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塑料泡沫材料具有廣泛的應(yīng)用前景，但傳統(tǒng)石油基塑料泡沫材料存在不可再生、不可降解等問(wèn)題，加劇了資源枯竭與環(huán)境污染。纖維素作為自然界中產(chǎn)量最豐富的天然高分子材料，具有可再生、可降解的特性，因此利用纖維素制備替代性泡沫材料，有望緩解當(dāng)前塑料泡沫材料面臨的資源與環(huán)境壓力。然而，由于纖維素?zé)o法熔融加工，傳統(tǒng)塑料泡沫加工技術(shù)難以直接應(yīng)用于纖維素基泡沫材料的生產(chǎn)，這極大地限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
近年來(lái)，常壓干燥工藝的發(fā)展為纖維素基泡沫材料的規(guī)模化生產(chǎn)提供了可行路徑。該工藝的技術(shù)關(guān)鍵在于解決材料在干燥過(guò)程中因毛細(xì)作用引發(fā)的多孔結(jié)構(gòu)坍塌問(wèn)題。目前，針對(duì)這一問(wèn)題的解決方案主要有兩種：一是發(fā)泡策略，通過(guò)氣-液界面穩(wěn)定劑（如表面活性劑）維持氣泡結(jié)構(gòu)以抵消毛細(xì)管力；二是采用骨架增強(qiáng)策略，通過(guò)改性或添加無(wú)機(jī)礦物等強(qiáng)化材料的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，這些方法通常會(huì)引入新的化學(xué)試劑或不可降解組分，增加了工藝的復(fù)雜性，降低了材料的環(huán)保性。此外，纖維素基泡沫材料易脆裂，導(dǎo)致柔韌性不足，嚴(yán)重制約其在包裝緩沖等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。
近日，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張強(qiáng)課題組成功開(kāi)發(fā)了一種全降解生物質(zhì)泡沫材料，兼具優(yōu)異柔韌性和彈性，并初步驗(yàn)證了規(guī)模化生產(chǎn)的可行性。相關(guān)研究成果于2025年8月1日以“High-Elongation, Water-Weldable, and Fully Degradable Biomass Foams Fabricated via Oven Drying”發(fā)表于《Science Advances》。華東師范大學(xué)博士研究生常雨晴和田逸塵為文章共同第一作者，該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（32071383）的支持。
該項(xiàng)研究提出了一種混合生物質(zhì)發(fā)泡策略，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的纖維素納米纖維與酪蛋白酸鈉協(xié)同作用，既能形成穩(wěn)定的濕態(tài)泡沫，又能構(gòu)建阻氣性氣泡界面，從而避免烘箱干燥過(guò)程中的結(jié)構(gòu)坍塌。具體步驟包括：以全生物質(zhì)來(lái)源的納米纖維素（CNFs）和酪蛋白酸鈉（SC）為原料，通過(guò)機(jī)械攪拌形成濕泡沫體系，羧甲基纖維素（CMCNFs）與SC協(xié)同作為皮克林穩(wěn)定劑，有效穩(wěn)定氣泡界面，顯著提升烘箱干燥過(guò)程中泡沫的抗坍塌性能。添加甘油進(jìn)一步賦予材料卓越柔韌性與高伸長(zhǎng)率，成功制得G-CNF/SC泡沫。該泡沫材料展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能（如高伸長(zhǎng)率和彈性），媲美石油基泡沫，拉伸應(yīng)力高達(dá)約400千帕（與脆性泡沫相當(dāng)），但同時(shí)具有137.0%的優(yōu)異延展性。其循環(huán)彈性表現(xiàn)突出，經(jīng)100次壓縮后仍能保持90%以上的應(yīng)力。此外，該材料具備水焊接特性，焊接后的泡沫材料可恢復(fù)87.3%的原始拉伸應(yīng)力及近100%的延展率，支持定制化加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)。研究還采用流延工藝成功制備出連續(xù)泡沫卷材，驗(yàn)證了規(guī)模化生產(chǎn)的可行性。
與先前開(kāi)發(fā)的纖維素基泡沫相比，G-CNF/SC泡沫具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括高伸長(zhǎng)率、優(yōu)異彈性、水焊接特性、可回收性和生物全降解性。此外，該泡沫材料在生產(chǎn)-使用-處置的全生命周期中無(wú)需復(fù)雜化學(xué)處理或昂貴設(shè)備，兼具環(huán)境友好性與經(jīng)濟(jì)可行性，為緩解塑料泡沫污染，提供了很好的潛在解決方案。基于該項(xiàng)研究，G-CNF/SC泡沫材料在第十九屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽“揭榜掛帥”專項(xiàng)賽中斬獲全國(guó)一等獎(jiǎng)。
▲圖1 高柔韌性和全降解的G-CNF/SC泡沫
▲圖2 第十九屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽“揭榜掛帥”專項(xiàng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng) |
