纸张、棉花、木材、麻纤维、秸秆和许多植物组织中都含有纤维素。长期以来，人们熟悉的是纤维素的宏观用途：造纸、纺织、包装、木材加工和日用品制造。它来源广、价格低、可再生，看起来是一种非常普通的天然高分子材料。

         但材料的性能不仅取决于化学组成，也取决于尺度和结构。同样是纤维素，当它以木浆、棉纤维或纸张形式存在时，主要承担结构支撑作用；当它被加工到纳米尺度，并保留高度有序的晶体区域时，就可能表现出高结晶度、高比表面积、丰富表面羟基、在适宜水相条件下的胶体分散性、可表面改性和自组装能力。

         纤维素纳米晶体，Cellulose Nanocrystals，简称 CNC，正是这样一种由天然纤维素衍生而来的纳米材料。CNC的价值体现在：CNC 可以把普通植物纤维中的纤维素转化为刚性强、尺寸小、表面可调、能够参与复合和组装的功能性纳米颗粒。

1. CNC 是什么？

1.1 CNC 的基本定义

         纤维素纳米晶体，Cellulose Nanocrystals，简称 CNC，是从天然纤维素中分离得到的纳米级晶体颗粒。CNC 通常呈短棒状、棒状或针状，具有较高结晶度和较高刚性。它的尺寸会受到原料来源、预处理方式、水解条件和后处理方法影响，因此不同研究中 CNC 的长度、直径和长径比可能存在明显差异。

         从结构上看，天然纤维素纤维并不是完全均一的。纤维素分子链中同时存在排列有序的晶区和排列相对无序的非晶区。CNC 的制备思路，就是尽量去除或削弱非晶区，保留下较稳定、较有序的晶区。因此可以把 CNC 理解为：纤维素纤维中被分离出来的纳米级晶体片段。

1.2 CNC 可以来自哪些原料？

         CNC 的来源非常广泛，常见原料包括木浆、棉短绒、微晶纤维素、麻纤维、竹纤维、甘蔗渣、稻草、玉米秸秆和其他农业副产物。不同原料中的纤维素含量、木质素含量、半纤维素含量和纤维结构不同，会影响最终 CNC 的形貌、产率、结晶度和表面性质。

1.3 CNC 的制备原理

         CNC 常见的制备方法是酸水解，尤其是硫酸水解。硫酸可以优先水解纤维素中的非晶区，使较稳定的晶区保留下来。同时，硫酸水解还会在 CNC 表面引入一定量的硫酸半酯基团。这些带负电的基团有利于 CNC 在水中形成较稳定的胶体分散液，但也可能降低其热稳定性。

         除硫酸水解外，CNC 也可以通过盐酸水解、磷酸水解、有机酸水解、过硫酸盐氧化、酶法、离子液体处理和深共熔溶剂处理等路线制备。

         2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl，TEMPO）介导氧化是一种常用的纤维素表面氧化方法，可将纤维素表面的部分伯羟基选择性氧化为羧基或羧酸盐基团，从而有助于改善水相分散性，并为后续偶联和功能化改性提供反应位点。与硫酸水解主要通过去除非晶区、保留晶区来获得 CNC 不同，TEMPO 氧化更侧重于调控纤维素纳米材料的表面化学性质。在适当条件下，TEMPO 氧化也可与酸水解、超声或高压均质等处理结合，用于制备羧基化 CNC 或其他羧基化纳米纤维素材料。

1.4 CNC、CNF 和 BNC 有什么区别？

         纳米纤维素是一类材料。常见类型包括纤维素纳米晶体，Cellulose Nanocrystals，简称 CNC；纤维素纳米纤维，Cellulose Nanofibrils，简称 CNF；以及细菌纳米纤维素，Bacterial Nanocellulose，简称 BNC。

2. CNC 为什么特殊？

         CNC 的特殊性来自它的结构。高结晶度决定刚性，纳米尺度带来高比表面积，表面羟基提供改性空间，在表面电荷和分散条件合适时，CNC 可进入多种水性体系，自组装能力又让它可以形成有序微纳结构。

2.1 高结晶度带来的增强能力

         CNC 具有较高结晶度和较高刚性，因此可以作为复合材料中的纳米增强组分。当 CNC 均匀分散在聚合物、薄膜、水凝胶或涂层中，并与基体形成良好界面作用时，有助于提高材料的拉伸强度、模量、尺寸稳定性或抗蠕变性能。

         但增强效果并不是添加量越高越好。CNC 如果发生团聚，可能成为应力集中点，使材料变脆或性能下降。因此，CNC 的增强能力须与以下因素共同分析：①分散状态； ②界面结合； ③取向程度； ④添加量。

2.2 纳米颗粒排列带来的阻隔能力

         在薄膜或涂层中，CNC 可以使氧气和部分小分子的扩散路径变得更加曲折。扩散路径越复杂，小分子穿过材料所需时间通常越长，因此 CNC 常被用于提高包装膜、纸基涂层和可降解薄膜的阻隔性能。

         在阻隔材料中，CNC 更容易体现出氧气阻隔优势。它能在膜层中形成致密而曲折的扩散路径，降低氧气透过。但 CNC 表面富含羟基，容易吸水，因此水汽阻隔和高湿环境稳定性仍是应用难点；在高湿条件下，吸水和氢键网络变化也可能削弱氧气阻隔性能。实际应用中通常需要通过疏水改性、交联、多层膜或复合涂层来改善。

CNC 的阻隔效果高度依赖分散和排列状态：

         ①均匀分散、致密堆积和良好界面结合有利于提高阻隔性能；

         ②团聚、孔洞和相分离则可能削弱阻隔效果。

2.3 胶体分散带来的流变调节能力

CNC 在水相或部分复合体系中可以影响体系黏度、剪切变稀行为、触变恢复和凝胶化趋势。其流变行为与多种因素有关：

         ①CNC 浓度；

         ②粒径；

         ③长径比；

         ④表面电荷；

         ⑤离子强度；

         ⑥分散状态。

         这一特点使 CNC 不只是固体填料，也可以作为涂料、油墨、浆料、乳液和 3D 打印墨水中的流变调节组分。对于加工应用来说，流变性能往往比单一力学指标更接近实际使用需求。

2.4 表面羟基带来的改性能力

CNC 表面含有大量羟基，经过不同制备过程后还可能带有硫酸酯基、羧基、醛基或其他官能团。这些表面基团使 CNC 可以进行酯化、醚化、氧化、硅烷化、接枝聚合、金属纳米粒子负载和生物分子偶联。表面改性的目的主要有三类：

         ①改善 CNC 在非水体系或疏水聚合物中的分散性；

         ②增强 CNC 与基体材料之间的界面结合；

         ③赋予 CNC 抗菌、吸附、导电、催化、荧光、响应性等功能。

2.5 手性自组装带来的光学特性

         在适当的浓度、表面电荷和分散条件下，纤维素纳米晶体（CNC）分散液可发生自组装，形成手性向列液晶相，也称胆甾相。

         这种结构具有螺旋排列特征。在干燥过程中，如果有序排列能够被保留下来，CNC 可形成具有结构色的固体薄膜。这里的颜色并不是来自染料或颜料，而是由有序微纳结构对特定波长光的选择性反射产生。

         这一特性使 CNC 在光学薄膜、防伪标识、湿度响应材料和光学传感材料中受到关注。例如，当环境湿度、离子强度或薄膜内部结构发生变化时，CNC 薄膜的反射颜色可能随之改变，从而用于可视化响应材料研究。

2.6 可再生来源与安全性评价

         CNC 来源于天然纤维素，具有来源广泛、可再生、低密度和可降解潜力等特点，因此常被研究用于绿色复合材料、食品包装、生物医用材料和环境友好型功能材料等方向。

         不过，“天然来源”并不等于在所有应用场景中都绝对安全。CNC 的安全性需要结合材料特性和使用条件综合评价，包括粒径与形貌、表面修饰、杂质或残留试剂、使用剂量、暴露途径以及具体应用场景等因素。尤其在食品接触、生物医用、吸入暴露和消费品应用中，还需要进一步关注迁移行为、细胞相容性、免疫反应、体内代谢、环境释放和法规要求。

3. CNC 能做什么？

3.1 作为纳米增强组分：用于复合材料

         CNC 可加入聚乳酸PLA；聚乙烯醇PVA；淀粉、壳聚糖、天然橡胶、水凝胶、环氧树脂和丙烯酸树脂等体系中，用于提高材料的刚性、强度或尺寸稳定性。这一应用主要利用 CNC 的高结晶度和高刚性。

         对于亲水基体，如 PVA、淀粉、壳聚糖和水凝胶，CNC 较容易通过氢键作用形成复合结构。对于疏水或低极性基体，如聚丙烯、聚乙烯、部分 PLA 和部分热固性树脂，则通常需要表面改性或相容剂来改善分散和界面结合。

3.2 作为阻隔组分：用于包装膜和纸基涂层

         在包装材料中，CNC 可用于可降解薄膜、食品包装涂层、纸基阻隔层和药品包装材料。其作用是通过纳米颗粒的致密排列，延长氧气和部分小分子的扩散路径，从而改善阻隔性能。

         CNC 与 PVA、淀粉、PLA、壳聚糖等材料复合时，既可能改善力学性能，也可能提高氧气阻隔能力。但由于 CNC 表面亲水，材料在高湿环境下的水汽阻隔和尺寸稳定性可能下降。因此包装应用中常需要配合疏水改性、交联处理、多层结构或复合涂层设计。

3.3 作为颗粒稳定剂：用于 Pickering 乳液

         Pickering 乳液是指由固体颗粒稳定油水界面的乳液。纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystals，CNC）具有纳米尺寸、表面可改性和一定界面吸附能力，可吸附在油水界面上，形成颗粒屏障，从而帮助乳液保持稳定。

         未改性 CNC 偏亲水，界面稳定能力可能有限，实际应用中常需要通过表面调控或与其他生物大分子协同改善乳液稳定性。

3.4 作为功能载体：用于生物医用材料研究

         CNC 表面官能团丰富，比表面积较高，可负载药物、蛋白、酶、抗菌剂、金属纳米粒子或荧光分子。CNC 被研究用于药物递送、水凝胶、伤口敷料、组织工程支架、抗菌材料和生物传感材料。

在生物医用方向，CNC 的优势主要包括三点：

         ①表面羟基丰富，便于化学修饰；

         ②比表面积较高，有利于活性物质负载；

         ③可与多糖、蛋白质、合成高分子和无机纳米材料复合。

         CNC 进入医用材料时，需要系统评估纯度、残留化学品、灭菌方式、内毒素、细胞相容性、免疫反应和体内代谢行为。多数 CNC 生物医用应用仍处于材料研究、体外评价或动物实验阶段，不能直接等同于临床可用材料。

3.5 作为吸附骨架和结构调节组分：用于环境与能源材料

         在环境治理方向，CNC 可用于吸附材料、气凝胶、多孔材料和复合膜。经过羧基化、氨基化、巯基化、磁性复合或金属氧化物负载后，CNC 可用于吸附重金属离子、染料和部分有机污染物。

         在能源材料方向，CNC 通常不直接作为主要导电活性物质，而是作为结构调节组分、碳化前驱体、隔膜增强组分或凝胶电解质骨架。它的主要贡献是调控孔结构、改善柔韧性、增强界面稳定性和提高材料可持续属性。

4. CNC 的新兴应用

         CNC 的传统研究较多集中在增强填料、薄膜和涂层。近年，随着表面改性、自组装和复合技术的发展，CNC 在响应材料、有序光学结构、柔性器件、3D 打印和功能递送体系中的研究受到更多关注。

5. 为什么 CNC 尚未在多数终端材料中大规模普及？

         纤维素纳米晶体（CNC）研究非常活跃，并已具备一定产业化基础，但从实验室性能验证走向多数终端材料的广泛应用，仍面临多重限制。这些问题不仅涉及材料性能，也涉及制备工艺、加工适配性、储存运输、质量标准和安全评价。

         CNC 的产业化难点是能否在成本、工艺、稳定性、安全性和质量一致性之间取得平衡。对于实际应用而言，CNC 需要从实验室中的性能提升，进一步走向可重复、可加工、可储存、可放大和可验证的材料体系。

6. CNC 研究与实验设计要点

6.1 明确 CNC 在体系中的主要作用

         实验设计前，应先明确纤维素纳米晶体（CNC）在材料体系中的主要作用。常见目标包括增强、阻隔、流变调节、乳液稳定、药物负载、自组装、吸附或结构支撑。明确 CNC 的功能定位，才能合理确定添加量、改性方法、分散方式和表征重点。

6.2 确定 CNC 的分散介质

         CNC 在水中通常较容易分散，但在有机溶剂、疏水树脂和熔融塑料中容易发生团聚。因此，实验前应明确体系属于水相、醇相、有机溶剂体系、乳液体系、树脂体系，还是熔融聚合物体系。如果目标体系偏疏水，应优先考虑表面改性、溶剂置换、相容剂、乳液复合或原位聚合等方法，而不宜直接将 CNC 水分散液加入疏水基体。

6.3 评估是否需要干燥处理

         实验直接使用 CNC 水分散液，可以减少粉体团聚问题。但在储存、运输、称量或非水体系复合中，CNC 往往需要干燥处理。此时应重点评估干燥方式对再分散性的影响。

         CNC 干燥过程中容易因颗粒间氢键作用发生团聚，重新分散后不一定能恢复原有纳米分散状态。可设置“干燥前 CNC”和“干燥再分散 CNC”对照组，用于判断性能变化是否与干燥团聚有关。

6.4 判断是否需要表面改性

         并非所有 CNC 体系都需要表面改性。对于水相水凝胶、亲水薄膜或水性涂层，未改性 CNC 可能已经能够满足分散和复合需求。对于疏水塑料、高温加工、油相乳液、导电复合材料或特定传感体系，表面改性通常更加关键。

         常见改性目的包括提高疏水性、引入羧基或氨基、接枝聚合物链、增强界面结合、负载金属纳米粒子或引入响应性基团。改性后应通过傅里叶变换红外光谱、X 射线光电子能谱、元素分析、Zeta 电位或热重分析等方法验证改性效果。

6.5 根据研究问题选择表征方法

         不同研究问题应匹配相应测试手段。

         用合适方法回答明确问题。例如，研究阻隔膜应重点关注氧气透过率、水汽透过率和湿态稳定性；研究复合增强材料则应同时关注力学性能、断面形貌和界面结合。

6.6 设置必要对照组

         CNC 实验中常见问题是对照组不足，导致难以判断性能变化的真实来源。建议根据研究目的设置以下对照。

         如果研究对象是复合材料，还应结合断面形貌和界面结合分析；如果研究对象是传感材料，应关注循环稳定性、响应重复性和抗干扰能力；如果研究对象是生物医用材料，应加入细胞相容性和安全性相关实验。

7. 纤维素纳米晶相关代表产品分类与应用表

         说明：以下产品为纤维素纳米晶（CNC）相关科研选型参考，涵盖原料、预处理试剂、制备试剂、表面改性试剂和复合材料研究用基体。表中“应用”主要指科研实验设计或材料研究方向。

表1. 纤维素原料、微晶纤维素与纳米纤维素产品

表2. 纤维素预处理、漂白、水解与氧化制备试剂

表3. 表面酯化、硅烷化与生物偶联试剂

表4. 复合材料基体、水凝胶与包装材料相关产品

表5. 乳液界面调控与导电传感代表产品

         注：以上为阿拉丁代表产品，更多产品规格可用‘品名/CAS/货号’在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] ISO/TS 20477:2023. Nanotechnologies — Vocabulary for cellulose nanomaterial. International Organization for Standardization, 2023.

[2] Abdelhamid H. N., et al. Comprehensive review of cellulose nanocrystals: preparation, properties, modifications and applications. Bulletin of the National Research Centre, 2025.

[3] Advancements in cellulose nanocrystals: A review of functionalization, applications, and challenges. International Journal of Biological Macromolecules, 2025.

[4] Nanocellulose Composite Films in Food Packaging Materials: A Review. Polymers, 2024.

[5] Multiscale study of the chiral self-assembly of cellulose nanocrystals during the frontal ultrafiltration process. Nanoscale, 2024.

[6] Roman M. Toxicity of Cellulose Nanocrystals: A Review. Industrial Biotechnology, 2015.

[7] Sustainable Pickering Emulsions with Nanocellulose: Innovations and Challenges. Foods, 2023.

[8] Singh S., Bhardwaj S., Tiwari P., Dev K., Ghosh K., Maji P. K. Recent advances in cellulose nanocrystals-based sensors: a review. Materials Advances, 2024.

[9] Recent Advances in Cellulose Nanocrystal Production from Green Methods. Processes, 2025.

[10] Xu Y., Xu Y., Chen H., Gao M., Yue X., Ni Y. Redispersion of dried plant nanocellulose: A review. Carbohydrate Polymers, 2022.

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