源在 科技 、 学 、 术 等 方 面的发 展 ， 维 素 的应用 正愈来 愈 受 到重视 。 医 技 纤 ］
纤维 素具 有很 多优 越 的性质 ， 亲水性 、 性 、 物 可 降解 性 ， 如 手 生 以及 广 泛 的化 学 改 性 能力 。纤 维 素 大 分子 之 间 ， 纤维 素和 水分 子之 间 ， 或者 纤维 素大 分子 内部 都可 以形 成氢 键 ， 而这 些大 规模 的氢 键 网状 结 构 组 成 了纤 维素 的半 晶体 光纤形 态 ｌ 。 ２ ］
类似于 Ｂ Ｃ那 样具 有纳 米 尺度 的纤 维素被 称 为纳 米纤 维 素 ， 也包 括 纳米 尺 度 的纤 维 素 晶须 和纳 ］它
米 纤维 素复 合物 。 本 文对 纳米 纤维 素 的研究 和应 用进 展进 行 了综 述 ， 括其 制备 方 法和一 些新 的应 用 。 包
１ 纳 米 纤 维 素 的制备
１８ ８ ６年 ， ｒｗｎ首 次报 道 了 由木 醋 杆菌 （ ｅｏ ａｔｒｘ ｌ ｕ 合 成 了一种 胞 外呈 凝 胶 状 的物 质 ， Ｂｏ Ａｃｔｂ ｃｅ ｙｉ ｍ） ｎ 但
基 金 项 目 ： 等 学 校 学 科 创 新 引 智 计 划 资 助 （ ．１ １２０ ） 高 Ｎｏ １－—４ ； 作者简介 ： 晔（９７ ， ， 江宁波人 ， 华大 学高分子材料工程系本科生 ； 袁 １ ８ 一） 女 浙 东
９ ％ 。生物合 成 的纳 米纤维 素是 高纯度 的 ， ９ 其产 出率 与菌 种 有关 。天 然纤 维 素 可分 为 Ｉ型 和 Ⅱ型 ， Ｉ型 中又有 Ｉ 三斜 晶胞 ） 工。单斜 晶胞 ） （ 和 （ 两种 晶形 排列 方式 ， 同 的来 源产 出 的纤维 素 Ｉ Ｉ 是不 同 的 ， 不 ／ 木醋杆 菌产生 的 Ｂ Ｃ是 两种 晶型排列 的混合 物 ， 中 Ｉ。 其 型约 ６ ， 型 约 ４ 。 ０ Ｉ。 Ｏ
细 菌纤维 素相对 于植物纤 维素 的优越性 在于 ：１ 它是 一 种 纯纤 维 素 ， 有 高化 学 纯度 和 高结 晶度 ， （） 具 而植物纤 维主要 由纤维 素组成 ， 但它掺 杂其它 许多糖 类 ， 半纤 维 素或 木质 素 ；２ 它 的弹性 模量 为 一般 如 （） 植 物纤维 的数倍 至十倍 以上 ， 且抗张 强度高 ；３ 有很 强 的持 水能 力 、 高 的生 物适 应性 和 良好 的 生物 并 （） 较 可 降解性 ；４ 生物合 成过 程可调 控 。这使 细 菌纤 维 素在 食 品工业 、 （） ］ 造纸 工业 、 化妆 品 、 聚合 物增 强 、 无
Ｍｏａ ｒｎ等 用 两种不 同方法 ， 包括 平 常 的化 学 处 理 如酸 水 解 、 化 、 处 理 和漂 白 ， 剑麻 纤 维 制备 氯 碱 从
了纤 维 素 。
还有 一种 方法 是 酶解 ， 利 用 纤 维 素 酶 选 择 性 地 酶 解 掉 无 定 形 的纤 维 素 而 剩 下 部 分 纤 维 素 晶体 。 即
纤 维 素 的来 源 主要 是植 物 。棉花几 乎 是纯 的纤 维 素 ， 而木 材 等 则是 由纤 维 素 、 木质 素 、 纤 维 素 、 半 果 胶 等其 它碳 水化 合物 的 混合 体 。除 了植 物 以外 ， 动物 、 特定 的细 菌 、 藻 、 菌等 也 能 生成 纤 维 素 。其 中 海 真
本 文 的下 篇 《 米 纤 维 素 研 究 及 应 用 进 展 Ⅱ》 继 续 介 绍 纳 米 纤 维 素 在 生 物 ， 学 ， 强 剂 ， 纸 工 业 ， 化 ， 纳 将 医 增 造 净 传 导 ， 无 机 物 复合 ， 品 工 业 ， 性 复 合 物 等 方 面 的应 用 。 与 食 磁
到了纳米 级的 网状 结构 的纤维 素 ， 其纤 维直径 在 １ ～ １０ ｍ 之 间 ， 以用 于制 备 透 明的高 强度 纳米 复合 ０ ０ｎ 可
２ ２ ２ 化 学处理 ． ．
化学 处理植 物体来 制备纳米 纤维 素的最 主要 方法 是酸 或碱 的水 解 ， 也包 括用 表面 活
性剂 或生物 酶来 处理 。
关 键 词 ： 米 纤 维 素 ；电 子纸 ；生 物 模 板 ；磁 性 纳 米 复 合 物 纳
煎 专
纤维 素主 要 由植 物 的光 合作 用合 成 ， 自然 界取 之 不 尽 ， 之 不竭 的可 再 生天 然 高 分 子 。近年 来 随 是 用 着石 油 、 炭储 量 的下 降 、 油价 格 的飞速 增 长 、 国对 环境 污 染 问题 的 日益 关 注 和重 视 ， 煤 石 各 以及可 再 生 资
通 讯 联 系 人 ：ｑ ｇ ｄ ｕ ｅ ｕ ｃ ． ｓｉ ｈ ．ｄ ． ｎ ｎ＠
・
７ ・ ６
高
分
子
通
报
２１ 年 ２ ００ 月
由于无合 适 的实 验手段 以及产 量较低 ， 因此 未受到 重视 。细 菌 纤维 素 （ Ｃ） Ｂ 引起 人 们 更多 的 注意 是在 ２ ０ 世 纪后期 ， 而深入 的研究 则是从 Ｈｅｔｉ ｓｒ ｎ和 Ｓ ｈ ａ ｃ ｒｍｍ等 的研 究开 始 的 ， 们证 明了静 止和 冻干 的醋 酸 细 他 菌 细胞在 有葡萄糖 和氧 时能够合 成纤维 素 ， 且研究 出 了一 种 特 殊 的培养 基 ， 木葡 糖 酸醋 杆 菌在 实验 并 使 条 件下最 优化产 出纤维素 ｊ 。 Ｂ Ｃ的生物合 成是一个 很复 杂的过程 ， 从尿 苷二磷 酸葡 萄糖 开始 ， 过 ４个 主要 的 酶催化 反 应 ， 终 经 最
机物 合成等许 多方 面有很 大的应用 价值 。
１ ２ 用 植 物 制 备 纳 米 纤 维 素 ．
相对于细 菌纤维 素来说 ， 植物纤 维素必 须经过 化学处 理或者 机械粉 碎才 能得 到纳米尺 度 的纤 维素 。 １ ２ １ 物理处 理 ．． 物。 将竹子 纤维及其 单纤 维用石 盘高速研 磨 ， 结合热 碱 的预 处理 ， ａ ａ ａｈ 等 以竹子 为原料制 得 了 并 Ｔ ｋｈ ｓｉ 微纤 化的纤维 素 。 １８ ９ ０年 ， 用高 速 搅拌 机 处 理木 浆 ， ｈ ｂ ｋ等口 研 究 出 了一 种微 纤 维 化 的纤 维 素 ， Ｔ ｒａ 得
第 ２期
高
分
子
通
报
纳米 纤 维 素研 究 及 应 用进 展 Ｉ
袁 哗， 范子千 ， 青 沈
（．东华 大学 高分子 材料 与 工程 系；２ １ ．东华 大学 纤维材 料 改性 国家重点 实验 室 ， 海 ２ ０ ５ ） 上 ０ ０ １
摘要 ： 纳米 纤 维 素 是 一 种 新 型 的高 分 子 功能 材 料 ， 有 独 特 的结 构 和 优 良的 性 能 。特 别 是 细 菌 纤 维 素 ， 具 其
转化 为ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ维 素长链 分子 。
木醋杆 菌细胞 壁侧有 一列 ５ ￣８ ０ ０个 轴 向排 列 的小孔 ， 在适 宜条 件下 每个细胞 每 秒钟 可将 ２ ０ ０ ０ ０ ０个 葡 萄糖分 子以 １ ４糖 苷键相连 成聚葡 萄糖 ， 后从小孔 中分 泌 出来 形成 直径 １ ７ ｎ 的纤维 素丝 ， 随 ，一 然 ．８ ｍ 并 着分 泌量 的持 续增加 平行 向前 延伸 ， 邻 的几 根 微 丝之 间 由氢 键 相 互 连 接形 成 直 径 为 ３ ４ ｍ 的微 丝 相 ～ ｎ
约 在 ４ ０ ５ ０ ｍ。 ０ ０ｎ
图 ２ 用 硫 酸 溶 液 处 理 制 备 的纤 维 素 晶 须 的 ＡＦ 图像 Ｍ
Ｆｉ ｒ Ａ ＦＭ ｍ ａ ｅｌ ｌ ｓ ｈ ｓ ｒ ｒ ｐ ｅ ｙ ｔ ｒ ａ ｍ ｅ ｆｓ ｆ ｉ ｃｄ ｓ ｌ ｔｏ ｇｕ ｅ ２ ｉ ｇｅｏｆｃ ｌｕ ｏ ｅ ｗ ｉ ｋｅ ｓ ｐ ｅ ａｒ ｄ ｂ ｈｅ ｔｅ ｔ ｎｔｏ ｕｌｕｒｃａ ｉ ｏ ｕ ｉ ｎ
Ｌ 等 将 桑葚枝 条预处 理并漂 白后 ， １ ０ ４ ｗ 的硫 酸溶液 在 ６ 。 ｉ 用 ０ ｍＬ ６ ｗ／ ０Ｃ下水 解 １ ｇ漂 白后 的纤 ０ 维， 加冷却 水停止 反应并 进行 离心 ， 重复 的将沉淀搅 拌悬 浮再离 心 ， 到变成 胶状 的悬 浮液 。将胶 体透 再 直
第 ２期
高
分
子
通
报
析并 用超 声波 处理 后 ， ４ 在 ℃下冷 冻并 加 氯 仿来 避 免 细 菌 生 长 。在 悬 浮 液 中， 维 素 晶须 的 重 量 份数 为 纤
１ ｗ 。ＡＦ 表征 了纤 维 素 晶须 的形 态 （ 图 ２ ， ４ ． 的 晶须直 径 范 围在 ２ —０ ｍ， 须 长度 大 ｗ／ Ｍ 见 ）有 ２４ ５３ ｎ 晶
Ｆｉ ｕ ｅ １ Ｍ ｏ ｅ ｏ ｉ ａｌ ｙ ｒ ｔ ｄ ＢＣ ｆ ｒｌ ｇ ｒ ｄ ｌ ｆｉ ｔ ｌｙ ｈ ｄ ａ ｅ ｉ ｉ ｎ ｉ ｂ ｓ
由于 Ｂ Ｃ不溶 于水 ， 以在特定 的培 养基 中实验 时 ， Ｃ会在 气 液 分界 面 上铺 展 生 长成 薄 膜状 ， 维 所 Ｂ 纤 素 分子 自组 装形成 了高膨 胀度 的 ３ 网状结 构 ， Ｄ 它具 有 明 显 的隧 道 和微 孔 结构 ， 而且 水 分 含量 可 以达 到
越来 越 多 的人 趋 向于 寻找 不 同于传 统纤 维 素来 源 的其他 原材 料 。Ｚ ｌａ ａ等 用 四种 不 同的酸 碱配 ｕｕ ｇ
比方法处 理 了香蕉 茎 ， 并得 到 了纤维 素微 纤 。实 验显 示 ， 当碱 的浓 度提 高时 ， 木质 素等 非纤 维 素物 质 大多 被 除去 。其原 因是 木 质素 等非纤 维 素成 分与 纤维 素 的相 互关 系不 仅仅是 表 面联 系 ， 是分 子链 之 问相 互 而 交 联 。所 以足够浓 度 的碱 溶液 使得 纤维 素微 纤溶 胀 ， 有利 于 杂质 的分离 。
从 制备来 源来 说 ， 纳米 纤维 素 可 以分 为植 物 纤 维 素 、 物纤 维 素 以及 细 菌 纤 维 素 。如被 囊 类 动 物可 动 以合成 动物 纤维 素 ， 醋杆 菌可 以合 成 细菌纤 维 素等 。而 现在 兴起 的还 有一种 是 纳米纤 维 素复合 材料 。 木 １ １ 用 细菌 制备 纳米 纤维 素 ．