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木質(zhì)纖維素氣凝膠的研究和開(kāi)發(fā)

21 世紀(jì)，世界普遍關(guān)注的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要焦點(diǎn)之一就是新型材料的創(chuàng)生。我國(guó)林木資源短缺，木質(zhì)廢棄物、木材加工剩余物、廢舊木制品的高效再加工和循環(huán)利用，具有十分重要的意義，并且符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，即組成“資源-產(chǎn)品-再生資源”的物質(zhì)反復(fù)和循環(huán)流動(dòng)。

木質(zhì)廢棄物、木材加工剩余物、廢舊木制品的高效再加工和循環(huán)利用不僅可以緩解木材供需矛盾，更重要的意義在于，將這些資源量巨大的廢棄物通過(guò)科學(xué)的加工，形成新的產(chǎn)品或材料，有利于原本儲(chǔ)存的碳素進(jìn)一步重新固定、封存，以保持減排低碳，減少溫室效應(yīng)，保護(hù)人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境。
    木質(zhì)纖維素氣凝膠的研究和開(kāi)發(fā)邁出了木材剩余物高效再加工和循環(huán)利用中關(guān)鍵的一步，它是將木材中所有組分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等不需經(jīng)過(guò)分離和化學(xué)處理，而通過(guò)溶解、凍融和干燥工藝制備的一種新型木質(zhì)纖維素基材料。

通過(guò)長(zhǎng)期大量的試驗(yàn)，本團(tuán)隊(duì)以木粉為原料，采用凍融法制備成功木質(zhì)纖維素氣凝膠，其工藝流程為：木質(zhì)纖維素氣凝膠材料不僅充分利用了生物質(zhì)材料中的各種組分，而且依據(jù)氣凝膠所具有的特殊性能，諸如極低的密度、極大的比表面積和極高的絕緣性等，可被廣泛應(yīng)用于組織工程、控釋系統(tǒng)、血液凈化、傳感器、廢水處理、色譜分析、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，還可在高效可充電電池、超級(jí)電容器、催化劑及載體、化妝品、氣體過(guò)濾和超級(jí)高效隔熱隔聲材等有廣闊的應(yīng)用前景。
    納米纖絲化纖維素（nanofibrillatedcellulose）具有卓越的光學(xué)性能、機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)性能，在組織工程、納米復(fù)合材料、納米器件中有非常廣泛的用途。事實(shí)上，木材細(xì)胞壁中的纖維素微纖絲（植物學(xué)術(shù)語(yǔ)）就是一種自然界中取之不盡的高性能納米纖維化纖維素。木材中的納米纖絲化纖維素，不但具有很高的長(zhǎng)徑比，還具有木材天然的可再生性、可循環(huán)性和可生物降解性。
     20 世紀(jì)70 年代末，美國(guó)的Sandberg 等人使用高壓勻質(zhì)機(jī)從木材紙漿中分離出一種高長(zhǎng)徑比的納米纖維素，其直徑約為20nm，這是納米纖絲化纖維素第一次正式露面。最初的研究者將納米纖絲化纖維素稱為微纖化纖維素（microfibrillated cellulose），直到現(xiàn)在許多學(xué)術(shù)文獻(xiàn)和商業(yè)宣傳仍在使用。但這讓人感到困惑，因?yàn)檫@些纖絲的直徑并不是微米級(jí)的。受此影響，許多文獻(xiàn)中也將此類材料稱為纖維素微纖絲（cellulose microfibrils），但這個(gè)名詞還是一個(gè)植物學(xué)的術(shù)語(yǔ)，在植物學(xué)中有特定的含義。

根據(jù)人們對(duì)納米材料的定義（某一維度的尺寸小于100nm，即為納米材料），這種直徑2~100nm、長(zhǎng)度達(dá)數(shù)微米的纖維素材料更宜命名為納米纖絲化纖維素。其納米纖絲化纖維素的制備方法主要有：①機(jī)械法：采用高強(qiáng)度沖擊、振動(dòng)或高壓精磨處理進(jìn)行纖維素分離而得到徑級(jí)為納米尺度的纖維素纖絲；主要包括高壓沖擊法、高壓乳化法、精磨/膠磨法、高速剪切法、冷凍壓碎法、超聲波法和高壓勻質(zhì)處理等。②化學(xué)法與機(jī)械法結(jié)合處理：先采用化學(xué)法預(yù)處理，脫除細(xì)胞壁物質(zhì)中的半纖維素和木質(zhì)素，然后在飽水狀態(tài)下利用高強(qiáng)度精磨機(jī)進(jìn)行處理。
       迄今，我公司對(duì)納米纖絲化纖維素的制備方法仍在進(jìn)行著諸多嘗試。旨在尋求一種簡(jiǎn)便、快捷和無(wú)污染、低成本的方法以制備出長(zhǎng)徑比高、結(jié)晶度高和網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度高的納米纖絲化纖維素，以供高附加值的工業(yè)化利用。
     自納米纖絲化纖維素出現(xiàn)以來(lái)，科研工作者們對(duì)這種新興納米材料的應(yīng)用做了大量探索工作。目前納米纖絲化纖維素主要在食品、化妝品中作為增強(qiáng)相在許多聚合物基體中有著廣泛的應(yīng)用。此外，一些科研工作者還將納米纖絲化纖維素與一些導(dǎo)電聚合物如聚吡咯復(fù)合制備可折疊的導(dǎo)電薄膜材料及柔性電極材料，從而拓寬了納米纖絲化纖維素的用途，提高了纖維素的附加值，也為高值化發(fā)展新型納米纖絲化纖維復(fù)合材料提供了科研思路。
     當(dāng)前，對(duì)于木質(zhì)纖維素氣凝膠、納米纖絲化纖維素的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)。特別是木質(zhì)纖維素氣凝膠制備中的全組分利用及其層級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)控，納米纖絲化纖維素的拆解機(jī)制等更備受關(guān)注。如何高值化開(kāi)發(fā)利用木質(zhì)纖維素，氣凝膠及納米纖絲化纖維素將是未來(lái)一段時(shí)間研究的重點(diǎn)，而研制和開(kāi)發(fā)這些新興的生物質(zhì)纖維素基材料對(duì)于促進(jìn)我國(guó)生物質(zhì)納米材料發(fā)展及相關(guān)學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新具有深遠(yuǎn)的影響和重要的戰(zhàn)略意義。