综 述

1 研究背景与意义

包装在保护产品、加速物流、促进销售等方面起着重要作用，但包装也消耗了大量的不可降解材料，并造成令世界头痛的废弃物问题。包装材料的发展趋势是减轻对环境的压力，寻求高效清洁的新型资源，特别是以天然可再生生物质资源为原料，生产环境友好型可降解包装材料就成了世界各国包装工业应对能源危机和环境污染两项挑战旳重要课题。但生物质高聚物制成的材料往往性能不佳，达不到包装要求，限制了其包装应用。传统的增强相如碳纤维、玻璃纤维等，虽然具有良好的力学性能，但是基本上不具备生物降解性。纳米纤维素（NCF）作为增强相，即使很低的用量也可极大改变复合材料的性能^[1-2]。

纤维素是自然界中储存量最大的天然高分子聚合物，具有可再生、材料易得、成本较低、生物相容性、生物降解能力等优点。近年来，许多研究都致力于拓宽纤维素的应用范围，其中纳米纤维素是利用纤维素的主要途径之一。纤维素含有三个活性的轻基基团，分别存在于纤维素分子链葡萄糖基的C₂,C₃,C₆位置上，对于纤维素的再处理主要是针对纤维素分子链上的活性轻基进行氧化、酉旨化、醚化等处理，其中氧化纤维素已经成为纤维素的主要化学改性途径之一。纳米纤维素是通过进一步处理纤维素所获得的产物，其具备高长径比、大比表面、良好的生物相容性与生物降解能力等优点。纳米纤维素的诸多优点使其应用领域十分广泛，如:以纳米纤维素为敷料的基材，因为其多孔渗透结构可以高效地固定药物，保证皮肤能够垂直吸收药物的同时不会影响其它部分的皮肤[3]。纳米纤维素也可以作为酶或者药剂的载体应用于生物医药和美容方面，具有分散性和生物活性的纳米纤维素有助于所载药剂被皮肤吸收^[4-5]。纳米纤维素不仅具有天然纤维素可再生、可生物降解等特性，还具有大比表面积、高亲水性、高透明性、高强度、高杨氏模量、低热膨胀系数等优点，为其形成各种功能性复合材料提供了可能，其在造纸、食品工业、复合材料、电子产品、医药等领域具有广阔的应用前景。因此，纳米纤维素的制备、结构、性能与应用的研究是目前国内外学者研究的重点和热点。^[6-7]

近年来，越来越多的研究者以天然或合成的聚合物为基体加入纳米纤维素制备纳米纤维素复合材料。纳米纤维素作为纤维素家族新崛起的明星材料，其优异的物化性能、环境友好、易获取、可再生等特点，使其获得了来自学术界和工业界的广泛关注，日本更是将纤维素纳米纤维材料的研究与开发写进了其国家的《日本复兴战略》，从国家战略角度对NCF材料的未来发展进行了规划。纳米纤维素作为一些生物质材料的增强材料，可以提高复合材料的力学性能和阻隔性能，并可改善一些复合材料的热性能及降解性能。纳米纤维素增强生物质复合材料具有强度高，可生物降解，废弃后不污染环境的优越性能，扩大了生物质材料的应用范围，使绿色高分子材料可以被更广泛地应用于各个领域。在能源危机日益严峻，绿色可持续发展呼声日渐高涨的今天，NCF作为一种可再生、高附加值天然资源，其功能化应用研究对于推动绿色化学发展，新材料研究创新及应用具有重要意义[8,9,10]。

2 纳米纤维素

2.1 纳米纤维素市场概况

纳米纤维素是一种新型纳米材料，具有生物可降解性能，且强力高于普通的钢材或芳香族聚酰胺(Kevlar)，因具有良好的透明性、吸湿性以及导电性在业内受到广泛关注。纳米纤维素制品极高的性能／重量比，使其在应用市场展现出巨大的潜力。如北欧YTT技术中心的研究报告预测，纳米原纤化纤维素(NFC)2020年全球市场的需求量住10万t左右，2025年将达到40万t；而纳米晶纤维素

(NCC)2020年市场规模应在8000 t左右，2025年将超过5万t。目前纳米纤维素已在多个领域完成了商业化应用。无毒和优良的生物相容性使其在医用组织支架、绷带、人造血管和药液控释等领域的应用取得进展；经过改性的纳米纤维素使增强相的复合材料表现出巨大的市场潜力[11]；纳米纤维素超高的比表面积(约l 000 1TI儋)使其成为优良的电池隔膜材料；纳米纤维素具有优良的吸水、持水和控制释放能力，其产品已在纸尿裤、医用创伤敷料、卫生巾和低热值产品中使用；用作造纸填料，添加剂量为2％～10％时，可使纸制品的强力和韧性提高50％～90％。纳米纤维素薄膜柔软且透明，可用作功能性包装材料或安全用纸；亦可以制作挠性电子产品，如挠性显示器、可弯曲电池（NLED）产品[12]。纳米纤维素在商业化方面展现出巨大的发展潜力，美国纸浆与造纸工业技术协会(TAPPI)乐观地预测，纳米纤维素在制浆造纸工业、聚合物增强复合材料、功能性薄膜、建筑材料、油气资源开发等领域，全球每年有2300万t待开发的消费能力，其中NFC占60％，NCC占20％^[13]。