材料优选 || 纤维素纳米纤维上架，将复合材料进行到底

将纤维素（Celluouse）进行纳米化（超微细化）处理后制成的“纤维素纳米纤维”（Celluouse Nanofibers，CNF）具有“轻盈、强韧、环保”的特点，作为一种梦幻般的新材料受到了人们的关注。根据尺寸、制备方法和来源不同，纳米纤维素通常可以分为三类：纤维素纳米晶（cellulose nanocrystal,CNC），纤维素纳米纤维（cellulose nanofiber, CNF）,细菌纳米纤维素（bacterial nanocellulose, BNC）和静电纺丝纤维素（Electrospun cellulose，ECC）四大类。

纳米纤维素多数是从微晶纤维素结构中从上而下的水解制备，把其中的木质纤维素、木质素和半纤维素逐层去除。其中CNC通常采用酸水解，TEMPO氧化水解纤维素中的无定形区，保留结晶区而得到的一种针状/棒状的结晶纤维素晶体，其长度在几百纳米，直径在3-20nm。近日，德国哥廷根大学的张凯教授团队发现利用碱性高碘酸氧化可以直接从多种木质纤维素原料中高效制备纤维素纳米晶。

▲图1.纤维素中的结晶区域和无定性区域，以及硫酸水解制备的CNC

而纤维素纳米纤维（CNF）是一种从植物纤维素分离得到的直径为5-20nm，长度几百纳米至几十微米的丝状纤维素纤维。CNF 的传统制备工艺通常是先对纤维原料进行预处理，然后在机械外力的作用下（如研磨、高压微射流、高压均质、高剪切等）将植物细胞壁破坏，纤维素大分子断裂，并发生机械解纤，从而制得纳米级别的CNF。目前CNF的传统制备方法主要有两种：机械法和 TEMPO 氧化法。TEMPO 氧化法是以 TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氮氧化物）作为氧化剂，在水性氧化体系中对纤维原料进行氧化，将纤维素表面 C6 上羟基选择性地氧化成羧基，然后再经机械处理即可形成稳定的CNF体系。

▲图2：纳米纤维素的高碘酸氧化制备流程

（Angew.Chem. Int. Ed., 2019, DOI:10.1002/anie.201912053）

近年来，CNF与纳米材料的复合制备功能材料成为研究热点，2018年，ACS Nano 报道了使用一维纳米纤维素纤维（CNFs）和MXene相二维分层Ti3C2Tx纳米片（d-Ti3C2Tx）复合的研究策略，成功制备出具有超薄和高韧性的新型复合电磁屏蔽纸（ACS Nano, 2018, DOI:10.1021/acsnano.8b00997）。2020年，中国科学技术大学俞书宏院士团队团队成功地将纤维素纳米纤维（CNF）和二氧化钛包覆的云母片（TiO2-Mica）复合制备了具有仿生结构的高性能可持续结构材料。

▲图3：纳米纤维素与二氧化钛包覆的云母片制备流程

（NatureCommunications, doi: 10.1038/s41467-020-19174-1）

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