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1、纳米晶体纤维素的生产挑战及使用领域(2)2.2 NCC 和纤维素生物燃料的集成生产目前两种纳米晶体纤维素和纤维素生物燃料的生产方法是不经济的，在生物炼制中得到的产品中含有夹杂物，这将会增加工作量和企业的收益风险21.Zhu 等24提出一个新的概念来结合这些产品： 酶促分馏用来分离葡萄糖流，生产生物燃料和加固纤维固体组分。这个最新的方法被他们用来生产微纤丝化纤维素（ microfibriuated cel-lullose,MFC） .另一方面，Oksman 等25从木质纤维素生物质分离出的生物乙醇产品中分离出NCC.生物残留物使用时通常称为木质素，可从中得到含量较高的纤维素（ 大约 50%） 和
2、 NCC 结晶 度 超 过 73% 的 产 率。 此 外，Mandal 和Chakrabarty26考虑了从甘蔗渣中提取纤维素纳米晶体的可能性。甘蔗渣是每年大量地从糖和酒精工业以及生物乙醇生产设施中产生的残余物。2.3 NCC 生产的标准化用于生产的配方需要具有能生产大小均匀，长宽比、表面化学性质一样的特点，这将为 NCC悬浮液提供更高的控制力，并基于 NCC 复合材料的设计和加工。至今，附加的步骤，如渗透11、差速离心27,或是超速离心法28都可以降低微晶的多分散性。Beck-Candanedo 等10开展了一项调查，长时间的硫酸水解条件下可产生短的、多分散性的纳米颗粒。这意味着可以生产出有
3、着可控大小、纵横比和可控化学表面的 NCC.这样的控制需考虑重复性以及最佳性能的材料。2.4 通过硫酸水解增加 NCC 的产量增加萃取 NCC 的生产产量对最终的成本有着重要的影响。Oksman 等29通过实验的析因设计矩阵研究了最优的水解条件并证明了 NCC 在63.5%硫酸条件下水解 2 h 可得到 30% 的产量（ 在原重量的基础上） .最近 Hamad 和 Hu30开展了一个关于结构-加工-产量的相互关系的系统研究，用于从商业的软木材牛皮纸浆中提取NCC.用 64% 的硫酸水解可得到高度结晶的NCC（ 80%） ,产量为 21% 38%.在温度为 65条件下并将反应时间缩短为 5 mi
4、n 时可得到最高产量。结论显示出硫酸盐化作用在决定 NCC 提取产量方面起到了重要作用，并且在结晶度和聚合度方面赋予了 NCC 相应的特征。3 纳米晶体纤维素的应用范围及领域近十年来，大量研究表明 NCC 可以用作纳米复合材料的填充物以改善机械性能和阻隔性能3,13,3137.现在的研究热点主要在于完全生物基和可生物降解的系统。绿色复合材料是指既是聚合物基体也是生物基填充物的物质。事实上，愈来愈多来自不同领域的研究人员开始对 NCC 感兴趣，他们正计划和探索出 NCC其他的用途，例如泡沫、气凝胶33,选择性透过膜的结构单元38,粘合剂材料改进33或通过自身粘合39作为一种对低浓度聚合物电解质的
5、机械增强剂，它可在锂电池产品中使用4043,也可以在生物分子核磁共振中使用44.3.1 利用 NCC 改进机械性能对工业部门而言，通过向纳米复合材料中添加 NCC 来改进机械性能，这是一个重要的研究热点，涉 及 这 一 领 域 的 研 究 和 优 秀 评 论 非 常多13,3137.Favier 等12第一次报道了基于纳米复合材料的 NCC 作为聚增强填料（ 苯乙烯-丙烯酸丁酯） .因此，研究者们将注意力集中在完全生物基复合材料。虽然这种生物聚合物具有很高的潜力可以取代塑料，但仅基于淀粉的材料缺乏强度45.Anglès 等46,47,Cao 等48,49和其他科学家45,50发现
6、淀粉基聚合物可以通过添加一定量的 NCC 来加固。3.2 添加 NCC 可改进热学性能NCC 及其复合材料的热力性质都具有局限性，也影响了它们的潜在应用，一些问题仍在进行评估3,13,32.事实上，限制 NCC 应用的主要问题是在高温下纤维素材料的热降解或机械性能的减少51,但在一些情况下，添加 NCC 会改进热力学性能。一些学者通过差示扫描量热法（ DSC） 改进了玻璃-橡胶转变温度、Tg、熔点、Tm和热稳定性。Siqueira 等3强调了 NCC 增强聚合物在转变温度变化的效果，但研究者并没有通过这些参数观察到相关变化，因为纳米填料具有很大的比表面。另一方面，DMTA、动态热力学分析表明了
7、相比于纯的基质聚合物要如何在复合材料中引进NCC 来改进机械性能反应51.纯聚合物提取的复合材料的 Tg是不变的，但温度在 Tg之上的复合材料具有更高的储存和损耗模量，且稳定化影响随着基质中 NCC 浓度的增加而增强19.最近，Auad 等52通过加入纳米晶体纤维素来观察形状记忆嵌段聚氨酯（ SPUs） 的热性能改进。在悬浮制造过程中加入少量的纳米晶体可显着的改善市售形状记忆聚氨酯（ 没有形状记忆性能衰退） 的刚度。一些学者调查到一个重要的工业问题： 在某些情况下，用纤维素纳米晶体作为生物基成核剂处理基质会使一些不同的热塑性基质如聚（ 乳酸） （ PLA） 的结晶速度变慢5355.最近有研究表
8、明，以高性能纳米复合材料为基础的聚乳酸（ PLA） 的非等温冷结晶行为能够增强纳米晶体纤维素和银纳米粒子56.在纳米晶体表面存在表面活性剂会使得 NCC 在 PLA 矩阵中更容易散布，非等温结晶的研究强调了在结晶过程中纳米晶体纤维素含量及修饰的影响。3.3 NCC 可以改进阻隔性能纳米系统的阻隔性与许多应用有关。如从废液中分离有毒金属57,58和生物甲烷改造59,60.包装是一个特殊的领域，在这个领域，安全和微创加工材料的需求不断增加，使完全生物基复合材料更具吸引力61.事实上，包装是塑料材料消耗最大的市场，它也是废物处置问题的主要来源之一。特别是食品包装材料，既需要机械强度又要能阻隔分子气体
9、（ 主要是氧气） ,控制水分散失、味道和香味的改变。NCC 改进材料的研究主要集中在水蒸气传输和透氧率。例如，Saxena 等62将 NCC 合成木聚糖/山梨醇薄膜来制成生物降解屏障膜。加入 10% 的NCC 可以使水的传输特性降低 74%.有学者认为，NCC 的高结晶度和刚性的氢键网络形成的一个集成的基质（ 如过滤理论所描述的） ,可以改进阻隔性能。近期有研究展现了通过溶剂浇铸法生产 PLA 纳米生物复合材料系统，无修改加强和表面活性剂改性的纤维素纳米晶体来增强 PLA 薄膜阻隔性能的可能性。此外，为了获得具有增强机械性和热力学性质还能抗微生物的多功能系统，研究人员最近正考虑在聚合物基质中使
10、不同加固相结合的可能性。Fortunati 等63报道了以银纳米粒子在聚乳酸的矩阵中添加纳米晶体纤维素，用来革新纳米复合材料薄膜。该薄膜可能产生不同于改进机械性能的抗金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌作用。含银的新的多功能聚乳酸纳米复合材料的抗菌活性很显着，这再次证明了银离子 能 够 干 扰 呼 吸 链 从 而 引 起 细 菌 存 活 力降低64.4 展望目前，NCC 作为新兴的纳米生物材料，在电子工业、医药工业、食品及日用化工业等方面的应用研究引起了世界各地的广泛关注。相比于MCC,NCC 自身优势更为强大，NCC 所特有的性质和可发展性，使得其用途广泛，如制浆、造纸，用作药品或食品等的高效添加
11、剂等。另外，由于NCC 具有聚集态结构的特殊性质，以及低能耗、环保可再生等优势，使其在许多新兴领域也具有广阔的应用前景。参 考 文 献1 Klemm D,Kramer F,Moritz S,et al Nanocelluloses: A newfamily of nature-based materialsJ. Angew. Chem. Int. Edit.,2011,50（ 24） : 5438-5466.2 Terech P,Chazeau L,Cavaille J Y. A small-angle scatteringstudy of cellulose whiskers in aqueous suspensionsJ. Macro-molecules,1999,32（ 6） : 1872-1875.3 Siqueira G,Bras J,Dufresne A. Cellulosic bionanocomposites:A review of preparation,properties and applicationsJ. Poly-mers,2010,2（ 4） : 728-765.