孔隙率高、密度低、重量轻的多孔材料在包装、建筑、医疗、化工等领域具有巨大的应用前景。利用可再生和可生物降解的纤维素制备多孔材料已成为研究热点。中科院青岛生物能源与过程研究所秋翠研究员领导的代谢组学研究组，采用硼离子交联策略，将壳聚糖与少量阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)结合，开发出一种高强度、耐火、抗菌的纸浆泡沫。
纸浆是一种廉价环保的新型多孔材料。它以纸浆纤维为原料，其形成机理是在快速搅拌下，利用表面活性剂在纸浆纤维分散液中发泡，防止纤维絮凝，从而形成均匀的多孔结构，经水过滤、干燥后制得泡沫。然而，单独使用纸浆纤维制备的泡沫强度差、易燃性差、易受细菌感染，不能满足实际应用的要求。
植物细胞壁的自承功能与其组分间牢固的连锁结构有关。其中，少量的硼离子可以通过与木质纤维素组分的含氧基团共价键合来加强细胞壁的支撑作用。硼酸盐也是一种常见的阻燃剂。受此启发，研究人员在前期进行了概念验证实验。在纸浆泡沫的成型过程中，通过硼离子和纸浆纤维之间的交联作用提高了所得纸浆泡沫的机械强度，其抗压强度是不含硼离子的纸浆泡沫的28倍，并赋予其一定的阻燃性和自熄性(Chemical Engineering Journal，doi: 10.1016/J.Cej.2019.04.018
为了进一步提高纸浆泡沫的机械强度和阻燃性，赋予其良好的抗菌性能，增加其实用性，研究者在纸浆纤维成型过程中，在硼离子交联的基础上，不断引入适量的壳聚糖和少量的CPAM。证明硼离子能与纤维素和壳聚糖的羟基形成牢固的共价键，纤维素、壳聚糖和CPAM之间存在静电结合和分子间氢键。通过这些组分的协同作用，得到的纸浆泡沫的机械强度进一步增强，其在50%应变条件下的抗压强度是不含壳聚糖和CPAM的相同硼离子交联纸浆泡沫的6倍，并且高于目前报道的大多数纤维素基多孔材料。仅用0.5%(相对于纸浆绝对干重)的CPAM就可以替代30%的壳聚糖，获得相同机械强度的纸浆泡沫，从而降低纸浆泡沫的制备成本。同时，由于硼离子、壳聚糖和CPAM的协同作用，使得纸浆泡沫具有优异的防火、隔热、抗菌和吸声性能。其密度低(52.65 mg/cm3)、机械强度高、保温性好(导热系数0.068 W/(MK))与普通商用防火矿棉、多孔无机材料、泡沫玻璃制品相当。此外，泡沫制备过程中产生的滤液可以完全重复利用，保证了过程的清洁，具有大规模应用的潜力。
本研究制备的高性能纸浆泡沫有望应用于高品质包装、隔热、光热转换和吸声等领域。相关研究成果发表在《碳水化合物聚合物》上。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学杰出青年基金和青岛能源学院自主部署基金的资助。
青岛能源学院建造了一种新型功能泡沫材料。
来源：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
