在邁向低碳時代進程中，開發高性能的可再生泡沫已經成為全球關注的焦點。來源廣泛、可再生、高機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械性能拓展到纖維素泡沫仍具有挑戰性。盡管化學耦合、接枝、表面涂層等方法被用于增強網絡結構，但額外化學制劑的引入削弱了纖維素的環境效益。此外，纖維素泡沫結構的固有缺點，尤其是高易燃性，嚴重制約著纖維素泡沫的應用。因此，亟需開發更環保高效的纖維素泡沫設計方法，構建高強、阻燃、環保的纖維素泡沫。
近期，不列顛哥倫比亞大學（UBC）姜鋒教授團隊設計并構建了具有多尺度結構的纖維素基泡沫（MFC/CNF/Al3+），其包含宏觀尺度上的三維多孔結構、微觀尺度上纏結的微纖化纖維素（MFC）、納米尺度上纏結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網絡引入MFC網絡，通過冰晶誘導的相分離、Al3+對CNF的離子交聯、低極性溶劑誘導的纖維素-纖維素相互作用以及溶劑蒸發四種連續策略誘導纖維素網絡自我致密化，構建了高性能的纖維素泡沫，展示出卓越的機械堅固性、濕穩定性、隔熱性和自熄性。這種策略開發了一種具有堅固網絡和出色環境耐久性的纖維素泡沫，為高性能泡沫材料的發展開辟了新的可能性。
圖1 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的設計與制備。（a）制造過程示意圖；（b）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的多尺度結構示意圖；（c）纖維素網絡在冷凍、交聯、溶劑置換和干燥過程中逐漸自我致密化；（d）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的光學圖像，展示了其輕質、高強和規模生產的特點。
圖2 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的形態和結構表征。（a）渦旋 1 分鐘前后纖維素餅的光學圖像；（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度。（a）不同泡沫的應力-應變曲線；（b）泡沫的壓縮模量和從 0 到 70% 應變的能量吸收；（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系；（e）風干纖維素基泡沫的壓縮模量與密度的阿什比圖；（f）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的光學圖像，通過卷曲、折疊和承重顯示出極佳的濕強度。同組中字母相同的數值在 α = 0.05（95% 置信區間）時無顯著差異。
圖4 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的隔熱性能。（a）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的導熱率；（b）使用 MFC/CNF/Al3+ 泡沫和其他商用泡沫（如玻璃纖維和發泡聚苯乙烯）進行隔熱測試的裝置示意圖；（c）使用 MFC/CNF/Al3+ 泡沫進行隔熱測試的裝置照片，以及加熱 1 分鐘和 120 分鐘后的紅外熱成像圖；（d）120 分鐘照射時間內的內外溫度曲線。
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）垂直和水平燃燒測試后纖維素泡沫的長度和重量保持率；（d）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的火焰自熄原理示意圖，展示了 CNF 網絡和 Al3+ 交聯的重要作用。
圖6 土壤環境下 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的生物降解測試和重量變化。
該工作以“Multiscale Design for Robust, Thermal Insulating, and Flame Self-extinguishing Cellulose Foam”為題發表在《Small》。論文的第一作者為東北林業大學—UBC聯培博士生孫浩，通訊作者為姜鋒教授。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202306942
