乙醇介质结合水再润湿策略高效制备高韧性纤维素纳米纸及其性能调控研究

本刊推荐：针对纤维素纳米纸(CNP)生产过程中过滤速度慢、能耗高的技术瓶颈，维也纳大学研究团队创新性地采用乙醇水溶液(85 wt.-%)作为悬浮介质，使过滤时间减少73%。通过系统研究水再润湿与干燥的后处理工艺，成功使乙醇体系制备的CNP密度达到水相制备水平，断裂应变从2.8%提升至7.5%，断裂功显著增加，同时获得高光学透光率和雾度，为绿色高效制备高性能纳米纤维素材料提供了新策略。

　　

在可持续材料研究领域，纤维素纳米材料正成为替代传统石油基材料的明星选手。特别是纤维素纳米纸(CNP)，凭借其卓越的机械强度、优异的光学性能以及可调的屏障特性，在高端包装、柔性电子和分离膜等领域展现出巨大应用潜力。然而，通往产业化道路上的"拦路虎"也十分明显——传统水相制备工艺存在过滤速度极慢、能耗高等突出问题，这主要源于纤维素纳米纤丝(CNF)的高保水性和高粘度特性。更令人头疼的是，生产效率与产品性能往往难以兼得：为提高过滤速度而改用有机溶剂时，又会牺牲材料的致密性和力学强度。

正是在这样的背景下，维也纳大学的研究团队在《Carbohydrate Polymers》上报道了他们创新的解决方案。他们巧妙地将乙醇水溶液作为悬浮介质，大幅提升过滤效率，再通过水再润湿的后处理工艺"补偿"因使用有机溶剂而损失的性能，最终实现了效率与性能的双赢。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：使用机械研磨法制备的软木浆纤维素纳米纤丝(CNF)作为原料；通过布氏漏斗真空过滤制备纳米纸；采用热压工艺(120°C，1.6 MPa)进行干燥固化；利用动态蒸汽吸附(DVS)测定水分含量；通过扫描电子显微镜(SEM)观察表面形态；使用紫外-可见分光光度计测量光学性能；采用万能试验机结合视频引伸计进行力学性能测试。

3.1. 悬浮介质中乙醇含量对CNP孔隙率的影响

预实验表明，悬浮介质的表面张力是影响纤维网络致密化的关键因素。当乙醇含量达到60-80 wt.%时，毛细管力/Campbell力显著减弱，无法有效压缩纤维网络，导致CNP孔隙率大幅增加。因此研究选择85 wt.%乙醇水溶液作为悬浮介质，既保证了高孔隙率特征，又便于溶剂的回收再利用。

3.2. 纳米纸制备过程中的过滤时间

使用85 wt.%乙醇水溶液作为悬浮介质，过滤时间从水相的71±3分钟大幅缩短至19±1分钟，降幅达73%。这种显著的效率提升主要归因于乙醇降低了与纤维素羟基的相互作用力，减少了CNF的水合层厚度，形成了更疏松的滤饼结构，从而降低了过滤阻力。

3.3. 再压缩处理对CNP物理性能的影响

未经处理的乙醇体系CNP(Et-CNP-ref)孔隙率高达30.1%，几乎是水相制备CNP(16.8%)的两倍。经过水再润湿和再干燥处理后，所有再压缩CNP(reEt-CNP-35/70/110)的密度和孔隙率与水相CNP无显著差异，表明水的较高表面张力(72.8 mN m^-1 vs 乙醇的~24 mN m^-1)产生的强大Campbell力有效压缩了纤维网络。SEM观察证实，再压缩处理显著减少了层间孔隙，形成了与水相CNP相似的致密纤维网络结构。

3.4. 再压缩处理前后纳米纸的光学性能

在572 nm波长处，未经处理的Et-CNP-ref透光率最低(10-18%)，而再压缩处理的reEt-CNP-35透光率最高(55-69%)。所有纳米纸的雾度均较高(84-89%)。再压缩处理通过减少孔隙和界面数量，降低了光散射，从而显著提高了透光率，同时保持了高雾度特性。

3.5. 纳米纸的拉伸性能

力学测试揭示了有趣的现象：再压缩处理虽然使乙醇体系CNP的拉伸强度和模量略低于水相CNP(强度降低约20%)，但却大幅提高了断裂应变——从2.8%增加到7.5%，最高达到7.5%。根据Page理论分析，这种变化主要源于纤维间剪切粘结强度的差异：再压缩处理主要增加了网络密度，但纤维间粘结强度提升有限，这使得纤维能够在断裂前发生更大程度的滑移，从而显著提高了断裂功(模量韧性K_f从1.7 MJ m^-3增至6.4 MJ m^-3，提高了276%)。

研究表明，干燥温度对最终性能有显著影响：较高的干燥温度(110°C)导致更强的角化作用(hornification)，产生更强的纤维间粘结，从而获得更高强度但较低断裂应变的材料；而较低温度(35°C)干燥则得到更具韧性的材料。

这项研究的意义在于提出了一条高效制备高性能纤维素纳米纸的新途径。通过乙醇水溶液作为悬浮介质，过滤时间减少了73%，大幅提高了生产效率；而通过水再润湿的后处理工艺，又成功"找回"了因使用有机溶剂而损失的材料性能，特别是获得了前所未有的高韧性(断裂应变达7.5%)。这种效率与性能的平衡策略为纤维素纳米材料的产业化应用提供了新思路，同时材料展现的高光学透光率和雾度组合，使其在高端包装和光学应用领域具有特殊价值。

该方法不仅适用于实验室规模，其工艺特点也易于扩展到连续化生产中——只需在过滤后增加一个简单的水浸步骤即可。相比于其他提高CNP韧性的方法(如离子液体添加、纤维素晶型转化等)，本研究提出的策略更加绿色、经济且易于操作，为可持续发展背景下的高性能生物基材料开发提供了重要参考。