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纳米纤维素的改性及应用
随着人们对环境保护的重视和对可再生资源的需求增加，纤维素作为最常见的天然高分子材料之一，其成为一种备受关注的可再生资源，成为许多学者进行研究的热点。其中，纳米纤维素的改性及应用更是备受关注。本文将从纳米纤维素的结构特点、分散稳定性、改性方法以及应用领域等方面进行论述。
一、纳米纤维素的结构特点
纳米纤维素（Nanocellulose）是一种由纤维素分子自组合成的纳米尺寸的结构，在没有任何化学改性的情况下，Nanocellulose具有可操作性高、机械性能好、生物相容性强等优势。Nanocellulose由于其高比表面积和尺寸效应的影响使得其性质得到极大的改善。纳米纤维素有两种结构类型：纤维状纳米纤维素（Nanofibrillatedcellulose，NFC）和纤维状纳米结晶纤维素（Nanocrystallinecellulose，NCC）。
NFC是一种从天然纤维素中制备的简单目标结构，具有高度的纵向取向和高的纵向结晶度，在横向方向上表现出纳米级别的网络结构。NCC则是由棉质或木质纤维素酸解产生，并在酸溶液中结晶生长出来的晶体，在形态和尺寸上与NFC有所不同。
二、分散稳定性
纳米纤维素在水溶液中的成分浓度极低，且其表面极具亲水性，容易导致分散稳定性的问题。西北林业科技大学等学者对纳米纤维素分散状态进行了研究，发现利用吸附剂调节pH值可以改善纳米纤维素的分散稳定性。改变pH值的方法包括添加酸性和碱性物质，其中较佳的分散剂为正电荷吸附剂聚乙烯亚胺(PEI)和聚二甲基二硅氧烷(PDMS)等。
三、改性方法
由于原始的纳米纤维素表面多为羟基，无法满足某些应用的需求，因此改性成为必要的一步。其中，物理法和化学法是两种普遍采用的改性方法。
1.物理法
物理法改性是通过改变表面形态或特性来改善纳米纤维素的性能。这种方法不会改变纳米纤维素分子结构，因此可以保持其天然来源和环境友好性。物理法改性主要包括:
(1)剪切法
剪切法是通过机械力作用于纤维素分子来改变其结构和性质。研究人员通过剪切机对NFC进行处理，发现其分子结构得到改善，水分散性更好，成膜性也更好。
(2)硫酸盐法
硫酸盐法能够使纳米纤维素在硫酸作用下切断成分子链，分子长度变短，形成一定的分子链结构。这种方法可以有效增加NFC的分散稳定性。
2.化学法
化学法改性是通过改变分子结构或表面化学性质来改变纳米纤维素的性质。常用的化学方法包括酸解、氧化和磷酸酯改性。
(1)酸解
酸解是指将植物性纤维素进行酸解或酸水解得到纳米纤维素的一种经典方法。例如，美国纳米学家AngelaBelcher等人发现纳米纤维素与天然或人工合成的蛋白质结合能力很强，可以将NFC结合到硅酸盐骨架上，形成具有生物特性的纳米分子。
(2)氧化
氧化是指将NFC暴露于含有氧化剂的酸性或碱性溶液中，使NFC的纤维素分子表面上的羟基部位发生氧化反应，从而使其表面获得更多的羧基和酮基。这种方法可以改变纤维素分子的亲水性、电荷性和光、热稳定性等表面性质。
四、应用领域
目前，纳米纤维素在多个领域都有广泛的应用，如制备生物基复合材料、纺织品和功能性陶瓷等。具体如下：
1.生物医用材料
纳米纤维素的生物相容性高，因此可以制作每种防污、抗菌和可降解的生物医学设备。如：用NFC制成功能型支架和创口贴、可容纳药物的材料和药物控释系统等。
2.食品
纳米纤维素因其多孔性、高比表面积和结晶度等特性，在食品领域也有广泛的应用。如：稳定剂、增稠剂、抗氧化剂和纤维素等。
3.纺织品
将NFC加入到纺织品中可以改善其抗静电性、抗菌性和自清洁性等性能。如：生产高档衬料、合成纤维颗粒和染色剂固定剂等领域均有广泛的应用。
4.环境领域
利用纳米纤维素的吸附特性，可以制备出吸附剂以去除水中的有害物质和对空气中的有害物质进行吸附。将其广泛应用于废水处理、土壤去污和大气污染治理等领域。
五、总结
随着人们对环境保护的重视和对可再生资源的需求的增加，纳米纤维素作为一种天然高分子材料的可再生资源成为许多学者关注的热点。本文从纳米纤维素的结构特点、分散稳定性、改性方法以及应用领域等方面进行论述。通过探讨纳米纤维素的改性及应用，可以为推广和应用纳米纤维素提供了一定的理论指导和参考价值。