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(lián)策略，并結合殼聚糖和少量陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）的協(xié)同，開發(fā)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(zhì)的多孔材料在包裝、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生和化工等領域具有廣泛的應用前景。隨著人們環(huán)保意識的增強和“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的研究熱點。
紙漿泡沫是一種廉價、環(huán)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(fā)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(zhì)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(fā)，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(lián)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(lián)的基礎上，繼續(xù)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(xié)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(lián)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(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）、高機械強度和良好的隔熱性（導熱系數(shù)0.068 W/(m·K)），已經(jīng)與普通商業(yè)用防火礦棉、多孔無機材料和泡沫玻璃產(chǎn)品相當。此外，在泡沫制備過程中產(chǎn)生的濾液可以完全回用，確保過程清潔，具備規(guī)模化應用的潛力。
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)化和吸音等領域中應用。相關研究結果發(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
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