基于超分子化学驱动的软木材脱木质素高效制备纳米纤维素及其性能研究

推荐：本研究针对传统纳米纤维素(NC)生产过程中高能耗、高污染及光学性能差等问题，开发了一种基于超分子化学驱动的温和脱木质素方法（40–60°C，1–5分钟），利用百里酚和甲磺酸溶剂从软木材中高效制备低木质素含量的纤维素浆料(CP)。通过超声处理成功将CP转化为高透明度、高粘度的NC（最高产率50%），并证实其可显著增强聚乙烯醇(PVA)薄膜的力学性能。该绿色工艺为生物基纳米材料的规模化生产提供了新策略。

　　

在追求可持续发展的今天，生物基纳米材料因其环境友好性和可再生性备受关注。纳米纤维素(Nanocellulose, NC)作为其中的明星材料，在包装、电子器件等领域展现出巨大潜力。然而，传统NC生产工艺面临诸多挑战： kraft法高能耗高污染，酸性水热法产物颜色深需漂白，且多数方法难以高效处理针叶材——这种在北半球储量丰富的木质纤维素资源。更关键的是，高温高压处理会破坏纤维素微观结构，导致纳米化效率降低。如何通过绿色温和的工艺，从针叶材中高效制备高性能NC，成为亟待解决的行业难题。

针对这一系列挑战，芬兰的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表了一项创新研究。他们开发了一种基于超分子化学驱动的脱木质素新方法，仅需40–60°C、1–5分钟即可从挪威云杉热机械浆(TMP)中获得低木质素含量的纤维素浆料(CP)，并通过超声处理成功制备出高透明度、高粘度的NC。该工艺的产率最高可达原料质量的50%，所得NC在增强聚乙烯醇(PVA)薄膜方面表现优异，为生物基纳米材料的绿色制造提供了新思路。

研究团队运用了多项关键技术：通过百里酚-甲磺酸(MSA)溶剂体系的超分子相互作用实现温和脱木质素；采用超声破碎法(0.5 wt%浓度，60分钟)将CP转化为NC；利用场发射扫描电镜(FESEM)和透射电镜(TEM)表征纤维形态；通过紫外-可见光谱(UV-Vis)和流变仪分别评估NC悬浮液的透明度与粘度；最后以PVA薄膜为模型验证NC的增强效果。

3.1 超分子化学驱动的木材脱木质素
研究证实，百里酚作为强氢键供体与木质素形成超分子复合物，在MSA催化下可实现快速脱木质素。CP的木质素含量最低可降至3%（60°C处理5分钟），且结晶度从原料的62%提升至72%。值得注意的是，该方法避免了传统工艺的纤维暗化问题，所得CP的ISO亮度最高达65%，显著优于未漂白硫酸盐浆（15–30%）。

3.1.1 纳米纤维素的制备与产率
超声处理后，NC的产率与脱木质素程度呈正相关。在最优条件（50°C，2.5分钟）下，CP可100%转化为NC，相当于木材原始质量的51%。这一产率在同类温和工艺中表现突出，且远超微晶纤维素(MCC)的61%纳米化率。

3.1.2 纳米纤维素的形态特性
TEM显示NC兼具纤维素纳米晶(CNC)的短棒状结构和纤维素纳米纤维(CNF)的缠结网络（直径3–5 nm），形成独特的"杂化形态"。FESEM证实高脱木质度样品（如NC_150/60
）几乎无大颗粒残留，呈现均匀的纳米网状结构。

3.1.3 纳米纤维素悬浮液的紫外-可见光谱
NC悬浮液（0.1 wt%）在可见光区的透光率最高达90%，优于商业CNC（47–69%）。这种优异的光学性能使其在透明包装、光学涂层等领域具有应用潜力。

3.1.4 纳米纤维素悬浮液的粘度
所有NC悬浮液均呈现剪切稀变行为，0.5%浓度下的初始粘度达10–100 mPa·s（剪切速率0.01 s^-1
）。这种流变特性介于高粘度的CNF与低粘度CNC之间，适合作为流变改性剂。

3.1.5 纳米纤维素增强PVA薄膜
添加1% NC_150/60
使PVA薄膜的屈服强度从22 MPa提升至51 MPa，模量显著增加，而商业CNC则无统计学增强效果。这种差异可能源于NC中长径比更高的纤维结构与PVA基体的更强相互作用。

该研究通过超分子化学驱动的温和脱木质素技术，成功解决了针叶材纳米化过程中的能耗高、产率低、光学性能差等关键问题。创新性地发现：1）百里酚-MSA体系在60°C以下即可高效解构木质素-碳水化合物复合体；2）温和处理保留了纤维素的原生结构，使超声纳米化效率显著提升；3）所得NC兼具CNF与CNC的优势特性，在透明性、流变性能和增强效果方面表现突出。这项技术不仅为针叶材的高值化利用开辟了新途径，其"低温短时"的工艺特征更为纳米纤维素的绿色规模化生产提供了重要参考。未来研究可进一步优化原料预处理工艺，探索该技术在非木材生物质中的应用潜力。