在迈向低碳时代进程中，开发高性能的可再生泡沫已经成为全球关注的焦点。来源广泛、可再生、高机械性能的纤维素纤维是制备高性能泡沫的理想原材料。然而，将纤维素纤维的高机械性能拓展到纤维素泡沫仍具有挑战性。尽管化学耦合、接枝、表面涂层等方法被用于增强网络结构，但额外化学制剂的引入削弱了纤维素的环境效益。此外，纤维素泡沫结构的固有缺点，尤其是高易燃性，严重制约着纤维素泡沫的应用。因此，亟需开发更环保高效的纤维素泡沫设计方法，构建高强、阻燃、环保的纤维素泡沫。
近期，不列颠哥伦比亚大学（UBC）姜锋教授团队设计并构建了具有多尺度结构的纤维素基泡沫（MFC/CNF/Al3+），其包含宏观尺度上的三维多孔结构、微观尺度上缠结的微纤化纤维素（MFC）、纳米尺度上缠结和堆叠的纤维素纳米纤维（CNF），以及分子尺度上的氢键和静电作用。首先将CNF网络引入MFC网络，通过冰晶诱导的相分离、Al3+对CNF的离子交联、低极性溶剂诱导的纤维素-纤维素相互作用以及溶剂蒸发四种连续策略诱导纤维素网络自我致密化，构建了高性能的纤维素泡沫，展示出卓越的机械坚固性、湿稳定性、隔热性和自熄性。这种策略开发了一种具有坚固网络和出色环境耐久性的纤维素泡沫，为高性能泡沫材料的发展开辟了新的可能性。
图1 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的设计与制备。（a）制造过程示意图；（b）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的多尺度结构示意图；（c）纤维素网络在冷冻、交联、溶剂置换和干燥过程中逐渐自我致密化；（d）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的光学图像，展示了其轻质、高强和规模生产的特点。
图2 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的形态和结构表征。（a）涡旋 1 分钟前后纤维素饼的光学图像；（b）MFC、MFC/CNF 和 MFC/CNF/Al3+ 泡沫横向和纵向截面的扫描电镜图像；（c）MFC、MFC/CNF 和 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的红外光谱图。
图3 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的压缩特性和湿强度。（a）不同泡沫的应力-应变曲线；（b）泡沫的压缩模量和从 0 到 70% 应变的能量吸收；（c）不同泡沫的密度和孔隙率；（d）MFC/CNF/Al3+ 泡沫和典型泡沫的压缩模量与密度的关系；（e）风干纤维素基泡沫的压缩模量与密度的阿什比图；（f）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的光学图像，通过卷曲、折叠和承重显示出极佳的湿强度。同组中字母相同的数值在 α = 0.05（95% 置信区间）时无显著差异。
图4 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的隔热性能。（a）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的导热率；（b）使用 MFC/CNF/Al3+ 泡沫和其他商用泡沫（如玻璃纤维和发泡聚苯乙烯）进行隔热测试的装置示意图；（c）使用 MFC/CNF/Al3+ 泡沫进行隔热测试的装置照片，以及加热 1 分钟和 120 分钟后的红外热成像图；（d）120 分钟照射时间内的内外温度曲线。
图5 MFC 泡沫、MFC/CNF 泡沫和 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的可燃性测试。不同纤维素泡沫在（a）垂直方向和（b）水平方向上的燃烧行为；（c）垂直和水平燃烧测试后纤维素泡沫的长度和重量保持率；（d）MFC/CNF/Al3+ 泡沫的火焰自熄原理示意图，展示了 CNF 网络和 Al3+ 交联的重要作用。
图6 土壤环境下 MFC/CNF/Al3+ 泡沫的生物降解测试和重量变化。
该工作以“Multiscale Design for Robust, Thermal Insulating, and Flame Self-extinguishing Cellulose Foam”为题发表在《Small》。论文的第一作者为东北林业大学—UBC联培博士生孙浩，通讯作者为姜锋教授。
原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202306942
