纤维素纳米纤维的尺寸特征为宽度小于100纳米，长度在微米级别[1]、[2]。与天然纤维素相比，纳米纤维素具有更高的机械强度、更低的密度以及更好的生物降解性。由于其多功能性和可再生性，它们被广泛应用于包装、汽车零部件、纺织品、生物医学产品、粘合剂、纳米复合材料、染料吸附、药物输送等领域[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。近期有许多研究报道了从工业和农业废弃物中生产纳米纤维素的方法[10]、[11]、[12]。
大多数研究采用化学、机械、离子液体和酶法从农业废弃物中提取纤维素[13]、[14]。Pradhan等人综述了从不同天然来源提取纳米纤维素的各种化学方法[15]。Liu等人采用多步骤机械提取工艺（微流控技术、蒸汽爆破和微波辅助水解）从小麦秸秆中提取纳米纤维素，处理后纤维素含量从44.8%提高至94%[16]。离子液体也被广泛用于纳米纤维素的提取。Sankhla等人使用离子液体[Bmim]Cl从甘蔗渣中提取出直径小于35纳米的纳米纤维素[17]。Glińska等人证明离子液体是提取玉米秸秆中纤维素的有效介质[18]。TEMPO介导的氧化是一种常用的预处理方法，旨在实现纤维素的纤维化及胶体稳定性[19]、[20]。Ouhammou等人利用TEMPO/NaBr/NaClO体系从咖啡渣中提取纤维素，获得了67%的产率[21]。Souza等人使用不同浓度的H₂SO₄从狼果皮中提取纳米纤维素，结果表明较低浓度的H₂SO₄可提高纳米纤维素的热稳定性和分散性，表明其适合用于聚合物生物复合材料的制备[22]。综合来看，化学-机械联合法被认为是最适用的方法，因为它在实验室规模上易于操作且能耗较低。例如，Paul等人利用草酸和蒸汽爆破技术成功从Heliconia psittacorum L.f.叶片中制备出直径在15-40纳米范围内的纳米纤维[23]。然而，从农业废弃物中去除非纤维素成分耗时较长，需要多次预处理和酸水解步骤[24]、[25]。因此，富含纤维素的废弃物通常是提取纳米纤维素的首选。废纸填埋是环境污染的重要原因之一，但废纸经过部分脱木素处理后含有更多纤维素，可作为纳米纤维素的重要来源[26]。
多项研究报道了从废纸中成功提取纤维素纳米晶体的方法。Filson等人首次使用不同浓度的内切葡聚糖酶从再生纸浆中制备出高结晶度的纤维素纳米晶体，其ζ电位为-31.37 mV，显示出优异的胶体稳定性[27]。Mohamed等人通过亚氯酸钠漂白和65%硫酸水解从再生报纸的非印刷区域提取了纤维素纳米晶体[28]。Danial等人采用类似方法从整张报纸中提取了纤维素纳米晶体[29]。此外，还有研究专注于从废纸中提取纤维素纳米纤维。Suopajärvi等人使用环保的共晶溶剂（氯化胆碱和尿素）从牛奶容器纸板中提取了纤维素纳米纤维[30]。Joshi和Chauhan利用TEMPO介导的氧化和高剪切微流控技术从废纸中提取纤维素纳米纤维，并将其用作木材粘合剂的增强剂[31]。尽管从废纸中生产纤维素纳米材料具有环境效益，但这一过程仍存在环境影响，如使用有毒化学物质、频繁洗涤和能源消耗等。因此，了解提取纳米纤维素对环境的影响至关重要。
生命周期评估是一种评估产品环境可持续性的方法[32]、[33]、[34]、[35]。这包括原材料的使用影响、加工过程、生产成本、能源消耗、用水量、二氧化碳排放以及产品生命周期结束时的环境影响。通常采用ISO 14040和ISO 14044等标准来评估材料对环境的影响[36]。
本研究的假设是：废弃的彩票纸可以通过环保的化学处理方法可持续地转化为高品质的纤维素纳米纤维，这些纳米纤维具有高结晶度、良好的热稳定性和机械性能，且其生命周期环境影响低于传统生物质来源的纳米纤维素。纤维素纳米纤维的生产过程包括漂白、温和的酸水解以及蒸汽爆破。通过表征纤维素纤维的形态和化学变化来评估转化效率。本研究的新颖之处在于首次系统地将预处理的废弃彩票纸通过绿色两步工艺转化为高结晶度、热稳定的纤维素纳米纤维，并结合生命周期评估来证明其较低的环境影响及在可持续包装应用中的适用性。我们进行了详细的从摇篮到大门（cradle-to-gate）生命周期评估（LCA），以评估从彩票中生产纤维素纳米纤维的环境性能，识别关键的环境问题并提出优化策略，以提高废纸衍生纳米纤维素生产的可持续性。
