这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是详细的研究报告：

作者与机构
本研究由Jie Zhou、Yifan Ma、Jinqing Chen、Ziyan Cai、Luhe Qi、Jinyi Cui、Shilin Deng、Wengen Ouyang、Zhiqiang Fang、Xueqing Qiu和Chaoji Chen共同完成。研究团队来自多个机构，包括武汉大学资源与环境科学学院、华南理工大学轻工与工程学院、武汉大学土木工程学院以及广东工业大学化学工程与轻工业学院。该研究发表在期刊《Advanced Materials》上，预计于2025年出版。

学术背景
本研究的主要科学领域是材料科学与环境工程，特别是纳米纤维素（Cellulose Nanofibers, CNFs）的开发与应用。研究背景源于全球面临的两大环境问题：资源短缺和“白色污染”。塑料的年产量已超过3.9亿吨，但仅有不到10%的塑料被回收，对环境造成了巨大负担。相比之下，纤维素作为一种丰富的可再生资源，每年产量高达7500亿吨，具有极大的应用潜力。自1983年纳米纤维素被发现以来，其在科学研究和工业应用领域迅速发展的一个重要挑战，因此，研究团队旨在通过调控纳米纤维素的超分子亲水性，解决其脱水问题，从而制备出高密度、高性能的纳米纤维素块体材料，以替代传统塑料。

研究流程
研究主要包括以下几个步骤：
1. 纳米纤维素的制备与预处理：研究团队使用漂白木浆作为原料，通过羧甲基化反应制备纳米纤维素。具体步骤包括将木浆与氢氧化钠、氯乙酸在乙醇-水混合溶剂中反应，随后通过机械纳米化处理得到纳米纤维素悬浮液。
2. 脱水与成型：为了解决纳米纤维素悬浮液的高保水值问题，研究团队采用乳酸（Lactic Acid, LA）作为脱水剂，结合热压成型技术进行加工。具体流程包括向纳米纤维素悬浮液中缓慢加入乳酸，诱导纳米纤维素聚集成凝胶颗粒，随后通过压力过滤和热压成型制备出高密度的纳米纤维素块体材料。
3. 结构表征与性能测试：研究团队对制备的纳米纤维素块体材料进行了多种表征和性能测试，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、小角X射线散射（SAXS）等，以分析其化学结构和物理形貌。此外，还测试了材料的机械性能（拉伸强度、弯曲强度、硬度等）、热稳定性、阻燃性以及水稳定性。
4. 数据分析与机理研究：通过原子力显微镜（AFM）和石英晶体微天平（QCM-D）等技术，研究团队定量分析了纳米纤维素分子之间的相互作用力，揭示了乳酸诱导纳米纤维素聚集的机理。

主要结果
1. 脱水与成型：研究发现，加入乳酸后，纳米纤维素悬浮液的zeta电位显著降低，表明系统变得不稳定，纳米纤维素颗粒开始聚集。通过压力过滤，研究团队成功地将悬浮液中的水分大量去除，最终通过热压成型制备出密度高达1.426 g cm⁻³的纳米纤维素块体材料。
2. 结构表征：FTIR和XPS分析表明，乳酸与纳米纤维素之间形成了强氢键，导致材料的亲水性降低。拉曼光谱和SEM结果显示，乳酸在纳米纤维素中分布均匀，材料呈现出致密的层状结构。
3. 机械性能：制备的纳米纤维素块体材料表现出优异的机械性能，其中拉伸强度为75.5 ± 4.5 MPa，弯曲强度为198 ± 20 MPa，硬度约为300 MPa，均超过了大多数工程塑料。
4. 热稳定性和阻燃性：纳米纤维素块体材料在高温下表现出良好的热稳定性，热膨胀系数低于30 ppm K⁻¹。此外，材料还显示出优异的阻燃性能，极限氧指数（LOI）达到44%。
5. 水稳定性：材料在浸水后的吸水率上限为25%，且在水分饱和后仍能保持稳定的机械性能。

结论与意义
本研究通过调控纳米纤维素的超分子亲水性，成功解决了其高保水值问题，并制备出高密度、高性能的纳米纤维素块体材料。这种材料不仅具有优异的机械性能和热稳定性，还表现出良好的水稳定性和阻燃性，能够在极端环境下保持稳定的性能。此外，纳米纤维素块体材料的生物降解性和可重复加工性使其成为替代传统石油基塑料的理想选择，为生物质资源的可持续利用提供了新的方向。

研究亮点
1. 创新性地通过乳酸调控纳米纤维素的亲水性，解决了其高保水值问题。
2. 制备出高密度、透明且可定制形状的纳米纤维素块体材料，其机械性能优于大多数工程塑料。
3. 揭示了乳酸诱导纳米纤维素聚集的分子机制，为纳米纤维素的加工和应用提供了理论基础。
4. 材料的优异热稳定性、阻燃性和水稳定性为其在建筑、汽车等领域的应用提供了广阔前景。

其他有价值的内容
研究还探讨了纳米纤维素块体材料的再生性能，证明其可以通过机械粉碎和热压成型重新加工利用。此外，材料在生命周期结束时可以通过热解回收能量，或通过土壤埋藏实现生物降解，进一步体现了其环保优势。

这篇研究不仅推动了纳米纤维素在结构材料领域的应用，还为减少对不可降解石油基材料的依赖提供了新的解决方案，具有重要的科学和应用价值。