骆博雅 曹海兵 安兴业，* 刘书林步逸凡 刘佳雯 唐世钰 刘洪斌，*

（1.天津科技大学轻工科学与工程学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457；2.浙江景兴纸业股份有限公司，浙江嘉兴，314214）

众所周知，纤维素是自然界中存在最广泛、最丰富的天然高分子化合物，是高等植物细胞壁的主要成分[1]。纤维素主要是由无定形区和结晶区组成，其基本结构单元是由β-1，4-糖苷键连接的β-D-吡喃式葡萄糖基所构成[2]。通过化学、机械或生物的方法可以从天然纤维素中制备出结晶度、尺寸和性能各异的纤维素纳米纤维[3]。寻找低成本、可持续和可再生的纤维原料是改善资源环境问题和优化制备技术的关键。

纳米纤维素不仅具有独特的纳米尺寸结构，还有着优良的物理、化学和生物特性，根据纳米纤维素的尺寸、制备过程、制备方法的不同一般可将纳米纤维素分为3 类：纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystal,CNC）、纤维素纳米纤丝（Cellulose Nanofibrils, CNF）和细菌纤维素（Bacterial Cellulose,BC）[4]。制备纳米纤维素的纤维原料来源多样，除了常用的木材纤维原料之外，我国丰富的非木材资源（麦草、竹材、芦苇、蔗渣、棉秆、回收废纸、生物质废弃物等）为纳米纤维素的制备提供了新的原料选择途径，利用非木材资源制备的纳米纤维素材料具有绿色、清洁、可生物降解以及良好的生物相容性，可广泛应用于制浆造纸、食品包装、导电材料、增强材料等领域。非木材纤维纳米纤维素制备过程简单且成本低廉，依据不同非木材纤维原料自身的特点，通过一定的预处理方式即可提取出纯净的纤维素来制备纳米纤维素。充分利用非木材资源有利于缓解木材资源的压力，使纳米纤维素的制备朝着绿色、高效、资源优化配制的方向发展。本文主要综述了非木材纤维纳米纤维素的制备方法及其应用进展和前景，为非木材纤维资源的高值化利用提供参考。

1 纳米纤维素的制备方法

从天然纤维素中提取分离纳米纤维素的原理如下：通过化学或机械的手段，使得排列松散的无定形区发生降解，得到尺寸均匀的纳米纤维素[5]。根据纳米纤维素的制备原理，将制备方法分为：化学法、机械法、生物法。在化学法制备纳米纤维素的过程中，通过强酸或纤维素酶水解去掉纤维素的无定形区，保留结晶区才能够得到较为完整且结晶度较高的纳米纤维素，因此化学法主要分为酸水解法和酶解法两种[6]。早在 1947 年，Nickerson 等人[7]就利用盐酸和硫酸的混酸溶液水解纤维原料制备出纤维素晶须悬浮液。机械法主要包括高压均质法、机械研磨法、球磨法、微射流法、冷冻粉碎法、高强度超声波处理法等。1983 年，Turbak 等人[8]首次利用高压均质机处理纤维得到CNF 悬浮液。生物法主要是用来培养细菌纤维素，微生物菌株利用葡萄糖为碳源通过大量多酶复合体系合成纤维素，可以调控纤维素的结构、晶型、粒径分布等[9]。但该方法制备周期较长、制备条件比较苛刻。综上所述，利用单一的制备方法分离制备纳米纤维素均存在一定的局限性，将几种方法有机结合并进行优势互补是有效克服单一制备方法缺陷的重要手段，在原有的方法上进行创新优化也是促进纳米纤维素制备技术快速发展的新动力。

2 非木材纤维纳米纤维素的制备及应用

相较于木材纤维，非木材纤维原料来源丰富且成本较低，其具有纤维结构组织疏松、细小纤维组分和杂细胞组分含量高、木素含量较低的特点。我国竹子资源丰富，目前竹子资源制浆造纸工艺的研究已经进入快车道，实现了工业化发展，竹纤维纳米纤维素的制备和应用是竹纤维资源高值化应用的一个有效途径。我国是农业大国，每年在农业生产的过程中产生的非木材类生物质废弃物超过8亿t[10]，农林剩余物等生物质资源尚未实现高值化利用，所以利用这些原料制备纳米纤维素将有着广阔的应用前景。本文主要以竹纤维、棉纤维、麦草纤维、麻纤维、蔗渣和废纸浆纤维等为原料，综合分析制备纳米纤维素的方法和应用进展。几种主要非木材纤维原料性质如表1所示[11-13]。

2.1 竹纤维纳米纤维素

竹子属于中长纤维原料，纤维素含量较高，而灰分较低，竹纤维长度一般为1.5～2.0 mm，最长达5.0 mm，介于针叶木和草类之间，比阔叶木纤维长。宽度一般为15～18 μm，长宽比为110～200，基本属于中长纤维范畴，纤维细长且交织力好[11]。竹纤维的力学性能非常优越，其拉伸强度高于其他天然纤维（除了麻以外），适合于作为复合材料的增强相[14]。另外竹纤维的壁腔比较小，使得纤维交织性能较好，提高了纤维之间的结合能力，将竹纤维制备出的纳米纤维素添加在复合材料中可以发挥竹纤维优良的力学性能，拓展了纳米纤维素在增强材料上的应用空间。

Chen等人[15]利用化学方法处理竹纤维，依次通过苯/乙醇混合溶液脱蜡、酸化的亚氯酸钠溶液除去木质素，氢氧化钠溶液除去果胶等成分，蒸馏水清洗干净后得到纯化的竹纤维素（PCF）。化学处理后竹纤维扫描电子显微镜（SEM） 图、X 射线衍射图（XRD）和热重分析如图1 所示。在超声波辅助的条件下处理纯化后的竹纤维素悬浮液制备CNF，成功从竹纤维中分离出来直径为10～40 nm 的CNF，CNF 扫描电子显微镜图见图1（b）。由图1（c）、图1（d）可知，由竹纤维制备的纳米纤维素具有良好的热稳定性，并且具有较高的结晶度，其结晶度明显高于原纤维，降解温度达到331.7℃。添加到复合薄膜中具有良好的热稳定性，在商品包装中可以发挥出良好的耐热性能。

表1 几种主要非木材纤维原料的性质[11-13]

Jiang 等人[16]将竹纤维机械粉碎后通过200 目筛网筛分，并用蒸馏水冲洗干净。清洗后的竹纤维经氢氧化钠碱化处理后用蒸馏水洗涤至中性，接着加入到质量分数0.4%的Na3PO4和质量分数0.4%的Na2SiO3溶液中加热至115℃，处理2 h，脱除木素，再经高压均质处理，制备出竹纤维纳米纤维素。将其作为填充材料分别加入到片状的氧化锌薄膜（s-ZnO）与条状的氧化锌薄膜（b-ZnO）中，组成复合薄膜NC-s-ZnO 和NC-b-ZnO。当竹纤维纳米纤维素添加量为6%时，竹纤维纳米纤维素透明复合薄膜能够成功地阻挡紫外线，对紫外光吸收分别高达97.79%和99.13%，竹纤维纳米纤维素添加到复合薄膜中具有优异的遮光特性。通过热重分析，复合薄膜的分解温度为700℃，显著高于未添加竹纤维纳米纤维素的氧化锌薄膜的分解温度（320℃）。复合薄膜显著的热稳定性和光稳定性增强了其可加工性，可方便地应用于要求耐温度变化的各种生物质材料中。

Visakh 等人[17]从竹浆渣中提取出纤维素并通过高剪切处理得到纳米纤维素，制备的CNF直径在50 nm，然后把CNF作为增强相，天然橡胶（NR）为基体相，制备纳米复合材料，分别合成了CNF 用量为5%和10%的纳米复合材料（NR-CNF 5 和NR-CNF 10），然后对NR 以及两种纳米纤维素复合膜的拉伸性能进行测试，测试结果如表2所示，由表2可知，NR的拉伸强度为 9.2 MPa，NR-CNF 5 和 NR-CNF 10 纳米复合膜拉伸强度分别增至12.3 MPa 和14.3 MPa，纳米复合材料的拉伸模量也有一定程度的提高。另外表2中也显示了CNF 用量对断裂伸长率的影响，断裂伸长率随纳米纤维素用量的增加而降低。纳米纤维素的添加优化了天然橡胶的机械性能，天然橡胶-纳米纤维素复合材料能够在材料学领域充分发挥自身独特的优良性能，同时添加竹纤维纳米纤维素也是制备性质稳定的纳米复合材料的有效途径。

图1 化学处理后竹纤维的SEM图、XRD图和热重分析图[15]

表2 NR及其纳米纤维素复合材料的拉伸性能[17]

Razalli 等人[18]以紫竹为原料，采用硫酸水解法制备出Semantan 竹纤维CNC。利用苯胺原位氧化聚合法将制备的CNC 添加到聚苯胺材料中，制备出聚苯胺/纳米纤维素纳米复合材料（PANi/CNC）。通过循环伏安法研究了PANi/CNC 电极的电化学性能，发现PANi/CNC 修饰电极比PANi修饰电极具有更高的电流响应。PANi/CNC 修饰电极的电荷传递电阻Rct 值较低，PANi结构中加入CNC可以提高电子转移速率。

综上所述，由于竹纤维纤维素含量比较高，并且灰分含量较少，在制备纳米纤维素过程中，使用简单便捷的方法就可以从竹纤维中提取出纯净纤维素；另外竹纤维长宽比较大，相较于木材纤维有更好的强度，这对所制备的纳米纤维素的力学性能具有非常重要的意义。

2.2 棉纤维纳米纤维素

棉纤维的化学成分主要包括纤维素、多缩戊糖、蛋白质、脂肪与蜡质、水溶性物质及矿物质等[19]。随着传统纺织产业的日益成熟，纺织行业的研发重点正在向高附加值、高技术含量的领域转移，由于纤维素的化学结构中富含羟基，具有良好的化学反应活性，对其进行化学改性后可以有效地改善棉纤维的使用性能，棉纤维上的羟基经过氧化、醚化等传统的化学反应后可获得止血、高吸湿等性能。在与酶、肽、多糖、脂类物质反应后可在棉纤维表面产生催化活性及负载活性小分子的功效，经过进一步改性处理后可以得到抗菌、去杂、除臭、促愈等一系列生物活性[20]。通过改变棉花化学结构和物理性能制备出更具有经济价值的产品是提高市场竞争力、缓解资源环境压力的有利措施。

Morais 等人[21]以棉绒为原材料通过酸水解制备出CNC，CNC 平均长度为177 nm，宽度为12 nm，长宽比为19，结晶度达到91%。在扫描电子显微镜的观察可以中看到棉绒纤维呈一种卷曲的软扁状，并且表面有许多凹陷，如图2（a）所示，棉绒纤维卷曲的形状增加了纤维的比表面积，使其比一般的纤维更具活性，有利于酸性水解等化学反应，同时这种卷曲粗糙的结构决定了棉绒纤维的亲水性较差。酸水解制备棉绒CNC 悬浮液呈白色凝胶状，将其均匀涂抹在薄层玻璃上，从图2（c）、图2（d）可以看出，对比涂抹前后，CNC 镀膜玻璃层相较于玻璃层亲水性明显增加，说明棉绒CNC 具有良好的亲水性，能够在亲水纳米复合材料的制备中起到重要的应用价值。

图2 棉绒纤维SEM图和接触角示意图[21]

Savadekar等人[22]以棉短绒纤维为原料，通过碱处理去除蜡质和非纤维素物质，再接着通过机械处理制备CNF。以制备的CNF 作为增强相，卡帕-卡拉胶(KCRG)为基质，制备了生物基纳米复合膜。通过拉伸强度仪测试KCRG/CNF-0.5%和KCRG/CNF-1%的拉伸强度分别为26 MPa 和23 MPa，均低于KCRG/CNF-0.4%的拉伸强度（30 MPa）。另外当CNF 用量在0.4%时，构建了网状结构，并且在聚合物基体中分散性良好；在用量1%时，发现CNF 在KCRG 基体中结块。过量的CNF 是导致相分离、颗粒分布不良和较大团聚体形成的原因，从而导致力学性能较差。在相对较低的浓度下（即CNF 用量0.4%），纳米复合膜的拉伸强度比KCRG 膜提高了44%，CNF 的添加明显提升了纳米复合膜机械性能。

Guo 等人[23]以废旧染色棉织物为原料，经离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑（[AMIM]Cl）预处理后用葡萄糖酸杆菌生产细菌纤维素（BC），收集培养细菌纤维素后的废弃发酵液来生产纤维素酶和木聚糖酶，这种方法有助于将纤维素废料转化为两种高附加值的微生物产品，同时也为纺织工业提供可持续的新原料。Zhang 等人[24]利用天然棉纤维通过酸水解制备了CNF，以制备的CNF 和十二烷基硫酸钠（SDS）为原料采用高速机械发泡和无溶剂添加的方法制备出超轻三维层次结构吸附剂纳米纤维素气凝胶泡沫（NAF），制备的NAF/SDS复合材料对环己烷、乙酸乙酯和真空泵油的吸附量分别为206.79 g/g、194.75 g/g和145.20 g/g，这种三维分层纳米结构有较高的吸附能力，比普通纳米纤维素气凝胶的吸附能力强，且NAF/SDS易于生产，制备成本非常低，是一种非常有前途的绿色吸附剂。

Edward 等人[25]根据多肽类物质与CNC 结合仍保持生物活性的原理，利用棉花纤维来制备棉纤维CNC，接着将多肽与棉纤维CNC 通过生物偶联反应制备出肽-纤维素偶联物。通过比较实验发现肽-纤维素偶联纸张的比表面积更大，是对比样的8000 倍，且肽-纤维素偶联物在CNC 上所表现的活性更大。比表面积在活性中起到重要作用，在检测弹性蛋白酶活性时，使用比表面积更大的肽-纤维素偶联产品的灵敏度更高。在生物传感器设计中提供了生物相容性好、比表面积更大的材料，优化了生物传感器的设计。

棉纤维良好的透气、吸水、保温等性能，以及纤维表面卷曲凹陷的特点使其在纤维改性过程中有足够表面积参与反应，可以制备出更丰富的功能化产品，优化了其在医药、纺织、高分子材料等领域的应用。

2.3 麦草纤维纳米纤维素

麦草与木材相似，同样含有纤维素、半纤维素、木素。麦草纤维细胞木素和薄壁细胞木素具有活性官能团多、相对分子质量低、有一定的酚酸结构的特点，该特性有利于碱法蒸煮时两种木素的溶出[26]。处理麦草纤维时可利用碱处理得到纯净的纤维素来制备麦草纤维纳米纤维素。Kaushik 等人[27]以小麦秸秆为原料，采用碱蒸汽爆破法处理麦秆纤维，接着放入8%的H2O2溶液中，以去除残留的木素和半纤维素，最后经高剪切从小麦秸秆中分离出直径范围为10～50 nm 的CNF。碱蒸汽爆破引起纤维表面的结构和化学变化，高剪切导致纤维结块的部分被剪切形成均匀分散的纳米纤维素。根据ASTM 标准对不同阶段的小麦秸杆纤维化学成分进行分析，发现α-纤维素从45.7%增加至86.4%，木素和半纤维素含量减少。同时通过热重分析（TGA）表征化学、机械处理前后小麦秸秆纤维的热稳定性，未处理小麦秸秆的降解温度为239.5℃，化学处理后小麦秸秆的降解温度变为276.2℃，最终经过机械高剪切处理CNF 的降解温度为283.2℃。经过化学处理后，小麦秸秆纤维的热稳定性提高，而经过高剪切力机械处理后，其热稳定性进一步提高。利用CNF 良好的生物相容性，将制备的小麦秸秆纳米纤维素添加到热塑性淀粉中，使之成为完全生物相容的聚合物，以适用于生物复合材料。

Alemdar 等人[28]以麦草为原料采用氢氧化钠碱化处理和机械处理相结合的方法提取纳米纤维素，化学处理后纤维束周围的胶质部分去除，对纤维高剪切处理也使得纤维从微米级达到纳米尺寸。然后以麦草纤维纳米纤维素和热塑性淀粉为原料，采用溶液浇铸法制备了纳米复合材料(TPS)。拉伸实验表明，与纯热塑性淀粉相比，纳米复合材料的拉伸强度增加了145%。TPS 的存储模量在添加纳米纤维素后从112 MPa 提高到308 MPa。纯热塑淀粉的降解温度为275℃，TPS 的降解温度提升为296℃，TPS 的玻璃化转变温度更高。Montaño-Leyva等人[29]用化学方法从麦草中分离出纤维素，以三氟乙酸(TFA)为溶剂，采用静电纺丝法制备了麦草纤维纳米纤维素，平均直径为（270±97）nm，结晶度为52%。另外制备的纳米纤维素有良好的热稳定性，麦草纤维的降解温度为192℃，纳米纤维素的降解温度提升为236℃，麦草纤维纳米纤维素的热稳定性、高结晶度使其适合作为生物复合材料中的增强材料。

Suopajärvi 等人[30]将麦草浆细纤维，经高压均质处理制备纳米纤维素，随后采用高碘酸盐连续氧化法和偏亚硫酸氢钠磺化法合成了阴离子磺化纤维素衍生物，改性后的纳米纤维素有效地吸附了模型溶液中的Pb(II)，pH 值为5 时吸附量为1.2 mmol/g，这种吸附能力可与工业吸附剂相媲美。麦草纤维纳米纤维素可以作为从水溶液中回收金属的有效绿色替代品，从来源丰富的麦草资源中提取的低成本的生物吸附剂可成为新型重金属去除材料之一。

麦草纤维较木材纤维含有更高的细杂成分，所以在处理麦草纤维原料的过程中除去杂质是制备纳米纤维素过程中的关键。值得注意的是如果使用单一的化学法处理麦草纤维会对纤维的强度和得率产生负面影响，采用化学与机械处理相结合的方法制备的纳米纤维素才会保持良好的机械性能，且尺寸均一稳定。

2.4 麻纤维纳米纤维素

麻纤维是由葡萄糖基被氧桥连接成的链状大分子，原麻中除含有纤维素成分外还含有一定量的非纤维素成分，包括木素、半纤维素、蜡脂质、果胶及部分水溶物和灰分等[31]。在天然植物纤维中，麻纤维不仅具有很高的强度和模量，同时具有纤维素质硬、耐摩擦、耐腐蚀的特点，麻纤维因其组成和结构特点以及连续长度较长等原因，具有良好的力学性能和可加工性[32]。Baheti 等人[33]使用黄麻纤维作为原料，通过高能量行星式球磨工艺来制备黄麻纤维纳米纤维素。在去离子水中进行湿法研磨处理黄麻3 h，颗粒细化至500 nm 以下。制备的纳米纤维素具有良好的生物相容性和绿色可降解的特性，将纳米纤维素添加到聚合物基体可作为降解纳米复合材料填料。

Dai 等人[34]以大麻纤维为原料，在65℃下，加入NaOH、NaClO 氧化水解4 h，通过氧化水解的方法成功制备出平均尺寸在100～112 nm 的大麻纤维纳米纤维素，图3为大麻纤维纳米纤维素的SEM 图和原子力显微镜（AFM）图。将制备的纳米纤维素作为“偶联剂”对大麻纤维进行改性，使纤维通过自我修正能力改善自身的力学性能。改性后的大麻纤维模量、拉伸应力和拉伸应变分别提高了36.13%、72.80%和67.89%。且改性后的大麻纤维结晶度有所提高，表明纳米纤维素与大麻纤维结构之间具有良好的穿透性和相容性。

Morán 等人[35]将剑麻纤维通过抽提的方法除去纤维中的蜡质成分，接着在45℃下采用硫酸水解的方法制备了纳米纤维素。该方法制备的纳米纤维素的平均直径为（30.9±12.5）nm，纳米纤维素可应用到可生物降解纳米复合材料的生产中。Rodriguez等人[36]将天然剑麻纤维粉碎成细小颗粒，在60℃下加入到65%H2SO4中水解，反应15 min 后将制备的悬浮液在超声波的作用下分散，制得的纳米纤维素得率约为30%。将剑麻纤维纳米纤维素作为新型增强材料，制备聚醋酸乙烯酯（PVAc）纳米复合材料，当添加量超过2.5%时纳米复合材料玻璃化转变温度变化不再明显，大麻纤维纳米纤维素能够良好的分散在纳米复合材料中改善其力学性能。

Thomas等人[37]采用蒸汽爆破法结合酸水解从黄麻纤维中分离出平均直径为50 nm 的纳米纤维素。黄麻纤维纳米纤维素与交联剂一起作为天然橡胶（NR）的增强剂，制备了交联纳米复合膜。当纳米纤维素的用量为3%时，能够在NR 基体中形成网状结构明显提高复合膜的机械性能，弹性模量也由1.3 MPa 提高到3.8 MPa，从NR/纳米纤维复合材料内部低温切割TEM 图（见图4）中可以清楚地观察到黄麻纤维纳米纤维素分散在均匀的纳米层中，随着纳米纤维浓度的增加，填充颗粒的浑浊度增大。

Jabbar 等人[38]以黄麻纤维为原料通过化学处理提取纳米纤维素，并将纳米纤维素包覆在黄麻织物上作为增强剂加入绿色环氧聚合物中，形成复合材料，表征纳米纤维素涂层黄麻织物增强复合材料的力学和动态力学性能。研究表明，与未包覆的黄麻复合材料相比，包覆纳米纤维素的黄麻/环氧复合材料的拉伸模量从4.6 GPa 增加到5.58 GPa，弯曲强度由32.94 MPa 增加到48.66 MPa，复合材料的拉伸模量、弯曲性能均有所提高。包覆纳米纤维素的黄麻增强材料暴露了较大的比表面积，增强材料与基体之间的界面相互作用增加，使复合材料表现出优良的机械性能。

麻纤维的基本结构单元是原纤状长链纤维素，每根纤维可以被看成夹在半纤维素和木质素矩阵中的超细长原纤[39]，这种结构赋予了麻纤维具有较高的强度、良好的吸湿性以及透气度较好的特点，但是因为这种结构麻纤维的延展性很差，在制备麻纤维纳米纤维素的过程中需要增加打浆、磨浆、剪切等预处理手段，有利于后续的加工和利用。由麻纤维制备的纳米纤维素往往具有较高的结晶度和机械强度。

图3 大麻纤维纳米纤维素的SEM图和AFM图[34]

图4 NR/纳米纤维素复合材料内部低温切割TEM图

2.5 蔗渣纤维纳米纤维素

蔗渣纤维由纤维素、木素、半纤维素组成，其中纤维素和木素与半纤维素紧密地交织在一起，很难进行分离，而木素和半纤维素的存在又会破坏纤维素的加工性能[40]。因此，从蔗渣中提纯纤维素应用到工业生产和复合材料的制备中既能产生巨大的经济效益，又能避免蔗渣焚烧产生的污染与资源的浪费，在制备过程中对原料的预处理成为技术的关键。El-Samahy等人[41]以蔗渣为原料，采用浓硫酸处理蔗渣，离心除去杂质后将沉淀物转移到纤维素透析膜内，用去离子水透析4 天，直到悬浮液的pH 值变为中性，最后悬浮液经超声处理得到CNC，其尺寸在4～60 nm 之间。将其与抗菌剂壳聚糖同时作为涂布剂对纸张进行改性，改性后的纸张对伤寒沙门菌等多种引起食物中毒的微生物表现出明显的抑制作用，应用于食品包装中可以有效地减少食物中毒的现象。

Mandal等人[42]利用硫酸在强搅拌的条件下50℃中水解5 h 除去蔗渣中的半纤维素和木素，悬浮液冷却至室温，用蒸馏水连续离心洗涤，直到pH 值为7。最后悬浮液经超声处理制备出蔗渣纤维纳米纤维素，直径为35 nm，长度为150 nm。以纳米纤维素为原料，合成了聚乙烯醇（PVA）纳米复合材料。当纳米纤维素用量为5%时，复合膜的拉伸强度由60 kPa 提升至80 kPa，屈服应力由70 N 提升至100 N，纳米纤维素的添加对纳米复合膜力学性能存在显著的影响。

Ghaderi 等人[43]以蔗渣为原料，采用N，N-二甲基乙酰胺/氯化锂（DMAc/LCl）为溶剂，通过部分溶解法制备了全纤维素纳米复合膜（ACNC）。将风干的蔗渣首先与氢氧化钠（质量分数20%）和蒽醌（质量分数0.1%）溶液在170℃条件下在消化池中处理5 h，消化后的蔗渣用蒸馏水洗涤，去除木素和半纤维素。接着以1500 r/min 的速度2 次通过圆盘研磨机制备蔗渣纤维纳米纤维素，其尺寸在50～70 nm 之间。将制备的蔗渣纤维纳米纤维素悬浮液经真空过滤制成纳米纤维片，将纳米纤维片浸入DMAc/LiCl 溶液中持续溶解6 h 制备了全纤维素纳米复合膜。通过力学性能测试表明，蔗渣这种低价值的废弃物可转化为一种高性能的纳米复合材料，拉伸强度可达140 MPa。

综上所述，蔗渣作为制糖过程中的副产品有着良好的生物降解性，由其制备的纳米纤维素不仅不会对环境造成负担，而且有效解决了焚烧产生的污染。蔗渣纤维中纤维素和半纤维素含量高，木素含量较低，灰分略高于木材类原料，在其处理制备过程中产生的蔗渣黑液成分会比木材原料更简单且易于提纯分离。

2.6 废纸纤维纳米纤维素

从固体废物中分离出来的废纸和纸板最明显的用途是回收再生纤维原料，并用于制造新的纤维制品，但是并不是所有的纤维都适合造纸，反复的循环利用会导致再生纸张强度和质量的降低。另外废纸纤维还受到城市生活垃圾中微生物和污染物的影响，从混合城市生活垃圾中分离再生的纤维强度和光学性能较差，造纸潜力有限。因此，造纸以外的其他用途可能更适合这种废纸纤维[44]。废纸中木素、半纤维素含量低，大多以纤维素态存在，更容易回收利用[45]。更好地利用二次原料不仅仅成为制备纳米纤维素的新途径，并且将会带来更高的资源效率，避免资源消耗和不必要的废物处理。Filson 等人[46]以回收纸浆为原材料，利用内切葡聚糖酶水解再生纸浆制备CNC，所制备的CNC 直径在30～80 nm，并且具有良好的稳定性，CNC 的平均Zeta 电位为-31.37 mV，表明纤维素纳米颗粒在延长时间内具有良好的稳定性，可作为聚合物添加剂制备纳米复合材料。

废纸类纤维原料不仅可以节约大量的植物纤维原料、动力能耗和降低成本，还可保护环境和减轻对生态的破坏[47]。Sehaqui等人[48]以废纸浆渣为原料，先用氯化缩水甘油三甲铵醚化后再进行高剪切，制备了阳离子CNF，CNF 的最大阳离子电荷量为1.2 mmol/g。制备的CNF 用来吸附带负电荷的污染物氟离子、硝酸盐离子、磷酸盐离子和硫酸盐离子，CNF对这些离子的最大吸附量为0.6 mmol/g，并且阳离子CNF 对多价离子（PO43-、SO42-）的吸附量比单价离子（F-、NO3-）的吸附量高2 倍，阳离子CNF 对多价离子的选择性更高。

随着人们环保意识的增强，废纸回收已成为造纸行业的重要纤维原料来源，拓展废纸回收利用的更多途径使其得到高值化的利用越来越被人们所重视。废纸纤维经过多次回收后，经历不同的工艺条件纤维的性能会造成很大程度的影响，不再适合作为造纸原料，但废纸中的纤维素成分仍可以转变为清洁高效的纤维素基材料，用来制备纳米纤维素以及复合材料也有着广泛的应用前景。

2.7 农产品及其废弃物纤维纳米纤维素

我国是农业大国，农产品种类极其丰富，在不破坏生态平衡的基础上，如何利用农产品产生更高的经济价值和高值化的产品是目前值得探讨的方向。Wang 等人[49]以大豆为原料，通过低温冷冻结合高压均质的方法制备大豆纳米纤维素，制备的纳米纤维素的直径为50～100 nm，将纳米纤维素添加到聚合物聚乙烯醇(PVA)中制备纳米复合材料，与未处理的PVA薄膜相比拉伸强度提高了4～5 倍。Pereira 等人[50]从香蕉假茎中分离纤维素通过酸水解配合超声波辅助的方法制备CNC，分离出来的CNC 被用作PVA 基质的填料，以制备纳米复合材料，将CNC 用量提高到3%，纳米复合材料的拉伸强度由38.5 MPa 增加至46.0 MPa，显著的改善了纳米复合材料的力学性能。

Faradilla 等人[51]通过TEMPO 氧化和高压均质的方法从香蕉假茎的内层和外层中分离出了纳米纤维素，其直径为7～35 nm，两层纳米纤维素的结晶度均明显高于原料，纤维素的结晶度从原来的10.5%提高到83.8%。纳米纤维素的Zeta 电位为-30 mV 以下，有着良好的胶体稳定性，香蕉假茎纤维纳米纤维素可应用到可生物降解复合材料中。Cherian 等人[52]以菠萝叶为原料，采用碱处理和蒸汽爆破的方法制备菠萝叶纤维纳米纤维素，制备的纳米纤维素具有良好的网状结构，平均宽度在5～15 nm 之间。采用压塑法在聚氨酯薄膜（PU）间叠放了菠萝叶纤维纳米纤维素，当加入5%的纳米纤维素时，PU 的强度提高近3 倍，刚度提高近2.6倍，合成了具有较高拉伸强度的纳米复合材料。Rambabu 等人[53]以松果为原料，采用化学和机械相结合的方法制备出较高结晶度的纳米纤维素。由松果纤维纳米纤维素制备的薄膜的拉伸强度为273 MPa，模量为17 GPa，并且具有良好的稳定性。松果是一种潜在的高强度纳米纤维素的制造资源，适合于进一步的高附加值应用。Ohwoavworhua 等人[54]以高粱茎为原料采用氢氧化钠脱木素、次氯酸钠漂白、酸水解等工艺制备纳米纤维素，并对其理化性能和压片性能进行了研究。纳米纤维素粉末具有结合和分解性能，压碎强度为231.28 N，崩解时间是14.4 min，同时具有很高的压实性，膨润度达到85%，水分吸附能力为24%。高粱茎制备的纳米纤维素是一种潜在的干黏结剂和直接压片稀释剂，在制药压片中有着较高的应用价值。

3 总结与展望

近年来，非木材纤维纳米纤维素因其可再生性、可得性、生物相容性和不同的优异性能成为多个研究领域的重要课题。非木材纤维原料可在很大程度上替代木材纤维原料制备出符合人们需要的纳米纤维材料。非木材纤维原料（如竹子、棉花、麦草、麻类和蔗渣纤维等）和农产品及其废弃物纤维具有广泛可得性和可再生特性，且上述非木材纤维原料自身也具有优良的物化性质，这将为非木材纤维基纳米纤维素材料的大规模制备和工业化生产应用提供了新的选择和巨大的发展潜力。利用丰富的非木材纤维原料将纳米纤维素的生产转向产业化的发展也成为今后努力的方向。非木材纤维原料将在推动纳米纤维素的绿色高效制备和应用到功能材料中有着广阔的前景，同时对推动经济的可持续发展和改善资源环境具有重要的实际意义。