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研究表明，泡沫材料廣泛用于包裝和建筑的隔熱、吸音、減震等功能。通常情況下，它們以石油基塑料為主，其中大多數(shù)既不可生物降解也不防火，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的塑料污染和安全問題。

在此，美國(guó)馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和李騰教授等人報(bào)道了一種由資源豐富的石墨和纖維素制成的防火、隔熱、可回收的3D石墨-纖維素納米纖維（G-CNF）泡沫，提出了一種無(wú)冷凍干燥、可擴(kuò)展的離子交聯(lián)方法，制備了低能耗和低成本的Cu²⁺離子交聯(lián)G-CNF（Cu-G-CNF）泡沫材料。同時(shí)，直接泡沫形成策略使本地泡沫制造能夠滿足本地需求。結(jié)果表明，離子交聯(lián)G-CNF泡沫表現(xiàn)出優(yōu)異的水穩(wěn)定性（即使在潮濕狀態(tài)下也能保持機(jī)械堅(jiān)固性，并在空氣中干燥后恢復(fù)而不會(huì)變形），耐火性（41.7 kW m^-2?vs 214.3 kW m^-2）和低導(dǎo)熱系數(shù)（0.05 W/(mK)），且不影響復(fù)合泡沫的可回收性、降解性和機(jī)械性能。本文所展示的3D G-CNF泡沫有望取代商業(yè)化塑料泡沫材料，從而代表了針對(duì)“白色污染”的可持續(xù)解決方案。

相關(guān)論文以“Lightweight, Thermally Insulating, Fire-Proof Graphite-Cellulose Foam”為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater.。

圖文解析

圖1：基于無(wú)冷凍干燥離子交聯(lián)法原位大規(guī)模生產(chǎn)Cu-G-CNF泡沫。（a，b）用Cu²⁺交聯(lián)制備Cu-G-CNF泡沫塑料的工藝示意圖；（c）超聲處理產(chǎn)生的大容量G-CNF；（d）風(fēng)干后的大型G-CNF泡沫；（e）潛在應(yīng)用。

要點(diǎn)：為了降低成本并通過(guò)避免使用冷凍干燥方法實(shí)現(xiàn)放大生產(chǎn)，作者開發(fā)了一種通過(guò)離子交聯(lián)直接形成泡沫的策略（圖1a）。相鄰的纖維素鏈可以基于靜電相互作用通過(guò)Cu²⁺進(jìn)行交聯(lián)，這有助于纖維素納米纖維之間的三維離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（圖1b）。由于避免了能源密集型冷凍干燥過(guò)程，因此大大降低了制造成本，并大大提高了放大能力（圖1c，d）。此外，Cu²⁺交聯(lián)G-CNF（Cu-G-CNF）泡沫表現(xiàn)出優(yōu)異的水穩(wěn)定性、耐火性和隔熱性，且不會(huì)影響復(fù)合泡沫的可回收性、降解性和機(jī)械性能（圖1e）。

圖2：通過(guò)Cu²⁺交聯(lián)法制備G-CNF泡沫塑料。（a）Cu²⁺交聯(lián)G-CNF泡沫的層次結(jié)構(gòu)；（b）Cu-G-CNF泡沫微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像；（c）Cu-G-CNF泡沫的高放大倍率SEM圖像；（d）EDX元素映射圖；（e）CNF、G-CNF和Cu-G-CNF 的FT-IR光譜；（f）用三層石墨烯構(gòu)建的泡沫的原子結(jié)構(gòu)；（g）由三層石墨烯和纖維素分子鏈構(gòu)成的G-CNF泡沫的原子結(jié)構(gòu)；（h）石墨片與纖維素分子鏈之間的相互作用；（i）氫鍵能的變化。

要點(diǎn)：密度為0.040±0.005 g cm^-3的輕質(zhì)Cu-G-CNF泡沫具有多孔和分層結(jié)構(gòu)（圖2a）。在分子尺度上，CNF通過(guò)其疏水位點(diǎn)與石墨疏水面之間的相互作用，以及CNF羥基與石墨薄片缺陷邊緣之間的氫鍵附著在石墨片上。在納米尺度上，CNFs很好地對(duì)齊。由于不同薄片之間的靜電排斥力，這些親水官能團(tuán)使石墨片很好地分散在水中。在微尺度上，纖維緊密交織在一起；在宏觀尺度上，CNF涂層的石墨片形成3D結(jié)構(gòu)。

圖3：PS泡沫、CNF泡沫、G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的動(dòng)能吸收；（a）包括框架在內(nèi)的多個(gè)組件的照片；（b）PS泡沫、CNF泡沫、G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的動(dòng)能吸收；（c）測(cè)試期間高速相機(jī)拍攝的照片。

要點(diǎn)：通過(guò)使用自制的落塔在撞擊過(guò)程中測(cè)試不同的材料，并評(píng)估其能量吸收性能。結(jié)果表明，在鋁，PS泡沫，CNF泡沫，G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫中，G-CNF泡沫比純CNF泡沫和PS泡沫具有更高的減震能量，進(jìn)一步的離子交聯(lián)導(dǎo)致更高的減震能量。這些結(jié)果表明，大尺寸石墨片的雜化和離子交聯(lián)都有助于提高石墨-CNF復(fù)合泡沫的機(jī)械減震性能。

圖4：Cu-G-CNF泡沫的阻燃性和熱性能。（a-d）PS，CNF，G-CNF和Cu-G-CNF泡沫的垂直燃燒測(cè)試的數(shù)字圖像；（e，f）HHR與時(shí)間，PS、CNF、G-CNF和Cu-G-CNF泡沫與HRRpeak值的關(guān)系。

要點(diǎn)：防火安全是泡沫材料的關(guān)鍵特性，這對(duì)PS等傳統(tǒng)泡沫材料來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。通過(guò)垂直燃燒測(cè)試進(jìn)一步評(píng)估了PS泡沫，CNF泡沫，石墨-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的阻燃行為（圖4a-d）。觀察到PS和CNF泡沫都很容易被點(diǎn)燃，火焰在10 s內(nèi)迅速蔓延到樣品頂部。對(duì)于G-CNF泡沫，當(dāng)移除燃燒器源時(shí)火焰熄滅，表明G-CNF泡沫中石墨的存在延緩了CNF上的火焰燃燒。相比之下，Cu-G-CNF泡沫表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性，當(dāng)燃燒器源被移除時(shí)，火焰立即熄滅。以上結(jié)果證明，得益于石墨與Cu²⁺在燃燒過(guò)程中的協(xié)同作用，Cu-G-CNF泡沫塑料表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性能。

圖5：Cu-G-CNF泡沫的水穩(wěn)定性、可回收性和降解性。（a，b）CNF（左）、G-CNF（中）和Cu-G-CNF（右）泡沫的水穩(wěn)定性；（c）浸泡在水中的CNF泡沫（左）、G-CNF 泡沫（中）和 Cu-G-CNF 泡沫（右）的照片；（d）壓縮后的行為；（c）Cu-G-CNF泡沫的可回收性；（f）PS、CNF、石墨-CNF 和 Cu-G-CNF 泡沫的降解性。

綜上，本文通過(guò)無(wú)冷凍干燥離子交聯(lián)法開發(fā)了一種輕質(zhì)、堅(jiān)固、水穩(wěn)定、可回收和可降解的3D石墨-纖維素泡沫材料。G-CNF漿料保持高表觀粘度以及良好的儲(chǔ)存和損耗模量穩(wěn)定性，使3D泡沫產(chǎn)品的直接成型生產(chǎn)成為可能。同時(shí)，由于Cu²⁺與帶負(fù)電荷的纖維素之間的靜電相互作用，建立了具有開放微細(xì)胞結(jié)構(gòu)的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。Cu²⁺交聯(lián)G-CNF骨架可以形成獨(dú)立的多孔結(jié)構(gòu)，在空氣干燥過(guò)程中沒有任何穩(wěn)定保護(hù)的情況下能夠防止坍塌。此外，Cu²⁺與石墨的協(xié)同效應(yīng)使Cu-G-CNF泡沫復(fù)合材料具有較高的阻燃性能和長(zhǎng)效的水穩(wěn)定性，表明其具有更好的安全性。由于Cu-G-CNF復(fù)合材料中的可逆鍵合機(jī)理（即氫鍵），可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的降解性和可回收性。更加重要的是，石墨-纖維素泡沫表現(xiàn)出比商用PS泡沫更好的沖擊能量吸收能力和出色的隔熱性，且這種低成本、高效和可擴(kuò)展的方法也可以擴(kuò)展到偏遠(yuǎn)地區(qū)石墨纖維素泡沫的制造。

文獻(xiàn)信息

Lightweight, Thermally Insulating, Fire-Proof Graphite-Cellulose Foam，Adv. Funct. Mater., 2022, https://doi.org/10.1002/adfm.202204219

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