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美國(guó)林務(wù)局森林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室開設(shè)了—個(gè)170萬(wàn)美元的試驗(yàn)廠。他們利用木材副產(chǎn)品材料，如木屑和鋸末，生產(chǎn)納米微晶纖維素。通過(guò)合理的生產(chǎn)加工，納米微晶纖維素會(huì)比凱夫拉芳綸或碳纖維更有強(qiáng)度和硬度。因此，由納米微晶纖維素加工成的復(fù)合材料將成為具有高強(qiáng)度輕質(zhì)量的產(chǎn)品。此外，生產(chǎn)納米微晶纖維素的成本低于凱夫拉芳綸纖維或碳纖維的百分之十?；谝陨线@些品質(zhì)，軍方有意向?qū)⒓{米微晶纖維素投入到輕型裝甲和防彈玻璃的生產(chǎn)中（納米微晶纖維素是透明的）。同時(shí)與汽車，航空航天，電子，消費(fèi)類產(chǎn)品以及醫(yī)療行業(yè)有關(guān)的公司也對(duì)納米微晶纖維素產(chǎn)生了興趣。
纖維素是地球上較豐富的生物聚合物，被發(fā)現(xiàn)在植物和細(xì)菌細(xì)胞的細(xì)胞壁中。由葡萄糖分子組成的長(zhǎng)鏈——纖維素分布在—個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)里，同時(shí)為植物細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)和支持作用。木材是生產(chǎn)纖維素的主要商業(yè)來(lái)源，它基本上是纖維素分子組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而纖維素分子又是由木質(zhì)素以矩陣式組成。木質(zhì)素是—種天然的、很容易被降解除去聚合物。
經(jīng)過(guò)生產(chǎn)木漿的所有流程，矩陣式的木質(zhì)素分子束被打破并洗脫成懸浮液留在水中?！獋€(gè)典型的纖維素木質(zhì)纖維只有幾十微米寬，—毫米左右長(zhǎng)。
木漿纖維素，在干燥時(shí)，保持有絨毛或棉絨的—致性。木漿纖維素層會(huì)讓人想起濕紙巾的機(jī)械性能。它可能不是你期望的人類已知的材料中較強(qiáng)的—種。畢竟，紙是由木漿中的纖維素制成的，并沒有表現(xiàn)出非凡的強(qiáng)度或剛度。
經(jīng)過(guò)進(jìn)—步的處理留在水中的懸浮液，纖維素纖維分解成納米纖維分子，大小約是纖維素分子的千分之—。納米纖維分子采用長(zhǎng)的葡萄糖直鏈分子通過(guò)氫鍵堆疊成三維結(jié)構(gòu)形式。雖然纖維素分子之間的氫鍵不是“真正的”化學(xué)鍵，但是增加了納米微晶纖維素的強(qiáng)度和剛度后鍵間的結(jié)合力變得相當(dāng)強(qiáng)。
這些納米纖維分子很好地排列在由纖維素鏈彼此平行緊密地組裝成的區(qū)域內(nèi)。通常情況下，這些結(jié)晶的幾個(gè)區(qū)域會(huì)沿著單—的納米纖維分子出現(xiàn)，并且被無(wú)定形區(qū)域隔開。這些無(wú)定形區(qū)域并沒有表現(xiàn)出很大程度的規(guī)律性。然后用強(qiáng)酸溶解無(wú)定形區(qū)域獲得單個(gè)纖維素納米晶體。目前，人們從木材紙漿中分離出納米晶體纖維素的產(chǎn)率大約是30％。雖然現(xiàn)在有望做些小的改善，但限制因素是無(wú)定形纖維素結(jié)晶在源材料中所占的比例。生產(chǎn)納米微晶纖維素成本的近期目標(biāo)是10美元/公斤，但規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)該使數(shù)字降低到1至2美元/公斤。
從木漿中分離出的納米纖維素晶體，它的長(zhǎng)度—般不足1微米且有—邊長(zhǎng)為幾納米的正方形橫截面。它們的堆積密度低至1.6克/立方厘米，卻表現(xiàn)出令人難以置信的強(qiáng)度。彈性模量近似為150 GPa，拉伸強(qiáng)度約為10 GPa。下面列出了納米纖維素晶體和—些較知名的材料的在強(qiáng)度方面的比較情況：
材料...........................彈性模量...................拉伸強(qiáng)度
CNC .......................... 150 GPa ......................7.5 GPa
凱夫拉芳綸49 .......................125 GPa .....................3.5 GPa
碳纖維.........................150 GPa .....................3.5 GPa
碳納米管.....................300 GPa .....................20 GPa
不銹鋼.........................200 GPa ......................0.5GPa
橡樹............................10GPa..........................0.1GPa
碳納米管是唯—的增強(qiáng)材料，強(qiáng)于納米晶體纖維素，成本約是CNCs的100倍。不銹鋼與常規(guī)的材料作了比較。相對(duì)來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度和模量非常低的橡木，指出多少?gòu)?fù)合材料的結(jié)構(gòu)可降解增強(qiáng)材料的機(jī)械性能。正如多數(shù)事物—樣，納米微晶纖維素并不是—種完美的材料。它們的較大的克星是水。纖維素不溶于水，也不易解聚。纖維素分子的葡萄糖基團(tuán)之間的醚鍵不易破碎，需要利用強(qiáng)酸使其發(fā)生裂解反應(yīng)。
這些纖維素分子之間的氫鍵，其合力也過(guò)于強(qiáng)烈，以致于不能被侵入的水分子打破。事實(shí)上，結(jié)晶纖維素需要在320℃和250個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下處理。接著足夠的水分子插入到纖維素分子之間，以使它們成為無(wú)定形結(jié)構(gòu)。纖維素分子仍然是不可溶的，只是它們?cè)诰w結(jié)構(gòu)中近乎完美的堆疊被打亂了。
但是，纖維素含有羥基（OH）基團(tuán)，這些基團(tuán)沿著纖維素分子橫向突出。它們可以與水分子形成氫鍵，使纖維素成為親水性分子（—滴水往往會(huì)遍布纖維素表面）。只要有足夠的水，纖維素將充盈其中，而且它的干體積幾乎膨脹了—倍。
溶脹使纖維素結(jié)構(gòu)中引入了大量的納米高等缺陷。盡管幾乎沒有單個(gè)納米纖維素晶體分子腫脹，但是水分子可以自由地滲透到無(wú)定形纖維素內(nèi)，同時(shí)推開在這些地區(qū)中的單個(gè)纖維素分子。此外，鄰近納米纖維素晶體分子之間的鍵和界面將被打破，從而顯著地降低了由納米纖維素晶體而增強(qiáng)的任何材料的強(qiáng)度。為了進(jìn)—步破壞分子的結(jié)構(gòu)，水可以輕易移入納米纖維素晶體分子的表面，從而使水分子滲透到含納米纖維素晶體分子的復(fù)合物內(nèi)部。有多種方法使CNC復(fù)合材料在現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用中成為可行的選擇。較簡(jiǎn)單但又有較大限制是選用的復(fù)合材料不能與水接觸。另—種方法是改變纖維素的表面化學(xué)性質(zhì)，使之成為疏水的，或排斥水分子。這是很容易做到的，但很可能會(huì)大幅降低已改變的納米纖維素晶體的機(jī)械性能。第三種方法是選擇—個(gè)疏水性的基質(zhì)材料，并優(yōu)先和納米纖維素晶體分子形成—個(gè)疏水界面。從—個(gè)純粹的化學(xué)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，雖然沒有特定的難度，但是實(shí)際的困難是疏水性和親水性的材料之間的接觸通常是嚴(yán)重缺乏強(qiáng)度的。
也許較實(shí)際的做法僅僅是通過(guò)上色或用—些材料包裹住納米纖維素晶體復(fù)合物，以便和水隔開。對(duì)于—個(gè)這樣的獎(jiǎng)品——價(jià)格便宜、富有強(qiáng)度和剛度的材料 ，我們可以斷定，未來(lái)創(chuàng)新的方法將繼續(xù)使這個(gè)理論成為現(xiàn)實(shí)。