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天然可再生资源——木质材料的纳米科技

来源：花匠小妙招时间：2025-02-15 10:34

引

言

木质材料是自然界储量大、可再生、可自然降解、可固碳、绿色无污染的一种环境友好型天然材料，在家居、建筑、包装、铁路、汽车、桥梁等领域发挥着重要作用，是在不可再生自然资源日趋减少的严峻情况下，世界各国科研人员重点关注的战略性科学领域之一。近些年，对木质材料进行精细加工和纳米制造，可获得结构优异与性能优良的木质纳米材料，是林业行业极具发展潜力的绿色材料之一。因此，围绕木质纳米材料的绿色制备、精确表征及其高附加值功能化应用开展研究，是将纳米技术应用到传统木质材料行业，瞄准世界林业科技前沿，强化基础研究，实现木质纳米材料前瞻性基础研究的培育性工作。开展木质纳米材料的研究工作，对拓展木质材料应用领域、满足木质材料未来的发展需求，促进木材工业向科技创新型转变，具有重要的理论意义和实际应用价值。

概述

纳米材料

纳米仅是一个尺寸计量单位，1nm等于10的负9次方米，而1个氧原子的半径在10的负10次方米量级范围，因此1nm与10个氧原子的尺寸相当。当材料尺寸减小到纳米尺度的某一临界值时，由于晶体中原子的长程有序排列被破坏，纳米材料展现出不同的微观结构，进而表现出独特的物理、化学和力学性能。这种特殊结构和独特性质与纳米材料受到的界面影响密不可分，因为当材料处于纳米尺度时，界面占材料总体积的比例显著提高，导致材料自身的物理化学结构与能量状态均会产生较大的变化。因此，纳米科学的研究寄希望于在纳米材料上发现新的功能特性，并最终在纳米尺度上实现材料的精细裁剪、原子编排、微观结构调控等，同时通过纳米加工与纳米制造，获得具有特定功能的新材料。通常，将尺寸在1～100nm的纳米颗粒、薄膜或固体称为纳米材料，即三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级的材料。纳米材料按照维数大致可以分为4种类型。

4种维数类型的纳米材料示意图

a. 零维纳米材料 b. 一维纳米材料

c. 二维纳米材料 d. 三维纳米材料

概述

木质纳米材料

木质纳米材料一般包括两层含义：一是木竹材衍生的纳米材料，即以木、竹等木质植物资源为原材料，通过纳米化技术得到纳米尺度的材料，包括纳米纤维素、纳米木质素及以二者为基体得到的功能材料；二是木竹材纳米复合材料，即利用其他行业生产的纳米材料，与木质材料相结合得到的复合材料。利用木竹材衍生出的纳米材料可用于制备具有独特力学、光学、电磁及化学性能的新型纳米材料。利用其他行业生产的纳米材料与木竹材相结合，可以赋予传统木质林产品新的功能特性，提高其附加值。

木竹材衍生的纳米材料

主要是指将木、竹等木质化植物资源的主要成分纤维素和木质素，利用纳米技术加工到纳米尺度得到的纳米纤维素、纳米木质素。由于其独特性能和较低的成本优势，纳米纤维素是目前研究最多的木质纳米材料，也是目前最具有商业化前景的纳米材料。

不同植物原料制备的纳米纤维素透射电镜图

a. 甜菜纳米纤维素纤丝 b. 硬木漂白浆纳米纤维素纤丝

c. 柳杉纳米纤维素纤丝 d. 苎麻纳米纤维素晶体

e. 棉花纳米纤维素晶体 f. 竹子纳米纤维素晶体

木竹材纳米复合材料

主要是指利用有机、无机纳米材料与木、竹等木质化植物资源相结合得到的复合材料。通过对纳米材料的表面官能团、尺寸（粒径、直径、长径比等）、形态及分布进行控制，实现纳米材料分散相和木竹材基体界面的相互作用与两相之间的协同效应，得到性能符合设计要求的木竹材纳米复合材料。木竹材纳米复合材料可为木竹材带来新的功能特性与增值性。例如，充分利用木材细胞多孔结构和亲液特性的独特优势，将木材作为柔性载体，与纳米碳材料、纳米导电高分子材料（纳米聚吡咯、纳米聚苯胺）有机结合，在木材细胞壁内附着形成良好的纳米层或纳米颗粒，设计出基于木材的柔性电极材料及其超级电容器器件，其表现出良好的电化学性能和储能特性，可为新型绿色储能材料提供一种环境友好的研究思路。

木竹材纳米复合材料在储能方面的研究示意图

概述

木质纳米纤维素

功能复合材料

纳米纤维素具有纳米尺寸的精细结构、较高的强度、较低的热膨胀系数及较低的密度。由于纳米纤维素的优异特性，近年来，其在造纸、食品、药物、包装、电子显示屏、生物传感器及能量存储方面得到广泛关注。

木质纳米纤维素功能复合材料的复合方式

大致分为两类：一是以木质纳米纤维素为基体通过化学键合方式将带有光电、磁、生物标记等的小分子物质、大分子链接到纳米纤维素的活性羟基上，得到功能基团修饰的纳米纤维素功能复合材料；二是通过物理混合方式，以氢键形式，将纳米纤维素与有机、无机纳米功能材料复合得到的纳米纤维素功能复合材料。因此，通过纳米纤维素与功能基团或功能材料的复合，可得到具有革命性的力学、光学、电学及化学性能的新型纳米功能复合材料。

纳米纤维素的各类功能化修饰示意图

木质纳米纤维素功能复合材料的研究进展

作为一种性能优越的新的环境友好型材料，纳米纤维素具有强度高、热膨胀系数低等独特优点。纳米纤维素表面具有较多的活性羟基，选择合适的功能基团，将其嫁接到纳米纤维素表面，可设计创制出基于纳米纤维素的新型功能化材料。纳米纤维素具有良好的成膜性和凝胶性能，作为结构稳定与机械性能优良的载体材料、基体材料或者骨架支撑材料与其他功能材料复合得到的材料，不但保留着纳米纤维素和功能材料各自的优势特点，而且纳米纤维素作为基体材料能够赋予功能材料更多的形态特征，使功能材料在纳米纤维素的平台之上发挥出更多的功能特性，可制备具有二氧化碳吸附、超疏水、阻燃、储能等功能的复合材料。

结

语

木质材料作为一种天然可再生资源，对其进行功能化复合是改善其性能的一种途径。木质纳米功能复合材料是将木质功能材料拓展到纳米科技这一前沿领域的一个成功范例，其特有的性质与功能已成为木材科学研究的热点。以木、竹等木质化的植物资源为原材料获得的木质纳米材料中，研究最多的便是纳米纤维素。由于纳米纤维素具有性能独特和成本较低的优势，是目前最具有商业化前景的纳米材料。利用具有小尺寸效应、量子效应、表面效应的纳米纤维素与其他具有优良力学、电学、磁学、光学等特性的材料相复合，可以获得具有储能、阻燃、超疏水、吸附等特殊性能的新型木质纳米功能复合材料。木质纳米功能复合材料是木材科学学科所关注的前沿研究方向之一。对木质纳米功能复合材料的研究，可以极大地拓宽木材科学的研究领域，将会促进木材科学外延并与相关学科交叉和综合，使研究深度从细胞水平上升到分子水平。

本文摘自傅峰主编“木竹功能材料科学技术丛书”——《木质纳米功能复合材料制备技术》（王思群、吕少一、黄彪等著）。