纤维素及其衍生物的制备与利用

纤维素作为植物原料中的重要组成除了用来生产纸浆纤维之外，其衍生产品纤维素纤丝（CF）、纤维素纳米晶体（CNC）或纤维素纳米纤丝（CNF）的制备、改性及应用的研究和推广正在北美各大高校、科研院所和企业广泛开展。

美国农业部林产品实验室朱俊勇博士团队发现了一种将漂白桉木硫酸盐浆的酶解剩余物转化成CNF的方法，如图2-2所示。该方法使酶解剩余物得到了有效的利用，同时，因为酶水解过程使得纤维素聚合度降低，这使得制备CNF过程中的高压均质操作更容易。与单纯生产可发酵糖相比，该方法的酶消耗量小、成本低，碳水化合物的利用率较高^[7]。

图2-2 纤维素酶解处理分级生产可发酵糖和CNF

朱俊勇博士团队还发现，通过有机酸水解技术可以将漂白桉木硫酸盐浆转化成CNC和CNF。该方法利用高浓有机酸将一部分纤维素纤维水解成CNC，剩余部分通过机械处理的方法原纤化制成CNF，如图2-3所示。

用此方法制备的CNC和CNF是羧基化的，有利于CNC和CNF在水中的分散。与无机酸水解相比，通过有机酸水解制备的CNC具有更高的结晶度和热稳定性，纤维损失率几乎为零，化学品回收简单。该团队发明了一种快速高效地实现木材组分分离的方法，于2017年9月15日发表在Science Advances期刊上。该方法主要利用对甲苯磺酸能够快速高效溶解木质素的原理，使木材中的木质素在较低温度、较短时间内大量溶出，达到组分分离的目的。分离后组分的提取也相对简单，木质素可以通过稀释酸解液的方法沉淀析出，核磁共振分析结果表明，析出的木质素中不含碳水化合物。不溶于对甲苯磺酸的部分可以用来生产溶解浆、纤维素纳米晶体或者通过酶水解制备可发酵糖等。废液中的对甲苯磺酸可以通过浓缩的方式回收利用。与现有的木材组分分离方法相比，该方法具有处理温度低、处理时间短、对甲苯磺酸可以回收等优点。(www.xing528.com)

图2-3 有机酸水解纤维制备CNC和CNF^[8]

除研究机构外，北美企业也对纤维素衍生物的制备与利用做出了很大的贡献。由Domtar和FPInnovations组建的生产CNC的合资企业CelluForce获得了Schlumberger（世界领先的石油和天然气行业技术、综合项目管理及信息解决方案供应商）的创新投资，这项投资的主要目的是CelluForce与Schlumberger合作研究利用CNC提高石油和天然气的生产能力^[9]。

除CNC和CNF外，纤维素纤丝（CF）作为一种基于木材纤维高度创新的生物材料，能与其他材料融合为一体，赋予它们高强度、低定量和柔韧性，可以作为增强剂用于低成本的纸浆、纸张、包装纸、卫生纸和纸巾等产品的生产，也可用于软包装和弹性薄膜，以及建筑行业所用的结构人造板和非结构人造板等产品的生产。加拿大不列颠哥伦比亚省曾投资225万美元用于CF项目的研究，希望在漂白硫酸盐针叶木浆（NBSK）生产和CF之间获得协同作用，利用优质的硫酸盐浆制备出最佳质量的CF，这对位于加拿大不列颠哥伦比亚省北部的NBSK生产企业意义非凡^[10]。加拿大FPInnovations在纤维素纤丝的制备和应用方面有着深入的研究，并联合Kruger公司在加拿大魁北克省建造了全球首家产量达5t/d的纤维素纤丝示范工厂，该工厂将采用简单、高效的不含化学品的工艺，仅采用对环境影响极小的机械处理方法制备了纤维素纤丝，取得了显著的经济和环保效益^[11]。