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纤维素纳米纤维（CNFs）因合成方法复杂、能耗高，商业化受阻。研究人员以狼尾草为原料，经球磨合成 CNFs。结果显示，该法能耗低至 2.59 kWh/kg，产物性能良好。这为 CNFs 生产提供可持续方案，推动可再生资源利用。
在材料科学的前沿领域，纤维素纳米纤维（Cellulose nanofibers，CNFs）凭借其独特的优势，如丰富的来源、高长径比、优异的机械强度、良好的离子导电性、出色的热稳定性以及兼容性等，成为备受瞩目的新型生物基纳米材料。然而，它就像一颗被重重迷雾笼罩的明珠，虽然光芒璀璨，却难以被广泛应用。目前，CNFs 的合成面临着重重困境，复杂的合成方法、高昂的原纤化能耗，使得生产成本居高不下，这成为其商业化道路上的 “拦路虎”。
在探寻解决方案的征程中，研究人员深知，选择合适的生物质来源是突破困境的关键。传统的生物质来源，如木材，虽然纤维素含量较高，但其中大量的木质素不仅增加了纤维素提取的难度和成本，还需要消耗大量能源。因此，寻找新型的生物质来源迫在眉睫。
来自印度理工学院卡拉格普尔分校（IIT Kharagpur）的研究人员勇挑重担，开展了一项极具创新性的研究。他们将目光聚焦于狼尾草（Pennisetum hohenackeri），一种原产于热带和亚热带地区，生长迅速且适应多种土壤类型的植物。研究人员希望借助狼尾草独特的成分优势，实现 CNFs 的低能耗合成。
研究人员通过一系列精细的实验，成功地从狼尾草中制备出了 CNFs。他们先对采集的狼尾草进行了多道处理工序，包括清洗、制浆、漂白和脱木质素等。随后，利用行星式球磨机对处理后的狼尾草浆进行原纤化处理，制备出了平均直径为 13±6 nm、结晶度指数达 76% 的 CNFs。而且，这些 CNFs 的拉伸强度达到了 65.20 (±7.22) MPa，与文献报道的值相当。更为重要的是，该合成过程的原纤化能耗仅为 2.59 kWh/kg，这一数据远远低于此前文献报道的数值，相较于高压均质化的能耗更是降低了 88%。这一研究成果为 CNFs 的大规模生产开辟了新的道路，使得 CNFs 在众多领域的广泛应用成为可能。论文发表在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》，为该领域的研究提供了重要的参考。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，对狼尾草进行了木质纤维素表征，以确定其成分含量。接着，通过一系列化学处理步骤，包括用 1 wt% NaClO 在特定条件下漂白、2 wt% NaOH 脱木质素等，对狼尾草进行预处理。然后，采用行星式球磨机对处理后的浆进行原纤化处理，并使用低 - 高压均质化处理作为对比。最后，运用多种表征技术，如 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等，对合成的 CNFs 进行全面分析。
下面来看具体的研究结果：
- 木质纤维素含量测定：狼尾草初始含有 40% 的纤维素、27.5% 的半纤维素、9.5% 的木质素等。经过漂白和脱木质素处理后，纤维素含量提升至 71%，木质素含量大幅降低至 1 - 2%。这表明处理过程有效去除了木质素，同时保留了大部分半纤维素。
- 微观结构观察（SEM 和 AFM）：通过 SEM 和 AFM 观察发现，球磨法（BM - CNFs）和高压均质化法（HP - CNFs）都成功制备出了纳米纤维网络。BM - CNFs 平均直径为 13 nm（±6 nm），HP - CNFs 为 21 nm（±10 nm），且两种方法制备的纤维都具有较长的长度和均匀的分散性。
- 晶体结构分析（XRD）：XRD 分析显示，CNFs 的衍射峰表明其存在纤维素多晶型 Iα，BM - CNFs 的结晶度指数为 76.6%，高于 HP - CNFs 的 67.4%。这说明球磨过程有助于纤维素链排列成更结晶的结构。
- 化学组成分析（FTIR）：FTIR 光谱表明，BM - CNFs 和 HP - CNFs 的表面功能基团相似，都存在纤维素、半纤维素的特征峰，证明了两种方法制备的 CNFs 化学组成相近。
- 热稳定性分析（TGA）：TGA 分析显示，BM - CNFs 和 HP - CNFs 的热失重趋势相似，主要失重发生在 250 - 350°C，对应纤维素的分解，表明两者热稳定性相当。
- 沉降研究：沉降实验表明，HP - CNFs 的悬浮液由于静电排斥难以沉降，而 BM - CNFs 能较快沉降。HP - CNFs 的长径比高于 BM - CNFs，这使得 HP - CNFs 在较低浓度下就能形成渗滤网络，而 BM - CNFs 则需要更高浓度。
- 拉伸强度测试：HP - CNFs 的平均拉伸强度为 90.13 MPa（±12.63 MPa），BM - CNFs 为 65.20 MPa（±7.22 MPa）。虽然两者拉伸强度略低于文献报道，但考虑到测试环境湿度等因素，仍具有一定的应用价值。
- 能耗分析：球磨法合成 CNFs 的能耗显著低于文献报道，仅为 2.59 kWh/kg。较低的木质素含量、半纤维素的存在以及羧酸盐含量的增加，是能耗降低的主要原因。
综上所述，这项研究成功地利用狼尾草实现了 CNFs 的低能耗合成。该方法制备的 CNFs 在性能上与高压均质化法相当，但能耗却大幅降低。这不仅为 CNFs 的商业化生产提供了一种可持续的选择，还推动了可再生生物质资源在材料领域的应用。同时，研究结果也为进一步优化 CNFs 的合成工艺、拓展其应用范围提供了重要的理论依据和实践指导。未来，随着研究的不断深入，有望看到基于这种低能耗合成方法的 CNFs 在包装材料、纸制品、聚合物复合材料、食品工业、纺织品、化妆品等众多领域大放异彩，为相关产业带来新的发展机遇。
