ACS Nano: 纳米纤维素在聚合物基质中的受控排列:从强化到功能性

雨辰

2020-12-15

纳米纤维素是地球上最丰富的结晶多糖纳米材料，由于其高弹性模量，低密度，高长径比、生物相容性和生物降解性等优点，被广泛应用于高分子材料的增强。利用纳米纤维素的各种表面改性，通过添加纳米纤维素作为填充剂(代替玻璃纤维增强复合材料或金属材料)来增强多种聚合物，从而获得轻质高刚性的纳米复合材料。受植物组织中有序的纳米纤维素的启发，设计高性能的功能纳米复合材料引起了材料科学家的兴趣。纳米纤维素在聚合物基质中的排列决定了纳米复合材料的整体性能。

有鉴于此，武汉大学常春雨和麦吉尔大学Yixiang Wang等人，简要概述了纳米纤维素在聚合物基质中可控排列的最新进展，包括高定向排列、螺旋排列和梯度排列。然后，讨论了使纳米纤维素排列在纳米复合材料的纳米技术。最后，对该领域未来的机遇、挑战和研究方向进行了展望。

本文要点

1）综述了纳米纤维素可控制排列方式(取向、螺旋和梯度)的三种纳米复合材料，以期为新一代纳米纤维素基功能复合材料的发展提供新的思路。尽管已经通过各种策略（电场/磁场，拉伸/剪切力和模板化）制造了具有高度取向的纳米纤维素的纳米复合材料，但是这些各向异性材料的实际应用仍然具有挑战性。

2）此外，螺旋分布的碳纳米管与聚合物基体的结合使纳米复合材料在潮湿环境或应变传感器中显示可逆颜色变化的潜在应用成为可能。最后，具有纳米纤维素梯度分布的纳米复合材料的设计和制造为开发新型软致动器提供了机会。当将纳米纤维素不对称地引入到环境响应聚合物基质中时，纳米复合材料的溶胀和脱落可以转化为环境刺激下的拉伸/收缩、弯曲和旋转等各种变形。

3）通过控制纳米纤维素在聚合物基质中的排列，进一步开发出先进的功能纳米复合材料。未来需要从传统增强材料向传感器、执行器、人工肌肉、软机器人等智能材料拓展应用:1. 合理排列纳米纤维素的功能材料工业化生产是未来发展的关键。迄今为止，有限的实际应用仅集中在含有各向同性分散的纳米纤维素的产品上。该工艺应具有成本效益(低能量投入)，适合大规模和连续生产，同时控制纳米纤维素在聚合物基质中的分布，以模仿天然存在的层次结构。2. 当考虑扩大生产规模时，纳米纤维素的成本和质量也是重要的因素。商用纳米纤维素已经在北美和欧洲上市，但随着市场的扩大，对制造的要求会更高。因此，有必要研究纳米纤维素生产和改性的新策略，如从废弃生物质中提取纳米纤维素，通过简单的修饰提高纳米纤维素在磁场/电场中的响应，以促进实际应用的发展。3.纳米纤维素的风险需要在未来的研究中仔细研究。尽管许多研究人员已经对CNCs和CNFs的体内外毒性进行了评估，但纳米纤维素基材料在环境和生物系统中处置后的毒性仍需得到明确的证明。

参考文献：

Na Peng et al. Controlled Arrangement of Nanocellulose in Polymeric Matrix: From Reinforcement to Functionality. ACS Nano, 2020.

DOI: 10.1021/acsnano.0c08906

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08906