木材衍生的超级材料有利于生态循环经济

由化石燃料原料制成的产品随处可见:化妆品、圆珠笔中的墨水、油漆、薄膜、塑料和许多其他产品。然而，随着世界各国将目光投向脱碳，寻找不可再生化石燃料的替代品，人们的注意力转向了作为原料的生物质材料，这是一种可再生资源，在世界许多国家都可以种植。

一种生物质材料，主要由木浆制成的纤维素纳米纤维(CNF)正引起人们极大的兴趣。在为造纸制造木浆的过程中，木材被化学方法拉扯成纤维，这些纤维被重新排列以制造许多产品。木材纤维的宽度约为20纳米(nm)，由宽度为3至4纳米的更小的纤维组成。较小的纤维是CNF，它可以制成各种各样的产品。由于CNF是一种纳米尺寸的材料，它表现出与流变性有关的有趣特性，例如触变性，这意味着当受到施加的应力时，它会变得不那么粘稠。这使得它非常有用的墨水或油漆生产。

CNF本身的强度是钢的五倍，但质量只有钢的五分之一，因此与CNF混合可以形成更强的树脂。它的大小和形状在加热时不会改变，使其适合作为电子元件和光学材料的基材。当制成薄片时，它具有优异的氧气屏障性能，与许多类型的包装材料相匹配。此外，生物质来源的CNF预计是可生物降解的(图1)。

图1:CNF由生物质制成，可生物降解，可循环利用。横河生物前沿公司是横河电机公司的子公司，参与了该产品的开发，现在提供S-CNF用于化学和材料行业。提供:横河生物前沿公司。

CNF很难人工合成，主要来源于植物，特别是森林废弃物资源。由于CNF提供了各种有益的特性，它可能被证明是可替代的，允许它以与通用填料相同的方式应用。硫酸盐酯化纤维素纳米纤维(S-CNF)改善了CNF的许多特性，这对于更广泛的应用是必要的。(图2)

图2:S-CNF的纤维宽度为3 ~ 4纳米，经过加工可以变得比钢更坚固。横河生物前沿开发了一种先进的工艺，可以分解CNF并生产S-CNF，同时比其他CNF生产工艺消耗更少的能源，部分原因是由于更温和的化学处理条件。提供:横河生物前沿公司。

除了具有与标准CNF相同的特性外，以凝胶形式存在的S-CNF可以被干燥以产生具有凝胶体积和重量1%的粉状物质。这种粉末的运输和储存成本较低。它的物理性质可以通过与水混合来恢复。通过调整混合比例，可以改变物理性质，以适应特定的应用和处理要求，例如微调触变特性的应用需要高剪切速率。

从研究到生产

S-CNF可用于化学和材料行业。

公司对CNF表现出极大的兴趣，因为:

• 它符合材料流变学控制，并表现出吸引人的触变特性。
• 它是一种坚固、轻便、高度透明的材料，遇热时不易变形。
• 它提供了一个有效的屏障，防止氧气和其他气体，同时使其膜表面相对光滑。
• 其生产和处理对环境影响较小。一种先进的工艺将CNF分解并生产S-CNF，同时比其他CNF生产工艺消耗更少的能量，部分原因是由于更温和的化学处理条件。

资源受限的解决方案

关于CNF的大部分研究都在日本进行，几个世纪以来，日本一直在应对材料和能源的限制。木材是日本国内为数不多的具有一定丰富度的材料之一，因此这种发展具有吸引力。由木材制成的产品也很适合循环经济，因为废物很容易降解，碳排放量不会净增加。

与横河生物前沿合作的研究人员之一是北冈拓哉，九州大学生物资源和生物环境科学研究生院的教授，也是树木衍生生物质材料的专家。他相信工业用户开始认识到S-CNF的潜在应用方式，以及它对环境的积极影响。

Kitaoka说:“我们必须设想一个世界，在那里，CNF就像木材和纸张一样，在许多不同的方面得到常规使用。”“例如，用来装豆浆、果汁、汤、意大利面酱和其他此类产品的有内部铝制内衬的纸箱和包装可以被完全由生物质CNF制成的包装所取代，由于其高氧屏障特性，可以防止与空气接触并确保新鲜。这些可生物降解和可回收的材料对环境的影响很小。此外，硫酸化多糖是我们体内细胞之间作为生物基质(纤维结缔组织)大量存在的物质，它们具有生物功能。虽然我们还不能肯定，但我认为S-CNF可以适用于化妆品和医疗应用。”

鉴于当今制造业的可持续性和环境问题日益严重，材料的选择必须根据其后续影响以及对当前需求的适用性进行评估。

在碳中和经济中工作

Kitaoka说:“在世界各地，人们都在谈论碳中和和建设循环经济，但我相信负排放和我所谓的‘生态循环经济’将成为未来的关键词(图3)。”“碳中和意味着没有二氧化碳净排放到大气中，这是通过平衡排放与吸收和消除排放来实现的。减少二氧化碳意味着负排放，除非吸收的二氧化碳比排放的多，否则根本不会减少。

图3:用CNF制造食品包装可以让生态系统回收产品
没有人力协助。瓶子的剩余部分将被下一棵树代谢，然后转化为额外的CNF。提供:横河生物前沿公司。

“生态材料科学使这成为可能。在日本江户时代(大约1603-1867年)，人们开始使用可以在自然生态系统中循环和回收的天然材料。其中一个例子是用竹叶和薄如纸的木板包裹物品。生态材料科学是这一理论的现代版本，探索如何基于材料和能量在自然生态系统中循环和回收的理念来设计材料。从生态循环经济的角度来看，我认为将木材用作纳米材料具有广泛的潜力，”北冈说。找到可生物降解的塑料替代品固然重要，但这只是可能发现的开始。不久之后，创意公司将开发出利用S-CNF独特特性的新产品，从而产生只能用这种材料制造的高附加值产品。

Mitsuhiro Iga博士他是横河生物前沿公司的首席执行官。由Chris Vavra编辑，web内容经理，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com．

更多的答案

关键词:纤维素纳米纤维(CNF)，硫酸盐酯化纤维素纳米纤维(S-CNF)

了解更多关于横河生物前沿公司。https://www.yokogawa.com/ybf/

考虑一下这个

有什么好处贵公司使用CNF和S-CNF是否有收益?

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。