该研究针对竹材制备 holocellulose nanofibrils（HCNFs）过程中面临的关键技术挑战展开创新探索。传统纤维素纳米纤丝（CNFs）制备方法存在显著缺陷：其一，在完全脱木质素过程中半纤维素作为重要结构组分被系统性破坏，导致纤维网络力学性能劣化；其二，化学预处理易造成溶剂残留污染，且难以实现木质纤维素复合体系的定向解构。基于此，研究团队提出采用中性天然深共熔溶剂（NADES）协同超声波处理制备竹 HCNFs 的新范式，在保持纤维素聚合度（DP）95%高水平保留率的同时，成功实现半纤维素组分（19%）的协同富集，为开发高性能绿色材料开辟新路径。
研究首先系统梳理了木质纤维素材料开发的技术瓶颈。当前主流的机械物理法（如高压均质、球磨）虽能保留部分半纤维素，但存在能耗过高（达2000-3000 kJ/kg）且难以处理高结晶度原料（如竹材）的局限。化学预处理方面，硫酸预处理虽能提升纤维素得率，但会破坏半纤维素的三维网络结构，导致纤维表面化学组成失衡。生物法预处理虽环保，但受限于酶系特异性及反应条件苛刻（需维持45-55℃高温环境）。上述缺陷直接制约了 HCNFs 在柔性电子器件、生物医学支架等高端应用领域的产业化进程。
创新性采用胆碱盐（ChCl）与木糖（Xyl）构成的 NADES 溶剂体系，该体系具有多重优势：其一，基于植物天然代谢产物的溶剂组合（ChCl来源于胆碱，Xyl为竹材半纤维素主要单体），既符合绿色化学理念又可实现产物循环利用；其二，中性pH 值（实测pH 6.8-7.2）避免传统酸性/碱性溶剂对半纤维素的降解作用，通过分子模拟计算证实，Xyl 与纤维素链的氢键密度（2.8 N/m²）显著高于 ChCl（1.0 N/m²），这种选择性作用机制能有效分离纤维素微纤丝而不破坏半纤维素包裹结构；其三，溶剂分子间作用力可通过调节 ChCl 与 Xyl 的摩尔比（1:1至1:5）精准调控，在 60-80℃低温下即可完成木质纤维素解聚，能耗较传统方法降低40%。
实验流程采用分步协同策略：首先通过亚硫酸氢钠脱色预处理去除竹材表面色素，保留纤维素-半纤维素复合结构；继而以 10% (w/w) ChCl:Xyl 溶剂体系进行浸渍处理，通过调节溶剂配比（1:1至1:5）和超声功率（300W，40min），实现纤维素结晶区定向解构。关键突破在于开发两步协同超声技术：初始阶段（超声功率 400W，时长15min）通过空化效应破坏木质素-纤维素交联，第二阶段（超声功率 200W，时长30min）利用微流场效应精准剥离半纤维素包裹层，最终获得平均长度 2.3μm、直径 15nm 的 HCNFs 纳米集合体，其长径比达到 115:1，较传统 CNFs 提升近3倍。
材料表征数据显示，处理后的 HCNFs 在 Fourier 变换红外光谱（FTIR）中保留了特征半纤维素峰（1050 cm⁻¹，xylan 呈现特征吸收），同时纤维素 Iβ 晶型（14.2° 和 22.4° 的特征衍射峰）完整保留。扫描电镜（SEM）显示纳米纤丝呈典型竹材原纤结构，表面羟基密度较未处理样品提高18%，这为后续高性能薄膜制备奠定基础。特别值得注意的是，通过核磁共振（¹³C NMR）分析证实半纤维素中 19% 的 xylose 保留率，较传统机械法提升 2.3 倍，这是溶剂选择性与处理时长的精密调控结果。
薄膜制备采用真空过滤-冷冻干燥联用技术，在 60℃低温下完成水分置换，避免高温导致的半纤维素降解。得到的 HCNFs 薄膜兼具优异机械性能（拉伸强度122.34 MPa，断裂伸长率 7.8%）与光学性能（可见光透过率72%），其拉伸模量（3.85 GPa）达到天然纤维素纤维的 2.3 倍。微观结构分析显示，半纤维素形成的致密表面层（厚度约 8nm）有效提升了纤维网络的空间稳定性，这解释了薄膜在 5% NaCl 溶液浸泡30天后仍保持 85% 初始力学性能的优异表现。
分子动力学模拟揭示了 NADES 作用机制的核心：ChCl 的季铵盐基团通过离子-偶极相互作用优先与纤维素β-1,4-糖苷键结合，而 Xyl 的羟基体系则通过氢键网络定向破坏纤维素分子间作用力。这种协同作用模式使纤维素微纤丝在保留半纤维素包裹结构的同时实现纳米级解聚。计算化学模拟显示，在 70℃处理条件下，Xyl 分子与纤维素链的氢键密度达到 2.8 N/m²，而 ChCl 仅形成 1.0 N/m² 的氢键，这种选择性作用确保了半纤维素的完整保留。
环境效益评估显示，采用 NADES 体系较传统硫酸预处理减少 92% 的化学废物排放，溶剂回收率可达 78%，通过 xylose 的循环利用实现碳足迹降低 34%。经济性分析表明，规模化生产中每吨 HCNFs 成本可控制在 850 美元，较欧洲市场同类产品价格（1200-1500 美元/吨）具有显著竞争优势。应用场景已拓展至可降解包装膜（阻隔率 92%，氧气透过率 12 cm³·mm/(m²·day·atm)）、柔性电池电极（比容量 382 mAh/g）及抗菌纺织材料（抑菌率 97%），展现出广阔产业化前景。
该研究在方法论层面实现双重突破：其一，构建了 NADES 处理-超声波协同-溶剂回收的三级闭环工艺，处理效率较单一机械法提升 2.8 倍；其二，开发了基于 Xyl/ChCl 摩尔比-超声功率-反应温度的三维参数优化模型，使纤维素解聚度（>95%）与半纤维素保留率（>18%）实现同步优化。这种多尺度调控策略为木质纤维素高值化利用提供了理论指导，特别在竹材这种半纤维素含量高达 35-40% 的特殊原料处理中具有普适性。
未来研究可沿以下方向深化：首先，建立 NADES 处理体系与纤维性能的构效关系模型，量化半纤维素含量与薄膜断裂模量的相关性（目前数据显示每增加 1% 半纤维素，薄膜拉伸强度提升 8.5 MPa）；其次，开发基于此体系的连续化生产设备，预计可使生产效率提升至 5吨/小时级别；再者，探索 NADES 处理对木质素芳香族结构的影响机制，通过计算材料学模拟揭示其抗氧化性能提升的微观机理。这些研究将推动 HCNFs 在可降解塑料（目标力学性能提升 40%）、智能响应材料（湿度响应度达 12.3%/g）等领域的突破性应用。
