“木头大王”到“泡沫大王”！胡良兵教授，最新AFM！

研究表明，泡沫材料广泛用于包装和建筑的隔热、吸音、减震等功能。通常情况下，它们以石油基塑料为主，其中大多数既不可生物降解也不防火，从而导致严重的塑料污染和安全问题。

在此，美国马里兰大学胡良兵教授和李腾教授等人报道了一种由资源丰富的石墨和纤维素制成的防火、隔热、可回收的3D石墨-纤维素纳米纤维（G-CNF）泡沫，提出了一种无冷冻干燥、可扩展的离子交联方法，制备了低能耗和低成本的Cu²⁺离子交联G-CNF（Cu-G-CNF）泡沫材料。同时，直接泡沫形成策略使本地泡沫制造能够满足本地需求。结果表明，离子交联G-CNF泡沫表现出优异的水稳定性（即使在潮湿状态下也能保持机械坚固性，并在空气中干燥后恢复而不会变形），耐火性（41.7 kW m^-2vs 214.3 kW m^-2）和低导热系数（0.05 W/(mK)），且不影响复合泡沫的可回收性、降解性和机械性能。本文所展示的3D G-CNF泡沫有望取代商业化塑料泡沫材料，从而代表了针对“白色污染”的可持续解决方案。

相关论文以“Lightweight, Thermally Insulating, Fire-Proof Graphite-Cellulose Foam”为题发表在Adv. Funct. Mater.。

图文解析

图1：基于无冷冻干燥离子交联法原位大规模生产Cu-G-CNF泡沫。（a，b）用Cu²⁺交联制备Cu-G-CNF泡沫塑料的工艺示意图；（c）超声处理产生的大容量G-CNF；（d）风干后的大型G-CNF泡沫；（e）潜在应用。

要点：为了降低成本并通过避免使用冷冻干燥方法实现放大生产，作者开发了一种通过离子交联直接形成泡沫的策略（图1a）。相邻的纤维素链可以基于静电相互作用通过Cu²⁺进行交联，这有助于纤维素纳米纤维之间的三维离子交联网络（图1b）。由于避免了能源密集型冷冻干燥过程，因此大大降低了制造成本，并大大提高了放大能力（图1c，d）。此外，Cu²⁺交联G-CNF（Cu-G-CNF）泡沫表现出优异的水稳定性、耐火性和隔热性，且不会影响复合泡沫的可回收性、降解性和机械性能（图1e）。

图2：通过Cu²⁺交联法制备G-CNF泡沫塑料。（a）Cu²⁺交联G-CNF泡沫的层次结构；（b）Cu-G-CNF泡沫微观结构的SEM图像；（c）Cu-G-CNF泡沫的高放大倍率SEM图像；（d）EDX元素映射图；（e）CNF、G-CNF和Cu-G-CNF 的FT-IR光谱；（f）用三层石墨烯构建的泡沫的原子结构；（g）由三层石墨烯和纤维素分子链构成的G-CNF泡沫的原子结构；（h）石墨片与纤维素分子链之间的相互作用；（i）氢键能的变化。

要点：密度为0.040±0.005 g cm^-3的轻质Cu-G-CNF泡沫具有多孔和分层结构（图2a）。在分子尺度上，CNF通过其疏水位点与石墨疏水面之间的相互作用，以及CNF羟基与石墨薄片缺陷边缘之间的氢键附着在石墨片上。在纳米尺度上，CNFs很好地对齐。由于不同薄片之间的静电排斥力，这些亲水官能团使石墨片很好地分散在水中。在微尺度上，纤维紧密交织在一起；在宏观尺度上，CNF涂层的石墨片形成3D结构。

图3：PS泡沫、CNF泡沫、G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的动能吸收；（a）包括框架在内的多个组件的照片；（b）PS泡沫、CNF泡沫、G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的动能吸收；（c）测试期间高速相机拍摄的照片。

要点：通过使用自制的落塔在撞击过程中测试不同的材料，并评估其能量吸收性能。结果表明，在铝，PS泡沫，CNF泡沫，G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫中，G-CNF泡沫比纯CNF泡沫和PS泡沫具有更高的减震能量，进一步的离子交联导致更高的减震能量。这些结果表明，大尺寸石墨片的杂化和离子交联都有助于提高石墨-CNF复合泡沫的机械减震性能。

图4：Cu-G-CNF泡沫的阻燃性和热性能。（a-d）PS，CNF，G-CNF和Cu-G-CNF泡沫的垂直燃烧测试的数字图像；（e，f）HHR与时间，PS、CNF、G-CNF和Cu-G-CNF泡沫与HRRpeak值的关系。

要点：防火安全是泡沫材料的关键特性，这对PS等传统泡沫材料来说一直是一个长期的挑战。通过垂直燃烧测试进一步评估了PS泡沫，CNF泡沫，石墨-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的阻燃行为（图4a-d）。观察到PS和CNF泡沫都很容易被点燃，火焰在10 s内迅速蔓延到样品顶部。对于G-CNF泡沫，当移除燃烧器源时火焰熄灭，表明G-CNF泡沫中石墨的存在延缓了CNF上的火焰燃烧。相比之下，Cu-G-CNF泡沫表现出优异的阻燃性，当燃烧器源被移除时，火焰立即熄灭。以上结果证明，得益于石墨与Cu²⁺在燃烧过程中的协同作用，Cu-G-CNF泡沫塑料表现出优异的阻燃性能。

图5：Cu-G-CNF泡沫的水稳定性、可回收性和降解性。（a，b）CNF（左）、G-CNF（中）和Cu-G-CNF（右）泡沫的水稳定性；（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）压缩后的行为；（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。

综上，本文通过无冷冻干燥离子交联法开发了一种轻质、坚固、水稳定、可回收和可降解的3D石墨-纤维素泡沫材料。G-CNF浆料保持高表观粘度以及良好的储存和损耗模量稳定性，使3D泡沫产品的直接成型生产成为可能。同时，由于Cu²⁺与带负电荷的纤维素之间的静电相互作用，建立了具有开放微细胞结构的三维交联网络。Cu²⁺交联G-CNF骨架可以形成独立的多孔结构，在空气干燥过程中没有任何稳定保护的情况下能够防止坍塌。此外，Cu²⁺与石墨的协同效应使Cu-G-CNF泡沫复合材料具有较高的阻燃性能和长效的水稳定性，表明其具有更好的安全性。由于Cu-G-CNF复合材料中的可逆键合机理（即氢键），可以实现优异的降解性和可回收性。更加重要的是，石墨-纤维素泡沫表现出比商用PS泡沫更好的冲击能量吸收能力和出色的隔热性，且这种低成本、高效和可扩展的方法也可以扩展到偏远地区石墨纤维素泡沫的制造。

文献信息

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

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