Nanocelluloses:
Their Preparation, Properties, and Applications
作者：Umesh P.
Agarwal, Rajai H. Atalla, Akira Isogai
索书号：Q539/N186/2017/Y
ISBN：9780841232174
藏书地点：武大外教中心
纤维素广泛存在于植物体内，是植物细胞壁的主要组成部分，具有强度高、尺寸稳定性好和可生物降解等性质。近年来，纤维素在组织工程、包装材料、电子设备、食品行业和生物传感等领域得到了广泛的关注。
纳米纤维素是指在某一尺度上具有纳米级的纤维素材料。按照制备方法可将纳米纤维素分为纳纤化纤维素(Nanofibrillated cellulose，NFC)、纳米微晶纤维素(Nanorystalline Cellulose, NCC）和细菌纤维素(Bacterial cellulose, BC)。纳米纤维素保留了纤维素材料的亲水性、生物相容性、化学活性和尺寸稳定性等优点，同时具有高结晶度、高纯度、高杨氏模量和大长径比等特性，在高性能材料方面有广阔的应用空间。
纳米纤维素主要分为纳纤化纤维素，纳米微晶纤维素和细菌纤维素。纳纤化纤维素（NFC)的直径为5-60 nm，长度大于1 um，具有高强度、长径比大、极低的热膨胀系数（2.77 ppm/k)、可生物降解和良好的生物相容性等优点，主要通过物理-化学方法制备。制备NFC时，首先对天然的纤维素（漂白硫酸盐木浆等）进行酶、化学或者氧化预处理，以降低纤维素分子间作用力，然后通过研磨、高剪切和破碎等物理方法，破坏纤维素分子间的氢键，来增加纤维纤化程度，最后可制得NFC。
2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）氧化预处理制备NFC:TEMPO/NaCIO/NaBr氧化体系可以选择性的将纤维素分子C6位上的伯羟基氧化成羧基(羧基的引入增加了纤维素分子之间的作用力），将氧化后的纤维素置于高压均质机或微射流均质机等仪器的强机械力作用下，得到TEMPO氧化的NFC(TONFC)。TONFC的制备降低了机械能消耗，而且作为增强体，具有很多优势。
NFC分子内和分子间氢键赋予其卓越的拉伸强度（弹性模量130-150 GPa)，在组织工程中，可以作为性能优异的填料,能增强水凝胶类的软物质；并且由于TONFC表面带负电，可以增加生物材料与血细胞间的相互作用，以此来提高生物材料的血液相容性。
当羧基含量>1.2 mmol/g 时，NFC分散液表现出透明性和高粘度的凝胶特性。将NFC分散液进行后处理，可以得到不同性质的基底材料。NFC分散液直接涂覆在平板上，经室温干燥后，可得到透明且具有层状结构的薄膜，此薄膜具有高氧气阻隔性和良好的力学强度；通过调节 NFC分散液的pH值和控制溶剂的挥发，可以制成含水率为99%的水凝胶和具有低密度、高比表面积和高强度的气凝胶；将NFC分散液进行冻干或者加热干燥，可得到微孔或介孔的NFC气凝胶。近年来，NFC基体材料在增强材料、光学、生物材料和电子材料等领域得到了广泛的应用。
纳米微晶纤维素(NCC)是一种具有纳米尺度的刚性棒状颗粒，直径为5-70 nm，长度为100-250 nm，其分散液具有良好的稳定性。NCC的制备方法主要有酸解、酶解和氧化等方法。在加热的条件下，使用硫酸或盐酸等强酸可以有效的打断和去除纤维素分子中无规链段，保留纤维素分子中的结晶区，通过乙醇沉降和透析法,可制得表面含有大量磺酸基和高结晶度的NCC。NCC可进行表面改性，包括酯化、乙酰化、阳离子化、硅烷化以及聚合物接枝等，通过在NCC表面引入稳定的负电荷或正电荷，来调节NCC表面的能量，使其与非极性溶剂或者疏水性基底有较好的相容性，可扩大NCC使用范围。
细菌纤维素（BC）是由醋酸杆菌、土壤杆菌、葡糖醋杆菌和根瘤菌等合成的纤维素，直径为20-100 nm。BC与天然植物纤维素具有相同的分子结构单元，具有高结晶度、高聚合度(DP 2000-8000)、超精细网络结构、强保水能力以及优异的生物相容性和结构可调控等优点，在医用材料（包扎材料、组织工程、伤口敷料)、食品工业（食品成型机、增稠剂、分散剂和抗融化剂等）、造纸工业和高级音响设备（振动膜）等领域有着广泛的应用。在生物合成过程中，BC能形成复杂的网络结构，含水率达99%，是稳定的水凝胶材料。通过控制菌株、生物反应器的组成和形状，可调控BC的形状和超分子结构，常规的形状包括球形、管状、平面和蜂窝状。BC膜成型后，再加工可制备出更多有实用价值的结构：BC片进行湿态拉伸和卷曲,可获得高强度和高硬度大纤维，再将多根大纤维按一定方向缠绕获得的 BC纱线，可作为手术缝合线；具有形状记忆的 BC 膜以芯轴为中心进行卷曲，可制备出尺寸稳定的 BC人工血管，细胞在BC 人工血管上具有良好的增殖和分化能力；BC生物打印和逆向重构相结合，可制备出具有良好生物相容性的层状椎间盘支架等。
虽然在上个世纪中叶人们就认识到酸水解会产生纳米尺度的纤维素聚集体，但对纳米尺度现象的表征还很有限。随着观察和表征这类系统的方法被开发出来，科学界也开始应用它们，并在过去的二十年里取得了很大的进步。纳米纤维素是世界各地实验室许多项目研究的焦点。这是因为纤维素作为植物的主要结构成分非常丰富，而且具有独特的性质。它们允许制备具有显著商业价值的多种形式的纳米纤维素。
《纳米纤维素的制备、性质及应用》一书于2017年由Oxford University Press出版社出版，作者是Umesh P. Agarwal, Rajai H. Atalla以及Akira Isogai。本书内容的多样性反映了许多致力于农业和制造业的学术、工业和国家实验室正在进行的范围更广的平行调查。纤维素科学界面临的挑战在收集这些会议报告的调查中得到了很好的反映。本书涉及了许多不同的领域，在这些领域中，目前的努力既投入在基础探索上，也投入在应用探索上。除此之外，编者还提出了关于纳米纤维素酶的广泛问题。
本书作为研究纳米纤维素相关技术的专业书记，内容专业详实，语言浅显易懂，除此之外还有以下特点：
1、本书不仅介绍了纳米纤维素的基础知识，还详细介绍了方法和技术，并结合具体实例的应用，使读者能够更加全面地了解纳米纤维素的发展与进步。
2、索引文献丰富，证明了这本书的知识性，真实性。而且，这些索引文献绝大部分都是最新研究，让读者全面了解该领域的前沿进展。
3、在本书的最后，将出现的专业词汇都罗列出来，并予以注解，大大方便了大家在阅读过程中对纳米纤维素研究的专业术语的认知。
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本书目录
1. 天然纤维素的纳米结构、分离后的转变及其对纳米纤维素生产的影响
2. 从纤维素来源生产纤维素纳米晶的方法的比较评价
3. 对TEMPO氧化的纸浆纤维中纤维素微纤丝尺寸的认识
4. 纤维素纳米材料的拉曼光谱分析
5. 分离纤维素I原纤维的内部结构在水膨胀状态下发生聚集
6. 黄芪基纤维素纳米纤维在不同离子条件下的流变性能
7. 稻草纳米纤维素:与超微纤维的结构、性质和自组装
8. 软木纤维素分枝结构:尺寸排阻色谱和多角度激光散射的证明
9. 利用植物源性纤维素纳米纤维作为支架材料的组织工程
10. 天然纤维素的TEMPO/漆酶/氧气氧化制备纤维素纳米纤维
11. 纳米纤维素:制备纳米复合物的常用方法
12. 规模化生产低温级纳米纤维素的经验
兰天 武汉大学生命科学学院 硕士研究生