随着石油资源日益大量消耗，寻找绿色、环保、可再生资源来开发新能源、新材料已经成为社会发展的必然趋势。植物纤维素是一类资源丰富、可天然再生、可生物降解的优质天然高分子材料，其特殊的晶体结构赋予其良好的力学性能，在植物细胞中扮演骨架材料的重要角色。纤维素纳米纤丝是一种在高速高压剪切与冲击力作用下将植物纤维(多为纸浆纤维)剥离、撕裂成直径为纳米级的微细纤维，其理论弹性模量与拉伸强度分别高达150和3GPa，理论力学性能基本接近碳纤维。不仅如此，其无可比拟的资源优势、生物降解特性、良好的透光性、富含羟基的纤维表面、特殊的网状结构，近10年来吸引了众多科研工作者及企业家的目光，成为生物质纳米材料研究领域的一个新兴热点方向。本文在比较主要纤维素纳米纤维基础上，综述了纤维素纳米纤丝的发展历程、加工制备工艺与预处理方法、主要性能及潜在应用领域，针对研究中存在的一些急需解决的问题，提出开展进一步研究的建议。

1 纤维素纳米纤维

纤维素纳米纤维家族中，主要有纤维素纳米纤丝(cellulose nanofibril，CNF)、纤维素纳米晶体(nanocrystalline cellulose，NCC)、静电纺丝纤维素(electrospun cellulose，ECC)和细菌合成纤维素(bacterial nanocellulose，BNC)纳米纤维四大类。这些纳米纤维因为来源、制备方法的差异，在结构和性能上也不相同，如前两类纳米纤维主要来自植物纤维，分别通过机械剪切、强酸水解制取; 静电纺丝制备纳米纤维通常需经历复杂的纺丝过程，对纤维素溶液要求很高。由于植物纤维能快速生长、天然合成、原料丰富、成本低廉，因此前两类纳米纤维具有无可比拟的资源优势。NCC通常利用强酸水解，将纤维素中非结晶区分离、脱除，最终保留结晶区纤维素分子，因此在有些文献中也称之为纳米纤维素晶须(Šturcová et al., 2005; Kvien et al., 2005)。从形态上来看，NCC与CNF近似一致，都是纳米级微细纤维，但是由于NCC基本不含纤维素非结晶区，刚性强，韧性远远不如CNF，且长径比只有CNF的1/5~1/3，在复合材料中弹性、抗冲击、抗弯性能表现相对较差(Klemm et al., 2011)。从加工制备来看，NCC的强酸水解制备过程时间较长，排放出来的废液也需进一步处理，势必增加工业化生产成本，影响经济效益。因此，尽管CNF的研究和开发利用尚处于起步阶段，但是其优势和前景是非常令人满意的。由于这是一种新兴的纤维素纳米纤维材料，国际上有不同的命名，如Microfibril，Microfibrillar cellulose，Microfibrillated cellulose，Nanofibril，Nanofibrillar cellulose及Nano-fibrillated cellulose等，2010年，国际标准组织(ISO)才将其统一命名为Cellulose nanofibril(纤维素纳米纤丝)。

2 CNF发展历程

1983年，Herrick等(1983)和Turbak等(1983)首次利用高剪切均质机制备出CNF，并对该纳米纤维的形态结构、物理性能、化学成分以及潜在应用前景进行了综合研究。这次历时5年的科学探索开启了CNF研究大门，为纳米纤维新材料的制备与合成谱写了新的篇章。1997年，Dufresne等(1997)以甜菜浆榨糖剩余物为原料，成功制得CNF，并研究该纤维对纸张力学性能的影响。1998年，他们在此基础上还进行了土豆基纳米纤维增强淀粉薄膜热力学及耐水性能的研究(Dufresne et al., 1998)。同年，Taniguchi等(1998)研究了不同木质纸浆纳米纤维素薄膜的形态及化学成分的变化。2004年，Nakagaito等(2004)首次以均质化木质纸浆CNF为主要原料，干燥成型后浸渍酚醛树脂热压制备出具有网状纳米单元的生物质复合材料; 他们还报道了高速剪切数次对纳米纤维微观形态变化及其复合材料力学性能的影响(Nakagaito et al., 2004; 2005)。与此同时，Zimmermann等(2004; 2005)采用超高压微射流纳米分散机处理亚硫酸盐漂白木质纸浆制备CNF，并用于增强水溶性聚合物—聚乙烯醇、羟丙基纤维素，通过比较材料的纳米压痕弹性模量与抗拉弹性模量，计算机模拟复合两相形态，阐述了特殊网状结构对于增强复合材料力学强度的重要性。在CNF研究历程中，2004年是一个重要的分水岭，在此之前的文献较少，而此后的研究如雨后春笋般涌现，不仅对其材料来源、加工制备、性能评价开展系统深入研究，还对其增强纸张以及聚合物(主要包括淀粉、聚乳酸、聚乙烯醇、聚氨酯、聚乙烯)复合材料进行广泛探索。2010年，法国科学家成功制得导电性与力学强度较好的CNF/聚吡咯导电材料(Sasso et al., 2010)。

迄今为止，CNF的研究主要集中在美国、瑞典、瑞士、芬兰、丹麦、法国、德国及日本等国家。我国张俊华等(2009a; 2009b; 2010)对TEMPO氧化预处理及高压均质化竹浆CNF生产工艺、纤维表面形态、保水性能进行了探讨。Chen等(2011)采用先化学氧化微纤丝化再超声波分离竹、麦秸、针叶材纤维制得直径在30~80 nm之间、长度为数毫米的纤维素Ⅰ型纳米纤维，并研究其主要化学成分、晶体结构和热解性能。相对于上述发达国家，我国在该方向的研究开展较晚，且研究范围较窄。因此，笔者主要总结概述了国外CNF最近研究成果，以期为我国制浆造纸、木材科学、高分子材料等相关学科纤维素纳米纤维研究者提供新思路和新方法，加速和促进我国在该领域的研究进程。

3 加工制备 3.1 高速高压剪切加工

CNF纳米纤维主要借助高速剪切力和摩擦力将纤维素分子胀化、分离成直径为纳米级(通常为100 nm以下)、长度为数百纳米甚至微米级的微纤丝束(团)，形态和尺寸基本与纤丝一致，因此被广泛称为纳米纤丝。纸浆纤维在高速剪切过程中逐渐剥离、分裂成纳米纤丝，因此高速剪切是该材料加工过程中最关键的环节(文中加工制备部分也主要以此展开)。目前主要加工仪器有高速研磨机—Grinder(Iwamoto et al., 2007; Abe et al., 2007)、高速搅拌机—Blender(Uetani et al., 2011; Okahisa et al., 2011)、高剪切均质机—Homogenizer(Herrick et al., 1983; Turbak et al., 1983; Nakagaito et al., 2004; 2005; Henriksson et al., 2007a; 2007b)、超高压微射流纳米分散机—Microfluidizer(Zimmermann et al., 2004; 2005; 2010)，其中高剪切均质处理应用最多。设备选用不同，剪切、摩擦、冲击的强度和方式也不同，微纤丝化的过程差别也较大，因此相应CNF形态、成分及力学强度也有差异。高速研磨作用机制类似于传统纤维素纤维加工制造。高速搅拌则利用搅拌力先将毫米、微米级的纤维剪切成更细、更均匀的纤维，同时将细胞壁P，S1层物质脱除; 在持续高速搅拌力的作用下微纤丝之间的快速撞击使之蓬松涨化形成充满水分的“微纤丝水球”，膨胀区不断延伸扩张从而最终成为单根微纤丝或微纤丝团(Uetani et al., 2011)。经过上述不同剪切处理的CNF，直径一般在15~100 nm之间，长度在几百纳米到微米级不等。

为了促进高速剪切微纤丝化的顺利进行，避免高压纤维/水混合流体在反应室内发生堵塞，通常需要对原料纸浆进行不同的机械细化和短化处理，主要有细磨(refining，grindering)和打浆(beating)。细磨能有效分离植物纤维细胞壁上P层和S1层，促使更多的S2层表面暴露，加速后续的高速剪切与摩擦将微纤维分离，对细胞壁起到了膨化作用(Nakagaito et al., 2004); 而打浆作为造纸工业不可或缺的流程之一，主要借助机械作用增加纤维柔韧性和粗糙程度，加快细胞壁物质吸水膨胀(Henriksson et al., 2007a)。

高速剪切通常需要高速运转的电机提供动力源，因此每次均质化处理都要消耗大量的电能，电能消耗的多少是衡量CNF是否“绿色”的一个重要标准，同时也是该纳米纤维能否大范围商业化应用的决定因素之一。针对纳米纤维制造过程中的能量消耗问题，Spence等(2011)比较了高剪切均质、高速研磨、超高压微射流纳米分散3种机械加工工艺的总能量消耗及所得纳米纤维的基本物理性能及纳米薄膜的拉伸强度，发现后2种加工方法不仅消耗的能量较少，同时其制备的纳米纤维具有更好的物理、力学、光学及与水反应性能，而高剪切均质纳米纤维则有更大的比表面积。这个研究结果能给后续的试验研究及工业化生产提供一定的参考和依据。

3.2 改性预处理

除了上述的细磨、打浆机械短化和细化处理外，在CNF高速剪切加工之前也常对原料纸浆纤维进行生物、化学改性预处理，现在常采用碱处理、纤维素酶预处理及2，2，6，6-四甲基哌啶-1-1氧基自由基(TEMPO)氧化预处理。

碱处理能溶解去除部分包裹在纤维素分子周围的半纤维素、木质素，促使纤维素分子暴露在水中，加速润湿和胀化，利于纤维素微纤丝的高速机械剪切分离(Wang et al., 2007; Zuluaga et al., 2009)，因此，传统的碱预处理也应用于CNF加工工艺中。当然，碱处理也能使纤维素发生降解，Nakagaito等(2008)发现质量分数20%的碱处理CNF表面产生收缩现象，而5%碱处理纤维则没有发生类似现象，这说明高浓度的碱也能够溶去部分纤维素纳米纤维。在Hassan等(2011)的研究中发现，5%碱处理纳米纤维能提高其复合材料的力学性能。因此在进行碱处理过程中需要控制好碱溶液浓度及碱处理时间，处理效果适度。碱处理不仅能溶解纤维素，还能改变纤维素的结晶状态，促进纤维素Ⅰ型纤维向纤维素Ⅱ型纤维转变，而后者具有更好的稳定结构，虽然这种转化机制还不清楚，但对于提高纳米纤维及其复合材料的(热力学)稳定性是一种有效的途径(Klemm et al., 2005; Wang et al., 2007)。

纤维素酶包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖纤维二糖水解酶、葡萄糖昔酶3类，酶处理主要通过真菌降解或改性植物细胞壁中与纤维素交织存在的半纤维素、木质素，最大程度保留纤维素成分(Janardhnan et al., 2006)。酶解过程是一个复杂的生物化学过程，且一般单一的纤维素酶对纤维素不起作用，通常需要2种或多种以上酶共同协同完成，对其清晰的反应机制尚未完全揭晓(Berghem et al., 1973; Gupta et al., 2009)。Janardhnan等(2006; 2011)从病菌感染的荷兰榆木中分离出OS1酶菌，将这种酶处理木质纸浆纤维发现，85%的酶解预处理纳米纤维直径主要集中在10~50 nm区域之间，他们还进一步发现，酶解首先与木材纤维素上羟基反应，进而破坏微纤丝之间的氢键结构。Henriksson等(2007a)比较内切葡聚糖酶解与盐酸水解木材纳米纤维发现，酶解预处理CNF纳米纤维拥有优越的长径比，有助于纳米复合材料的增强作用，同时还发现高浓度的酶(3%质量分数)与低浓度的酶(0.02%质量分数)都能产生相同的效果，进而推出酶解不仅能降低纤维素分子质量、短化纤维，同时也能胀化纤维素。相对于强酸、强碱水解，酶解是一个非常温和的生物过程，不同的纤维素酶对纳米纤维的形态、直径分部、分子质量变化影响不同，但是酶解能柔化、胀化原料纤维，使之在水中具有更好的流动性，这大大降低了高速剪切过程中纤维堵塞故障，加速了纤维素纳米化，减少了反复高速剪切次数，有利于降低能源消耗和节省时间，因此酶解预处理也已经成为CNF制备过程中常用的一种预处理方式(Pääkkö et al., 2007; Siddiqui et al., 2011)。

因为纤维素是由单一的β-D吡喃葡萄糖C1-C4羟基缩聚组成的高分子链状聚合物，每个葡萄糖分子中存在3个未反应的羟基，其中C6羟基反应活性最强，通常发生酯化反应，C2羟基反应活性次之，是醚化反应的主要区域，这2个活性官能团也是纤维素氧化改性处理的主要反应基团(Gardner et al., 2008)。TEMPO氧化体系预处理纤维素能将结晶区表面、无定形区纤维素分子C6羟基氧化成醛基，进而进一步氧化成羧基，这些富含羧基官能团表面由于同性电荷产生较强的排斥力，因而有助于微纤丝的分离(Isogai et al., 1998; Saito et al., 2004; 2005a)。单一的TEMPO溶液很难将纤维素醇羟基氧化成羧基，不能达到氧化预处理的目的，须添加NaClO预氧化原位激活TEMPO的氧化活性。预氧化剂的用量取决于纸浆纤维的来源、氧化时间、温度及氧化体系酸碱性(Saito et al., 2004; 2006a)。TEMPO氧化处理虽然在纤维素分子上引入了大量的醛基和羧基，降低了纤维分子聚合度，但此类预处理基本没有改变纤维素晶体结构及结晶度，最大程度地保持了植物纤维的晶体结构(Saito et al., 2004)。在TEMPO预处理制备CNF研究中，日本东京大学Isogai教授领导的团队取得了丰富成果，自20世纪90年代末，该团队发表研究论文30余篇，主要涉及氧化机制构建(Saito et al., 2005b; 2010; Hirota et al., 2009a; 2010; Fan et al., 2009; Isogai et al., 2011)、氧化工艺优化(Hirota et al., 2009b; 2010; Saito et al., 2009; Iwamoto et al., 2010)、氧化纤维性能评价(Saito et al., 2005c; 2006b; 2006c; Shibata et al., 2006; Fukuzumi et al., 2010)、氧化纤维薄膜及复合材料的制备与评价(Saito et al., 2007; Fukuzumi et al., 2009; Fujisawa et al., 2011; Ishii et al., 2011)。TEMPO氧化预处理CNF纳米纤维表面含有大量的羧基、羰基、羟基等官能团，不再与传统CNF一样在呈网状交织存在于水中，而是单一均匀分布于水中，同时纤维的长径比更大，晶体结构破坏很小，在复合材料能提供更强的力学强度，因此在涂料涂饰、包装、药物运输材料中具有广阔的应用前景(Johnson et al., 2009)。

4 形貌结构与主要性能

与传统材料研究方式一样，科学家们也采用各种仪器与设备对CNF纳米纤维的微观形态变化、晶体结构、化学成分进行了详细的分析与比较，通过这些数据进一步探明CNF纳米结构、力学性能、结晶行为、流动性能等，不仅能更加清晰地发现CNF纳米纤维制备过程的纤维成分结构变化，还能综合评价各类原材料、各种制备方法、不同预处理方式对纤维素纳米纤丝基本性能的影响，及时调控和改变制备条件与工艺，也能为该纤维材料的后续潜在应用领域探索及工业化推广利用提供数据指标。

4.1 表观形貌

纳米纤维的纳米尺度是判断纤维纳米化程度的基本标准，也是纳米纤维研究的主要内容之一。通过扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)能测定纳米纤维的直径大小与分布区间，但是由于纳米纤维的长度高达数百纳米甚至微米级，一般很难测得实际的长度。Herrick等(1983)和Turbak等(1983)等用SEM对经20次反复高压均质化处理的1%木质CNF观察发现，这些纳米纤维呈网状交织，直径在25~100 nm之间。Wang等(2007)结合SEM，AFM，TEM研究了剑麻纤维从微米级到纳米级的结构形貌转变，纳米纤维主要集中在30~100 nm。Iwamoto等(2007)运用FE-SEM对反复研磨木质纳米纤维观察发现，在1 500 r·min^-1转速下反复处理5次后纤维基本达到纳米级，而后续反复处理对纳米纤维的形态影响不大，这一结果表明在高速研磨过程中，纤维纳米化主要发生在前面阶段，而后续的反复加工仅是让纳米尺寸分布更均匀，经15次反复处理后纤维直径在20~50 nm，长度超过1 μm。Uetani等(2011)运用光学显微镜发现高速搅拌过程中的“微纤丝水球”结构，从而构建高速搅拌制备纳米纤维的反应机制，FE-SEM观察最终的纳米纤维直径分布在15~20 nm之间。AFM不仅能测定纳米纤维的尺寸，还能表征纤维薄膜及纤维复合材料的表面形貌，对于分析其粗糙程度及其与水分的关系具有良好的指导作用，Aulin等(2009)通过研究发现TEMPO预处理的CNF薄膜表面粗糙程度最小，只有1.6 nm，这主要是由于此类纤维的直径在10~15 nm之间，这个成果对于制造光滑表面CNF纳米薄膜具有很好的指导意义。

在木材细胞壁次生壁S2层，直径3~4 nm的微纤丝通常聚集成15~25 nm的微纤丝束(Fahlén et al., 2003; Iwamoto et al., 2007)，在CNF加工过程中通常得到的纳米纤维直径一般都是15 nm以上，也有少量在10~15 nm之间，但几乎没有将纳米尺寸加工到5 nm以下，说明纳米纤维还是以微纤丝束(纤丝)为主，因为直径在纳米材料尺度内(1~100 nm)，国际标准组织命名该材料为纤维素纳米纤维、大量文献也直接简称为纳米纤丝(nanofibril)，同时这也是该类纳米纤维材料力学性能较微纤丝理论计算值低的原因之一。

4.2 分子聚合度

分子聚合度(DP)是高分子材料中衡量高分子单体聚合程度、链长、支链结构的重要参数。高速剪切将纤维素微纤丝分开，也截断了部分纤维，必然降低纤维素分子聚合度。聚合度降低程度与加工方法、预处理及原料纤维的特性有关，一般来说，原料纸浆纤维的聚合度在1 200~2 000之间，而经过高速剪切均质化处理的纳米纤维聚合度在800以下，平均降低30%~50%(Siró et al., 2010)。比较发现，单一的均质化处理对纤维素分子聚合度影响不大，Herrick等(1983)研究5次均质化处理后的纤维素聚合度从1 289下降到1 191，20次处理后仅下降到947。但是通过酶预处理再20次均质化的纤维素分子普遍从1 280下降到500左右，其中5%浓度酶处理纤维素降低至340(Henriksson et al., 2007a)。类似的结果也在经过TEMPO氧化预处理CNF纳米纤维中出现(Saito et al., 2005c; Shibata et al., 2006; Isogai et al., 2009)。

分子聚合度的减小尽管不能直接证实纤维长度变短，却能说明纤维表面物质一定程度去除减少，导致纤维表面产生破损与开裂等缺陷，这是造成CNF纳米纤维力学强度下降的原因之一(Iwamoto et al., 2007)，从不同CNF纳米纤维复合材料力学性能的变化中也可以看出DP下降对材料性能的影响趋势(Henriksson et al., 2007b; 2008; Nakagaito et al., 2004; 2005)，因此，在加工制备CNF纳米纤维及其复合材料过程中，分析和评价纤维素分子聚合度的变化对于提高和改善力学强度具有重要意义。

4.3 晶体形态

与木质素、半纤维素不同，纤维素具有结晶区与非结晶区交错的独特晶体结构，这是影响植物细胞壁力学强度以及干缩湿胀特性的主要因素之一。通过X射线衍射分析发现纳米纤维的结晶度在反复高速剪切后有一定程度的下降，影响到CNF纳米纤维材料的弹性模量(Iwamoto et al., 2007)。结晶度的减小是区间性的，在最初的剪切过程中结晶度减小非常明显，随着剪切次数的增加，结晶度减少缓慢，逐渐趋于平缓，这种变化也进一步应证了Uetani等(2011)指出的微纤丝化过程通常主要发生在最初的剪切过程。

经预处理后纳米纤维结晶状态改变不一。碱预处理纳米纤维的结晶特性较复杂，Wang等(2007)的研究发现，碱处理溶解部分半纤维素和木质素之后，纤维的结晶度有所提高，经过高速剪切处理以后结晶度从57.4%提高到71.2%。Nakagaito等(2008)发现质量分数20%碱处理使得纤维素类型发生改变，从Ⅰ型纤维转变为Ⅱ型纤维，这种转变直接促进了其薄膜的抗拉性能提高1倍，对于这种现象的解释是在荷载状况下，强碱处理绷直了无定形区的相互接触的纤维素分子链。酶解预处理对纳米纤维的结晶行为影响还未见报导。结合XRD与¹³C NMR分析，TEMPO/NaClO/NaClO₂氧化体系对原料纤维的晶体结构及晶体类型基本没有影响，CNF纳米纤维主要以纤维素Ⅰ型结构存在(Saito et al., 2009)。

4.4 流变特性

CNF在水中依靠氢键与范德华力结合，以稳定胶体状态存在，具有剪切变稀假塑性体流变性质，常通过分析黏度、储存模量(G′)、损失模量(G″)能评价CNF纳米纤维的胶体特性。Herrick等(1983)首次制备CNF材料时就对其黏度进行了分析，发现剪切速率、温度、高速剪切次数影响黏度性质，剪切速率大，黏度小; 温度上升(从20 ℃到80 ℃)，黏度从264 mPa·s^-1下降到91 mPa·s^-1; 随着高速剪切次数的增加，黏度呈指数上升，5次以后基本趋近平衡，因此黏度也和保水值一样作为衡量CNF纤维纳米程度的一个重要指标。仅以黏度未能详细表征流体的性质，储存、损失模量也是重要指标，Lowys等(2001)、Pääkkö等(2007)、Lasseuguette等(2008)通过不同的研究都得到相同的结论，在相同条件下的储存模量是损失模量的10倍，随着浓度每增加1%(从1%到3%)，2个模量都会增为原来的10倍，但随着频率的增加，2个模量基本没有变化，这一现象与经典的流变学方程差异较大。正是由于CNF拥有优异的长径比，且在水中借助氢键和范德华力形成纳米的网状单元，所以引起了这一特殊流体现象。Iotti等(2011)在100 000 s^-1高剪切速率下得到了相同的结果，进一步证实这一特殊流变特性。Agoda-Tandjawa等(2010)对经-20 ℃冷冻处理CNF纳米纤维研究发现，冷冻并没有明显改变材料的流体特征，这一研究结果表明，CNF可以在冷冻条件下储存和运输，为解决改纳米纤维不能在干态存储的难题提供了方法与思路。

5 潜在应用领域

Turbak等(1983)不仅首次制备出CNF，对其潜在应用也进行了实验室探索，CNF纳米纤维作为一种主要成分为纤维素的天然植物产品，可以作为低能量物质应用于食品行业，不仅能降低摄入食物的热量、保持健康，固有的胶体状态还能刺激感官、增强食欲，其实验室产品主要有低热量萨拉、蛋糕、牛排等; 同时，CNF胶体也能取代化妆品中的某些昂贵化学成分，吸附皮肤表面的杂质，既安全无毒害，也节省成本，提高产品竞争力。此外，他们还指出CNF也能在涂料、包装、造纸、纤维纺织、生物医药等方面应用。

然而，由于纤维素纳米纤维材料研究尚处于起步阶段，成功的商业化应用还很少，过去10年的CNF应用研究探索主要集中在3个领域：1)造纸和包装材料。CNF纳米纤维的微细结构及优异的力学性能能提高纸张及纸制品的力学强度(Klemm et al., 2011)，纳米纤维薄膜的拉伸强度高达200 MPa，弹性模量13 GPa，冲击韧性15 MJ·m^-3(Henriksson et al., 2008)，Nakagaito等(2005)将纳米纤维薄膜浸渍10%PF树脂后25层层积热压为厚度1.5 mm的纳米薄片，抗弯强度高达400 MPa，弹性模量接近18 GPa，这种优异的力学性能是一般纸张无法比拟的。这些复合材料还有透明或半透明的美感，在建筑和装饰材料中也能发挥意象不到的效果。此外，CNF薄膜(纸张)还有很好的抗油、氧气、二氧化碳渗透能力(Syverud et al., 2009; Aulin et al., 2010; Spence et al., 2010)，在包装材料尤其是食品保鲜中具有非常明显的优势，芬兰已经成功将这类产品实现商业化利用。2)增强聚合物复合材料。与传统纤维一样，纳米纤维也能够发挥增强聚合物性能的作用，迄今主要应用在淀粉(Alemdar et al., 2008)、聚氨酯(Cao et al., 2007)、环氧树脂(Lu et al., 2008)、聚丙烯(Yang et al., 2011)、聚乙烯醇(Lu et al., 2008a; 2008b)、聚乳酸(Iwatake et al., 2008)，不同程度改善和增强了聚合物的力学性能与热解性能。3)新型导电基体材料。CNF纳米纤维与导电聚合物(如聚吡咯)复合能得到的柔韧性好、力学性能高的导电薄膜(Wågberg et al., 2008; Sasso et al., 2010)，CNF/石墨烯复合薄膜能卷曲成棒状，适用于新兴韧性电极材料的开发(Jabbour et al., 2010)。CNF纳米纤维取代传统的聚合物制备导电材料，不仅能增强材料整体力学性能，而且在不影响导电性能的情况下，其对环境无污染、资源可再生等优势非常明显。

6 展望

CNF作为一种新兴纳米纤维材料，经过近10年的高速发展积淀，取得了惊人的研究成果，随着新思想、新仪器、新方法的不断涌现，在理论、技术、应用上必将取得重大突破。特别是人类对绿色材料的认识进入一个新的阶段以来，植物纤维的优势不言而喻，因此它必将作为一种热门材料活跃在生物质纳米材料领域，具有诱人的前景。在未来的研究过程中，还有许多难点急需攻克：1)减少加工过程能量消耗，降低生产成本。综合机械(预磨、短化、细化)、化学(TEMPO氧化体系、酸、碱)、生物(酶、菌等微生物)预处理方法，对原料纤维进行改性，减少高速剪切次数，降低能量耗费。2)进一步提高CNF单体及其增强复合材料力学性能。针对导致CNF材料实际力学性能与理论计算值巨大差别的原因，最大程度保持纤维素结晶度、分子聚合度，设计优化复合体系结构，发挥纳米纤维力学强度高的优势。3)改善与非极性材料界面相容性，扩宽其在复合材料领域的应用。一方面可以对纳米纤维表面氧化、乙酰化、接枝等化学或化处理；另一方面通过加入马来酸酐、偶联剂等对非极性聚合基体预处理，增强两相或多相之间的有效化学键结合。4)加速大规模商业化应用，找准CNF纳米纤维产品在上述潜在应用领域商业化推广切入点，结合实验室研究成果与企业需求，开发包装、建筑、复合材料及导电材料等应用领域。