Page 16 - 《精细化工》2021年第9期

·1730· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

学性能。此外，纤维素和木质素还具有许多优点， 容性、高的比强度和比强模量、高的长径比等特点，
如含碳量高、密度低、可生物降解、抗氧化、抗菌 在聚合物反应体系中可以借助于纳米粒子优异的表
和具有一定的稳定性，从而使其在各工业领域都具 面效应、光学效应等特殊性质来改善复合材料的延
有潜在的应用前景。 展性能、力学性能和热学性能。与聚合物材料混合
众所周知，材料在加工和使用过程中往往会受 后，复合体系中纳米晶之间通过强氢键相互作用形成
外界环境和附加应力的影响而产生不可预期的损 共性渗透网络，从而提高复合材料的拉伸强度 [10] 。
伤，出现裂纹甚至宏观断裂，导致材料失效；同时 在聚合物体系中，纤维素还可以作为无机填料，增
不可逆交联结构的存在导致材料难以重复加工成 强聚合物材料的力学性能。利用纤维素替代部分石
型，失效后会产生大量废旧垃圾，并且回收利用困 油基化学原料可以进一步缓解资源和能源危机，提
[3]
难，这带来了一系列的环境问题和能源浪费 。自 高对生物质材料的利用率，扩大纤维素的应用领域，
修复材料既可以延长材料的使用寿命又可以减少能 对于充分利用可再生资源具有重要意义。
[4]
源浪费，因而备受关注 。自修复材料按触发方式 以纤维素作为填充材料增强自修复聚合物复合
可以分为外援型和本征型。外援型自修复材料的自 材料已有相关报道 [11-12] ，如增强外援型自修复材料
修复性主要利用微胶囊、空心纤维技术和介孔中空 中的微胶囊、改善本征型自修复材料的力学性能等。
微球技术实现材料的自我修复，其中，微胶囊技术 纤维素因易与基体材料产生氢键等相互作用，也为
因响应速度快以及制备工艺简单等特点应用更为广 制备含有动态氢键的自修复材料提供了可能。此外，
泛；本征型自修复材料的自修复性主要依赖于动态 为进一步提高纤维素基复合材料的自修复效率，也
化学键，按照化学键的不同可以分为动态共价键和 可以向其中引入动态二硫键、金属-配位键和离子键
动态非共价键，这些化学键在外界刺激的作用下能 等，相关研究已逐渐受到人们的关注。
表现出可逆的缔合和解离能力。 1.1 纤维素在微胶囊自修复材料中的应用
[5]
目前，自修复材料已经在防锈涂料 、创面敷 微胶囊技术是外援型自修复技术中相对成熟的
[6]
料 、可穿戴传感器、超级电容器、太阳能电池和 一种自修复方式，已广泛用于生物技术 [13] 、涂料 [14] 、
织物 [7-8] 等材料中广泛应用。而纤维素和木质素含有 弹性体和混凝土 [15] 等多种领域。在聚合物材料中添
的羟基和富含氢键使其作为涂料、弹性体和胶黏剂 加内部含有修复剂的微胶囊，同时在基体中引入可
[9]
的主要成分，可用于自修复材料的制备 。 以与修复剂反应的催化剂或固化剂，当材料受到外
本文对近几年纤维素和木质素在自修复材料中 力而发生破损时，微胶囊受裂纹的作用而破裂，其
的应用进行介绍，探讨利用纤维素和木质素制备自 内部包覆的修复剂在虹吸作用下流出并充满裂缝，
修复材料过程中存在的挑战和潜在的解决方案，对 与基体中的催化剂或固化剂反应，从而对裂纹进行
植物基生物质材料在未来自修复产品中的应用研究 修复，保持材料的完整性，提高材料的使用寿命。
方向进行展望。 对比空心纤维技术、介孔中空微球技术等其他外援
型自修复技术，微胶囊技术具有封装更容易、响应
1 纤维素在自修复材料中的应用 速度更快、制备工艺更简单等特点，已成为最有效
和使用最广泛的方法之一。
纤维素是由 β-1,4 糖苷键键合 D-吡喃式葡萄糖
近年来，纤维素已广泛用于填充以增强生物基
基构成，即脱水葡萄糖形成纤维二糖重复单元的高 [16]
复合材料的力学性能 。微球胶囊作为微胶囊自愈
结晶度和高取向度的线型聚合物，是自然界植物类 合材料的重要组成部分受到研究人员的广泛关注，
含量最丰富的生物质资源。其具有来源广泛、无毒 纤维素的分子结构和自身特性使其可以成为合成微
害、可生物降解以及价格低廉等优点，已被广泛应 胶囊壁材的原料之一。同时，纤维素表面的大量羟
用于食品、医药、建筑、印刷、日化等各个领域。 基使树脂和纤维素之间形成氢键相互作用，表现出
纤维素结构中含有大量醇羟基基团，容易形成分子 较高的界面粘接性。KIM 等 [17] 将含有大豆分离蛋白
间和分子内氢键，这种相互作用会覆盖一部分羟基 -微纤化纤维素（SPI-PLGA-MCs）的聚(D,L-丙交酯
对水的亲和作用，使得纤维素不溶于水或难溶于一 -乙交酯)微胶囊引入材料中，制备了大豆分离蛋白-
般有机溶剂。而纤维素及其衍生物骨架中丰富的亲 微纤化纤维素（SPI-MFC）自愈合复合材料，其固
水性官能团（如羟基、羧基、醛基等）使其可以发 化工艺如图 1 所示。结果表明，不含 SPI-PLGA-MCs
生水解、氧化等许多化学反应，为制备具有优异结 的复合材料无自愈现象，而该复合材料 24 h 自愈率
构和性能的水凝胶等材料奠定了基础。同时，纳米 为 27%，且复合材料的拉伸性能明显高于纯净的 SPI
纤维素（CNCs）具有优异的生物降解能力和生物相 树脂。