邱学青教授团队研究：显著增强纳米纤维素薄膜力学性能丨CellPress论文速递
天然纤维素材料（如木材、纸张）是人类数千年来广泛使用的最古老的材料之一，为人类社会的发展做出了重要贡献。随着现代社会对高性能材料需求的增加，纤维素材料在很多领域地位逐渐被金属和/或石油基合成聚合物所取代。
纳米纤维素薄膜是近年来兴起的一种新型轻质高强纤维素材料，有望拓展纤维素材料在新兴领域的应用。然而，前期研究主要集中于采用各种取向排列技术实现纳米纤维素优异力学性能的转移，构建出轻质高强的薄膜。
纤维素聚合度是影响纤维素材料力学性能的一个重要却被忽略的参数。纤维素是由几百至几千个D-葡萄糖单元构成的链状高分子化合物，组成纤维素大分子的葡萄糖单元的个数称为聚合度(DP)。以木材为例，其原始纤维素的聚合度可达到10000左右，但是，经过制浆工艺后，纤维素的聚合度仅为原来的十分之一（1000左右），这严重制约了纳米纤维素薄膜材料力学性能的开发。
近日，华南理工大学化学与化工学院邱学青教授与轻工科学与工程学院方志强副研究员和刘宇博士联合提出一种有效保护纤维素聚合度的方法，从而显著增强了纳米纤维素薄膜的力学性能。首先，采用的碱性亚硫酸盐-蒽醌-甲醇制浆技术，实现木片中的大部分木质素和半纤维素的快速脱除，与此同时，能够抑制纤维素的急剧降解，保持了高的纤维聚合度（≈2000）。接着，通过加压干燥构建出具有优异力学性能的纳米纤维素薄膜，其拉伸强度、比强度、杨氏模量和韧性分别可达1014.7±69.1 MPa、748.4±50.8 MPa/g/cm3、60.2±0.8 GPa和15.2±1.9MJ/m3。相关结果于2月19日在线发表在Cell Press旗下期刊Matter上。
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图1. 木片快速脱木素，同时保持高的纤维素聚合度的示意图
图2. 纳米纤维素膜的力学性能和断裂模型
借助高分辨率扫描电镜、X射线衍射等表征手段，研究人员确认木材中木质素和半纤维素的脱除使纤维表面暴露更多的羟基，在后续的加压干燥过程中促进了相邻纤维细胞壁之间氢键和范德华相互作用的形成，助力于纤维素优异力学性能的转移。另外，在高强纳米纤维素薄膜的制备过程中，完美的保持了天然木材中纳米纤维的取向排列结构，从而充分的利用了纳米纤维素的优异的力学性能。
图3.木片和纳米纤维素薄膜的化学组成和结构表征
研究人员发现，木材中纤维素的聚合度和木质素的含量与纳米纤维素膜的力学性能紧密相关。一方面，当木片蒸煮时间较短木质素含量较高时，尽管纤维素聚合度较高，但是所构建的纳米纤维素薄膜的力学性能较差，这主要是由于木质素具有一定的刚性，其大量存在不仅会导致加压干燥中纳米纤维素薄膜难以形成致密的结构，也会阻碍相邻纤维细胞壁间的氢键和范德华相互作用的形成。另一方面，当木片中木质素含量降低到一定程度以后，继续延长蒸煮时间会导致纤维素的快速降解，纤维素的聚合度严重下降，从而导致所构建的纳米纤维素薄膜力学性能的下降。因此，实现木片的快速脱木素同时保持纤维素高的聚合度是提高纳米纤维素薄膜力学性能的有效途径。
图4 纳米纤维素膜的力学性能与木材中纤维素聚合度和木质素含量的关系
综上，这一研究成果阐明了纤维素聚合度对高强纳米纤维素薄膜的力学性能的重要影响，为高强纤维素材料的研究提供了借鉴思路。
论文通讯作者介绍
关于 邱学青 教授
邱学青，男，汉族，1965年12月生，广东汕尾市人，中共党员。博士，教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，享受国务院特殊津贴专家，获“光华工程科技奖”与“闵恩泽能源化工奖杰出贡献奖”，兼任中国化工学会理事、精细化工专业委员会副主任、广东省化工学会执行理事长、生物质化工教育部重点实验室学术委员会副主任。曾任华南理工大学副校长，现任广东工业大学校长，生物质资源化工团队负责人。主要从事生物质资源-木质素的基础研究及开发利用，已有多项成果实现工业化应用。团队曾获得国家技术发明二等奖2次，中国专利优秀奖3次，广东省专利金奖2次，广东省科学技术一等奖1次等奖励；获授权中国发明专利73项；获得美国授权专利2项；发表SCI/EI论文400余篇；出版专著1部。
关于 方志强 副研究员
方志强，工学博士，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室副研究员，主要从事纤维素材料光学与力学性能及其器件应用的研究。已在Chemical Reviews, Nano Letters, Energy and Environmental Science, ACS Nano等期刊发表学术论文80篇，其中3篇ESI高被引论文，总引用3050次（google citation)。申请中国发明专利20件，其中获授权专利7件，申请美国专利2件，其中授权1件。参编英文专著1部。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
论文标题：
Critical Role of Degree of Polymerization of Cellulose in Super-Strong Nanocellulose Films
论文网址：
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30016-3
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.01.016
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