ISO 638-22021 纸、纸板、纸浆和纤维素纳米材料烘干法测定干物质含量第2部分纤维素纳米材料悬浮液标准立项发展报告

纤维素纳米材料悬浮液干物质含量测定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Paper,Board,PulpsandCellulosicNanomaterials—DeterminationofDryMatterContentbyOven-DryingMethod—Part2:SuspensionsofCellulosicNanomaterials摘要随着纳米技术在制浆造纸及新材料领域的深度渗透，纤维素纳米材料（CellulosicNanomaterials,CNMs）因其优异的力学性能、生物可降解性和可再生特性，已成为国际新材料研发与产业化的重要方向。干物质含量作为纤维素纳米材料悬浮液质量控制、计量称量、储存运输及后续加工应用的基础性技术指标，其测定方法的标准化直接关系到产业链上下游数据的可比性与贸易公平性。本文围绕国际标准化组织（ISO）发布的ISO638-2:2021《纸、纸板、纸浆和纤维素纳米材料烘干法测定干物质含量第2部分：纤维素纳米材料悬浮液》标准，系统梳理了该标准的立项背景、编制依据、主要技术内容与国际适用性。通过分析标准废止的潜在原因及当前国际纳米材料标准化进展，本文进一步探讨了纤维素纳米材料干物质含量测定方法标准化的发展方向，并对我国在该领域的标准化工作提出对策建议。该报告旨在为标准使用者提供系统参考，同时为我国制浆造纸及纳米纤维素领域的标准制修订和国际标准化工作提供决策支撑。关键词：纤维素纳米材料；干物质含量；烘干法；ISO638-2；标准化；悬浮液；国际标准一、引言1.1标准化背景与研究意义自21世纪初纳米纤维素首次被系统研究以来，其应用领域已从最初的纸品增强逐步扩展至生物医学材料、高性能复合材料、食品包装、水性涂料、油气开采等多个战略性新兴产业。据相关行业统计，全球纤维素纳米材料市场规模预计在未来十年内保持两位数的年复合增长率。在这一快速扩张的产业背景下，建立统一、可靠的检测方法标准，尤其是面向悬浮液形态产品的质量参数测定标准，已成为国际共识。干物质含量（DryMatterContent,DMC），又称总固形物含量，是纤维素纳米材料悬浮液最核心的基础质量参数之一。该参数直接决定了产品的有效成分浓度，进而影响产品定价、配方设计和应用性能。由于纤维素纳米材料悬浮液具有高持水性、胶体稳定性和浓度依赖性流变特征，传统纸浆干物质含量测定方法在实际应用中暴露出样品取量困难、干燥不完全、结皮导致的水分残留等问题，亟需针对该新型材料建立专属的测定方法标准。1.2标准的基本信息概述ISO638-2:2021由国际标准化组织（ISO）下设的ISO/TC6（纸、纸板和纸浆技术委员会）归口管理，于2021年5月6日正式发布。该标准属于ISO638标准体系的第2部分，与其前序标准ISO638:2008（纸、纸板和纸浆——烘干法测定干物质含量）共同构成了涵盖传统纸浆、纸张和新兴纤维素纳米材料的干物质含量测定标准体系。该标准的发布填补了国际范围内纤维素纳米材料悬浮液干物质含量测定方法标准的空白，为全球CNMs产业的检测方法统一和数据互认提供了重要依据。值得注意的是，根据最新标准状态信息，该标准已标记为“废止”。这一状态变化反映出国际标准化组织对技术标准动态维护和更新的机制特征，意味着该标准可能已被新版标准替代，或其技术内容需要根据产业实践的最新反馈进行全面修订。这一变化恰恰凸显了标准化工作在快速发展的纳米材料领域所面临的持续挑战。二、标准的立项背景与编制依据2.1国际纳米纤维素产业发展的标准需求纳米纤维素通常包括纤维素纳米纤丝（CNF）、纤维素纳米晶体（CNC）和细菌纤维素（BC）三大类。各国研究机构和企业生产规模不断扩大，在质量控制过程中面临的首要问题即为：如何准确、快速地测定不同来源、不同预处理方式的纳米纤维素悬浮液的干物质含量。该参数虽然看似基础，但直接影响着诸多关键下游应用。-计量与贸易结算：纳米纤维素悬浮液通常以浓度作为计价基准，干物质含量测定误差将直接导致贸易纠纷；-配方设计与工艺控制：在复合材料制备、涂层配方和凝胶体系构建中，干物质含量的准确值决定了添加量的精确控制；-储运安全与保质期评估：高浓度悬浮液的干物质含量变化可作为微生物增殖和沉降稳定性的辅助评价指标；-标准样品赋值：干物质含量测定是CNMs标准样品赋值的基础方法之一。产业界的这些基本需求，为ISO立项编制专门针对纤维素纳米材料悬浮液的干物质含量测定方法标准提供了客观基础。2.2既有标准的局限性分析在ISO638-2:2021发布之前，干物质含量测定主要依据ISO638:2008。该标准适用于纸、纸板和纸浆，其核心方法为：在（105±2）℃条件下将试样烘干至恒重，以烘干前后质量差计算干物质含量。然而，针对纤维素纳米材料悬浮液，该方法存在以下突出问题：-样品取量偏差大：纳米纤维素悬浮液黏度高、附壁性强，若取样量过小（通常建议绝干量1g以上），称量误差被显著放大；-干燥动力学行为异常：CNM悬浮液在烘干过程中容易形成表面致密膜，内部水分难以彻底挥发，虽经长时间烘干仍可能残留结合水，导致结果正向偏差或重复性降低；-结皮和飞溅：干燥后期易出现局部暴沸或结皮隆起，造成样品损失和污染；-样品预处理欠缺：纳米纤维素凝胶具有剪切变稀特性，直接取样的代表性难以保证，需要规定明确的均质化预处理程序。上述局限性表明，基于传统纸浆制定的测试方法无法完全满足纳米纤维素这一新型材料的检测需求，需要制定专门的补充性标准。2.3标准编制的过程与国际协作ISO638-2:2021的编制工作由ISO/TC6框架下的WG17工作组（纳米纤维素标准化工作组）承担。这一工作组集聚了来自加拿大FPInnovations、瑞典RISE研究所、芬兰VTT技术研究中心、日本京都大学、美国缅因大学等全球领先研究机构和产业界的技术专家，历时多年研讨和实验室间比对试验（interlaboratorycomparison）后最终形成了该标准。编制过程中参考了加拿大CSAZ5100系列标准、TAPPI相关测试方法（如TAPPIT412）以及日本JPCA标准中的相关技术内容，经过多轮委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）各阶段投票，最终于2021年正式发布。三、标准的主要技术内容3.1标准适用范围与基本框架ISO638-2:2021规定了采用烘干法测定纤维素纳米材料悬浮液干物质含量的方法，适用于所有类型的纤维素纳米材料——包括纤维素纳米纤丝（CNF）、纤维素纳米晶体（CNC）以及对纤维素进行化学改性后得到的衍生纳米材料悬浮液。该标准明确排除了含有在烘干温度下具有显著挥发性的有机溶剂或其他挥发性组分的悬浮液体系，以保障测试结果的准确性和可靠性。3.2测定原理简述标准所述方法的基本原理是将已知质量的纤维素纳米材料悬浮液试样置于（105±2）℃的烘箱中进行烘干处理，在此温度下，悬浮液中的游离水和大部分结合水被蒸发去除，根据烘干前后的质量差异计算试样中的干物质含量。该原理与ISO638:2008保持一致，以保证与既有标准体系的兼容性和衔接性。3.3关键仪器与试剂要求标准规定选用满足特定精度要求的分析天平（感量0.1mg）以及具备温控精度（±2℃）和均匀温度场的强制通风烘箱。针对纤维素纳米材料悬浮液的特殊物性，标准特别建议选用合适材质的称量容器，减少挂壁影响。标准还规定使用干燥器对烘干后的样品进行冷却，防止冷却过程中吸收环境水分。3.4针对纤维素纳米材料特性的方法改进相较于ISO638:2008，该标准针对纳米纤维素的独特物性引入了多项关键技术改进措施：-试样预处理与分散均质化：标准要求在取样前对悬浮液进行充分搅拌或使用高速剪切均质处理，确保样品均匀性。对高黏度凝胶样品，建议采用机械搅拌结合脱泡处理，减少气泡对取样质量的影响；-优化的取样质量范围：根据CNM悬浮液浓度水平，给出阶梯式的取样量建议，确保绝干量满足称量精度需求；-烘干程序调整：对高浓度CNC和CNF悬浮液，推荐采用分段干燥策略，包括低温预浓缩小阶段后转入（105±2）℃恒重干燥阶段，有效规避结皮现象；-重复性与再现性数据：通过实验室间比对试验给出方法的重复性限和再现性限，便于不同实验室间结果的一致性研判；-结果计算与表达规范：明确每次测试至少进行两次平行测定，最终结果以算术平均值表示，精确至0.1%。四、主导制修订单位介绍——ISO/TC6及其国际协作架构ISO638-2:2021的制修订主要由国际标准化组织ISO/TC6技术委员会主导实施。ISO/TC6全称为“纸、纸板和纸浆技术委员会”（TechnicalCommittee6,Paper,BoardandPulps），成立于1947年，是ISO最早设立的技术委员会之一，秘书处长期由瑞典标准协会（SIS）承担。该委员会的职责范围涵盖纸浆、纸和纸板及相关产品的术语、测试方法、规格和取样方法等的标准化工作。多年来，ISO/TC6已制定并持续维护超过150项国际标准，涵盖纤维原料分析、制浆工艺控制、纸张物理性能测试、光学性能测定及化学分析等各领域，是该领域国际标准化最为活跃和权威的技术组织之一。针对纳米材料这一新兴方向，ISO/TC6专门成立了工作组WG17，由来自加拿大、芬兰、瑞典、日本、美国、中国等国家的技术专家共同参与，负责纳米纤维素相关国际标准的研制和维护。WG17的工作范围涵盖了纤维素纳米材料的术语与定义、取样方法、性能测试方法和产品规范等若干方面。在ISO638-2:2021的编制过程中，WG17的专家团队密切协作，系统开展了方法适用性验证试验和实验室间比对研究，并兼顾了不同CNM类型（CNC与CNF）和不同原料来源（木浆纤维、棉短绒、细菌纤维素等）的差异。同时，ISO/TC6与ISO/TC229（纳米技术委员会）建立了联络机制，确保纤维素纳米材料标准与纳米技术通用标准之间的协调一致。五、标准应用状况与废止分析5.1标准发布后的应用与影响ISO638-2:2021自发布以来，为全球CNMs生产企业和下游用户提供了统一可靠的检测方法依据。在CNC和CNF产品国际贸易中，该标准被广泛引用于产品质量规格书、材料安全数据表和购销合同的质量条款中。多个国家的标准化机构将其采纳为本国国家标准（如通过ISO快速程序），进一步扩大了其影响范围。5.2标准状态“废止”的原因探讨该标准被标记为废止的可能原因包括：-修订升级：国际标准化组织采用“系统评审”（systematicreview）机制对已有标准进行周期性评价，一般每五年进行一次。若评审结论认为标准需要修订，将启动修订程序并最终以新版标准替代原版，被替代的版本即被标记为废止；-内容转移与整合：当标准化组织决定将某一标准的内容合并至其他标准，或对同一体系内的多个标准进行重组时，原标准可能被废止；-技术路线变更：若测试实践表明原有方法存在重大技术局限，工作组可能决定用全新的方法标准取代原标准。无论何种原因，该标准的废止都体现了标准化是一个动态演进的过程，标准内容必须随着技术进步和产业需求的变化而不断迭代更新。5.3国际相关标准的发展趋势目前，纤维素纳米材料国际标准化的动向主要集中在ISO/TC6和ISO/TC229的联合工作框架下，涵盖以下方向：-纤维素纳米材料形貌表征（如原子力显微镜、扫描电子显微镜方法）；-纤维素的聚合度和结晶度测定；-表面电荷密度测定方法；-纳米纤维素悬浮液的流变特性测量；-干燥态纳米纤维素材料（如气凝胶和薄膜）的性能测试。在干物质含量测定这一基础方法领域，新的修订工作将更加注重方法的简捷性、环境适应性和与在线检测技术的衔接。六、结论与展望ISO638-2:2021作为国际标准化组织针对纤维素纳米材料悬浮液制定的专属干物质含量测定方法标准，填补了该领域国际标准的空白，为全球CNMs产业的品质控制和贸易互认提供了权威技术依据。该标准的编制突破了传统ISO638方法在纳米纤维素悬浮液检测中的技术局限，引入了均质化预处理、优化取样量、分段干燥等针对性的技术改进，并通过实验室间比对验证了方法的可靠性。虽然该标准目前状态标记为“废止”，但其技术框架和核心方法学思想为后续标准的修订和完善奠定了坚实基础。展望未来，纤维素纳米材料标准的国际化发展将呈现以下趋势：1.方法快速化与在线化：随着工业生产的规模化发展，红外水分分析仪、微波干燥法等快速方法可能被纳入标准体系，作为参考方法的补充；2.多方法协同与分层化：针对不同精度需求和场景（如生产在线控制与贸易结算），建立不同等级的方法体系；3.绿色标准化理念渗透：降低能耗、减少样品用量和废弃物产生将成为新版标准修订的考量因素之一；4.中国参与度持续提升：我国已建立了较为完善的纳米材料标准体系，未来应进一步加强在ISO/TC6框架下的参与力度，推动将中国成熟经验和技术方案融入国际标准。参考文献[1]ISO638-2:2021,Paper,board,pulpsandcellulosicnanomaterials—Determinationofdrymattercontentbyoven-dryingmethod—Part2:Suspensionsofcellulosicnanomaterials.InternationalOrganizationforStandardization,2021.[2]ISO638:2008,Paper,boardandpulps—Determinationofdrymatter