近年來，隨著環(huán)保監(jiān)管日益嚴格，以及相關生產技術進步，納米纖維素憑借其良好的機械強度、尺寸穩(wěn)定性、生物可降解性以及抗沖擊性,在緩沖材料、水處理、醫(yī)藥載體、包裝、紡織、復合材料等多個領域展現出良好應用前景。近日，杭州市化工研究院院長、俄羅斯自然科學院院士姚獻平就納米纖維素行業(yè)的相關熱點問題接受了本刊記者的采訪。

杭州市化工研究院院長、俄羅斯自然科學院院士姚獻平

優(yōu)勢頗多，市場潛力巨大

【CCN】納米纖維素在全降解材料、造紙、涂料等領域的應用如何？有哪些優(yōu)勢？

【姚獻平】納米纖維素不僅具有天然纖維素可再生、可生物降解等特性，還具有大比表面積、高親水性、高透明性、高強度、高楊氏模量、低熱膨脹系數等優(yōu)點，為其形成各種功能性復合材料提供了可能，其在造紙、涂料、可降解材料、復合材料、電子產品、醫(yī)藥等領域具有廣闊的應用前景。

在造紙應用領域，納米纖維素原料來源于紙漿纖維素，在紙基功能材料應用中具有天然的相容性優(yōu)勢，可替代或降低化工助劑的用量，使造紙體系更加清潔環(huán)保。更重要的是，其可提高紙基功能材料的附加值，提高紙張強度、降低打漿能耗、提高細小纖維及填料留著，甚至賦予紙產品其他特殊性能，拓展終端應用領域。我認為，這也是最具有應用潛力的一個方向。

在全降解材料領域，近年來白色污染問題日益嚴重，自然環(huán)境與生物健康都受到嚴重威脅。如何解決塑料垃圾問題越來越受到世界各國的重視。生物基全降解材料是當今全球最具增長性的潛在領域之一，也是解決“白色污染”的有效手段。但現有生物基材塑料產品性能不及傳統(tǒng)塑料制品，在很多領域尚無法與傳統(tǒng)塑料相媲美，且價格居高不下，導致老百姓用不起；更重要的是，我國生物質材料基礎研究和高性能材料研發(fā)滯后，成為制約領域發(fā)展的主要因素。納米纖維素是有望解決這些“卡脖子”技術難題的關鍵材料之一，將納米纖維素應用于全降解復合材料中，不僅可以增強復合材料的機械強度性能，從而增加價格低廉生物質組分用量（如淀粉、木質素）來降低成本，同時可提高材料的熱穩(wěn)定性能，調節(jié)全降解復合材料的降解周期。

除此之外，涂料也是納米纖維素的一大主要應用領域，納米纖維素具有增稠、穩(wěn)定、增強等優(yōu)異性能，尤其可適用于較寬溫度及 pH、鹽濃度范圍，可作為優(yōu)異的流變改性助劑用于涂料、水泥、油田采油等領域。

【CCN】納米纖維素當前綠色化制備的發(fā)展情況如何？

【姚獻平】纖維素是地球上取之不盡用之不竭的生物質可再生資源，存在于木材、毛竹、棉花、秸稈、蘆葦、麻、桑皮等植物資源的細胞壁中，是自然界中儲量最為豐富的天然高分子材料。相比于人工合成高分子，纖維素來源廣泛，具有低成本、可再生、無毒、無污染、易于改性及可生物降解等優(yōu)點，被認為是未來世界能源和化工的主要原料之一。將纖維素的尺寸縮減至100納米以下，即稱為納米纖維素。

納米纖維素制備工藝眾多，如生物法、化學法、機械法等，單一的制備技術通常存在污染大、成本高、濃度低等問題，綠色、低成本制備是當前全球的努力方向。據悉，生物、化學、物理等學科技術相結合的方法是綠色制備的重要手段，但目前尚處初級階段。國內納米纖維素的制備相對于國外產業(yè)化還有較大差距，尤其是綠色化制備關鍵技術亟需突破。

【CCN】納米纖維素全球的市場需求及產能情況如何？

【姚獻平】納米纖維素具有輕質高強、高比表面積、極低的熱膨脹系數、優(yōu)異的耐候性、良好的生物相容性和可降解性等特點，可廣泛應用于諸多領域：

1.樹脂復合材料，如汽車輕量化高強度零部件材料，全降解材料，提高樹脂材料強度性能；

2.造紙，通過對紙和紙板的增強和留著，可明顯節(jié)省纖維原料的使用；

3.涂料、水泥等，能改善涂料水泥的流變性、穩(wěn)定性和強度性能；

4.化妝品及個人護理用品，具有優(yōu)異的保水、成膜、導入和改善流變性等功能，且純天然，無刺激；

5.過濾分離，具有超高比表面積及均勻的孔隙率，能夠有效實現過濾及分離；

6.綠色可降解阻隔包裝材料，能延長食品保質期，替代現有不可降解石油基塑料；

7.生物醫(yī)藥，可作為藥物活性成分的載體及緩釋材料；

8.食品添加劑，增稠、有效保護食品的質地及口感等。

納米纖維素的產能，據報道多數研發(fā)單位約1000-2000Kg/d(絕干)，產業(yè)化應用方面還有待突破。

我認為，納米纖維素市場潛力巨大。據美國農業(yè)部林業(yè)局（USDA）預測：納米纖維素美國市場潛力為640萬噸，全球市場潛力為3500萬噸，美國加工公司（API）預計：納米纖維素發(fā)展趨勢與塑料類似（見圖1），2045年能實現USDA的預期目標。

圖1 納米纖維素發(fā)展趨勢

【CCN】當前納米纖維素已成為全球的研發(fā)熱點，但在產業(yè)化應用方面還有待突破。納米纖維素的推廣難點在哪里？

【姚獻平】由于納米纖維素的制備成本較高，限制了其在一些領域的應用；此外，納米纖維素應用是一個系統(tǒng)工程，研發(fā)端需要多學科交叉，多技術的集成，同時需要與市場緊密結合，缺失任一環(huán)節(jié)都可能導致失敗。一些關鍵技術還需要攻關，如納米纖維素分散技術，改性技術及及工程應用技術等。

納米纖維素的產業(yè)化瓶頸是很多的，除了制備瓶頸以外，還有產業(yè)化一些專用設備的瓶頸等。另外，在造紙行業(yè)的應用，應用技術和裝備也非常重要的。產業(yè)化過程就像一條鏈條，這條鏈條環(huán)環(huán)相扣，缺哪一個環(huán)節(jié)都會導致脫節(jié)失敗。

追趕差距，提升技術突破能力

【CCN】我國納米纖維素產業(yè)化的全球地位如何？

【姚獻平】近年來，納米纖維素的商業(yè)化生產已從小型實驗室規(guī)模逐漸發(fā)展到每天噸級工業(yè)化示范規(guī)模。但是仍存在綠色制備關鍵技術難突破、制備成本高、環(huán)境處理壓力大、后續(xù)應用需求不匹配等瓶頸制約問題等，從而導致納米纖維素的產業(yè)化進程受阻。

國內在納米纖維素研究也十分活躍，但許多產業(yè)化關鍵技術方面尚未突破，納米纖維素的規(guī)?；苽浞矫孑^國外發(fā)達國家還有一定的差距。產業(yè)化應用的深度和廣度也有一定差距。

【CCN】您團隊目前的研究有哪些新進展？有哪些產業(yè)化合作的技術？

【姚獻平】杭州市化工研究院與華南理工大學、輕工業(yè)杭州機電設計研究院等共同承擔了國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目。本項目成功創(chuàng)建了首條100 kg/d（絕干）納米纖維素綠色制備中試示范線，并進行一系列納米纖維素的高值化應用研究，并于2021年6月順利通過項目驗收，為規(guī)模化開發(fā)應用打下良好的基礎。

目前我們又承擔了浙江省尖兵計劃項目“高性能納米纖維素的產業(yè)化關鍵技術及其應用”。與浙江大學、華南理工大學、浙江理工大學、浙江省全降解及納米材料制造業(yè)創(chuàng)新中心等共7家單位共同成立創(chuàng)新聯(lián)合體進行攻關。

目前我們高性能納米纖維素生產線建設進展順利，擬于2023年內建成1000 kg/d（絕干）示范生產線，為大規(guī)模產業(yè)化打下基礎。在高值化應用方面，我們在造紙、阻隔材料、全降解材料、化妝品、涂料等領域均已取得一定進展。特別是造紙領域，納米纖維素基轉移印花涂料已取得技術突破，實現商品化應用，目前正在加快市場推廣中。此外，納米纖維素基防油、阻氧、阻水蒸氣材料，以及紙張增強實現降定量節(jié)約木漿纖維等方面均取得進展，已與國內數家大型食品包裝、造紙企業(yè)（包括外資企業(yè)）等進行合作推進?；瘖y品領域分散技術也取得突破，目前正在商業(yè)準入中，展示出良好的市場前景。

專家介紹

姚獻平，教授級高工，浙江省特級專家，俄羅斯自然科學院院士，中國化工學會首批會士，中國化學會高級會員，國務院特殊津貼獲得者，現任杭州市化工研究院院長、中國造紙化學品工業(yè)協(xié)會榮譽理事長、中國造紙學會特聘副理事長、國家造紙化學品工程技術研究中心主任、中國材料與試驗團體標準委員會生物基化工材料技術委員會副主任、浙江省生物基全降解及納米材料創(chuàng)新中心主任、浙江省新材料新能源聯(lián)合會專家委員會主任等職；長期從事造紙化學品、淀粉衍生物、納米纖維素等生物質基功能材料的研發(fā)，主持國家、省市科研項目30余項，開發(fā)新產品80多個，其中國家重點新產品10個，獲國家科技進步二等獎1項，部省級科技進步一等獎3項、技術發(fā)明一等獎1項，其它獎20余項次；發(fā)明專利22項，獲中國優(yōu)秀專利獎2項；撰寫論文130余篇，出版著作7本，其中2022年7月新出版先進化工材料關鍵技術叢書--《紙基功能材料》；其成果全部實現產業(yè)化，經濟社會效益顯著，獲國家70周年紀念章（2019）、“十一五”國家科技計劃執(zhí)行突出貢獻獎、中國造紙行業(yè)十大領軍人物(2019)、侯德榜化工科學技術獎、科學中國人年度人物、全國化工優(yōu)秀科技工作者、浙江省最美科技人(2020)和科學企業(yè)家(2021)等榮譽稱號；為十一屆全國人大代表。