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不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒 Small：多尺度設(shè)計(jì)用于堅(jiān)固、隔熱和火焰自熄的纖維素泡沫
2023-11-16  來(lái)源：高分子科技

  在邁向低碳時(shí)代進(jìn)程中，開(kāi)發(fā)高性能的可再生泡沫已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。來(lái)源廣泛、可再生、高機(jī)械性能的纖維素纖維是制備高性能泡沫的理想原材料。然而，將纖維素纖維的高機(jī)械性能拓展到纖維素泡沫仍具有挑戰(zhàn)性。盡管化學(xué)耦合、接枝、表面涂層等方法被用于增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但額外化學(xué)制劑的引入削弱了纖維素的環(huán)境效益。此外，纖維素泡沫結(jié)構(gòu)的固有缺點(diǎn)，尤其是高易燃性，嚴(yán)重制約著纖維素泡沫的應(yīng)用。因此，亟需開(kāi)發(fā)更環(huán)保高效的纖維素泡沫設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建高強(qiáng)、阻燃、環(huán)保的纖維素泡沫。


  近期，不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC）姜鋒教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了具有多尺度結(jié)構(gòu)的纖維素基泡沫（MFC/CNF/Al3+），其包含宏觀尺度上的三維多孔結(jié)構(gòu)、微觀尺度上纏結(jié)的微纖化纖維素（MFC）、納米尺度上纏結(jié)和堆疊的纖維素納米纖維（CNF），以及分子尺度上的氫鍵和靜電作用。首先將CNF網(wǎng)絡(luò)引入MFC網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)冰晶誘導(dǎo)的相分離、Al3+對(duì)CNF的離子交聯(lián)、低極性溶劑誘導(dǎo)的纖維素-纖維素相互作用以及溶劑蒸發(fā)四種連續(xù)策略誘導(dǎo)纖維素網(wǎng)絡(luò)自我致密化，構(gòu)建了高性能的纖維素泡沫，展示出卓越的機(jī)械堅(jiān)固性、濕穩(wěn)定性、隔熱性和自熄性。這種策略開(kāi)發(fā)了一種具有堅(jiān)固網(wǎng)絡(luò)和出色環(huán)境耐久性的纖維素泡沫，為高性能泡沫材料的發(fā)展開(kāi)辟了新的可能性。 


圖1 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的設(shè)計(jì)與制備。（a）制造過(guò)程示意圖；（b）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的多尺度結(jié)構(gòu)示意圖；（c）纖維素網(wǎng)絡(luò)在冷凍、交聯(lián)、溶劑置換和干燥過(guò)程中逐漸自我致密化；（d）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的光學(xué)圖像，展示了其輕質(zhì)、高強(qiáng)和規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)。 


圖2 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的形態(tài)和結(jié)構(gòu)表征。（a）渦旋 1 分鐘前后纖維素餅的光學(xué)圖像；（b）MFC、MFC/CNF 和 MFC/CNF/Al3+ 泡沫橫向和縱向截面的掃描電鏡圖像；（c）MFC、MFC/CNF 和 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的紅外光譜圖。 


圖3 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的壓縮特性和濕強(qiáng)度。（a）不同泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）泡沫的壓縮模量和從 0 到 70% 應(yīng)變的能量吸收；（c）不同泡沫的密度和孔隙率；（d）MFC/CNF/Al3+ 泡沫和典型泡沫的壓縮模量與密度的關(guān)系；（e）風(fēng)干纖維素基泡沫的壓縮模量與密度的阿什比圖；（f）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的光學(xué)圖像，通過(guò)卷曲、折疊和承重顯示出極佳的濕強(qiáng)度。同組中字母相同的數(shù)值在 α = 0.05（95% 置信區(qū)間）時(shí)無(wú)顯著差異。 


圖4 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的隔熱性能。（a）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的導(dǎo)熱率；（b）使用 MFC/CNF/Al3+ 泡沫和其他商用泡沫（如玻璃纖維和發(fā)泡聚苯乙烯）進(jìn)行隔熱測(cè)試的裝置示意圖；（c）使用 MFC/CNF/Al3+ 泡沫進(jìn)行隔熱測(cè)試的裝置照片，以及加熱 1 分鐘和 120 分鐘后的紅外熱成像圖；（d）120 分鐘照射時(shí)間內(nèi)的內(nèi)外溫度曲線。 


圖5 MFC 泡沫、MFC/CNF 泡沫和 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的可燃性測(cè)試。不同纖維素泡沫在（a）垂直方向和（b）水平方向上的燃燒行為；（c）垂直和水平燃燒測(cè)試后纖維素泡沫的長(zhǎng)度和重量保持率；（d）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的火焰自熄原理示意圖，展示了 CNF 網(wǎng)絡(luò)和 Al3+ 交聯(lián)的重要作用。 


圖6 土壤環(huán)境下 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的生物降解測(cè)試和重量變化。


  該工作以“Multiscale Design for Robust, Thermal Insulating, and Flame Self-extinguishing Cellulose Foam”為題發(fā)表在《Small》。論文的第一作者為東北林業(yè)大學(xué)—UBC聯(lián)培博士生孫浩，通訊作者為姜鋒教授。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202306942

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（責(zé)任編輯：xu）
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