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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，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程中因毛細作用引發(fā)的多孔結(jié)構(gòu)坍塌問題。目前，針對這一問題的解決方案主要有兩種：一是發(fā)泡策略，通過氣-液界面穩(wěn)定劑（如表面活性劑）維持氣泡結(jié)構(gòu)以抵消毛細管力；二是采用骨架增強策略，通過改性或添加無機礦物等強化材料的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，這些方法通常會引入新的化學(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)張強課題組成功開發(fā)了一種全生物質(zhì)全降解泡沫材料，兼具優(yōu)異柔韌性和彈性，并初步驗證了規(guī)模化生產(chǎn)的可行性。

  2025年8月1日，相關(guān)研究成果以“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，該研究得到國家自然科學(xué)基金（32071383）的支持。

  該項研究提出了一種混合生物質(zhì)發(fā)泡策略，通過特殊設(shè)計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程中的結(jié)構(gòu)坍塌。具體步驟包括：以全生物質(zhì)來源的納米纖維素（CNFs）和酪蛋白酸鈉（SC）為原料，通過機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程中泡沫的抗坍塌性能。添加甘油進一步賦予材料卓越柔韌性與高伸長率，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（如高伸長率和彈性），媲美石油基泡沫，拉伸應(yīng)力高達約400千帕（與脆性泡沫相當(dāng)），但同時具有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，驗證了規(guī)模化生產(chǎn)的可行性。

  與先前開發(fā)的纖維素基泡沫相比，G-CNF/SC泡沫具有多項優(yōu)勢，包括高伸長率、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。基于該項研究，G-CNF/SC泡沫材料在第十九屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽“揭榜掛帥”專項賽中斬獲全國一等獎。

圖1 高柔韌性和全降解的G-CNF/SC泡沫。（a）G-CNF/SC泡沫的制備、應(yīng)用、回收和生物降解示意圖。（b）通過流延法生產(chǎn)的G-CNF/SC泡沫卷的照片。（c）用G-CNF/SC泡沫條制成的編織枕頭。（D）G-CNF/SC泡沫與其他三種泡沫——CNF/硬脂酸鈉（SS）泡沫、再生紙漿纖維（r-RPF）泡沫和甘蔗渣（BA）泡沫在伸長率、彈性、焊接性、可回收性和生物降解性方面的比較。

圖2 G-CNF/SC泡沫的制備與表征。（a）G-CNF/SC濕泡沫的照片。（b）CMCNFs分散液和G-CNF/SC濕泡沫的粘度-剪切速率曲線。插圖是模量-頻率曲線。(c)光學(xué)顯微圖像揭示干燥方向過渡（上：干燥層緊密氣泡，下：濕層球形氣泡）。（d和e）G-CNF/SC濕泡沫（d）和濕泡沫中兩個氣泡的交界處（e）的冷凍SEM圖像。（f）G-CNF/SC泡沫中即將干燥的平臺邊界通道的SEM圖像。（g）G-CNF/SC泡沫的照片。（h和i）G-CNF/SC泡沫表面（h）和橫截面（i）的SEM圖像。

圖3 G-CNF/SC泡沫的力學(xué)性能。（a）G-CNF/SC泡沫拉伸前后的照片。（b和c）CNF/SC和G-CNF/SC泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（b）以及楊氏模量和韌性（c）。（d）有缺口和無缺口G-CNF/SC泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（e）G-CNF/SC泡沫的撕裂試驗曲線。F_c是平均平臺力。插圖是撕裂泡沫的照片。（f）G-CNF/SC泡沫的循環(huán)壓縮曲線。插圖是100次循環(huán)壓縮前后的對比。

圖4 G-CNF/SC泡沫的水焊接特性。（a）水輔助焊接工藝示意圖。（b）完整泡沫與焊接泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比。（c）由G-CNF/SC泡沫廢料通過水輔助焊接工藝制成的粘合泡沫。插圖顯示焊接前的泡沫廢料。（d）180°彎曲的粘合泡沫。（e）G-CNF/SC泡沫與錫箔形成復(fù)合材料。（f）在90°剝離測試中剝?nèi)ュa紙或紗布上的泡沫。膠帶用于剝離錫紙或紗布，但紗布沒有從泡沫上剝落。（g）不同基材復(fù)合泡沫的剝離強度曲線。

圖5 G-CNF/SC泡沫的應(yīng)用及卷材制造。（a）G-CNF/SC泡沫用作緩沖材料，包裝易碎物品。（b）G-CNF/SC泡沫塊作為包裝填充物，保護快遞物品。（c）由粘合泡沫制成的手機包裝用定制泡沫。（d）通過流延工藝規(guī)模化生產(chǎn)G-CNF/SC泡沫卷材的示意圖。（e-h）制備過程不同階段的照片，包括進料（e）、流延（f）、烘箱干燥（g）和收卷（h）。

圖6 第十九屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽“揭榜掛帥”專項賽全國一等獎

  原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.ady0746