最豐富的可再生納米材料
納米纖維素（CNF）是地球上最豐富的可再生納米材料。通過不同的過程（如酸水解、機械處理、酶水解、氧化和離子液體處理等），研究者可以從植物、海洋動物和細菌中提取出形態各異的CNF。
CNF具有諸多優點：量大，可再生，可降解，可生物相容，密度低，長徑比高，超親水，結晶度高，含有豐富的表面基團，透明性高，熱膨脹係數低，熱穩定性好，良好的流變性和模量高。正因為如此，CNF在生物醫學、紡織品、傳感器、能源、催化劑、食品、電子和水處理領域應用廣泛。
由於密度低、模量高，CNF在聚合物中可以替代傳統的增強材料（如玻璃纖維），製備出輕質高強的納米複合材料。
界面，又見界面
兩種物質混合在一起，界面問題永遠是個挑戰。CNF是親水性的，和大多數憎水的聚合物混合在一起時難免團聚，所以研究者提出了許多化學方法來修飾CNF，如氧化、甲矽烷基化、酯化、醚化和聚合物接枝等，這些方法的目的只有一個，就是增強CNF與聚合物之間的界面相容性。
納米纖維素的量產商品
不要以為CNF製品只停留在實驗室階段。三菱鉛筆公司已經在北美銷售含有CNF墨水的筆；日本紙業公司已經開發出含CNF的成人紙尿褲；京都大學設計了一款CNF概念車（NCV），並在2019年東京車展期間展出，車身、引擎蓋和半透明車頂均由CNF增強複合材料製成，重量僅有傳統汽車的一半。
除了增強，納米纖維素還能幹別的
受到生物體系多級納米複合結構的啟發，研究者對CNF在聚合物中的巧妙排列、並因此展現出不同的功能越來越感興趣。這種各向異性的納米複合材料在光學、機械、熱傳感器、軟致動器、人造肌肉等領域具有廣泛的應用。McGill大學Yixiang Wang和武漢大學常春雨團隊對高度有序排列的CNF複合材料的最新進展進行了總結，重點介紹了高度取向的結構，螺旋結構和梯度結構的納米複合材料。
納米纖維素在聚合物中的取向排列
圖1. CNF在聚合物中的各種取向研究。
為了實現CNF在聚合物中的單軸取向，研究者主要採用五種策略：電場、磁場、拉伸力場、剪切力場和模板法。
在外部交流電場下，具有永久或感應偶極的CNF會與電場方向平行排列而實現取向。Xu等人在聚氨酯中加入電場實現了CNF的單軸取向，與垂直方向相比，在平行方向上複合材料的拉伸強度和斷裂伸長率分別提高了2.07和1.82倍。
當把CNF置於磁場中時，會因其磁性響應從而實現取向。Cao等人利用共沉澱法在CNF的表面上沉積了Fe 3O 4納米顆粒（約62 wt％），在低強度磁場（0.2 T）下，實現了CNF在環氧天然橡膠（ENR）中的排列，平行排列的材料其拉伸強度和模量分別比純ENR提高了1.4和1.6倍。
與電場或磁場相比，剪切力是控制CNF取向的簡易方法，Hausmann等人研究了在直接墨水書寫過程中，在剪切應力作用下CNF在墨水中的取向動力學。
Zhang等人通過CNF的甲矽烷化和冷凍鑄膜技術製備了聚乙烯醇和CNF層狀氣凝膠，其吸收有機溶劑和油的能力是其自身重量的45~99倍，並可重複使用。
納米纖維素在聚合物中的螺旋排列
圖2. 螺旋排列的CNF複合材料。
硫酸水解的CNF溶液在受控條件下蒸發，可以形成具有手性向列結構的彩色膜，可以用作反光片和濾光片。但是這種膜不耐水、較脆，研究者就加入各種添加劑，如甘油、葡萄糖、表面活性劑等進行改進。
Zhou等人製備了CNF/PEG光子膜，呈現出從藍色到紅色均勻、鮮豔的顏色。Wan等人製備出了CNF/水性聚氨酯柔性光子膜，通過改變螺旋間距就能調節顏色，這種膜對溼氣還能產生快速光學響應。MacLachlan等人通過吡咯的原位聚合反應開發出了導電的CNF/聚吡咯複合膜，拉伸時薄膜從白色依次變為藍色、黃色、粉紅色和綠色。
納米纖維素在聚合物中的梯度排列
圖3. 具有梯度結構的CNF複合材料。
受到生物系統中梯度結構的啟發，研究者通過控制網絡交聯密度、孔分布和CNF的排列製備出了梯度納米複合材料。
受到魷魚嘴梯度結構的啟發，Rowan等人利用烯丙基官能化CNF的光誘導硫醇-烯交聯反應製備了納米複合材料，由於存在梯度結構，在同一樣品中，模量在60~300 MPa之間變化。
Kumacheva等人利用一種微擠出3D列印方法，製備了縱向和橫向梯度的CNF/明膠水凝膠材料。
利用電泳原理，Chang人開發了一種梯度分布的CNF膠束/聚（N-異丙基丙烯醯胺）納米複合水凝膠，具有快速熱響應性能，彎曲速度4.8°/s，恢復速度1.4°/s。
小結
在過去的二十年中，CNF作為增強材料已經在汽車、運動裝備等領域廣泛應用。受到自然界各種納米結構的啟發，研究者發現在聚合物基質中通過控制CNF的排列，材料就能表現出不同的性能。McGill大學Yixiang Wang和武漢大學常春雨課題組對高度有序排列的CNF複合材料的最新進展進行了總結，認為如下領域值得進一步研究：
①目前不同CNF排列結構的複合材料仍然以實驗室研究為主，開發出一種適合於工業化生產的CNF複合材料能極大地推動這一領域的研究；
②在實現CNF複合材料規模化生產的同時如何控制成本及精確控制CNF的排列仍然是個挑戰；
③CNF複合材料對自然環境和人體健康的影響值得深入研究，在這種材料大規模應用後這個問題將更加突出。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08906
來源：高分子科學前沿
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