纳米纤维素新应用：与PBAT、PLA复合，可减重降成本

生物降解材料研究院报道，纤维素是天然生物材料，在自然界中储量丰富，具有优异的力学性能，可生物降解。但天然纤维素主链上有很多羟基基团，分子间和分子内形成了大量氢键，使纤维素很难溶解或者熔融。

纳米纤维素是指纤维直径在纳米级的纤维素。纳米纤维素来源于树木、植物和废弃木材等自然生物质资源，可回收和生物降解。密度是钢铁的五分之一而强度却是其五倍。热膨胀系数低，可与玻璃纤维相媲美，而弹性模量高于玻璃纤维，坚固耐用性能优异。

此外，因为纳米纤维素表面有很多羟基，可以进行修饰改性，这大大拓展了纳米纤维素在复合材料方面的应用领域。

近年来，中科院理化所的黄勇教授和团队，在国内首次提出了机械外力和环境极性协同作用下，晶面导向剥离纤维素的理论。一方面，通过机械剪切力实现纤维素材料的纳米化；另一方面，通过添加化学助剂调节纤维素分子链之间相互作用，调控纳米化纤维素的形貌（零维，一维和二维）和亲疏水性，在纤维素应用领域发挥了重要的前沿影响。

1、纳米纤维素造纸

黄勇教授团队的这一研究率先应用于造纸行业。

一般而言，纸张本身的强度低和疏水性差，导致很难在包装领域被广泛使用。他们研发的纳米纤维素不但可以提高纸张强度，进而降低纸张克重。同时，通过表面处理技术，使纸张具有良好的疏水性。这样的纸张可以替代塑料薄膜作为包装材料使用。若无疫情影响，这项技术应该已经在多家日本公司使用。

纳米纤维素制作的纸张可以用来做纸袋，在制袋过程中无需塑料淋膜，解决了微塑料的环保问题。不过黄勇也坦言这项技术存在的问题，“目前纳米纤维素纸袋无法热压成型，需要用粘合剂来粘，成本比传统袋子略高。如果能有实力企业介入参与改进，相信这个问题会随之解决。”

2017年江南大学郄冰玉申请了一种由纳米纤维素增强的海藻酸盐/淀粉基复合防油膜与纸基材粘合制备的生物质覆膜防油纸及制备工艺的专利，这样的覆膜防油纸表面平整，结合牢固，无起皱现象，不产生分层，可天然降解。

2、纳米纤维素与PBAT、PLA复合

近年，黄勇团队的另外一项研究，是将纳米纤维与可降解塑料PBAT复合，成功得到了能够满足应用需求的的新材料，并大大降低可降解塑料的成本。2017年6月13日安徽省阜阳市国泰彩印包装有限公司公开了一种纳米纤维素增强的可降解型塑料薄膜复合材料，及其制备工艺的专利。2019年，来自日本的绿色科学联盟有限公司用纳米纤维素PLA（聚乳酸）复合材料注塑成型制作了餐具样品。

传统塑料也可以应用这项技术，不仅可以减重而且降低成本。如纳米纤维素与聚丙烯复合制成的汽车保险杠，强度可达到和玻纤复合材料同样的效果。早在18年，绿色科学联盟有限公司就将纳米纤维素与废料的PP再生颗粒复合，得到了机械强度比混炼前的再生塑料更高的新材料。

3、纤维素纳米纤维对水性涂料性能的改进

传统的溶剂型涂料在制造、施工和固化等过程中会散发大量挥发性有机化合物（VOC）,不仅污染环境，而且威胁人体健康。水性涂料采用水作为溶剂或者分散介质，与溶剂型涂料相比，具有清洁环保、不燃不爆、低碳健康等特点，被广泛使用于木制家具、墙面、汽车、铁路车辆等领域。

但作为一种新兴材料，水性涂料也存在耐水性和耐溶剂性差、硬度低、光泽差以及干燥速度慢等缺点。纤维素纳米纤维（CNF）具有较大的长径比和比表面积、大量表面活性反应基团以及良好的力学性能，可作为涂料改性的添加剂。

用机械球磨法制备的表面羧基改性的纤维素纳米纤维，对涂料涂膜性能改进后，得到涂膜的粘度、力学性能均有很大的提高。

4、纳米纤维素对环氧树脂的增强

环氧树脂具有高透明性，高粘结强度，低收缩率、良好的化学稳定性和电绝缘性、高机械强度和较好的加工性能等优点，是聚合物基复合材料应用最广泛的基体树脂之一。但是这种材料的缺点表现在固化后交联密度高，存在的内应力大,质脆，一定程度上限制了环氧树脂的应用。

为此，需要对环氧树脂进行增强增韧改性。用机械化学法制备的表面疏水性纳米纤维素，利用这种纤维素制备了几种不同含量的纳米纤维素增强环氧复合材料，结果发现改性后的纳米纤维素与环氧树脂相容性较好，并能够提高环氧树脂的力学强度，实验结果同时证实了疏水改性的纳米纤维素的加入，不会对材料的热性能造成明显影响。