2024年10月17日-19日，2024全国绿碳科学会议在青岛召开。国家杰青、Green Carbon编委、北京林业大学许凤教授应邀出席，并作题为“纤维素精制及功能材料制备与应用”的特邀报告。

纤维素精制及功能材料制备与应用

 背景介绍 

木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生资源，将其转化为平台化学品、燃料及生物基材料，有助于我国绿色低碳和高质量发展。在本次邀请报告中，许凤教授系统介绍了课题组在木质纤维素主要组分纤维素精制和溶解再生加工技术等方面的研究进展：创新了深度氧脱木质素结合ClO₂/H₂O₂的纤维素清洁漂白技术，建立了基于新型离子液体溶剂体系的纤维素绿色高效溶解技术，完成了先进纤维素基材料的小试及中试生产，为木质纤维生物质资源的高效利用提供理论支撑和经验借鉴。

许凤教授应邀在2024全国绿碳科学会议“绿色低碳材料专场”作特邀报告

 报告内容介绍 

我国每年产生的农林废弃物高达8-10亿吨，这些生物质资源通过物理、化学和生物技术相结合的加工方法，可以炼制成平台化学品、燃料及生物基材料等。目前，生物质精炼技术受到国内外学者的广泛关注，是解决后化石资源时代能源、材料和化学品短缺的重要途经，对实现我国的“双碳”目标具有重要意义。

木质纤维生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，它们通过分子内和分子间氢键以及共价键相互交联形成紧密的“包裹结构”，构筑了木质纤维细胞壁抵抗物理、化学和生物作用的抗降解屏障。因此，需要开发清洁、高效的组分分离精制技术，促进生物质组分高效分离和综合利用。许凤教授围绕木质纤维生物质主要组分——纤维素，系统介绍了纤维素的精制及溶解再生加工技术。

1 纤维素精制技术

将木材等生物质原料的纤维素通过物理和化学方法溶解和分离，制备高纯纤维素产品（溶解浆）是制造粘胶纤维、醋酸纤维、硝酸纤维和纤维素醚等材料的重要原料。溶解浆的质量受发色基团、纤维形态、聚合度、结晶度等因素的影响。羰基（CO）是形成发色团的主要原因，羧基（COOH）可促进新羰基的产生和后续反应，从而导致溶解浆质量降低。为此，许凤教授团队与企业合作，创新了深度氧脱木质素结合ClO₂/H₂O₂的清洁漂白技术，显著提高了纤维素产品的白度（22%），降低了中段水的COD（40%~50%）。该技术制备的纤维素产品可以与产自日本和美国的优质产品媲美，为下游高附加值产品加工提供了高质量的国产原料。

纤维形态、聚合度、结晶度等因素影响溶解浆的反应活性。纤维的长宽比、细小纤维含量、粗度、扭结和卷曲程度等指标影响其后续加工利用。团队通过机械和化学处理提高细小纤维含量和分丝帚化程度，降低纤维扭结程度，改善纤维孔隙结构，显著提升了纤维素的反应活性。聚合度反映了纤维素分子量水平，影响纤维素对试剂的可及度。团队采用醋酸锌基DES联合纤维素酶法，使纤维素反应活性得到明显提升。

纤维素精制和纤维素可及度指标

此外，许凤教授团队构建了评估纤维素可及度和反应活性的指标体系，包括纤维的形态结构、比表面积、平均孔径、总孔体积、保水能力、松厚度和结晶度等。通过综合评价这些指标，能够为溶解浆制备工艺以及纤维素后续加工利用提供科学的理论指导。

2 纤维素溶解再生加工技术

纤维素溶解再生加工技术

再生纤维素产品加工过程中，需要将纤维素溶解在溶剂中，通过再生加工成纤维素丝或膜材料。目前，粘胶法和莱赛尔法是两种商业化的纤维素溶解及纺丝再生技术，但它们存在流程复杂、环境污染或成本高昂等问题。为此，团队提出了一种绿色环保、工艺简单、成本低廉的新型非咪唑基离子液体（SIL）体系，可有效破坏纤维素晶面上的分子间氢键和范德华力，高效溶解纤维素，80 ℃时纤维素最大溶解度达15 wt%。SIL体系对钢材几乎无腐蚀性，溶液粘弹性优异，加工温度范围宽，有利于纺丝以及浇筑成膜工艺的稳定进行。

许凤教授团队通过纤维素再生技术制备了一系列纤维素丝和膜产品，再生的纤维素凝胶和薄膜具有透明度可调、力学强度优的特点。通过静电纺丝技术，生产的SIL纤维表面光滑，粘连较少，直径约200 nm，热稳定性高；建立了优异力学性能和服用性能的再生纤维素湿法纺丝技术，并具有复合碳纳米管、石墨烯等制备功能纤维的能力；团队利用干喷湿纺技术，在合作企业完成公斤级小试生产，SIL丝不易起球，强度高、纤度小，伸长率大，产品满足国家标准要求。

此外，纤维素溶剂回收技术是实现资源循环利用的重要手段，在制备再生纤维素材料的过程中，建立有效的溶剂回收技术至关重要。许凤教授团队利用纳滤回收法及减压蒸馏技术实现SIL回收效率大于95%，循环次数是咪唑基IL的两倍，实现溶剂的有效回收，可有效降低溶剂成本、减少环境污染。

3 总结与展望

纤维素基材料作为一种可再生、可降解的重要生物质材料具有重要的研究价值，在生物医药、纺织、电子产品、能源、工业材料等领域具有巨大的发展潜力。未来需要继续深入研究纤维素基材料的性质和性能，发展纤维素高效、绿色加工新方法，不断优化生产工艺、制备技术和性能调控方法，实现纤维素生物质资源的高值化可持续利用。

专家介绍

许凤 教授

许凤，北京林业大学材料与工程学院教授、博士生导师、国家杰青、教育部长江学者特聘教授、担任国际木材科学院会士兼任理事、中国造纸学会第九届理事会理事、纤维素技术协会专家委员会委员、中国化学会生物化工专业委员会第八届委员。担任中文核心期刊《北京林业大学学报》副主编，《生物质化学工程》和《林业工程学报》编委，Industrial Crops and Products、Cellulose、Green Carbon编委。长期致力于农林生物质转化研究，发表学术论文300余篇，授权国家发明专利20件，获轻工联合会及梁希技术发明一等奖各1项。

 原文链接 

许凤教授与Green Carbon | 纤维素精制及功能材料制备与应用

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