开发了一系列的新型材料，极大地拓展了纤维素基材料的应用。本文将从纳米纤维素的特性、改性方法、和应用等方面讲述纳米纤维素基材料的研究进展。
2 纳米纤维素的特点水三相点瓶>剪式举升机
根据形态和来源，纳米纤维素主要分为三类：纤维素纳米晶体(CNC)、纳米原纤化纤维素(CNF)和细菌纳米纤维素(BNC)。CNC和NFC通过自上而下的方法获得，即通过化学或机械处理使植物物质分解，BNC则通过自上而下的方法，采用细菌培养合成。制备方法及特征见表1。
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表1 纳米纤维素制备方法及特征
Tab.1 Preparation method and characteristics of nanocellulose
属性纤维素纳米晶体(CNC) 纳米原纤化纤维素(CNF) 细菌纳米纤维素(BNC)
来源
棉花，剑麻，椰壳，麦
秆，甘蔗渣，竹子和苎麻
莴笋削皮机甜菜，玉米，甘蔗渣，麦秆，黄麻，
水草，木薯，稻壳，棉花，大豆壳
利用木醋杆菌，土壤杆菌，假单胞
菌，根瘤菌，沙门氏菌等细菌培养
制备方法采用化学诱导方式将纤维素转换为较
小单位，如酸水解，最显著的是硫酸
采用机械诱导破坏方式，化学或酶处理，
高压均质化，研磨等将纤维素转换为小单位
将小单位(Å)转换为小单位(nm)，不需要
去除杂质，如木质素，果胶和半纤维素等
尺寸直径5~30 nm，长度100~500 nm；低纵横比直径10~100 nm，长度1~10 μm；高纵横比直径20~100 nm，网格状；低纵横比
特点持水量，结晶度和聚合度相对较低；轴
向刚度，拉伸强度较高；热膨胀系数较
低；高浓度下发生溶致液晶行为以及剪
切稀化流变性；可再生和可生物降解
重量轻，可生物降解，加工设备磨损小，
高比表面积，独特的形态，密度和机械强
度低，易于化学修饰；可再生和可生物降解
优异的生物亲和力，生物相容性
和生物降解性；保水性，纯度和
孔隙率高；柔韧性好；高聚合度
和结晶度；可再生和可生物降解
3 纳米纤维素的化学改性
纳米纤维素的疏水性、不相容性和界面附着力差，使其在非极性溶剂中的分散性差，影响其应用。为了克服这个问题，研究人员尝试了许多方式改变纳米纤维素表面和结构，主要是利用的是其表面的羟基(主要是伯醇羟基，-CH2OH)，从而提高分离效率和改变疏水性，改善纳米纤维素在特定溶剂中的相容性和分散性，主要方法有：改变表面离子电荷、疏水作用、聚合物接枝。
3.1 改变表面离子电荷
为了引入了水分散和分离过程中所必需的电荷，可采用磷酸化、羧甲基化、氧化和磺化反应将离子电荷进一步引入纤维素表面
纤维素磷酸化可显著改善纳米纤维素的原始性质，可用于生产适用于各种领域的材料，包括生物医学应用、纺织品、阻燃填料、生物化学分离等。主要是通过氯氧磷(POCl3)、五氧化二磷(P2O5)、磷酸(
H3PO4)、磷酸氢二铵(NH4)2HPO4、有机磷等磷酸试剂与C2、C3和C6位的游离羟基反应制备[3]。例如，Tzanov等人利用磷酰基供体5'-三磷酸腺苷，开发了磷酸化棉纤维素。纤维素中0.03 %的吡喃葡萄糖单元的磷酸化改善了纺织材料的着性和阻燃性[4]。
羧甲基化过程可将羧甲基引入纤维素表面，使表面带负电荷，这些电荷产生静电排斥并促进纤维素纤维降解成纳米颗粒。Siró等人对羧甲基化的软木浆施加了均质化步骤，发现羧甲基化的NFC凝胶可能形成极其透明的薄膜，可用于氧气屏障[5]。
2,2,6,6-四甲基-1-氧基(TEMPO)介导的氧化既可以用作促进纳米纤维分离的预处理，也可以使纳米纤维素表面疏水。De
[收稿日期] 2020-09-23
[基金项目] 广东省自然科学基金资助项目(2018A030313363)；校级科研团队项目(SZIIT2019KJ024，SZIIT2019KJ007) [作者简介] 程书平(1996-)，男，天柱山人，硕士研究生，主要研究方向为秸秆资源化利用。*为通讯作者。
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