2016年11月11日 星期五 09:15:33
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纳米纤维素功能材料及其应用研究进展

发表时间:2021/8/16

纳米纤维素是地球上最为丰富的生物质资源,具有易降解、可再生、无毒性且廉价易得等优点,有望代替传统石化资源并用于生产各种高附加值先进功能材料。根据纳米纤维素的制备方法和来源区分,纳米纤维素通常可分为三类:纤维素纳米晶(CNC)、纤维素纳米纤维(CNF)和细菌纤维素(BC)。



图1. 纳米纤维素的来源、微观结构及其潜在应用


纳米纤维素功能材料用于手性光子学

手性在自然界中普遍存在,并在生命科学和材料科学中发挥着重要作用。CNC是一种纳米级手性光子晶体材料。CNC的手性向列型液晶相结构既可用于制备高机械性能和具有特殊光学特性的功能膜材料,也可以作为一种生软模板用来诱导纳米颗粒形成具有手性结构的功能材料。因此,在手性催化、手性超材料、偏振加密以及生物传感等领域均具有重要应用价值。


图2. 纳米纤维素功能材料在手性光子学领域的应用


纳米纤维素功能材料用于软件驱动器

近年来,基于各种合成聚合物衍生的软物质材料,如典型的水凝胶、液晶弹性体和形状记忆聚合物,科学家们巧妙地设计了多种仿生智能驱动器用以模仿甚至超越生物体的驱动行为。然而,这些传统的聚合物基材料通常是通过复杂的工艺合成的、成本高、难以降解或回收,这可能会给环境带来一定的负担。值得注意的是,基于纳米纤维素的仿生软体驱动器因其优越的机械柔性、高的吸湿能力、可持续或生态友好性、可重复使用或可生物降解性和生物相容性而受到越来越多的关注和重视。


图3. 纳米纤维素基功能材料在软体驱动器领域的应用


纳米纤维素功能材料用于能源存储

纳米纤维素因具有大的比表面积、优异的机械柔性、良好的化学稳定性和环境友好性以及纤维之间彼此交错连接,易形成便于离子和电子传输的多孔结构;纤维表面附有羟基、羧基等亲水性官能团,在电解质溶液中具有良好的保湿能力,使其衍生的功能材料在储能领域具有广泛的应用前景。纳米纤维素基功能材料不仅可以作为能源存储器件中的各种组分,如隔膜、电解质、胶粘剂和载体。同时,通过高温炭化、原位化学聚合和电化学沉积等策略可与电活性材料复合,获得更精细的纳米结构和优异的电化学性能。


图4. 纳米纤维素基功能材料在能源存储领域应用


纳米纤维素功能材料用于生物医学

在干燥状态下,纳米纤维素的力学性能可与人体骨骼媲美,而在湿润状态下,纳米纤维素的理化性能与细胞外基质相似。同时,除了优异的理化特性外,纳米纤维素与其他聚合物或功能材料具有高的兼容性,从而使得纳米纤维素基功能材料在生物医用领域具有良好的实用价值和广泛的应用前景。


图5. 纳米纤维素基功能材料在生物医用领域的应用


(来源:高分子科学前沿)