科技日報記者 王健高 通訊員 劉佳
1月5日，記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所崔球研究員帶領的代謝物組學研究組，采用硼離子交聯策略，并結合殼聚糖和少量陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）的協同，開發出一種高強、耐火、抗菌的紙漿泡沫。
具有高孔隙率、低密度、輕質的多孔材料在包裝、建筑、醫療衛生和化工等領域具有廣泛的應用前景。隨著人們環保意識的增強和“雙碳”戰略的需求，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的研究熱點。
紙漿泡沫是一種廉價、環保的新型多孔材料。它以紙漿纖維為原料，成型機理是，利用快速攪拌下表面活性劑在紙漿纖維分散液中發泡，阻止纖維絮聚，而形成均勻的多孔結構，濾水干燥后制得泡沫。但單獨使用紙漿纖維制備的泡沫材料強度差、易燃、易染菌，無法滿足實際應用的需要求。
事實上，植物細胞壁的自支撐作用與其組分間牢固的互鎖結構有關。其中，微量的硼離子通過與木質纖維組分含氧基團的共價鍵結合來增強細胞壁的支撐作用。另一方面，硼酸鹽也是一種常用的阻燃劑。
受此啟發，研究人員前期進行了概念驗證性實驗，在紙漿泡沫的成型過程中借助硼離子與紙漿纖維之間的交聯作用，使所得紙漿泡沫的機械強度大幅提升，其壓縮強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。
為了進一步提升紙漿泡沫材料的機械強度和阻燃性，賦予其良好的抗菌性，增加其實用性，研究人員在紙漿纖維成型過程中硼離子交聯的基礎上，繼續引入適量的殼聚糖和少量的CPAM。研究證實，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鍵結合，纖維素、殼聚糖和CPAM之間又存在靜電結合與分子間氫鍵作用，這些組分間相互作用的協同使所得紙漿泡沫的機械強度又進一步大幅提升，其在50%應變條件下的壓縮強度是同等硼離子交聯但不含殼聚糖和CPAM紙漿泡沫的6倍，且高于目前報道的大部分纖維素基多孔材料。值得指出的是，用量僅為0.5%（相對于紙漿的絕干重）的CPAM可以取代30%的殼聚糖用量，并獲得具有相同機械強度的紙漿泡沫，這可大幅降低紙漿泡沫的制備成本。同時，由于硼離子、殼聚糖和CPAM的協同作用，該紙漿泡沫兼具優異的防火、隔熱、抗菌和吸音性。其低密度（52.65 mg/cm3）、高機械強度和良好的隔熱性（導熱系數0.068 W/(m·K)），已經與普通商業用防火礦棉、多孔無機材料和泡沫玻璃產品相當。此外，在泡沫制備過程中產生的濾液可以完全回用，確保過程清潔，具備規模化應用的潛力。
據介紹，本研究制備的高性能紙漿泡沫有望在高品質包裝、隔熱、光熱轉化和吸音等領域中應用。相關研究結果發表在《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
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