华南理工大学彭新文教授团队《Adv. Funct. Mater.》：纳米纤维素衍生柔性功能材料

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近年来，柔性功能材料在便携式电子设备、医疗系统、通信与传感系统、人机交互和仿生智能机器人等方面的应用受到了广泛关注。因此，研究人员正致力于设计具有特定功能、便携性、操作安全性和生物相容性的柔性材料。考虑到环境污染和未来石化资源的枯竭，从纤维素、木质素、壳聚糖等可再生资源中开发低成本、绿色环保的柔性材料成为人们关注的焦点。其中，纤维素是地球上最丰富的可再生聚合物，具有产量丰富、无毒、可生物降解性和化学结构可修饰等特点。纳米纤维素作为纤维素的一种特殊形态，不仅具有纤维素的上述优点，而且还具有较高的机械强度、结构柔韧性以及可调节的自组装行为等特性，在构建柔性功能材料方面具有独特的优势：1）纳米纤维素具有高的长径比、优越的力学性能和丰富的官能团，可以组装成不同形态的柔性材料；2）表面官能团为化学修饰提供了多种可能性，进而为结构单元之间的交联提供更多的位点，有利于增强相互作用，提高机械强度；3）高的长径比和比表面积为纳米纤维素与其他构建单元的复合提供了机会，从而有利于设计多种功能的柔性复合材料。

最近，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室彭新文教授团队系统地概述了纳米纤维素基柔性材料的设计、制备和应用的最新进展。首先，简要介绍了纳米纤维素的制备、结构和特性（图1）。其次，综述了纳米纤维素基柔性材料的研究现状，根据纳米纤维素的固有特性，重点介绍了纳米纤维素在柔性材料构建中的重要作用。第三，全面地概述了柔性材料在各个领域的应用，包括储能与转换、电子、光学、生物医学、传感器、阻火、隔热等（图2）。最后，讨论了纳米纤维素基柔性材料目前面临的挑战和未来的发展前景。

图1 纳米纤维素的分级结构及其形貌

图2 纳米纤维素基柔性材料在不同领域的应用

纳米纤维素因其优异的特性，可通过各种先进的技术开发出不同形态的柔性功能材料（图3b和c）。系统地了解结构、功能和性能之间的关联，对于优化纳米纤维素在柔性材料中的设计具有重要意义。为此，该综述总结了纳米纤维素柔性材料的结构-性能-应用关系（图3a）：1）纳米纤维素具有生物降解性和生物相容性，是开发可降解生物医学、生物传感器或食品包装材料的理想前驱体；2）考虑到其优异的力学性能，纳米纤维素可以作为纳米构建单元用于开发高强度的自支撑材料，也可以作为增强剂/填料用于增强复合柔性材料的力学性能；3）纳米纤维素具有较高的长径比和丰富的分子内和分子间氢键，可组装成独立的、具有互联网络的1D纤维、2D薄膜/纸和3D块体材料，是储能、电子、生物医学工程、传感器等领域柔性衬底的理想材料；4）纳米纤维素表面具有丰富的羟基，易于通过特定的化学改性处理或与其他功能组分复合，通过合理设计纳米纤维素柔性材料的表面化学结构、调节复合材料中功能组分的比例、调整制备策略等，实现可控调节纳米纤维素基柔性材料的理化性能，提高其应用性能；5）纳米纤维素具有尺度小、比表面积大、热稳定性好等特点，可用于制备具有可控多孔结构的薄膜/纸，在电池隔膜或电子器件等领域具有潜在应用前景；6）纳米纤维素具有高的碳含量，是合成柔性碳材料的良好前驱体，通过进一步功能化，可用于物理传感、储能、吸附与净化、阻火或电磁屏蔽等领域。

图3 纳米纤维素柔性材料的结构-性能-应用关系和制备方法

考虑到纳米纤维素固有的柔性和高长径比，在不添加其他构建单元的情况下，单一的纳米纤维素可以直接组装成柔性材料（图4）。从细菌中获得的细菌纤维素（BC）膜具有很高的柔性和强度，可以直接干燥制备薄膜和气凝胶或扭曲成微纤维。纯纤维素纳米晶（CNC）薄膜或3D块体可通过氢键和物理/化学交联获得。由于具有更高的长径比和柔性，纤维素纳米纤维（CNF）比CNC更容易形成纳米纤维素柔性材料。

图4 纳米纤维素柔性材料

尽管单一的纳米纤维素可以直接组装成柔性材料，但其功能和应用较为有限。为了使纳米纤维素基柔性材料具有特定功能，并扩大其应用范围，可将纳米碳材料（如石墨烯、碳纳米管、量子点等）（图5和6）、有机聚合物（图7）、无机物（图8）、MXene、MOF（图9）等其他组分与纳米纤维素进行复合，进而调控复合柔性材料的导电性、热稳定性、力学性能、光学性能、阻燃性等理化性能。

图5 纳米纤维素和石墨烯复合柔性材料

图6 纳米纤维素和碳纳米管复合柔性材料

图7 纳米纤维素和有机聚合物复合柔性材料

图8 纳米纤维素和无机物复合柔性材料

图9 纳米纤维素和MXene、MOF复合柔性材料

随后，该综述对纳米纤维素及其复合柔性材料在各个领域的应用进行了系统的介绍，如电化学储能（如超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池和金属空气电池）（图10）、电子器件（如纳米发电机、光伏器件）（图11）、传感（如物理和化学传感）（图12）、生物医药（如抗菌材料、伤口愈合和组织工程）隔热（图13）、阻燃、电磁屏蔽、光子材料等。

图10 纳米纤维素柔性材料在锂离子电池的应用

图11 纳米纤维素柔性材料在纳米发电机的应用

 图12 纳米纤维素柔性材料在传感领域的应用

 图13 纳米纤维素柔性材料在隔热领域的应用

虽然纳米纤维素在柔性功能材料的设计与应用方面已经取得了很大的进展，但仍存在部分挑战需要解决。首先，目前大规模获得高质量、物理和化学结构可控的纳米纤维素仍然较为困难，限制了纳米纤维素的工业化应用。因此，应致力于开发新的方法和加工设备，以可持续和高效的方式实现纳米纤维素的大规模生产。此外，纳米纤维素基柔性材料的制备策略（如冷冻干燥和湿法纺丝），存在耗时长或成本较高等问题，这可能会限制纳米纤维素基材料的实际应用。为此，需要开发更连续的、可大规模的制备技术。其次，表面和界面工程已被广泛应用于柔性材料的构建，但表、界面工程对材料性能的影响尚未得到很好的揭示，因此需要开展基础研究，为后续研究提供理论指导。第三，目前研究大多仅涉及纳米纤维素基材料的某一功能化，其在集成系统中的潜在应用尚未得到很好的开发。因此，纳米纤维素柔性材料在集成系统中的实际性能有待进一步研究，且需要开发具有多种功能的纳米纤维素基材料，促进其在可穿戴设备、电子皮肤、健康监测等领域的集成应用。最后，虽然纳米纤维素具有可生物降解性和生物相容性，但部分纳米纤维素柔性复合材料是通过与不可生物降解的组分复合构建的，这限制了其在生物医学或生物传感器方面的潜在应用。为此，应考虑采用更环保的材料（如聚乳酸、聚己内酯或蛋白质）用于纳米纤维素复合柔性材料的开发。

该工作以“Advanced flexible materials from nanocellulose”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202214245

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