羧基化纤维素纳米纤丝（Carboxylated Cellulose Nanofibrils, CCNF）作为单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs）的水性分散剂，近年来在纳米复合材料、导电薄膜、柔性电子及生物医学等领域受到广泛关注。该技术利用CCNF表面丰富的羧基官能团与SWCNTs之间的非共价相互作用（如π–π堆积、静电排斥、氢键作用等），实现SWCNTs在水相中的高效、高固含稳定分散，同时保留其本征电学与力学性能。以下是对该技术的现状综述及发展挑战分析：
一、技术现状
1. 分散机理明确，效率较高
CCNF通常通过TEMPO氧化、高碘酸钠/硼氢化钠氧化或羧甲基化等方法在纤维素表面引入大量–COOH基团，使其具备良好的水溶性和表面电荷（负电性）。CCNF的纳米纤维结构可包裹SWCNTs，形成“核–壳”结构，通过空间位阻与静电排斥防止其重新团聚。研究表明，CCNF在低添加量（<1 wt%）下即可实现SWCNTs在水中的均匀、长期稳定分散（>数周）。
2. 良好的生物相容性与可再生性
相比传统表面活性剂（如SDS、SDBS）或聚合物（如PSS、PVP），CCNF来源于天然纤维素，具有可再生、可降解、低毒性等优势，适用于对环境友好和生物安全性要求高的应用场景，如生物传感器、可植入电子器件等。
3. 功能复合材料性能优异
CCNF/SWCNT复合体系兼具高导电性、高机械强度与柔性。例如，基于CCNF分散的SWCNTs所制备的透明导电薄膜，在85%透光率下可实现方阻<300 Ω/sq，性能接近商用ITO，且具有优异的弯折稳定性。此外，该体系还可用于制备应变传感器、超级电容器电极等。
4. 工艺兼容性良好
CCNF/SWCNT水性分散液适用于喷涂、旋涂、真空抽滤、3D打印等多种加工方式，便于与现有水性制造工艺集成，有利于规模化应用。
二、发展挑战
1. 分散选择性与纯度控制不足
SWCNTs通常包含半导体型（s-SWCNT）和金属性（m-SWCNT）两种类型，而CCNF对其分散缺乏电子结构选择性，难以实现类型分离。若用于电子器件，需额外引入分选步骤，增加了工艺复杂性与成本。
2. 界面相互作用机制尚不完全清晰
尽管普遍认为CCNF通过π–π作用与SWCNTs结合，但其具体结合位点、构象变化、羧基密度与分散性能的定量关系仍需深入研究。分子动力学模拟与原位表征技术（如原位Raman、AFM-IR）的应用尚不充分。
3. 导电性能仍受限于绝缘CCNF层
CCNF为绝缘体，其包覆层虽有助于分散稳定性，但会降低SWCNT网络的载流子迁移率。如何在保证分散稳定性的同时最小化绝缘层厚度，或开发导电型改性CCNF（如引入共轭结构），是提升电学性能的关键。
4. 批次稳定性与规模化生产挑战
CCNF的制备受原料来源（木材、棉、细菌纤维素等）、氧化工艺、后处理条件影响较大，导致其羧基含量、纳米纤丝直径和长径比存在批次差异，进而影响SWCNTs分散的一致性。同时，高纯度SWCNTs本身成本高昂，限制了该技术在大规模工业中的应用。
5. 环境与长期稳定性问题
尽管CCNF本身可生物降解，但在实际复合材料中，其与SWCNTs的界面在长期使用或极端环境（高温、高湿、紫外）下可能发生老化或解离，影响器件寿命。相关耐久性研究尚不充分。
三、未来发展方向
- 开发具有选择性识别能力的功能化CCNF（如引入DNA、芳香族配体）；
- 构建“轻包覆”或“可去除”CCNF分散体系，兼顾分散性与导电性；
- 推进CCNF/SWCNT分散液的标准化与中试放大，提升批次稳定性；
- 拓展在柔性电子、智能包装、生物电子等新兴领域的应用验证；
- 结合绿色化学理念，优化CCNF制备工艺，降低能耗与化学品使用。
综上所述，CCNF作为SWCNTs的水性分散剂展现出显著优势，但在选择性、导电性、稳定性及工业化方面仍面临挑战。通过材料设计、机理研究与工艺优化的多维度协同，有望推动该技术从实验室走向产业化应用。
