2022年纳米纤维素行业动态盘点

　　在《生物基生态》10月生物质资源利用专刊里，编委特别从企业和机构研究两个方向，整理了近些年的纳米纤维素的行业动态。

　　其中，纳米纤维素的科研动态居多，企业动态较少。以下本期编委梳理的结果。

　　纳米纤维素·近年企业动态

　　2022年8月，美国生物材料公司Bucha Bio在种子轮中筹集了110万美元。Bucha将利用这笔资金加速其由细菌纳米纤维素制成的生物基材料的市场推广。这将包括确保联合制造商扩大生产规模、招聘新员工以及在休斯顿建造最先进的总部。

　　该公司正在开发两种生物基材料：SHORAI?和 HIKARI?。前者是皮革的替代品，后者是具有加工能力的半透明材料。Bucha还继续研究新技术，包括生物纤维、生物包装和硬生物复合材料。这些材料可用于时尚、汽车、家居用品、电子和建筑等各个行业。

　　2022年3月，山东济南圣泉集团申报的《微/纳米纤维素基多功能食品包装纸》项目入选2021年度科创中国——美团青山环保科技创新示范项目，并获得项目金额资助。圣泉集团在生物质炼化已深耕逾40年，是国内该领域的龙头企业，拥有“圣泉法”秸秆精炼一体化绿色技术。

　　2021年6月，芬兰斯道拉恩索公司（Stora Enso）收购了Elopak ASA的股份。此次收购有望加强公司在全球包装市场的地位，尤其是在欧洲和北美的液体纸包装领域。

　　2020年9月，Celluforce宣布与一家从事化妆品行业的跨国公司签署价值数百万美元的合同，以开发和供应用于其产品的纳米纤维素。

　　2020年8月，芬兰斯道拉恩索公司（Stora Enso）宣布建设新的生产纤维素泡沫的试验工厂。新工厂是位于该公司在瑞典的Fors工厂，将能够生产用于包装和缓冲应用的轻质生物纤维基泡沫材料，并替代包装行业中使用的化石基材料。

　　纳米纤维素·最新科研动态

　　基础研究

　　南京林业大学：提出一种绿色高效的纤维素溶解方法

　　纤维素因其高度有序的超分子结构不能熔融，也很难溶解于常规溶剂，这极大地限制了纤维素材料的开发与利用。

　　基于此，南京林业大学轻工与食品学院王志国教授和马金霞教授团队提出了一种绿色高效的纤维素溶解方法：AlCl3/ZnCl2复配无机盐水溶液在室温下可以快速溶解高聚合度（DP~4080）的纤维素。该溶解体系还可实现溶剂高效回收利用，回收率高达95%，循环利用十次后的溶剂仍可溶解纤维素。

　　该方法不仅摒弃了传统的高温溶解或零度以下低温溶解，而且还不受纤维素聚合度的限制，同时避免了高温溶解对纤维素的降解，实现普通室温条件下各类聚合度纤维素的快速溶解。该溶解体系将为纤维素基导电、传感、抗菌、光催化等复合材料提供可行方法及有效途径。研究结果于2022年1月发布在杂志Green Chemistry上。

　　农业包装

　　瑞典：科学家给香蕉涂上纳米纤维素，保鲜达一周

　　2022年1月4日，瑞士联邦材料科学技术实验室(EMPA)和水果零售商Lidl Switzerland为香蕉开发了一种香蕉生态纳米纤维薄膜涂层。这样可在不使用塑料包装的情况下，有效延长水果的保质期。这种涂层可以喷在水果上，也可以蘸着涂在农产品上，并且易于洗净。

　　英国：从牛皮纸浆中制备透明且可生物降解的纤维素膜

　　科学家们正在不断研究用纤维素制备可降解的塑料薄膜。

　　2022年9月，不列颠哥伦比亚大学Feng Jiang团队证实了纤维素纸浆可以在不完全溶解或纳米原纤化的情况下被加工成一种透明薄膜。所制备的纤维素薄膜具有高透过率、良好的热稳定性、高机械强度、良好的水下结构稳定性以及优异的生物降解性。具体参数为650 nm处透过率为 89%、Tmax为350°C、99.7 MPa拉伸强度和5.7 GPa杨氏模量、浸入水中30天后拉伸强度为17.1 MPa、埋在土壤中19天内完全降解。该研究结果发布在杂志ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。

　　美国：提出一种制备硫化纤维素纳米纤维的简易方法以制备高强度纤维

　　近年来，通过溶解和衍生化的纤维素制备纤维和薄膜已经用于各个领域，然而制备纤维或薄膜的过程中常常伴随着纤维机械强度的损失、较高的能量损耗及较低的产率等问题。

　　基于此，加州大学You-Lo Hsieh教授团队于2022年3月23日提出了一种简单的硫化-分解方法，通过将稻草纤维素与氯磺酸直接磺化，然后混合制备磺化纤维素纳米纤维。随后通过湿法纺织将该纤维分散体在有机或者有机/离子凝结剂体系中通过湿法纺成具有高拉伸强度和杨氏模量的连续纤维，其拉伸强度和杨氏模量分别高达675±120 MPa和26±5 GPa。

　　巴西：带电纤维素纳米纤维作为生物可降解聚合物的营养载体用于增效肥料

　　高效肥料对可持续农业至关重要。使用聚合物基质来包裹和携带肥料，可以将营养物质带到植物所需的水平，并避免梯度损失。纳米纤维素(CNF)在作为增效肥料基质方面具有极大的应用潜力，而且能避免大多数石油基不可降解聚合物对环境造成的危害。

　　基于此，巴西圣卡洛斯联邦大学的Roselena Faez团队对CNF进行功能化修饰，使其分别带上负电荷(CNF-)和正电荷(CNF+)。该团队发现纤维素表面的正、负电荷能够改善CNF与钾和硝酸盐养分之间的静电相互作用，延缓养分的释放。此外，功能化的CNF对聚(3-羟基丁酸)(PHB)/淀粉基质的增容性，以及对养分释放机制和生物降解过程的影响也得到进一步的研究。

　　东北林业大学：发明一种用于快速大规模被动除湿的纳米结构吸湿凝胶

　　高湿度的环境危害人们的身心健康，有利于有害昆虫、寄生虫和微生物的生长，引发金属的化学腐蚀，破坏建筑结构，因此除湿具有重要意义。传统的除湿方法能耗大，对环境影响大。

　　鉴于此，东北林业大学陈文帅教授和美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授等人开发了一种用于被动除湿的纳米结构吸湿凝胶，它由一个亲水的纳米纤维素网络组成，由吸湿性氯化锂控制功能化。该吸湿凝胶可以在6小时内将相对湿度从96.7%降低到28.7%，即使所在空间是其自身体积的2×104倍以上。本研究为无能耗、具有积极的环境可持续湿度管理提供了新的视角。研究结果于2022年2月18日发布在杂志Advanced Materials上。

　　工业包装

　　芬兰：利用纤维素、纳米纤维和离子液体制备响应性变色材料，用于智能包装

　　温度响应性变色材料（液晶、量子点和离子液体等）近年来受到广泛关注，可应用于智能窗格玻璃、涂层技术、包装、纺织品、柔性显示器和航空航天组件。纤维素纳米纤维具有突出的刚性和优良强度特性、成型性及可再生性等优势，适合于构建二维和三维绿色纳米材料（超薄薄膜、纳米纸、多孔气凝胶和泡沫等）。但其二维材料的可调节性有限，探索三维结构的纳米材料将为纤维素基绿色材料的可持续发展拓展新的制备途径。

　　2022年9月1日，芬兰奥卢大学在杂志Chemical Engineering Journal上发表一篇研究论文。该研究利用纤维素、纳米纤维和离子液体制备二维和三维混合物，用作高度多孔颜色指示型纳米泡沫和柔性薄膜。这些温度响应材料在智能包装、传感器和电子领域具有潜在应用，将为绿色智能包装的可持续发展提供新思路。

　　检测

　　哈工程、东北林大：生物质纳米纤维素结构色薄膜，实现可视化的气体浓度检测

　　找到一种简易且快速的加工方法，构筑兼具环境刺激颜色响应的功能特性和优异机械性能的结构色薄膜，是目前学界研究的主要关注点之一。

　　2022年7月，哈尔滨工程大学魏彤教授和范壮军教授联合东北林业大学的陈文帅教授，共同开发了一种基于生物质纳米纤维素的结构色薄膜（NCF）。该薄膜集合了结构色、透明、柔韧、可折叠和刺激响应等特性于一身，通过简单的抽滤方法，整个制备过程在一小时内完成，实现了结构色薄膜的简单且快速制备。

　　NCF的厚度在700nm以内，呈现出基于薄膜干涉原理的彩虹色，能在各种潮湿气体或液体的刺激下，做出快速且明显的可逆颜色响应。该工作利用这种差异，通过记录薄膜在接受不同的气体刺激时颜色恢复的时间，实现可视化的气体浓度检测。

　　电子器件

　　美国：制造用于锂离子电池的可拉伸蛇形电极和隔膜

　　随着可穿戴和柔性电子产品的出现，可拉伸电池的需求日渐增长。然而，制备锂离子电池常用的活性材料本身易碎；同时，电池不仅需要在机械负载下保持其机械和结构完整性，还需要保持令人满意的电化学性能。

　　基于此，美国马里兰大学李腾教授团队开发了一种简单而有效的策略，使用混合了纳米原纤化纤维素的活性材料，通过挤压的3D打印方法，制造了用于锂离子电池的可拉伸蛇形电极和隔膜。得到的电极和隔膜经过50次50%的拉伸循环后，电极电阻仅增加3%。该图案化电极与隔膜的简易3D打印实现了高性能可拉伸锂离子电池的低成本制造，展示了其为可穿戴和表皮电子产品实现可拉伸储能设备的巨大潜力。该研究发表于2022年3月11日发表在杂志Materials Today上。

　　广西：通过纤维素化学改性制备超疏水纤维素摩擦电材料

　　摩擦电纳米发电机（TENG）的发展使得收集大规模分布式能量成为可能，其在能量收集领域的应用前景广阔。然而，水分子在潮湿环境中的侵蚀是限制摩擦电材料应用的主要挑战。

　　基于此，广西大学聂双喜教授团队通过纤维素化学改性制备了超疏水甲基化纤维素摩擦电材料，并设计了具有内部网格结构的矩形TENG用于分布式能量收集。结果表明，改性CNF具有优异的超疏水性（WCA:154.7°）、表面粗糙度（RMS:72.61）和低表面能。同时甲基的引入也促进了CNF膜的摩擦电性能。此外，网格结构的TENG设计允许外部冲击力更均匀地施加于摩擦电材料的表面。

　　该研究为超疏水摩擦电材料的设计和制备提供了新的策略，并指导了分布式能量收集的研究，于2022年9月发布于杂志Chemical Engineering Journal上。

　　复合材料

　　美国：合成防紫外线的柔性透明纳米复合膜

　　紫外线辐射会对人体皮肤、有机材料、半导体和医疗设备造成损害。木质素作为一种天然的紫外吸收剂，具有无毒、抗紫外性能好的特点。因此，基于木质纤维材料复合其他透明聚合物，可以用来设计成具有高透明度、强紫外吸收特性的柔性纳米复合膜。

　　基于此，美国奥本大学相关团队以造纸纸浆衍生的TEMPO氧化纤维素纳米纤维和胺化硫酸盐木质素为原料，合成了具有增强吸收紫外线的硫酸盐木质素接枝TEMPO纤维素纳米纤维。此后再经过其他处理，将改性CNF以不同浓度引入聚乙烯醇基体中，以获得PVA纳米复合材料。该研究结果于2022年5月发布在杂志ACS Applied Polymer Materials上。

　　新工艺

　　东北林业大学：利用低价木材制备出轻质坚固材料，媲美轻质合金

　　目前，经过改性的木材已经逐渐成为了一种工程材料，它被广泛应用在储能、环境保护、电子和建筑相关领域。虽然木材是一种可再生资源，但其在短时间内难以很快恢复。在此背景下，高效回收木材资源就成为了一种很有前景的解决方案。

　　鉴于此，2022年5月消息，东北林业大学李坚院士、甘文涛教授、白龙教授和英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授合作开发了一种可量产的修复工艺，利用低价值木材如碎屑、残渣、腐烂的木材等，可制备出轻质、坚固的高性能结构材料。通过该修复工艺获得的致密分层结构，可实现纵向404 MPa的抗拉强度、82.9的邵氏硬度以及高达114 MPa的拉伸强度恢复。前两个指标分别比天然木材高16倍和高4倍。

　　另外，该堆叠愈合木材具有优异的各向同性力学性能，拉伸强度约为190 MPa，远高于基于商业粘合剂的木材。该项工作中所提出的原位表面溶解和再生过程为木材和其他木质纤维素残留物的回收增值提供了新的思路。

　　功能材料

　　日本：设计出新工艺，使纳米纸半导体在加热下纸结构不被破坏

　　纤维素是一种源自木材的天然且易于获取的材料。纤维素纳米纤维可制成具有与标准A4纸张尺寸相似的柔性纳米纤维素纸片材。纳米纸常温下不导电，但加热后可引入导电特性。不过，这种受热也可能破坏纳米结构。

　　鉴于此，2022年5月4日,日本研究人员设计出一种处理工艺，使纳米纸能够加热，又不会破坏纸张从纳米尺度到宏观尺度的结构，从而获得性能更优异的纳米纸半导体。

　　这种纳米纸半导体传感器结合到可穿戴设备中，可以检测穿过口罩呼出的水分和皮肤上的水分。纳米纸半导体也可被用作葡萄糖生物燃料电池的电极，产生的能量可以点亮了一个小灯泡。研究结果发布在美国化学学会核心期刊《ACS纳米》上。

　　生物医药

　　印度：开发了一种结合姜黄素的纳米纤维素气凝胶，用于慢性伤口愈合材料

　　姜黄素对癌症、阿尔茨海默病、类风湿性关节炎、肝病、囊性纤维化等病症具有潜在活性，但它的疏水性使其易于消除、扩散难、体内保留时间较短等，阻碍了其在制药行业的广泛应用。而将姜黄素与其它聚合物结合可以显著提升其可行性和效率。

　　基于此，2022年3月，印度圣地甘雄大学Sabu Thomas等人开发了一种源自农业废弃物和姜黄素的新型伤口愈合材料，用于治疗慢性伤口。纳米纤维素气凝胶是高度多孔的结构，因此有效地促进生物活性部分更快地释放到伤口部位。此外，所用的材料具有生物相容性、可生物降解性，可以作为一种有效且重要的生物材料，并用于替代目前商售的伤口治疗剂。研究结果发布在杂志Carbohydrate Polymers上。