具有高孔隙率、低密度、轻质的多孔材料在包装、建筑、医疗卫生和化工等领域具有广泛的应用前景。随着人们环保意识的增强和“双碳”战略的需求，利用可再生、可生物降解的纤维素制备多孔材料已成为近年来的研究热点。青岛能源所崔球研究员带领的代谢物组学研究组，采用硼离子交联策略，并结合壳聚糖和少量阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）的协同，开发出一种高强、耐火、抗菌的纸浆泡沫。
纸浆泡沫是一种廉价、环保的新型多孔材料。它以纸浆纤维为原料，成型机理是，利用快速搅拌下表面活性剂在纸浆纤维分散液中发泡，阻止纤维絮聚，而形成均匀的多孔结构，滤水干燥后制得泡沫。但单独使用纸浆纤维制备的泡沫材料强度差、易燃、易染菌，无法满足实际应用的要求。
事实上，植物细胞壁的自支撑作用与其组分间牢固的互锁结构有关。其中，微量的硼离子通过与木质纤维组分含氧基团的共价键结合来增强细胞壁的支撑作用。另一方面，硼酸盐也是一种常用的阻燃剂。受此启发，研究人员前期进行了概念验证性实验，在纸浆泡沫的成型过程中借助硼离子与纸浆纤维之间的交联作用，使所得纸浆泡沫的机械强度大幅提升，其压缩强度是不含硼离子纸浆泡沫的28倍，并赋予其一定的阻燃和自熄性（授权发明专利ZL201910006983.2, 201910007105.2; Chem. Eng. J., 2019, 371, 34-42. doi: 10.1016/j.cej.2019.04.018）。
为了进一步提升纸浆泡沫材料的机械强度和阻燃性，赋予其良好的抗菌性，增加其实用性，研究人员在纸浆纤维成型过程中硼离子交联的基础上，继续引入适量的壳聚糖和少量的CPAM。研究证实，由于硼离子可以与纤维素和壳聚糖的羟基形成牢固的共价键结合，纤维素、壳聚糖和CPAM之间又存在静电结合与分子间氢键作用，这些组分间相互作用的协同使所得纸浆泡沫的机械强度又进一步大幅提升，其在50%应变条件下的压缩强度是同等硼离子交联但不含壳聚糖和CPAM纸浆泡沫的6倍，且高于目前报道的大部分纤维素基多孔材料。值得指出的是，用量仅为0.5%（相对于纸浆的绝干重）的CPAM可以取代30%的壳聚糖用量，并获得具有相同机械强度的纸浆泡沫，这可大幅降低纸浆泡沫的制备成本。同时，由于硼离子、壳聚糖和CPAM的协同作用，该纸浆泡沫兼具优异的防火、隔热、抗菌和吸音性。其低密度（52.65 mg/cm3）、高机械强度和良好的隔热性（导热系数0.068 W/(m·K)），已经与普通商业用防火矿棉、多孔无机材料和泡沫玻璃产品相当。此外，在泡沫制备过程中产生的滤液可以完全回用，确保过程清洁，具备规模化应用的潜力。
本研究制备的高性能纸浆泡沫有望在高品质包装、隔热、光热转化和吸音等领域中应用。相关研究结果发表在Carbohydr. Polym.（2022, 278, 118963, doi: 10.1016/j.carbpol.2021.118963）期刊上，论文第一作者是吴美燕博士，通讯作者是刘超博士和李滨研究员。
相关系列研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学杰出青年基金等项目的支持。（文/图 李滨 吴美燕）
原文链接：https://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118963
Meiyan Wu, Guang Yu, Wei Chen, Sheng Dong, Yiran Wang, Chao Liu*, and Bin Li*. A pulp foam with highly improved physical strength, fire-resistance and antibiosis by incorporation of chitosan and CPAM. Carbohydrate Polymers, 2022, 278, 118963.
