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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，其中大多數既不可生物降解也不防火，從而導致嚴重的塑料污染和安全問題。

在此，美國馬里蘭大學胡良兵教授和李騰教授等人報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，提出了一種無冷凍干燥、可擴展的離子交聯方法，制備了低能耗和低成本的Cu²⁺離子交聯G-CNF（Cu-G-CNF）泡沫材料。同時，直接泡沫形成策略使本地泡沫制造能夠滿足本地需求。結果表明，離子交聯G-CNF泡沫表現出優異的水穩定性（即使在潮濕狀態下也能保持機械堅固性，并在空氣中干燥后恢復而不會變形），耐火性（41.7 kW m^-2?vs 214.3 kW m^-2）和低導熱系數（0.05 W/(mK)），且不影響復合泡沫的可回收性、降解性和機械性能。本文所展示的3D G-CNF泡沫有望取代商業化塑料泡沫材料，從而代表了針對“白色污染”的可持續解決方案。

相關論文以“Lightweight, Thermally Insulating, Fire-Proof Graphite-Cellulose Foam”為題發表在Adv. Funct. Mater.。

圖文解析

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

要點：為了降低成本并通過避免使用冷凍干燥方法實現放大生產，作者開發了一種通過離子交聯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Cu²⁺進行交聯，這有助于纖維素納米纖維之間的三維離子交聯網絡（圖1b）。由于避免了能源密集型冷凍干燥過程，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G-CNF（Cu-G-CNF）泡沫表現出優異的水穩定性、耐火性和隔熱性，且不會影響復合泡沫的可回收性、降解性和機械性能（圖1e）。

圖2：通過Cu²⁺交聯法制備G-CNF泡沫塑料。（a）Cu²⁺交聯G-CNF泡沫的層次結構；（b）Cu-G-CNF泡沫微觀結構的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）用三層石墨烯構建的泡沫的原子結構；（g）由三層石墨烯和纖維素分子鏈構成的G-CNF泡沫的原子結構；（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：密度為0.040±0.005 g cm^-3的輕質Cu-G-CNF泡沫具有多孔和分層結構（圖2a）。在分子尺度上，CNF通過其疏水位點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很好地對齊。由于不同薄片之間的靜電排斥力，這些親水官能團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結構。

圖3：PS泡沫、CNF泡沫、G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的動能吸收；（a）包括框架在內的多個組件的照片；（b）PS泡沫、CNF泡沫、G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的動能吸收；（c）測試期間高速相機拍攝的照片。

要點：通過使用自制的落塔在撞擊過程中測試不同的材料，并評估其能量吸收性能。結果表明，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，進一步的離子交聯導致更高的減震能量。這些結果表明，大尺寸石墨片的雜化和離子交聯都有助于提高石墨-CNF復合泡沫的機械減震性能。

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泡沫的垂直燃燒測試的數字圖像；（e，f）HHR與時間，PS、CNF、G-CNF和Cu-G-CNF泡沫與HRRpeak值的關系。

要點：防火安全是泡沫材料的關鍵特性，這對PS等傳統泡沫材料來說一直是一個長期的挑戰。通過垂直燃燒測試進一步評估了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泡沫都很容易被點燃，火焰在10 s內迅速蔓延到樣品頂部。對于G-CNF泡沫，當移除燃燒器源時火焰熄滅，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泡沫表現出優異的阻燃性，當燃燒器源被移除時，火焰立即熄滅。以上結果證明，得益于石墨與Cu²⁺在燃燒過程中的協同作用，Cu-G-CNF泡沫塑料表現出優異的阻燃性能。

圖5：Cu-G-CNF泡沫的水穩定性、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，本文通過無冷凍干燥離子交聯法開發了一種輕質、堅固、水穩定、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存和損耗模量穩定性，使3D泡沫產品的直接成型生產成為可能。同時，由于Cu²⁺與帶負電荷的纖維素之間的靜電相互作用，建立了具有開放微細胞結構的三維交聯網絡。Cu²⁺交聯G-CNF骨架可以形成獨立的多孔結構，在空氣干燥過程中沒有任何穩定保護的情況下能夠防止坍塌。此外，Cu²⁺與石墨的協同效應使Cu-G-CNF泡沫復合材料具有較高的阻燃性能和長效的水穩定性，表明其具有更好的安全性。由于Cu-G-CNF復合材料中的可逆鍵合機理（即氫鍵），可以實現優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、高效和可擴展的方法也可以擴展到偏遠地區石墨纖維素泡沫的制造。

文獻信息

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

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