纖維素納米材料的研究路線和進(jìn)展

纖維素納米材料可用取之不盡的再生原材料制備，擁有廣闊的應(yīng)用前景。其所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)是什么，怎樣攻克這些挑戰(zhàn)以進(jìn)一步促進(jìn)纖維素納米材料技術(shù)的發(fā)展？該文介紹了Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟公布的有關(guān)纖維素納米材料的研究路線、執(zhí)行策略和執(zhí)行方法，以及該技術(shù)領(lǐng)域的6個(gè)優(yōu)先研究課題；同時(shí)介紹了當(dāng)前纖維素納米材料的研究進(jìn)展情況。

近幾個(gè)月來(lái)，世界范圍內(nèi)探索者針對(duì)纖維素納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域做了商業(yè)嘗試，這些應(yīng)用領(lǐng)域包括吸收性個(gè)人衛(wèi)生用品、化妝品、油氣產(chǎn)品、液體食品低定量紙基包裝材料以及生物醫(yī)藥領(lǐng)域，如用作細(xì)胞培養(yǎng)中的水凝膠。纖維素納米材料擁有廣闊的應(yīng)用前景，那么問(wèn)題來(lái)了，其所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)是什么，怎樣攻克這些挑戰(zhàn)以進(jìn)一步促進(jìn)纖維素納米材料技術(shù)的發(fā)展。

在獲得大量投資之后，纖維素納米材料的供應(yīng)量充足且品類多樣，足以支持一系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)機(jī)會(huì)。達(dá)到上述程度，需要研究人員和生產(chǎn)商的聰明才智去攻克包括降低能耗、提高過(guò)程化學(xué)品回收率及產(chǎn)品的多樣性等在內(nèi)的各種挑戰(zhàn)。美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）森林服務(wù)導(dǎo)向研究預(yù)測(cè)，纖維素納米材料的全球市場(chǎng)潛力為3 500萬(wàn)t，然而迄今為止其市場(chǎng)滲透率還非常低。更多技術(shù)課題有待研究尤其是纖維素納米材料的干燥、再分散以及控制自然保水量等領(lǐng)域。

圖1為USDA位于威斯康州麥迪遜的林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室中的納米纖維素晶體中試生產(chǎn)設(shè)備。

圖1 林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室中的納米纖維素晶體中試生產(chǎn)設(shè)備

1 跨越障礙：Agenda 2020路線圖

產(chǎn)品的研發(fā)者通常想要緊跟市場(chǎng)步伐，而并非跟隨研究步調(diào)。Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟已經(jīng)明確，挖掘纖維素納米材料的潛力在林產(chǎn)品工業(yè)中具有最重要的研究開(kāi)發(fā)優(yōu)先權(quán)。該聯(lián)盟的職責(zé)是，確定制漿造紙行業(yè)中具有高優(yōu)先度的、預(yù)競(jìng)爭(zhēng)階段中面臨的科技挑戰(zhàn)，促進(jìn)科學(xué)研究和研發(fā)項(xiàng)目攻克該挑戰(zhàn)。該聯(lián)盟的目標(biāo)是：減少水消耗，提高水的循環(huán)利用率；降低能耗，減少溫室氣體排放；提高生產(chǎn)工藝效率；提高原材料得率；研發(fā)新型生物質(zhì)產(chǎn)品。纖維素納米材料屬于新型生物質(zhì)材料。這些優(yōu)先目標(biāo)和該聯(lián)盟成員公司的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)以及國(guó)家優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域是非常吻合的。

該聯(lián)盟于2013年在5個(gè)研究領(lǐng)域組建了工作團(tuán)隊(duì)，以確定在實(shí)現(xiàn)自身優(yōu)先目標(biāo)過(guò)程中所遇到的技術(shù)障礙，并研究戰(zhàn)勝這些困難的路徑。2014年，該聯(lián)盟獲得美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)機(jī)構(gòu)（NIST）提供的先進(jìn)制造技術(shù)（AM技術(shù)）資助。該資助旨在開(kāi)發(fā)能夠促進(jìn)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的深度技術(shù)路線圖。在該項(xiàng)資助下，Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟組織了大量研討會(huì)，并于近期公布了纖維素納米材料的研究路線圖，以及纖維素納米材料在其他技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用路線圖（圖2）。

2 策略

Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟纖維素納米材料工作團(tuán)隊(duì)的策略是，雙管齊下地將預(yù)競(jìng)爭(zhēng)階段針對(duì)當(dāng)前障礙的科學(xué)研究應(yīng)用到近期大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用中：（1）生產(chǎn)和（2）驅(qū)動(dòng)商業(yè)應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)步。針對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，該團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注產(chǎn)品表征標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)以及理解并解決脫水和干燥工藝中遇到的問(wèn)題，改善成本效益，使得纖維素納米材料在懸浮液中均勻地進(jìn)行再分散，促進(jìn)其在終端使用系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)前，針對(duì)給定的纖維素納米材料的表征還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，許多因素都會(huì)導(dǎo)致纖維素納米材料的多變性，如木材種類、樹(shù)齡及生產(chǎn)方法。然而普遍能夠理解的定義尚未出現(xiàn)，這使得實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)品試驗(yàn)的比較和重復(fù)變得困難。由于原材料供應(yīng)鏈存在不確定性，市場(chǎng)難以開(kāi)拓。

為使纖維素納米材料的應(yīng)用變?yōu)榭赡?，Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟團(tuán)隊(duì)關(guān)注的焦點(diǎn)是確定一種表面功能化的方法，以改善終端使用的復(fù)合材料中纖維素納米材料的分散性和可壓縮性。該工作團(tuán)隊(duì)還決定為解決產(chǎn)品上市時(shí)所面臨的產(chǎn)品安全和管理問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

圖2 纖維素納米材料的研究及應(yīng)用路線圖

3 優(yōu)先研究課題

已經(jīng)確定的6個(gè)優(yōu)先研究課題是：

（1）開(kāi)發(fā)可變的脫水方法；

（2）開(kāi)發(fā)可變的纖維素納米材料干燥方法，該方法要能夠保留纖維素納米材料的特征，檢驗(yàn)其成本有效性，并符合環(huán)境、安全與健康及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)；

（3）通過(guò)攻克技術(shù)挑戰(zhàn)以及規(guī)模性、分散性及可壓縮性等問(wèn)題，促進(jìn)高體積纖維素納米材料復(fù)合物的商業(yè)化；

（4）開(kāi)發(fā)纖維素納米材料及其復(fù)合物結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的標(biāo)準(zhǔn)表征方法；

（5）為美國(guó)食品及藥品管理機(jī)構(gòu)明確產(chǎn)品的大眾安全性（GRAS）制備應(yīng)用產(chǎn)品，以表明產(chǎn)品的安全性，并促進(jìn)纖維素納米材料在包裝行業(yè)及與食品接觸產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用；

（6）對(duì)纖維素納米材料生產(chǎn)進(jìn)行生命周期-循環(huán)分析及應(yīng)用路線分析。

4 研究路線的執(zhí)行

Agenda 2020路線圖將Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟由路線圖開(kāi)發(fā)者轉(zhuǎn)變?yōu)槁肪€的實(shí)現(xiàn)者。2016年，Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟計(jì)劃尋求建議和鑒別并資助那些旨在解決高優(yōu)先度挑戰(zhàn)的項(xiàng)目，并且當(dāng)資助機(jī)會(huì)出現(xiàn)時(shí)快速響應(yīng)聯(lián)邦政府、州政府和非盈利機(jī)構(gòu)的資助申請(qǐng)。

Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟不建議將該路線圖中列舉的項(xiàng)目代表所有在加速纖維素納米材料商業(yè)化進(jìn)程中需要解決的挑戰(zhàn)。對(duì)于有影響的研究方法的其他想法，Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟持歡迎態(tài)度。

5 研究資助來(lái)源

能夠?qū)で蟮窖邪l(fā)前階段的資助嗎？以下是幾種可利用的資助來(lái)源。除此以外歡迎有更多的資助。

Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟的生產(chǎn)和供應(yīng)商聯(lián)盟已經(jīng)承諾，將資助那些有實(shí)體公司支持的并有著良好研究基礎(chǔ)的科研項(xiàng)目。Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟的一些工作團(tuán)隊(duì)已經(jīng)著手開(kāi)展提案請(qǐng)求（RFPs）。這些提案請(qǐng)求正被展示給生產(chǎn)商投資者們，以確定對(duì)此感興趣的投資者。當(dāng)有足夠多的公司支持這個(gè)商業(yè)案例時(shí)，RFPs將會(huì)被公布。

近些年來(lái)，USDA林務(wù)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室3次追加纖維素納米材料相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)資助，旨在創(chuàng)造森林資源的商業(yè)需求。美國(guó)林業(yè)局將創(chuàng)造森林生物質(zhì)需求看作減少森林火災(zāi)的一種策略，對(duì)森林生物質(zhì)的需求可以減少依靠森林提供燃料的程度，同時(shí)可以幫助支付森林植被恢復(fù)作業(yè)的費(fèi)用。從2011年起，在USDA的年度撥款中該追加資助項(xiàng)目金額已經(jīng)達(dá)到約900萬(wàn)美元。根據(jù)美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)倡議（NNI）年度預(yù)算補(bǔ)充報(bào)告，自2011年以來(lái)，USDA林業(yè)局在纖維素納米材料研究領(lǐng)域共投資了2 810萬(wàn)美元。這些資金資助了農(nóng)業(yè)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室、緬因州大學(xué)大學(xué)研究項(xiàng)目、工程研究項(xiàng)目中纖維素納米材料的生產(chǎn)設(shè)施，這些項(xiàng)目主要針對(duì)纖維素納米材料的商業(yè)生產(chǎn)。前不久，美國(guó)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室宣布啟動(dòng)第4輪資助，資助金額為155萬(wàn)美元，用以支持下文所述的P3Nano公私合作項(xiàng)目。

美國(guó)國(guó)家基金針對(duì)林業(yè)和社區(qū)領(lǐng)域設(shè)計(jì)了一個(gè)名為P3Nano的開(kāi)發(fā)纖維素納米材料的項(xiàng)目，將其作為一種為依賴森林的社區(qū)創(chuàng)造和保留工作的手段。P3Nano項(xiàng)目致力于將實(shí)驗(yàn)室中的納米纖維素技術(shù)商業(yè)化。自2013年起，美國(guó)國(guó)家基金已經(jīng)在纖維素納米材料研究領(lǐng)域投資了約500萬(wàn)美元，預(yù)期今年的投資額為250萬(wàn)美元。

佐治亞理工學(xué)院可再生生物質(zhì)制品研究所（其前身為造紙科學(xué)與技術(shù)研究所）管理著一個(gè)致力于研究生研究和領(lǐng)導(dǎo)力發(fā)展的基金。該基金每年提供10名新生獎(jiǎng)學(xué)金。在過(guò)去的幾年中，每年的研究資助項(xiàng)目中戰(zhàn)略性優(yōu)先項(xiàng)目之一即為纖維素納米材料相關(guān)的研究。自2010—2011學(xué)年起，可再生生物質(zhì)制品研究所基金已經(jīng)為纖維素納米材料相關(guān)研究生研究提供了約270萬(wàn)美元資助，其中包括2016年4月20日宣布的3個(gè)獎(jiǎng)學(xué)金。這個(gè)數(shù)額不包括佐治亞理工學(xué)院15個(gè)或者更多學(xué)院資助的其他領(lǐng)域的科研資金。

6 聯(lián)邦政府的額外資助

超強(qiáng)輕質(zhì)材料可減少運(yùn)輸成本且節(jié)省能量，其研發(fā)工作在全美范圍內(nèi)引起關(guān)注，如果這些材料能由可再生的森林材料制備則是更佳方案。因此，Qak Ridge、國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室和其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)能源部生物能源技術(shù)辦公室，以及其他機(jī)構(gòu)均已開(kāi)展相關(guān)研究項(xiàng)目。

NNI已經(jīng)達(dá)成了一個(gè)簽署計(jì)劃，旨在促進(jìn)纖維素納米材料的商業(yè)化進(jìn)程。和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所一道，NNI已經(jīng)資助了許多技術(shù)會(huì)議和研討會(huì)，尤其在纖維素納米材料計(jì)量和表征方面。

USDA的國(guó)家食品與農(nóng)業(yè)研究所（NIFA），憑借各種富有競(jìng)爭(zhēng)力的配套資助項(xiàng)目，通過(guò)提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和生物多樣性，支持某些和食品安全相關(guān)的納米級(jí)科學(xué)和納米技術(shù)；改善飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提供更有效的療法，顯著影響動(dòng)物的健康狀況；增強(qiáng)食品安全和物種安全；增加對(duì)自然資源、環(huán)境以及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。在2015年，NIFA宣布資助納米級(jí)科學(xué)和納米技術(shù)項(xiàng)目，資助金額為1 350萬(wàn)美元。

建立一個(gè)專注于纖維素納米材料領(lǐng)域的生產(chǎn)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)可能引起了相關(guān)方的興趣。這樣一個(gè)政府中心將會(huì)提供協(xié)調(diào)機(jī)制和幫助，以減少纖維素納米材料的商業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)，加速技術(shù)向市場(chǎng)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)供應(yīng)鏈創(chuàng)新。

7 纖維素納米材料的研究進(jìn)展

目前相關(guān)纖維素納米材料的研究和Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟主張的優(yōu)先研究課題相吻合：

（1）加拿大林產(chǎn)品創(chuàng)新研究院的Beck和Bouchard探究了離子強(qiáng)度和黏度之間的關(guān)系，這對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)都很重要；

（2）Chauve等人研究了表面化學(xué)對(duì)熱穩(wěn)定性的影響和保留其他材料性能的方法步驟；

（3）Hellstr?m及其共同作者比較了在高壓均質(zhì)機(jī)中制備微纖化纖維素的預(yù)處理方法，確定了一種低能耗的方法；

（4）緬因州大學(xué)和GL&V公司的Johnson及其共同作者，記錄了不同水平的CNF添加量對(duì)紙張強(qiáng)度、表面性能及紙機(jī)可運(yùn)行性的影響；

（5） Shatkin，Wegner和 Goergen（分別來(lái)自 Vireo Advisors，美國(guó)林業(yè)局森林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室和P3Nano項(xiàng)目部）描述了開(kāi)發(fā)纖維素納米材料相關(guān)材料安全數(shù)據(jù)冊(cè)的信息需求評(píng)價(jià)；

（6）Schenker及其同事解決了羧甲基纖維素和微纖化纖維素原材料流變性能與不同復(fù)合物之間的聯(lián)系和影響，以及產(chǎn)生功能性相互作用的可能性；

（7）Wang和Zhu報(bào)道了納米纖維素纖維（CNF）懸浮液的透明度與微纖化之間的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，隨著研磨時(shí)間縮短，CNF薄膜的抗張強(qiáng)度和楊氏模量增大。

8 不斷前進(jìn)

為加速纖維素納米材料的商業(yè)化進(jìn)程，應(yīng)當(dāng)解決涉及生產(chǎn)工藝優(yōu)化以及技術(shù)發(fā)展的相關(guān)問(wèn)題，以在尖端應(yīng)用領(lǐng)域中最大化利用纖維素納米材料的獨(dú)特性能和特征。Agenda 2020技術(shù)聯(lián)盟已經(jīng)確定了其優(yōu)先研發(fā)的領(lǐng)域。同時(shí)，在當(dāng)前市場(chǎng)以及新興市場(chǎng)條件下，有必要將研發(fā)人員和生產(chǎn)廠家聯(lián)系起來(lái)，以充分地發(fā)揮市場(chǎng)拉動(dòng)作用。當(dāng)前政府和社會(huì)資本合作關(guān)系的培育以及新型合作關(guān)系的形成將有助于傳播相關(guān)理念，并強(qiáng)化針對(duì)生產(chǎn)和市場(chǎng)的重要研究。誰(shuí)會(huì)倡導(dǎo)那些對(duì)先進(jìn)的、多功能、可持續(xù)、可再生及可循環(huán)的原料有需求的人們使用纖維素納米材料呢？工業(yè)界的營(yíng)銷(xiāo)和通信部門(mén)可以提供幫助。商業(yè)成功需要借助一個(gè)廣泛的、有目的的營(yíng)銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)來(lái)拉近希望與市場(chǎng)之間的差距。

（申正會(huì) 編譯）