在全球化的大背景下，人们对环境友好型材料的需求不断提升。寻找能够替代传统石油基材料的绿色、可再生资源已成为科研和产业界的焦点。纤维素是一种广泛存在于自然界中的高分子有机化合物，具有可再生、可降解、普适性强等特点，在食品包装、生物医药、能源开发乃至文物保护等诸多领域展现出巨大的应用潜力。接下来，小编将为大家深入浅出地介绍一下纳米纤维素及相关应用。

纳米纤维素的结构组装流程（图源：文献1）

什么是纤维素？

纳米纤维素，顾名思义，是将天然纤维素（如木材、棉花、秸秆等）通过物理、化学或生物方法处理，得到的直径在1-100纳米之间的纤维素产品。简单来说，就是把我们熟悉的植物纤维“拆解”到极致微观的尺度。根据其形貌和制备方法的不同，纳米纤维素主要可以分为三类：棒状的纤维素纳米晶体（CNC）、长丝状的纤维素纳米纤维（CNF），以及由细菌发酵合成的三维网状细菌纤维素（BNC）。尽管形态各异，但它们都继承了纤维素的基本化学结构，同时展现出独特的纳米效应：极高的比表面积（可达数百平方米/克）、优异的机械强度（杨氏模量可达150GPa，堪比钢铁）、良好的生物相容性以及完全的可生物降解性。可以说，纳米纤维素是从大自然中提取的“高性能绿色建材”。

纳米纤维素种类及结构示意图（图源：文献2）

纳米纤维素的改性策略

尽管纳米纤维素本身性能卓越，但其表面含有大量亲水性羟基，导致其难以与非极性的高分子材料（如聚乳酸、橡胶等）良好相容，且在潮湿环境中易吸水膨胀，限制了其应用范围。因此，需要对纳米纤维素进行改性，以更好地适应不同基体材料的需求。目前，主要的改性策略大致可以分为物理吸附、化学改性、等离子体处理以及保留天然木质素四大类。

纳米纤维素表面改性方法（图源：文献3）

1、物理吸附

物理吸附是一种相对简单温和的改性方式，它主要通过静电作用、氢键或范德华力等非共价相互作用，将带有疏水基团的改性剂（如表面活性剂、嵌段共聚物）沉积在纳米纤维素表面，或在纳米纤维素直接形成相互渗透的疏水网络结构。其制备流程无毒且环境友好，非常适用于需要保留纤维素本体结构完整性的场景。但弱结合力也可能导致疏水层极易在反复摩擦或溶剂浸泡下脱附，改性效果的长期稳定性需要结合其他改性策略进一步提升。

吸附表面活性剂（图源：文献4）

2、化学改性

化学改性是调控纳米纤维素表面亲疏水性最常用的方法，主要通过与纤维素分子链上丰富的羟基发生反应，引入非极性基团或疏水聚合物，从而降低亲水性。化学改性具有可控性强、改性效果稳定、环境耐受性好等优点。根据引入官能团的不同，主要分为以下几种：

（1）酯化改性：酯化改性主要是在酸催化作用下，利用纤维素表面的羟基与酸、酸酐或酰氯发生酯化反应，生成多种纳米纤维素酯，使纳米纤维素从亲水性变得疏水。传统的乙酰化工艺通常涉及两步反应：强酸水解和乙酰化。然而，这种多步反应不仅成本高、耗时，还会破坏纤维素纳米晶体（CNCs）的形态和结晶度。为克服传统工艺的局限性，Xu等提出了一种创新的一步法，通过传统纤维素乙酰化反应直接制备高结晶度乙酰化纤维素纳米晶（ACNCs）。该方法以乙酸酐作为乙酰化试剂、硫酸为催化剂、乙酸为分散剂，实现了纤维素纳米晶的分离和功能化同时进行。结果表明，所得ACNCs具有纤维素II型结构，结晶度高达约70%，显著高于传统两步法产品。通过对反应机制的深入分析，发现ACNCs是在水解和乙酰化的协同作用下形成的。该法不仅简化了工艺流程，还保留了CNCs的高结晶度结构，并使ACNCs能够在水和有机溶剂体系中重新分散，拓宽了其应用范围。

（2）硅烷化改性：硅烷偶联剂对于改善纳米纤维素与非极性基质的相容性至关重要，通过硅烷偶联剂的活性官能团与纳米纤维素表面发生化学反应，可以使纳米纤维素的表面性质得到显著变化，在引入疏水性的同时极大的增强了纳米纤维素的热稳定性。这种方法效率高，常被用来制备超疏水表面。有学者将CNF纳米纸在甲基三氯硅烷溶液中浸泡，使其表面形成类似“珍珠项链”的聚硅氧烷结构，水接触角飙升至159.6°，同时保持了材料的高透光性。

（3）酰胺化改性：酰胺化改性主要通过碳二亚胺介导的反应实现，该方法是当前对预氧化纳米纤维素材料进行功能化修饰的主流策略之一。它涉及羧酸的羧基与胺的氨基发生反应，通过脱水反应形成酰胺键。但是纳米纤维素表面通常没有羧基，因此在进行酰胺化之前需要先引入羧基。因此，大多数酰胺化反应是通过碳二亚胺介导的氧化在纳米纤维素表面的羧基上进行的。

（4）聚合物接枝：聚合物接枝是将长链聚合物或低聚物接枝到纤维素表面，实现纤维素的疏水化改性，主要包括“从主链接枝”和“接枝到主链”两种策略。“从主链接枝”策略是指在纤维素表面引发单体的聚合反应，以实现聚合物链的共价接枝，这种策略具有单体选择性高、接枝量高、结构致密、反应易于控制等优点，但接枝聚合物的分子量通常较低且较难确定。“接枝到主链”策略则通过化学反应使高分子链直接接枝到纳米纤维素表面，这种策略能够较好地控制聚合物分子量，但聚合物链的空间位阻作用导致接枝量通常较低。

酯化疏水改性：低共熔溶剂一锅法（图源：文献4）

3、等离子体处理

等离子体处理是一种新型的绿色表面改性方法，通常使用含氟气体、硅烷类气体、烃类气体或惰性气体作为处理介质。作为脱离液相介质的绿色改性技术，等离子体处理可通过调控放电功率、处理时间等工艺参数，实现纳米纤维素表层疏水性的精准调控。既能避免传统湿法化学改性的大量废液污染，又能在不破坏材料本体性能的前提下完成表层功能化，显著降低环境负担。然而，该方法目前依赖专用等离子体反应器，对真空环境、电压稳定性要求严苛，设备成本与操作门槛较高，难以适配大规模连续生产。

纤维素表面等离子体改性工艺示意图（图源：文献4）

4、保留天然木质素策略

木质素是一种主要由对羟苯基、愈创木基和紫丁香基作为基本结构单元组成的芳香性生物大分子。由于大量非极性基团的存在，木质素具有一定的疏水性，能够为植物细胞壁提供结构和化学稳定性。基于对木质素结构与功能的认识，近年来逐渐发展出一种在CNF制备过程中选择性保留部分木质素的预处理工艺，从而获得含木质素的纤维素纳米纤维（LCNF）。这种“保留天然木质素”的策略能够在不引入复杂化学修饰步骤的前提下，直接利用木质素固有的疏水特性，使最终的LCNF表现出疏水性，同时在一定程度上改善纳米纤维素在非极性基体中的界面相容性。基于改进的预处理工艺，保留天然木质素策略充分利用了木质素固有的疏水特性，避免了复杂的改性步骤的同时可以实现较高的产率，具有大规模生产的潜力。但受限于天然原料结构和木质素含量的固有差异，产物的疏水性、均一性以及木质素的分散稳定性仍需进一步优化。

应用

得益于其可调的界面性质与卓越的本征性能，纳米纤维素及其复合材料在众多领域都扮演着越来越重要的角色。

1、食品包装与保鲜

在食品工业，纳米纤维素是理想的绿色包装材料。它能显著提升可降解薄膜的机械强度和阻隔性能。

（1）增强包装：将纳米纤维素作为增强剂加入淀粉或聚乳酸等生物基薄膜中，可以大幅提高其拉伸强度和弹性模量。例如，在羧甲基纤维素膜中加入仅5%的CNC，就使膜的拉伸强度提升了23%，能有效延长果蔬的保鲜期。

（2）活性包装：纳米纤维素可以作为载体，负载具有抗菌或抗氧化功能的天然活性物质（如植物精油、花青素等）。这种复合膜不仅能阻隔氧气和水分，还能通过缓慢释放活性成分抑制食品表面的微生物生长，或通过颜色变化实时指示食品的新鲜度，实现“智能包装”。

纳米纤维素在食品包装材料中的应用（图源：文献1）

2、生物医用材料

纳米纤维素因其优异的生物相容性和类似细胞外基质的三维网络结构，在生物医学领域备受青睐。

（1）伤口敷料：细菌纤维素（BNC）本身具有高持水性和透气性，是天然的优良敷料。通过负载纳米银或抗菌肽，可以制备出具有高效抗菌活性的复合敷料，加速慢性伤口的愈合。

（2）药物递送：通过表面改性，纳米纤维素可以成为疏水性药物的理想载体。例如，用十六烷基三甲基氯化铵改性的CNF，对姜黄素的包封率高达97.79%，能有效提高难溶性药物的生物利用度并实现控释。

纳米纤维素在生物医学领域中的应用（图源：文献5）

3、能源与环境

（1）电池材料：在能源领域，纳米纤维素的身影也愈发常见。它可以作为电极材料的粘结剂或隔膜材料。例如，由纳米纤维素构建的三维多孔导电网络，可以有效抑制锂硫电池中多硫化物的穿梭效应，显著提升电池的循环稳定性。在固态电解质中，纳米纤维素还能作为机械增强骨架，提高电解质的离子电导率和机械强度。

（2）油水分离：经过疏水改性的纳米纤维素气凝胶，因其超低密度和高孔隙率，成为处理海上溢油事故的“吸油海绵”。有研究制备的硅烷化CNF气凝胶，对机油的吸附量可达自身重量的162倍，且可以通过简单挤压实现回收再利用。

4、文物保护

很多人不知道的是，纳米纤维素在修复珍贵文物方面其实也有着独特的价值。

（1）纸张脱酸加固：对于酸化脆弱的古籍纸张，传统方法难以兼顾脱酸和加固。而利用氨基改性纤维素纳米纤维与碱性纳米颗粒的复合体系，可以通过两步喷涂法，在实现纸张内部pH值回升至8.3的同时，使其拉伸强度提升33.6%，且对字迹几乎没有影响，真正实现了“最小干预”的温和修复。

（2）脆弱纺织品加固：对于老化脆弱的丝织品，研究人员发现，纤维素纳米晶体与丝素蛋白的复合体系可以完美契合丝纤维，使老化丝织品的断裂强度完全恢复至原始水平，同时保持其柔韧性和外观。

用水（左）、硫酸化CNC（中）和中性CNC（右）处理页面和细节图像（图源：文献6）

小结

除了上述应用，纳米纤维素在电子器件（如导电墨水、柔性传感器）、石油开采（如高效压裂液、钻井液稳定剂）、荧光材料（如用于重金属离子检测的荧光探针）等前沿领域同样潜力无限。作为一种源于自然、性能优异且环境友好的“万能砖”，纳米纤维素正逐步从实验室走向产业化。未来，随着绿色、低成本的规模化制备技术不断突破，以及多功能、智能化的复合材料体系持续开发，纳米纤维素有望在构建可持续发展的循环经济中扮演不可替代的关键角色，为我们创造一个更加绿色、健康、智能的未来。

参考文献：

1、周文博,李宇,韩昱,等.纳米纤维素的结构性能及其在食品领域中的应用[J].山东农业大学学报(自然科学版).

2、杨玉杰,胡梦欣,刘莹莹,等.纳米纤维素复合材料在智能传感中的应用[J].纺织科学研究.

3、彭昌青,苗长林,张权,等.纳米纤维素改性及在复合材料中的应用进展[J/OL].化工进展.

4、姚天笑,刘飞燕,孙仟,等.植物纳米纤维素表面疏水改性研究进展[J/OL].化工学报.

5、祖木热提·穆合塔尔,刘洋,刘尊奇.纳米纤维素的制备及其在生物医学领域的应用研究进展[J].化学通报(中英文).

6、刘馨雨,董荣,胡泊,等.纳米纤维素及其复合材料在文物修复中的研究进展[J/OL].复合材料学报.

粉体圈Alice整理