高孔隙率、低密度、輕質的多孔材料在包裝、建築、醫療衛生和化工等領域頗具應用前景。利用可再生、可生物降解的纖維素製備多孔材料已成為研究熱點。中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員崔球帶領的代謝物組學研究組，採用硼離子交聯策略，並結合殼聚糖和少量陽離子聚丙烯醯胺（CPAM）的協同，開發出一種高強、耐火、抗菌的紙漿泡沫。
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，濾水乾燥後製得泡沫。而單獨使用紙漿纖維製備的泡沫材料強度差、易燃、易染菌，無法滿足實際應用的要求。
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，微量的硼離子透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。硼酸鹽也是一種常用的阻燃劑。受此啟發，研究人員前期開展了概念驗證性實驗，在紙漿泡沫的成型過程中藉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提升，其壓縮強度是不含硼離子紙漿泡沫的28倍，並賦予其一定的阻燃和自熄性（Chemical Engineering Journal，doi：10.1016/j.cej.2019.04.018）。
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，科研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，由於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，且高於目前報道的大部分纖維素基多孔材料。用量僅為0.5%（相對於紙漿的絕乾重）的CPAM可以取代30%的殼聚糖用量，並獲得具有相同機械強度的紙漿泡沫，這可降低紙漿泡沫的製備成本。同時，由於硼離子、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（導熱係數0.068 W/(m·K)），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，在泡沫製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。
該研究製備的高效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應用。相關研究成果發表在Carbohydrate Polymers上。研究工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學傑出青年基金和青島能源所自主部署基金等的支援。
青島能源所構築出功能性泡沫新材料
來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所
