科技日?qǐng)?bào)記者 王健高 通訊員 劉佳

1月5日，記者從中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所獲悉，該所崔球研究員帶領(lǐng)的代謝物組學(xué)研究組，采用硼離子交聯(lián)策略，并結(jié)合殼聚糖和少量陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）的協(xié)同，開(kāi)發(fā)出一種高強(qiáng)、耐火、抗菌的紙漿泡沫。

具有高孔隙率、低密度、輕質(zhì)的多孔材料在包裝、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生和化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和“雙碳”戰(zhàn)略的需求，利用可再生、可生物降解的纖維素制備多孔材料已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

紙漿泡沫是一種廉價(jià)、環(huán)保的新型多孔材料。它以紙漿纖維為原料，成型機(jī)理是，利用快速攪拌下表面活性劑在紙漿纖維分散液中發(fā)泡，阻止纖維絮聚，而形成均勻的多孔結(jié)構(gòu)，濾水干燥后制得泡沫。但單獨(dú)使用紙漿纖維制備的泡沫材料強(qiáng)度差、易燃、易染菌，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要求。

事實(shí)上，植物細(xì)胞壁的自支撐作用與其組分間牢固的互鎖結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中，微量的硼離子通過(guò)與木質(zhì)纖維組分含氧基團(tuán)的共價(jià)鍵結(jié)合來(lái)增強(qiáng)細(xì)胞壁的支撐作用。另一方面，硼酸鹽也是一種常用的阻燃劑。

受此啟發(fā)，研究人員前期進(jìn)行了概念驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在紙漿泡沫的成型過(guò)程中借助硼離子與紙漿纖維之間的交聯(lián)作用，使所得紙漿泡沫的機(jī)械強(qiáng)度大幅提升，其壓縮強(qiáng)度是不含硼離子紙漿泡沫的28倍，并賦予其一定的阻燃和自熄性。

為了進(jìn)一步提升紙漿泡沫材料的機(jī)械強(qiáng)度和阻燃性，賦予其良好的抗菌性，增加其實(shí)用性，研究人員在紙漿纖維成型過(guò)程中硼離子交聯(lián)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)引入適量的殼聚糖和少量的CPAM。研究證實(shí)，由于硼離子可以與纖維素和殼聚糖的羥基形成牢固的共價(jià)鍵結(jié)合，纖維素、殼聚糖和CPAM之間又存在靜電結(jié)合與分子間氫鍵作用，這些組分間相互作用的協(xié)同使所得紙漿泡沫的機(jī)械強(qiáng)度又進(jìn)一步大幅提升，其在50%應(yīng)變條件下的壓縮強(qiáng)度是同等硼離子交聯(lián)但不含殼聚糖和CPAM紙漿泡沫的6倍，且高于目前報(bào)道的大部分纖維素基多孔材料。值得指出的是，用量?jī)H為0.5%（相對(duì)于紙漿的絕干重）的CPAM可以取代30%的殼聚糖用量，并獲得具有相同機(jī)械強(qiáng)度的紙漿泡沫，這可大幅降低紙漿泡沫的制備成本。同時(shí)，由于硼離子、殼聚糖和CPAM的協(xié)同作用，該紙漿泡沫兼具優(yōu)異的防火、隔熱、抗菌和吸音性。其低密度（52.65 mg/cm3）、高機(jī)械強(qiáng)度和良好的隔熱性（導(dǎo)熱系數(shù)0.068 W/(m·K)），已經(jīng)與普通商業(yè)用防火礦棉、多孔無(wú)機(jī)材料和泡沫玻璃產(chǎn)品相當(dāng)。此外，在泡沫制備過(guò)程中產(chǎn)生的濾液可以完全回用，確保過(guò)程清潔，具備規(guī)?；瘧?yīng)用的潛力。

據(jù)介紹，本研究制備的高性能紙漿泡沫有望在高品質(zhì)包裝、隔熱、光熱轉(zhuǎn)化和吸音等領(lǐng)域中應(yīng)用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《碳水化合物聚合物》期刊上，論文第一作者是該研究所吳美燕博士，通訊作者是該研究所劉超博士和李濱副研究員。

圖/李濱　 吳美燕

關(guān)鍵詞： 新材料 可再生 泡沫