深共晶溶剂预处理纤维素纳米纤丝与纤维状粘土矿物复合薄膜的高光学性能研究

为解决传统纳米复合材料制备过程能耗高、透明度低的问题，研究人员开展了深共晶溶剂(DES)预处理纤维素纳米纤丝(CNFs)与纤维状粘土(sepiolite/palygorskite)复合薄膜的研究，成功制备出高透明度(含50%粘土时透明度损失仅~15%)、结构致密的纳米复合薄膜，避免了高能耗均质过程和粘土化学改性，为低成本高性能光学材料开发提供了新策略。

　　

在当今追求可持续材料与绿色制造的时代，纤维素纳米纤丝(CNFs)因其可再生性、生物可降解性和优异的机械性能，已成为纳米材料领域的新宠。然而，传统CNFs的制备往往依赖高能耗的机械处理或化学改性，且在与无机纳米材料（如粘土矿物）复合时，容易出现分散不均、透明度下降等问题，限制了其在高端光学器件、包装材料等领域的应用。特别是纤维状粘土矿物如sepiolite和palygorskite，虽具有独特的纳米纤维结构和增强潜力，但因其易团聚、难以与CNFs兼容，常需复杂的化学修饰或强力均质化处理，这不仅增加成本，还可能引入环境负担。

为此，来自葡萄牙科英布拉大学化学工程系的Ricardo O. Almeida、Eduardo Ferraz、Ana Ramos、Verner H?konsen、Maria L. Puertas和José A. F. Gamelas团队在《Biomacromolecules》上发表了一项创新研究，首次利用深共晶溶剂(DES)预处理制备CNFs，并与sepiolite和palygorskite复合，开发出高光学性能的纳米复合薄膜。该研究避免了能源密集型均质过程和粘土化学改性，成功获得了透明度高、结构致密的材料，即使粘土含量高达50%，透明度损失也仅为~15%，显著优于传统TEMPO氧化CNF或阳离子CNF复合材料。这一成果不仅为低成本、高性能纳米复合材料提供了新思路，也推动了绿色溶剂在纳米纤维素加工中的应用。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先，通过深共晶溶剂(DES)预处理木质纤维素原料制备CNFs，利用DES的高溶解性和功能性实现纤维的温和解离与表面修饰；其次，直接将DES-CNFs与两种纤维状粘土矿物（sepiolite和palygorskite）混合，未进行任何粘土化学改性或高能耗均质；此外，对比了TEMPO氧化CNF和阳离子CNF的复合效果，并评估了干法微粉化与湿法微粉化sepiolite对薄膜性能的影响；所有复合薄膜通过溶液浇铸法制备，并系统表征了其光学、结构和形态性能。

研究结果：

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  高透明度复合薄膜的成功制备：DES预处理CNFs与sepiolite或palygorskite复合后，薄膜透明度极高，含50% sepiolite时绝对透明度损失仅~15%，远低于TEMPO氧化CNF或阳离子CNF复合材料（后者透明度损失更大）。这表明DES预处理有效提升了CNFs的分散性和与粘土的兼容性，无需额外处理即可实现光学性能优化。

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  粘土类型与处理方式的影响：使用湿法微粉化sepiolite的薄膜透明度高于干法微粉化sepiolite或palygorskite复合材料。这是因为湿法处理更利于粘土纤维的分散和与CNFs的界面结合，减少了光散射点，从而提升了光学均匀性。

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  致密结构的形成与机制：DES-CNFs具有极薄、高度功能化和易分散的特性，与sepiolite纤维复合后形成了非常致密和紧凑的薄膜结构，微观形态显示纳米纤丝与粘土纤维交织均匀，无显著团聚。这种结构减少了光传播路径中的缺陷，直接贡献于高光学性能。

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  成本与可持续性优势：该方法避免了高能耗的均质化步骤和粘土化学改性，简化了制备流程，降低了生产成本，同时保持了材料的可持续性和环境友好性，为大规模应用奠定了基础。

结论与讨论：

本研究证明，DES预处理CNFs与纤维状粘土矿物的复合是一种高效、绿色的纳米薄膜制备策略。DES不仅温和地分离出高功能化CNFs，还增强了其与粘土的相互作用，从而实现了高透明度、致密结构的复合材料，性能优于传统化学改性CNFs。该成果的意义在于：其一，拓展了DES在纳米材料加工中的应用，突出了其作为绿色溶剂的潜力；其二，为高性能光学薄膜（如柔性显示器、屏障包装）提供了低成本替代方案，有望减少对石油基材料的依赖；其三，通过避免能源密集过程，契合了可持续发展目标。未来工作可进一步探索DES-CNFs与其他纳米材料的复合，并优化工艺以实现工业化生产。总之，这项研究为纳米纤维素复合材料的创新设计树立了标杆，兼具科学价值与应用前景。