摘要：针对纳米纤维素在多领域的发展应用，综述了其在食品包装、传感器导电材料、水处理功能膜材料、抗紫外线材料、电池电极材料等方面的应用，并对今后在功能膜材料方面更深层次的发展进行了展望。

　　关键词：纳米纤维素；功能膜材料；应用

　　0引言

　　纤维素是一种在自然界中分布广泛、含量最多的多糖，几乎随处可见，纳米纤维素则是通过氢键和范德华力将纤维素结晶区和无定形区连接而成的至少含有一维的直径约1～100 nm的纤维素纤维或晶体。本文通过对其制备、性质和分类的介绍，综述了其在食品包装材料、传感器导电材料、水处理功能膜材料、抗紫外膜材料和电池电极材料上的应用。

　　1纳米纤维素材料的介绍

　　1.1纳米纤维素的制备

　　1.1.1机械（物理）方法

　　包括均质化、微流化、研磨、精炼、高速混合、冷冻破碎、蒸汽爆炸和超声处理，特点是易加工改造、减少环境污染。

　　1.1.2化学方法

　　包括酸水解、酶促暴露和离子液体处理等，特点是能源消耗较少。

　　1.1.3组合处理

　　通过组合处理获得的纳米纤维素产品表现出更强的性能，例如更小的尺寸、更均匀的和更好的分散性。在后文中提到的一系列应用，应用最为广泛的是静电纺丝技术，其原理是将聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝，液滴通过电场作用形成锥形，从而得到纤维细丝。

　　1.2纳米纤维素的性质

　　1.2.1表面效应

　　粒子的表面积越小，代表其粒子越大，表面能稳定，所以其表面能与之配位的原子越多，越容易与其他原子结合，从而活性越低，因此越稳定。

　　1.2.2小尺寸效应

　　当粒子足够小的时候，纳米纤维素的周期性条件很难被破坏，其在物理、化学上的性质会因此而改变。

　　1.2.3量子尺寸效应

　　当粒子尺寸足够小的时侯，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，此时即是导体的物质发生改变变为绝缘体，反之，绝缘体发生改变变为超导体。

　　1.3纳米纤维素的分类

　　因为纳米纤维素的不同形态，可以划分为纤维素纳米纤维（Cellulose Nanofibrils，CNFs）、纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystals，CNCs）和细菌纳米纤维素（Bacterial Nanocellulose，BNC）这三类。

　　1.3.1 CNF

　　CNF即为纤维素纳米纤维，如其名所示，其特点就是纤长且具有韧性，直径为1～100 nm，长度为500～2 000 nm，因其纤长的特点，和其他两种比起来，其羟基更多，比表面积更大，因此更利于改造，也是应用最广泛的一种。

　　1.3.2 CNC

　　CNC即为纤维素纳米晶体，其一般用硫酸水解法和酶水解法制备而成，它不仅具有纳米颗粒的特征，还具有一些独特的强度和光学性能，其直径为2~20 nm，长度为100～500 nm。

　　1.3.3 BNC

　　BNC即为细菌纳米纤维素，它是利用木质纤维素中的低分子量糖和醇为原料，通过细菌合成得到，具有高纯度、高结晶度的特点，其直径平均为20~100 nm，长度非常微小。

　　2纳米纤维素在功能膜材料中的应用

　　2.1在食品包装材料上的应用

　　因为纤维素是由葡萄糖而组成的多糖材料，故其为无毒无害、可降解的绿色环保的纳米材料，这也意味着其在方面应用的巨大潜力。因此用纤维素膜代替塑料等不可回收的包装材料的研究愈发增多，其与其他物质结合而形成的包装膜具有抗菌性好、敏感性高、隔绝性强等优势。

　　2.1.1乙烯传感器膜

　　乙烯具有促进果实成熟的特点，因此在水果蔬菜运输时有着巨大的阻碍，使其在运输过程中腐烂；同时，乙烯也可使一些果蔬催熟，因此合理利用乙烯这一特点可在果蔬应用中起巨大作用。因此能将乙烯浓度得以控制是极其重要的，通过乙烯的实时浓度，确定其采摘时间，从而获得最新鲜的水果。孙洁[1]通过静电纺丝过程，制作ZIF-8/PAN纳米复合纤维，随后经过一系列处理使其形成WSe2/rGO复合薄膜并对其进行性能测试，发现其具有良好的重复性、选择性；最后，研究了传感器的潜在应用，该传感器能够很好的检测香蕉的成熟度，可见其可行性。目前，有研究表明，通过BC-KMnO4的结构和光学性质、物理性质和乙烯的传感性质从而对乙烯浓度进行监测，但此成就仅在实验室内研究过，并未大量实行，故需要进一步加强、改进。

　　2.1.2抗菌纳米纤维膜

　　在食品包装中，除了需要检测乙烯浓度保证食物的新鲜度外，同时也需要隔绝其外部细菌，在食品的生产、加工、贮藏过程中保持食品卫生，防止其他微生物入侵，抑制微生物生长，从而保证了食物的卫生性。

　　纳米TiO2膜、抗菌CaCO3膜、抗菌SiO2膜、抗菌Ag膜是抗菌纳米膜中最常用的几种材质的膜。在黄钰博[2]等人的实验中，通过SEM、FTIR、DSC、力学性能测试和亲水性能测试得出PHBV/PBAT质量分数为13.0％，质量比为50∶50的纳米纤维膜具有良好纤维形态的同时也具备较好性能。因为TiO2在其光学性质中具有防紫外线、较好的抗菌性，且其化学性质十分稳定，故用其为打底，进行PHBV/PBAT/TiO2抗菌纳米纤维膜制备，经对比表明，PHBV/PBAT/TiO2抗菌纳米纤维膜在可生物降解同时又具备良好抗菌性能，在食品包装领域甚至生物医学领域都有极大作用。而在制造此TiO2纳米纤维膜的时候，需要的是一种静电纺丝技术，其制造后是一种杂化膜，并含有未挥发的溶剂和聚合物模板等有机物，需要在特定空间下进行高温锻造，从而去除有机物，达到浓度相对高的TiO2纳米纤维膜。因此，将TiO2纳米纤维膜为打底，加上新的抗菌物质，可润色其抗菌性，达到更好的效果。

　　2.2在传感器导电材料上的应用

　　由于纳米纤维素具有表面积较大，柔韧性、耐压性较好等优点，故其可以促进电子的游离、分散，从而保证一定的导电性。Yu[3]等先通过再生丝素蛋白（SF）海绵、甲酸（分析纯）、吡咯（Py，化学纯）、无水FeCl3（分析纯）、对甲苯磺酸（分析纯）等材料，通过扫描电子显微镜观察纤维形貌，首先制备SF纳米纤维膜的制备，再通过加入对甲苯磺酸、Py和FeCl3混合液，按不同比例加入并振荡干燥，得到PPy/SF导电性纳米纤维膜。在一系列测定后，其1∶2比例加入的Py、FeCl3溶液导电效果最好，获得最佳导电性的复合配方，为开发组织修复材料提供参考。此应用可用于生物医学工程上，因SF具有优异的力学性能、生物相容性、生物可降解性以及较低的免疫原性等特性，而通过电刺激组织干细胞能激活他们细胞外反应，帮助受损组织的修复，从而在医学上形成一大突破，但此技术因为人体器官较为复杂，目前研究表明，只在动物身体做过实验，还未达到广泛应用。

　　在纳米纤维膜的导电应用中，静电纺丝导电技术是将本身不带电的纳米纤维素膜转化为导电纤维膜的基础，有着十分重要的地位。Yang等通过静电纺丝导电技术，成功研制出聚丙烯腈（PAN）纤维膜，又因Ag的相对稳定性，故将其附着在聚丙烯腈（PAN）纤维膜表面，从而研制出超疏水高效电磁屏蔽膜，此材料到电导率远高于正常电磁屏蔽要求，其优异的导电性、机械灵活性、自清洁性和优异的耐腐蚀性已经可用于航空航天、国防、便携式和可穿戴智能电子产品。

　　2.3在水处理功能膜材料上的应用

　　由于人口的飞速增长和人们对生活质量的提高，水资源日益匮乏，高效实现水循环依旧是迫在眉睫的问题，虽然已有一些传统物理方法，如沉降、吸附等，但它们转化效率低、处理不干净等弊端也不可忽视。因纳米纤维膜其表面孔隙率高、比面积大等优势，也成为水处理方向的一重点材料，通过对其加以改造而实现其应用则是大多人研究的方向。超滤膜（UF）因其本身稳定性好、回收率高、机械强度大等优点，故其在水处理方面也具有非常大的潜能。Haidi等人通过静电纺丝技术制备聚丙烯腈（PAN）纤维膜后，因为CNFs良好的亲水性和对外界的阻隔性，将故CNFs沉积于其中，形成一种新的纳米复合材料，通过测试，将其于传统超滤膜进行比较，发现其具有更低的蛋白抑制率和污染趋势。但由于超滤膜是基于石油化工产品而形成的，在能源越来越匮乏的现在，可循环性的资源显得尤为重要，因此超滤膜的使用前景十分受阻。

　　2.4在抗紫外膜材料上的应用

　　紫外线UV是电磁波谱中波长从0.01～0.38μm的辐射的总称。其可以促进人体对于维生素D的吸收，但如果过度照射，则会抑制免疫系统功能，可能会导致皮肤变红，长期照射可能导致白内障、皮肤癌及免疫系统功能抑制。而大气层中保护人类免于受紫外线的强烈照射的臭氧（O3）逐渐减少，根据国际臭氧趋势专题研究组的观测资料统计表明：在20世纪60年代到80年代间，全球的平均总臭氧量值有了明显的下降，在北纬30°~60°范围内，年平均减少率为1.7%～3.0%。预计到2050年，平流层臭氧量将减少10%左右，地球的“保护层”遭到严重的破坏，因此对于抗紫外膜材料的研究也日益增多。有研究发现，向纳米纤维素中引入紫外屏蔽剂能构建紫外屏蔽膜材料，苏雯皓[4]等人通过顺丁烯二酸预处理杨木木屑分离得到木质素颗粒，将其与纳米纤维素不同比例混合分散，并经过抽滤、压制等工艺得到其复合材料。通过其对微观形貌表征、核磁共振波谱分析、膜物理性能测试、膜光学性能测试、膜表面色度值测定和膜热稳定性分析，从而看出随着木质素含量的增加，其抗紫外线效果越好，同时也进一步证明了在纳米纤维素中，加入一定量的紫外线屏蔽剂，会有更好的效果，且其对环境友好且无毒无害，在人类正常生活中具有广泛应用。

　　2.5在电池电极上的应用

　　电池的隔膜是在电池发生电解反应时，将电池中的正负极隔开，以防它们会在中间电解池中发生反应而使电池失效的一层膜。在电池的结构中，隔膜是内层关键的组件之一。隔膜的性能也同时对电池的界面结构、内阻等起决定性作用，同时也影响电池的容量、循环以及安全性能等，因此，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。宋富辰[5]等人结合纳米纤维膜的特征，首先将纳米纤维素（CNF）进行磺化，用乙烯基磺酸钠将CHF改性为CNF-SO3Na，通过离子交换用Zn离子交换Na离子，使CNF-SO3Na转变为CNF-SO3Zn，并通过多项测试后发现，其具有优异的机械性能，且其表面相对光滑，没有一些杂乱的孔，形成珍珠状结构，更有利于Zn的沉积。同时，也将膜应用到了水系锌金属电池中，经测试证明，CNF-SO3Zn与锌金属负极的高度相容性，其具有40%放电深度和高负载正极（18 mg/cm2）的软包电池能够进行循环充放电至少20圈。此实验展示了一种将可降解可循环的资源加入电池中使电池功能性更强、可利用率更高的新应用。

　　3总结与展望

　　在环境不断恶化，资源日渐匮乏的今天，纳米纤维膜这种无毒无害、可循环率高、绿色环保的材料应用越发广泛，尤其是通过静电纺织技术制成纳米纤维膜，再根据需要选出对应的功效剂附着、沉积在其表面，以其为基础的复合膜材料，可实现多功效、环保、高利用率以及高循环率等效果。在食品包装材料方面，通过WSe2/rGO复合薄膜可很好地进行乙醇检测，通过用TiO2纳米纤维膜为打底，加上新的抗菌物质，可实现抗菌性；在导电性能中，制成PPy/SF导电性纳米纤维膜可在生物医学中起到重要作用，也可通过附着Ag材料制成电磁屏蔽膜保护人们免于伤害；在水处理功能膜材料上，通过将CNFs沉积在超滤膜中，实现了既无污染，还能缓解不可逆污染的成果；在抗紫外膜方面，通过加入紫外屏蔽剂木质屑，从而实现更好的抗紫外线效果；在电池电极方面，利用纳米纤维素加以改造形成的隔膜不仅在一定程度上减少了污染和能源浪费，又提高了电池本身的耐用度和循环效率。因此纳米纤维素不仅具有纳米和纤维素的特征，还具有一系列功能复合材料的优势，因此，其被广泛利用、不断提高，纳米纤维素被更多人关注、研究甚至是应用必然是大势所趋。

      参考文献:

　　[1]孙洁.WSe2/rGO及ZnO/CNFs复合膜乙烯气体传感器研究[D].成都：电子科技大学，2021.

　　[2]黄钰博，刘思寒，雷珍珍，等.可降解型PHBV/PBAT/TiO2抗菌纳米纤维膜制备[J].针织工业，2023（3）：35-40.

　　[3]俞杨销，李枫，王煜煜，等.聚吡咯/丝素导电纳米纤维膜的制备及其性能[J].纺织学报，2022，43（10）：16-23.

　　[4]苏雯皓，舒璇，董茂林，等.纳米纤维素/木质素抗紫外膜的制备与性能[J].高分子材料科学与工程，2022，38（12）：93-99.

　　[5]宋富辰.纳米纤维素功能化及其在水系锌电池中的应用[D].青岛：青岛大学，2022.