纳米纤维素增强复合包装材料研究进展

摘要：随着现代社会的飞速发展，自行车已经不仅是交通工具，已经有了健身、旅游、竞赛等多种新的功能。所以目前迫切需要有新形态、新材料的自行车，使车身轻量化、强度更高更舒适以及成本更低。但是各种材料不能同时达成上述的目标要求，如何通过改善生产工艺获得更优质的材料用于制造自行车车架，是目前仍在努力探索的问题。本次研究提出了用纤维素纳米纤维复合材料制作自行车车架的设想。

关键词：纳米纤维素；自行车车架

1. 引言

在21世纪，随着科技的进步，新的技术和新的设备一直在发展，世界进入了技术革命的新时代。纳米纤维素作为新兴的材料具有优异的性能，它潜在的经济利益和市场已经引起业界广泛的关注。我国的纳米纤维素研究也取得了一定的进展，专利申请量一直保持了增长。自2008年中国对纳米纤维素研究加大投资以来，从2010年到2018年对其研究逐渐完善，技术也越来越成熟，专利申请量有了质的飞跃。在自行车制造领域，纤维素纳米纤维的取材丰富，可以从木材农业生物质中获得，目前市场上木浆成本约为0.75美元/kg，而等重的纳米原纤化纤维在4-40美元之间，纳米晶纤维素的成本为2-15美元/kg，和传统的碳纤维复合材料（CFRP）相比具有很大优势。以纤维素纳米纤维和碳纤维作为增强相做出的复合材料相比之下，纤维素纳米纤维符合材料价格要低100美元/kg，在性能上也有诸多的优势。

1. 国内外研究状况

纤维素纤维增强复合材料的制备在相关领域是一个热点问题，我国从上世纪八十年代开始进军木塑复合材料领域，至今为止，木塑复合材料的研究虽有进展，但是产品外观质量，力学性能等方面都不是很理想。

20世纪70年代，有实验室成功制得MFC，其后MFC 产品开始在食品工业中出现，MFC透明纸制品亦相继进入人们的视线。近10年来，纳米纤维素的合成、改性技术及其复合材料的结构与性能研究等均取得了令人瞩目的进展。

2011年，世界第一套产能为100 kg/d的纳米原纤化纤维素装置投入运转，次年纳米晶纤维素试验线在加拿大开始了半商业化运行。目前全球已有十几条NFC试验生产线，其中美国Maine（缅因）大学的生产装置产能达到了300 t/a。另有近10条纳米晶试验生产线，其中加拿大Celluforce公司的商业化装置的产能达到了300 t/a。纳米纤维素及其产品的应用研究呈蓬勃发展态势。据统计，截至2015年全球从事纳米纤维素研究与开发的企业与机构多达167家，包括119家研究院所，其中有25个纳米纤维素研究中心。国内纳米纤维素研究尚处于起步阶段，目前中科院、制浆造纸研究院所及相关大学开展了纳米纤维素的研究工作，2015年国家林业局启动了科研专项计划“纳米纤维素绿色制备、高值化应用技术研究”。而国内化纤业相关研究投入显得不足，几乎没有企业涉足。

自行车是人们日常生活中最常用的代步工具之一，收到世界各国人民的喜爱，形成了巨大的消费市场。随着现代社会的飞速发展，自行车已经不仅是交通工具，已经有了健身、旅游、竞赛等多种新的功能。所以目前迫切需要有新形态、新材料的自行车，使车身轻量化、强度更高更舒适以及成本更低。但是各种材料不能同时达成上述的目标要求，如何通过改善生产工艺获得更优质的材料用于制造自行车车架，是目前仍在努力探索的问题。

1. 结论

自行车档次的划分取决于材料和做工，比较典型的低档自行车是由碳钢制作的，中高档的自行车是由铬钼合金铝合金和碳纤维制造的。自行车车架的结构主要发展趋势是轻量化、高强度、高舒适性以及低成本的综合方面发展。碳纤维属于不可循环使用的资源已经无法满足目前的需求。随着全球环境问题越来越严重，所有国家和地区都开始重视环境保护和绿色发展。诸如环境保护，绿色发展和可持续发展之类的关键字对于任何活动和文化都是必不可少的。自习近平总书记提出可持续发展以来，中国开始更加重视绿色发展。绿色材料的研究与开发也成为重大研究的重点。其中，生物材料的使用已成为关键点之一。 21世纪的材料革命可能是绿色复合材料的研究与开发。使用新型材料纤维素纳米纤维作为增强相与树脂复合成新材料用以制作自行车车架，既满足了高端自行车的性能要求，又降低了生产成本。但是由于目前纤维素纳米纤维还没有成熟的商业化，该方案还停留在概念阶段。