本文是一篇发表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊的视角文章（Perspective），由Mohammed Arif Poothanari, Aigoul Schreier, Karim Missoum, Julien Bras, 和 Yves Leterrier*（通讯作者）共同撰写。作者单位包括瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）高级复合材料加工实验室和雀巢研发中心包装科学研究所。文章发表于2022年3月2日（网络发表日期）。文章的主题是对基于纳米纤维素的光固化聚合物复合材料领域近期进展的全面概述与展望，重点关注纤维素纳米纤丝，并详细阐述了其制造工艺、性能、生命周期工程方法以及在不同领域的应用。

文章首先指出，利用可再生资源合成聚合物复合材料作为化石基复合材料的可持续替代品，其重要性日益增长。纤维素作为地球上最丰富的生物质资源，具有出色的机械性能、低密度和可生物降解性的独特组合。尽管纤维素复合材料的研究已有数十年历史，相关出版物数量自2000年以来呈指数级增长，但光固化（UV-cured）纤维素复合材料的相关研究却相对较少，仅占该领域总文献量的不到0.5%。然而，近年来这一领域呈现出增长趋势，这源于将生物基资源与环境友好型工艺相结合的优势。光聚合是一种在光引发剂吸收光后通过链式反应从单体创建交联聚合物网络的合成方法。与传统热固化方法相比，光固化具有室温操作、周期极短、能量输入时空控制精度高、固化膜溶剂耐受性好、挥发性有机化合物排放低、资本投资和能源强度低以及环境影响小等优点。其主要缺点包括光穿透深度有限、常见光聚合物的不可逆性和不可回收性，以及一些材料前体（如光引发剂碎片）的毒性。

文章的核心内容围绕光固化纳米纤维素复合材料的制造工艺与性能展开。作者强调，将高亲水性的纳米纤维素与疏水性聚合物基体结合面临的关键挑战在于两者表面能的拮抗。纳米纤维素（尤其是纤维素纳米纤丝CNF和纤维素纳米晶体CNC）在水介质中分散，且固体含量低，与大多数非极性聚合物基体相容性差，容易聚集，导致界面粘附不良，从而损害其增强潜力。因此，通常需要对纳米纤维素表面进行改性以增加其疏水性。文章系统梳理了将纳米纤维素掺入光固化树脂的两种主要模板化方法以及相关的制造工艺。

第一种方法是溶剂辅助混合工艺。对于水溶性聚合物，可将纳米纤维素水悬浮液直接与聚合物溶液混合。对于非水溶性聚合物，则采用溶剂交换法，逐步用极性递减的溶剂（如乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺DMF）替换纳米纤维素悬浮液中的水，最后通过烘箱干燥或冷冻干燥去除溶剂，得到均匀分散在树脂配方中的纳米纤维素。化学改性后的纳米纤维素也可分散在适当溶剂（如DMF）中后掺入树脂。溶剂的流变行为对于后续加工操作的稳定性至关重要，例如CNF水悬浮液的粘度随浓度增加而急剧上升，表现出明显的剪切稀化行为，而CNC在UV固化树脂中的悬浮液即使在较高纤维素含量下，其粘度也仍适用于涂层应用。

第二种方法是预制件浸渍工艺。此方法首先将纳米纤维素悬浮液加工成预制件或支架（例如通过真空过滤形成湿垫或薄膜），然后对预制件进行溶剂交换处理以去除水分，再将其浸入树脂配方中进行浸渍。浸渍过程可能需要数天，但可通过真空渗透或等静压技术显著缩短时间。随后进行光聚合。通过这种方法，可以获得纳米纤维素含量非常高（例如60-70 wt%）的复合材料。研究表明，以此法制备的透明纳米复合材料具有极低的热膨胀系数。

此外，文章还详细介绍了其他几种制造工艺： * 乳化法：通过将纳米纤维素水悬浮液与疏水性UV固化丙烯酸酯直接混合，可以形成皮克林乳液，其中纳米纤维素颗粒在油水界面吸附并稳定乳液，同时充当复合材料的增强相。通过后续的真空过滤、干燥、热压和UV固化，可以获得具有独特反向珍珠层状微观结构的透明复合材料，其力学、光学和热性能得到极大提升。 * 浇铸与涂层工艺：将含有纳米纤维素颗粒的树脂配方浇铸到模具中或涂覆在基材上，干燥去除溶剂后，进行UV固化。此方法适用于制备独立薄膜或功能性涂层。 * 3D打印：将纳米纤维素悬浮液或改性后的纳米纤维素粉末掺入光交联配方中，通过立体光刻等技术进行3D打印，可以制造复杂三维结构。为了克服UV穿透深度的限制并提高纳米纤维素含量，研究人员开发了混合3D打印-挤出工艺，通过优化流变学和使用溶剂交换后浸渍树脂的方法，成功制造了纳米纤维素体积分数高达27.35%的复合材料部件，其在生物医学和组织工程领域具有应用潜力。

文章特别强调了生命周期工程方法对于评估光固化纳米纤维素复合材料可持续性的重要性。虽然纳米纤维素（作为生物基资源）和光聚合（作为节能工艺）常被认为是环境友好的，但其实际环境影响取决于纳米纤维素的提取过程、光固化单体的来源、加工中有机溶剂的使用以及产品使用寿命结束后的处理策略。作者指出，未来研究应优先考虑从生物质中提取光固化单体、从木材替代源（如藻类）中提取纳米纤维素、开发可生物降解树脂和可逆光聚合物以促进可回收性，并对这类新材料在整个生命周期内的环境足迹进行全面评估。

在应用方面，文章重点介绍了光固化纳米纤维素复合材料的几个主要领域： 1. 防护涂层：这是光聚合材料的首个应用领域。将CNC等纳米纤维素加入丙烯酸酯等树脂中制备UV固化涂层，可以提高涂层的硬度、耐磨性、耐刮擦性和玻璃化转变温度，并用于木材保护，显著降低木材的吸水能力。 2. 阻隔复合材料与薄膜：CNF本身在低湿度下是优异的阻隔材料，但在高湿度下性能会急剧下降。通过将表面改性后的CNF封装在相对疏水的聚合物基体中，可以制备出在高湿度下仍保持优异氧气阻隔性能的复合材料。此外，在CNF薄膜上涂覆UV固化环氧树脂/溶胶-凝胶杂化涂层，也能显著改善其水蒸气阻隔性能，适用于食品包装和电子器件封装。 3. 生物医学用复合水凝胶：利用纳米纤维素增强UV固化水凝胶的机械稳定性，是生物医学领域的一个重要方向。研究表明，低浓度的CNF（低于1 wt%）能有效散射UV光，缩短聚合时间，并显著提高水凝胶的断裂强度。将CNF与海藻酸钠形成双网络结构，可以极大提高水凝胶的韧性及其与软骨组织的粘附强度。3D打印技术也被用于制造CNC增强的聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶结构，用于组织工程。 4. 其他应用：包括通过光催化硫醇-烯反应在图案化CNF薄膜上创建超疏水-超亲水区域，用于生物传感器件；作为锂离子电池的复合聚合物电解质隔膜，提高机械性能和电化学性能；以及作为透明、可折叠的丙烯酸酯-细菌纳米纤维素复合薄膜，用于平板显示器等。

文章最后总结了该领域发展的主要驱动力、当前面临的挑战以及未来的研究方向。主要驱动力在于结合生物基可再生资源与节能工艺，开发环境友好的复合材料。主要挑战包括纳米纤维素的亲水性、与聚合物的不相容性、CNF原料的异质性以及纳米纤维素及其复合材料对湿度的敏感性。未来工作应侧重于通过热处理和界面化学改性来降低湿度敏感性，并致力于开发基于生物质的光固化单体、探索可替代的纳米纤维素来源、设计可回收或可生物降解的树脂体系，并对这类材料的全生命周期环境影响进行系统评估。

这篇视角文章的价值在于，它系统性地梳理和总结了光固化纳米纤维素复合材料这一新兴交叉领域的最新研究进展、制造技术、性能特点和应用前景。它不仅为研究人员提供了该领域的全面技术概览，明确了当前的技术瓶颈和关键科学问题，而且从生命周期工程的角度提出了对未来可持续发展方向的深刻见解。文章强调了将绿色材料与绿色工艺相结合以实现真正可持续材料系统的重要性，对于推动高性能、低环境影响的先进复合材料的发展具有重要的指导意义。文章结构清晰，论据充分，引用了大量前沿研究成果，是一篇具有高度参考价值的综述性文献。