科创中国

本项目以木材、秸秆等生物质资源为原料，采用本团队独立开发的高效纳米纤丝化解离技术提取高结晶度、高长径比的初级木质纤维素纳米纤维。在此基础上，利用自主开发的新型生物基纤维素复合泡沫的关键制造技术，生产具有绝热性、轻质性、阻燃性、高柔韧性及可调亲疏水性的生物基纳米纤维泡沫等其他衍生产品。主要应用在绿色快递包装、农用可降解地膜等日常应用场景及军用保温医疗箱、严寒地区建筑外墙保温泡沫等极端场景。

合成技术上，基于多年研究积累及系列核心专利，本团队采用自主创新的化学预处理结合机械解纤法，克服传统方法中工艺复杂、产品性能单一、成本高等难题，开发出具有高长径比、高热稳定性、高结晶度、高力学强度、高纯度、耐酸碱等优点的纳米纤维素泡沫及薄膜材料。生产工艺上，本团队创新生产流程，搭建具有自主知识产权的批量化纳米纤维素生产线，成本远低于同类产品，工艺简单，易于大规模推广。当前，纳米纤维素的生产规模发展到百公斤级。未来，将再搭建5-10条千公斤级生产线，生产规模有望达到百吨级。

本项目研制的木质纤维素泡沫塑料将广泛应用于物流包装、餐饮、军事、艺术及油水分离等领域。

传统塑料产品的痛点在于不可降解、高污染、生产耗能较大，而现存的可降解塑料又存在着承重能力低、成本高、核心技术未突破等目前难以化解的问题。因此，当前国内外对生物基纤维规模化制备及生物基纤维产品创制研究开发工作十分活跃。生物基纤维经过进一步化学预处理结合机械解纤处理，可以将细胞壁中的大部分基体物质脱除，并瓦解细胞壁的层状纳米结构，制得具有高长径比、网状结构、高孔隙率、高表面活性的微米、纳米纤维。本项目所制备的木质素纳米纤维具有如下优势：

l 柔韧性较高，作为包装不易损坏。以木制纤维素纳米纤维为原材料，承重能力较强，能够适应大负载和反复使用的需求。

具有阻燃性，可以作为防火包装。具体上可应用于建筑外墙、

l 航天航空领域的结构材料等对防火性能具有需求的领域。

l 可调亲疏水，可以作为防水材料。能够应用于需要防水产品的包装图层、防水衣物面料、化妆品外壳、薄膜太阳能电池等需要隔水的场景。

l 具有隔热性，可作保温保冷包装。能够满足保温与保冷两种场景需求，可用于军用药箱、保温菜窖、保温杯、航天材料等有恒温需求的领域。

同时，木质纳米纤维可以作为填料或基本构建单元，根据具体应用需求，可开发出具有不同结构和特征的高性能材料，其中以增强聚合物复合材料、纳米纸及薄膜材料较为普遍。此外，也有许多研究利用纳米纤维素制备水凝胶、多功能高性能纤维、微球等。这些多功能纳米纤维素基衍生产品可应用于绿色快递包装，泡沫塑料替代制品，可降解地膜，美妆产品，医用口罩，墨水增稠剂等方面（图6）。为新型制浆造纸、各种复合材料和功能材料、能源、医疗等多种领域提供了应用前景。

项目团队负责人为西安交通大学能源与动力工程学院刘茂昌教授。团队现有优青1人，青年长江学者2人，其他科学家3人及全职博士5人。团队在生物基纳米纤维关键制造技术、生物基纳米纤维凝胶聚集组装机制等方面的研究成果十分成熟。成果发表在Nature Energy、Nature Commun.、PNAS、Energy Environ. Sci.等顶尖期刊，申请及授权系列国内外专利，获得国家自然科学二等奖1项，省部科学技术奖2项。此外，团队依托包括动力工程多相流国家重点实验室在内的多个国家级、省部级平台，为后续研究奠定坚实基础。

(1) 项目投资经费表：

项目投资3年计划：总投资312 万元
年度/内容项目实施阶段投资额度资金主要用途
2023初创和调试阶段 86万元 研发投入、购置固定资产、生产备料
2024高端和定制化软件开发阶段 104万元 开拓市场客户，定制化软件产品，实现不同应用背景的智能场景分类识别、图像增强和智能检索，技术合作
2025高性能产品以及中低端产品大规模生产122万元 补充配套固定资产、检测设备；新产品的研发和试产；流动资金周转

2023年本期投资为 86万元，建成实验线1条，完成初代产品生产工艺研发。用于技术转让费用和产品研发投入、购置固定资产、生产备料约86万元。

2024年本期拟投资104万元，建设生产线1条，可实现年产木质纤维素纳米纤维原材料8吨。通过实际场景展示，发掘高端市场

客户需求，开拓市场客户，定制化产品，广泛开展技术合作。

2025本期投资122万元，用于补充配套固定资产和相关检测设备；进一步完善服务衍生产品研发体系。利用前期经验，在全国几个大城市继续推广产品，并建立相应的演示场景，进一步完善产品性能。

(2) 本项目研发的木质纤维复合泡沫在性能上有望满足甚至超过行业标准要求的各项指标，具有非常大的市场开发前景。另外现如今用于医用口罩的需求快速且持续增长。我国口罩最大产能为每天2000多万只，远不能14亿人民的需求。口罩短缺主要是生产原材料的滤芯短缺。本项目所制备的木质纤维素材料就可以加工成口罩的滤芯，从而极大的满足市场需求，占据市场空间，具有丰富的潜在利润值。本项目所生产的纤维素以及纳米纤维素除了在质量上有较大优势，在成本价格上也极具竞争潜力，工业化后可产生巨大的经济效应。

从生态环境保护的角度看，传统不可降解塑料成为生态环境的重要威胁，塑料替代品成为绿色发展的持续需求。木质纤维作为一种可降解的绿色环保产品，在生产过程中以生物质资源—木材作为原材料，成本低廉。同时，木质纤维本身具有多层级结构特征，由高长径比的聚合物纤丝结合不同的基体物质构筑而成。因此，充分利用木质纤维的结构优势，规模化制备木质纤维开发复合泡沫，有望在包括新型包装材料领域在内的多个领域获得重要应用。更重要的是，木质材料可降解为二氧化碳，水和小分子肥料，真正做到了环境友好。虽然该材料降解也产生了二氧化碳，但是碳来源于自然，经光合作用及分解堆肥，最后又归于植物，因此可以认为实现了碳循环和碳中和。

  本项目在木质纤维领域的攻关研究取得了重要突破，为产业转型升级提供了新的可能性。为了将这些研究成果投入商业应用、实现科技创新价值的最大化，通过与西安茂文纳纤科技有限公司合作开发具有特定性能和应用的新材料，将木质纤维规模化制备技术导入现有生产流程中，以提升产品性能和环保特性，目标将木质纤维衍生产品应用于物流包装、餐饮、军事、艺术及油水分离等领域，实现绿色环保的产业升级，将研究成果转化为商业价值。通过技术转化，减少环境负担，提供性能卓越的生物基材料，为可持续发展贡献力量。