南林李美春AM综述：一种绿色、环保、高效的流变改性剂——纳米纤维素

纳米纤维素是从天然纤维（木材，棉麻，海藻等）中提取出的纳米材料，因其具有可再生、可生物降解、高比表面积、高长径比、优异力学等性能，近年来已成为全球林产品和材料学研究的热点。当纳米纤维素分散在溶剂中时，其可通过形成缠结的三维网络结构以及化学相互作用（范德瓦尔斯力、氢键、静电作用力、疏水作用力等），生成粘性流体。在剪切作用下，纳米纤维会沿着剪切方向定向排列，呈现出剪切变稀行为。移除剪切力后，其可快速重塑内部结构，在很短时间内恢复粘弹性，呈现出优异的触变性。因此，纳米纤维素流体表现出优异的流变特性，近年来在功能性流体领域中的应用受到了越来越多的关注。

图1. 来源于生物质的纳米纤维素是一种绿色、环保、高效的流变改性剂

为此，南京林业大学李美春教授及其合作者在Advanced Materials系统总结了纳米纤维素流体的流变特性及其在3D打印、油田化学、食品等领域应用的研究进展，并对存在的挑战和工业化应用前景进行了展望。

图2. 纳米纤维素流体的流变特性、影响因素及应用

本综述首先介绍了纳米纤维的种类（纳米纤维素纤丝和晶体），归纳了纳米纤维素的原料和制备方法与其尺寸和表面官能团的内在联系；随后对纳米纤维素流体的絮结和溶致液晶现象、剪切取向行为、稳态剪切粘度、动态粘弹性进行了总结，具体讨论了测试方案（模具几何形状、剪切速率和恢复时间），纳米纤维素的内在特性（浓度、尺寸和表面化学），外在环境（离子浓度、酸碱度、温度、电磁场强度和聚合物相互作用力）以及后处理过程（干燥和再分散方法）对纳米纤维素流体流变性能的影响；进一步对纳米纤维素流体在3D打印、油田化学、食品、涂料和个人卫生用品等领域的研究进展进行了归纳，着重阐述了纳米纤维素的形貌、表面化学、流变特性和应用性能之间的相互联系。

图3. 纳米纤维素流体在钻井工程的应用

最后，作者指出纳米纤维素是一种绿色、环保、高效的流变改性剂，但是将其工业化应用还存在以下挑战：1）经济成本高，具体体现在制备、加工、运输和保存等方面；2）纳米纤维素的多样性，其尺寸、结晶度和表面化学特性受原料和制备方法影响很大；3）纳米纤维素流体的不稳定性，外在环境等对其粘度和粘弹性影响显著；4）长期使用对人体和环境影响的不确定性。基于此，作者建议：1）充分表征与调控纳米纤维素的尺寸和表面化学特性，以达到最优流变改性效果；2）使用更稳定、更均一、商业化生产的纳米纤维素来替代实验室制备的纳米纤维素进行科学研究，从而降低因纳米纤维素性质的不一致性带来的不利影响；3）规范纳米纤维素流体流变性能的测试方法；4）将纳米纤维素和水溶性聚合物共同使用，提高其可加工性和功能性；5）建立更规范的纳米纤维素安全评价和管理体制。

本文第一作者兼通讯作者为南京林业大学材料学院李美春教授，共同通讯作者为美国路易斯安那州立大学Qinglin Wu教授。该工作得到美国农业部林务局基金，美国路易斯安那州教育厅基金、江苏特聘教授科研启动基金、江苏省农业科技自主创新资金等项目资助。

论文信息：

Rheological Aspects of Cellulose Nanomaterials: Governing Factors and Emerging Applications

Mei‐Chun Li*, Qinglin Wu*, Robert J. Moon, Martin A. Hubbe, Michael J. Bortner

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202006052

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Advanced

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期刊简介

《先进材料》（Advanced Materials）是一本超过30年历史，由Wiley出版发行的材料科学类知名权威期刊。期刊聚焦功能材料在化学、物理、生物等各项领域及相关交叉学科的前沿进展，影响力广泛。最新影响因子为27.389，中科院2020年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。

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