社会对纸制品需求激增，使制浆木材资源日益紧张。竹子生长快、纤维佳，是极具潜力的替代原料。其制浆过程中产生的大量结构疏松、低木质化细小纤维与非纤维细胞，统称为细小组分（BPF），常因会降低纸张强度而被废弃或焚烧，但是，其富含易改性的纤维素资源。与此同时，高性能纤维素纳米纤维（CNFs）在材料、包装与生物医用领域需求旺盛，却受制于传统制备工艺能耗高、成本高及化学改性不够绿色等瓶颈。
近日，华南理工大学王小英教授团队在期刊《Bioresource Technology》上，发表了最新研究成果“Synergistic Effect of Cell Structure and Surface Engineering: High-Aspect-Ratio Nanofiber Production and Applications from Bamboo Pulp Waste”。鉴于BPF具有比常规竹纤维更高的化学可及性和更易纳米化的细胞壁结构，研究者提出利用马来酸酐（MAH）在温和条件下对BPF进行绿色酯化改性，探索在低能耗、低毒条件下获得高产率、高长径比的CNFs，从而实现竹浆废弃细小纤维的高值利用，并构建经济、可持续的纳米纤维制备新路径。
该工艺首先将竹片蒸煮制浆，经过筛选获得竹纤维和细小组分（BPF）。竹纤维直接用于造纸，而BPF则通过创新工艺转化为高性能纤维素纳米纤维（CNFs）。具体采用马来酸酐水解生成的马来酸进行温和改性，仅需简单机械处理即可获得具有显著丁达尔效应的稳定纳米纤维分散液。该方法反应条件温和、无需有机溶剂和催化剂，在产率和纤维形态间取得良好平衡，展现出规模化生产潜力，并在环保性、能耗及产物性能方面较现有技术具有综合优势。
图1：M-CNFs的制备流程及性能对比。
蒸煮过程有效去除了部分半纤维素和大部分木质素，使纤维素的相对含量提升至80%以上。随着木质素进一步被去除，DL-BF和DL-BPF中的木质素含量降至极低水平，且纤维的非结晶区域也随之减少。两者结晶度均较初始BF和BPF显著提高，但DL-BPF的相对结晶度（60.04%）明显低于DL-BF（73.82%），且其表观晶体尺寸也更小。晶体尺寸减小、结晶度降低意味着纤维素链排列更为松散，推测其化学反应可达性更高。因此，DL-BPF很可能比DL-BF具有更大的化学改性潜力。
图2：BPF的精炼与分析
在优化的条件下，获得了最佳的M-CNFs，收率高达98%，羧基含量为1.45 mmol/g，长径比超过1000。由于温和而高效的化学改性和轻微的机械处理，所生产的M-CNFs的关键性能优于酸水解、Tempo介导氧化、酶处理和碱氧法制备的CNFs，甚至可以与有机溶剂膨胀产生的CNFs相媲美。还通过与竹纤维原料BF的对比，验证了BPF具备更简易的加工性。此外，在生产成本方面具备显著优势。
图3：超细M-CNFs的制备及形貌分析。
通过FT-IR、XPS和NMR等分析，成功证实了羧基官能团已引入材料体系。鉴于M-CNFs主要应用于水相分散体系，研究其流变特性对后续应用具有重要意义。结果显示，M-CNFs的分散液粘度随浓度增加显著上升，并展现出典型的剪切稀化行为——随着剪切速率增大，体系表观粘度下降。与其他类型的CNFs相比，M-CNFs分散液具有最高的粘度，这主要得益于其较高的表面电荷和较大的长径比。同时，M-CNFs表现出优异的分散稳定性，其Zeta电位达-56.92 mV，且在长期储存后仍能保持良好分散状态。在热性能方面，M-CNFs同样表现突出，其起始分解温度（T-onset）与最大分解温度（T-max）分别达到261℃和310℃，显著高于Tempo氧化法制备的TO-CNFs。这种热稳定性的提升，可能源于本研究采用的MAH酯化改性过程较为温和，对纤维素骨架的损伤远小于Tempo氧化工艺，从而更好地保持了CNFs的结构完整性。
图4：M-CNFs的表面化学和物理性质。
制备的M-CNF纳米膜表现出优异的综合性能。在光学特性方面，其透光率可达86%，展现出良好的透明性。力学测试结果显示，该纳米膜具有卓越的机械强度，抗拉强度达到约107.4 MPa，分别为传统H-CNF膜和TO-CNF膜的2.3倍和1.95倍，也显著优于常见的商用塑料、塑纸共混物及木质素基纤维素材料。其优异的力学性能与内部的应力耗散机制密切相关。从断面形貌观察可见，M-CNF膜的断裂面最为粗糙，纤维变形以明显的“滑移”特征为主，表现为纤维拉出和薄层固体滑移。这一现象可能与MAH基团的接枝有关：接枝带来的位阻效应高于单一羧基，从而增强了纤维局部链段的迁移能力，促进了应力的有效分散，最终提升了材料的整体力学性能。
图5：M-CNF纳米膜的物理性能及断裂机理
最后，以M-CNF为基本结构单元，重构了各类纤维素材料：一维纳米纤丝，二维纳米膜，三维泡沫和打印模块和乳液稳定剂。M-CNF展示出了优异的可加工性。
图6. M-CNF重构纤维素材料及其应用前景
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.133699
人物简介：
王小英，华南理工大学教授、博导，国家重大工程人才入选者，第四批“万人计划”科技创新领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，国家优秀青年科学基金获得者，教育部新世纪优秀人才支持计划入选者，全国优秀博士学位论文提名论文获得者，武汉大学优秀校友。
面向人民生命健康的重大战略需求，长期从事生物质基材料及其在生物医用、食品检测及保鲜、过滤等方面的应用研究，攻克了生物质材料抗菌性、耐热性不足及其产业化应用中的技术难题。协助企业获批了4个二类医疗器械注册证，上市了4款产品；将新型抗菌材料应用于载人航天微生物净化器的高效过滤、军事防化过滤、新型冠状病毒防护等方面，为保障航天员和人民生命健康做出了贡献。
主持国家级项目6项，省部级项目9项。已发表SCI收录论文186篇，其中第一/通讯作者136篇。主编英文专著1部，主编教材2部，参编中英文专著各3部。第一发明人授权发明专利38件（美国1件、PCT 1件、已转让3件）。
研究成果分别以排名第1和第2获得2019年和2015年教育部自然科学奖二等奖，排名第3获得2022年广东省自然科学奖二等奖，排名第2获得2022年中国食品工业协会科学技术奖一等奖、排名第2获得2023年中国轻工联合会科技进步二等奖等。团队获广东省三八红旗集体、五一劳动奖状及五四青年奖章提名。
