納米纖維素作為一種具有無毒、環(huán)境友好、生物相容性好的綠色可再生天然生物質高分子材料，已成為納米材料的主要研究熱點。但是，由于纖維素的天然晶體結構和頑固的氫鍵網絡，使得傳統(tǒng)的溶劑系統(tǒng)難以充分增溶纖維素，從而限制了其高值應用。低共熔溶劑（DES）作為一種由氫鍵供體和受體組成的新型綠色溶劑系統(tǒng)，纖維素的高效潤脹和納米分散可以通過氫鍵競爭得到有效實現，廣泛應用于納米纖維素的預處理階段。DES可以靈活選擇單組分類型和反應參數，在提供反應介質的同時，高效潤脹纖維素原料，從而實現納米分散同步下的功能性改性。納米纖維素的酯化、離子化和接枝改性是通過靈活引入活性反應成分作為高效改性劑來實現的。不僅如此，DES系統(tǒng)在納米纖維素復合疑膠/彈性體和薄膜材料中經常充當聚合物框架網絡、氫鍵增韌和提供離子電導率的作用，在可拉申元器件、生物傳感器和紙基功能材料領域備受關注。

雖然近年來已經報道了DES高效制備和功能性改性納米纖維素的綜述，但以往的報道更注重DES作為預處理劑對纖維素/木質纖維原料的成分分離和納米分散，更少關注納米纖維素復合材料中的DES系統(tǒng)。

南京林業(yè)大學王志國教授團隊長期專注于生物質資源的高價值應用，致力于新型綠色溶劑-低共熔融劑（DES）一系列研究，如林業(yè)生物質原料成分分離、木纖維納米分散、接枝改性及其先進功能材料構建等。近日，研究小組首次提出，DES系統(tǒng)作為一個‘多功能操作平臺’，可以實現納米纖維素的高效制備、功能改性和高值應用的全過程工作，具有傳統(tǒng)液體系統(tǒng)無法替代的獨特優(yōu)勢。

基于此，本文重點介紹了DES作為一種新型的納米纖維素制備、改性和應用‘多功能操作平臺’。DES 該系統(tǒng)有效地破壞了纖維素中的氫鍵網絡，提高了表面甲基的普遍性，并在柔和的環(huán)境中實現了納米纖維素的快速制備。通過調節(jié) DES 構成和生產條件，可以靈活控制納米纖維素的微觀形狀，從而定制纖維素納米纖維素。（CNF）或者纖維素納米晶體（CNC）。DES 納米纖維素的功能性改性(包括酯化、正離子化和接枝改性)也可以通過“一鍋法”的制備策略實現，從而簡化了傳統(tǒng)納米纖維素改性體系的復雜工藝，克服了傳統(tǒng)工藝流程和環(huán)境友好的關鍵限制，為改性納米纖維素提供了更加環(huán)保有效的方法。其機械性能、可靠性和滲透性在復合疑膠、彈性體和膜材料中得到顯著提高，并概述了其規(guī)?；a和高性能先進材料的未來方向。

本文亮點：

1. 本綜述全面分析了近年來DES系統(tǒng)制備納米纖維素和功能改性的相關報道，強調了DES系統(tǒng)在成分構成、反應參數和機械處理類型中對纖維外觀和結構的影響。并分析了DES預處理過程中氫鍵供體、受體和水對纖維素作用的影響因素和潛在機制。

2.本綜述提出，DES系統(tǒng)不僅可以提供液體環(huán)境作為纖維素預處理劑，還可以提供高活性單組分的反應介質，成為“多功能操作平臺”，實現納米纖維素同步下的功能性改性。

3.總結了DES在納米纖維素復合先進功能材料中的獨特作用，提出了DES在纖維素復合疑膠/彈性體和膜材料中的力學和電學強化的獨特作用。作為一個‘多功能操作平臺’，實現了從前端制備到后端應用的整個過程。

4.總結了近年來DES和納米纖維素的工作，為DES系統(tǒng)下纖維素的高效納米分散、功能改性和高值應用提供了全新的視角和科學支撐，同時強調了DES系統(tǒng)作為“多功能工作平臺”與生物質材料高值應用相結合的積極作用。

圖文解析

圖1. 在納米纖維素制備、功能改性和高值化應用中，DES系統(tǒng)被廣泛應用于‘多功能作業(yè)平臺’。

DES作為一種‘多功能操作平臺’，在納米纖維素的制備、功能改性和高值應用中發(fā)揮著關鍵作用，可以實現從前端制備到后端應用纖維素的全過程。

圖2. 非酸性DES系統(tǒng)制備納米纖維素的流程圖和微觀形狀

非酸性DES能有效破壞纖維素原料頑固的氫鍵網絡，使其充分膨脹，生產出來的納米纖維素通常具有較高的長徑比，但是為了實現納米分散，通常需要高能耗的機器處理方法。

圖3. 酸DES系統(tǒng)制備CNF流程圖和微觀形狀

圖4. 酸DES系統(tǒng)制備CNC流程圖和微觀形狀

酸性DES在高效潤脹纖維素原料的同時，會酸水解，進一步促進潤脹。這個過程往往伴隨著酯化改性，賦予其功能性官能團，纖維素的高效分散可以通過簡單的機械分散來實現。然而，有機酸的類型一般主要影響纖維的形狀和結構(包括CNF或CNC)。

圖5. 各種HBD制備納米纖維素的機理示意圖

從HBD的類型來看，非酸性DES系統(tǒng)通常準備長徑較高的CNF，但纖維素表面的改性程度較低。酸性DES系統(tǒng)會使纖維素表面酯化，強酸性HBD會產生較高的“斷裂”效果，進而產生CNC。

圖6. 不同的HBA對納米纖維素制備的影響

在DES系統(tǒng)制備和改性納米纖維素的過程中，HBA通常起到調節(jié)作用，具有催化功能的HBA可以有效地降低功能改性中的活化能量，從而提高改性效率。

圖7. 水對納米纖維素制備的影響

在DES制備納米纖維素的研究中，水通常被忽視。然而，水的存在可以有效提高粘度，促進DES的傳播，進一步促進纖維素原料的高效潤脹。改善酸性DES系統(tǒng)中氫質子的釋放，促進酸水解，有利于纖維素原料的潤脹，降低反應成本。

圖8. 納米纖維素在DES系統(tǒng)下酯化改性制備。

酸性DES系統(tǒng)是目前應用最廣泛的制備納米纖維素的DES系統(tǒng)。酸性DES系統(tǒng)在纖維素納米分散同步下的酯化改性可以顯著提高表面官能團的活性，提高納米纖維素界面的相容性和穩(wěn)定性。酸性DES系統(tǒng)下的高效納米分散和功能性改性可以通過引入酸酐改性劑來實現。

圖9. 正離子化改性在DES系統(tǒng)下制備納米纖維素

通過HBA(如季銨鹽)的靈活選擇，在DES預處理過程中，纖維素可以進行有針對性的正離子化改性，改善了DES中的氫鍵網絡，增強了其對-OH基團的普遍性。

圖10. 接枝改性在DES系統(tǒng)下制備納米纖維素

與傳統(tǒng)的接枝改性系統(tǒng)相比，DES系統(tǒng)中高活性的化學成分具有更好的反應效率，通過引入接枝改性催化劑或接枝劑，可以實現納米纖維素接枝改性的快速便捷。有效提高納米纖維素頁面相容性等理化性質。

圖11. 納米纖維素在DES系統(tǒng)復合疑膠中的應用

DES系統(tǒng)具有靈活組合、生物友好、電導率高、蒸汽壓力低、不易泄漏的優(yōu)點，因此被研究為凝膠材料的液體成分。納米纖維素和DES氫鍵的相互作用使其成為納米纖維素的良增稠劑，使納米纖維素在復合疑膠中具有優(yōu)異的分散性和安全性，從而實現物理-化學交聯(lián)網絡的構建。

圖12. 納米纖維素在DES系統(tǒng)復合彈性體中的應用

在彈性體構建過程中，可聚合DES系統(tǒng)可以起到聚合物框架網絡的作用，實現干態(tài)疑膠的構建，與納米纖維素形成雙交聯(lián)網絡，顯著提高彈性體的力學性能和穩(wěn)定性。并為復合彈性體物理/化學交聯(lián)網絡提供活性基團。

圖13. 納米纖維素在DES系統(tǒng)紙基/薄膜材料中的應用

經過DES處理的納米纖維可以有效提高復合膜的機械強度和孔隙率，同時賦予特殊性能。功能性DES(如聚集DES系統(tǒng))也可以作為紙基材料層，提高了納米纖維素在紙基/薄膜材料中的發(fā)展前景。

圖14. 在當前挑戰(zhàn)和重點領域推動DES系統(tǒng)下納米纖維素探索的示意圖。

總結與展望

作為一個‘多功能操作平臺’，DES系統(tǒng)可以實現納米纖維素高效制備、功能改性和高值應用的全過程工作。DES系統(tǒng)獨特的氫鍵網絡和反應活性為纖維素的預處理和功能改性提供了傳統(tǒng)系統(tǒng)所不具備的獨特優(yōu)勢?？朔藗鹘y(tǒng)納米纖維素溶劑生產系統(tǒng)能耗高、成本高、工藝繁瑣的限制。通過在DES中靈活改變HBD和HBA，可以對不同表面的官能團和微觀形狀的納米纖維素進行可控定制，顯著提高其在功能應用中的潛力，增強界面相容性，提供活性功能基團。DES系統(tǒng)作為一個‘多功能操作平臺’，為制備先進的納米纖維素功能材料(疑膠、彈性體和薄膜)提供了一條可持續(xù)的綠色合成路線。但是，目前的研究仍然存在一系列問題，如機理探索、DES成分擴展、大規(guī)模生產和先進功能材料應用等。

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原標題：作為納米纖維素制備和改性的“多功能作業(yè)平臺”，“復材信息”低共熔溶劑

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