《Carbohydrate Polymers》：开发具有优异抗氧化和绝缘性能的轻质、高强、高多孔的木质纳米纤维素泡沫

生物基科研前瞻 · 公众号 · · 2023-11-28 22:45

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多孔材料具有高孔隙率、重量轻和表面积大的特点，具有独特的机械、热、绝缘和其他性能，广泛用于从包装和绝缘到生物医学等领域，多孔材料分为三种主要类型：气凝胶、海绵和泡沫。传统多孔材料大多使用聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等石油基合成聚合物制备的，这会引起一系列的健康和环境问题。因此、包括纤维素、淀粉、壳聚糖、聚乳酸和海藻酸盐等在内的环保、生物基和可持续的材料正受到研究人员的广泛关注，并被用于制备多孔材料。

近日， 韩国仁荷大学Jaehwan Kim团队 以 木质素（LGN）、纤维素纳米纤维（CNF）和柠檬酸（CA） 为绿色交联剂，通过简单、低成本、环保的工艺制备了环保 木质纳米纤维素泡沫（LGN/CNF） 。与纯CNF泡沫相比， 收缩率更低，密度更低，孔隙率更高 。交联的LGN/CNF泡沫在70%应变下的压缩模量比纯CNF泡沫高182%，抗压强度高306%。此外，LGN和CA的加入增强了泡沫的抗氧化活性。与纯CNF泡沫相比，制备的泡沫具有更低的导热性和更好的吸音性能，具有用作可减少温室气体排放的隔热和吸音材料的潜力。

相关工作以“Development of lightweight, high-strength, and highly porous ligno-nanocellulosic foam with excellent antioxidant and insulation properties”为题发表于《Carbohydrate Polymers》。

/ 木质纳米纤维素泡沫的制备 /

图1为LGN/CNF泡沫的制备方案。将不同含量的LGN (CNF干重从5 wt%到30 wt%)添加到CNF悬浮液（1.5 wt%）中，并使用机械均质机进行混合。随后根据CNF的干重，在混合物中加入10 wt%的CA作为交联剂，5 wt%的SHP作为催化剂，混合均匀后再经过冷冻干燥、溶剂置换、以及烘箱干燥等手段得到干燥的泡沫。最终的泡沫被命名为LGN-5、LGN-10、LGN-15、LGN-20、LGN-25和LGN-30。此外，制备了纯CNF泡沫作为对照。

图 1.木质纳米纤维素泡沫的制备方案。

/ 化学相互作用 /

图2a为木质纳米纤维素泡沫的ATR-FTIR光谱，可以看到LGN/CNF泡沫的光谱在1728 cm ⁻¹ 处出现新的峰，归因于交联过程中，CNF的CA和-OH基团之间以及CNF和LGN的CA和-OH基团的-COOH基团之间形成的酯键的C=O拉伸振动，证明了CNF、LGN和CA之间的化学交联，如图2b所示。

图 2.（a）木质纳米纤维素泡沫的FTIR光谱。（b）LGN、CNF和CA之间可能的化学交联。

/ XPS分析 /

作者进一步通过XPS分析证实了LGN/CNF泡沫组分内的化学交联（图3a），285 eV和531 eV左右的两个结合能峰，对应于C1s和O1s。同时，由于CNF的结构改变，在1069 eV左右检测到Na1s的小峰。在CNF中加入CA和LGN后，C/O比值略有变化，随着LGN含量的增加，O值降低，C含量增加。

图3. 木质纳米纤维素泡沫的XPS光谱。

/ 物理性质 /

详细研究了LGN/CNF泡沫的物理性质，如图4a所示，纯CNF泡沫显示出高收缩率，随着添加CA和LGN而降低，直至LGN含量超过25wt%再次增加。图4b显示了泡沫密度随木质素含量变化的类似趋势。纯CNF泡沫的密度为28.86 mg/cm ³ ，而LGN-25为19.59 mg/cm ³ ，密度最低。图4c显示了泡沫的孔隙率，纯CNF 泡沫孔隙率为98.02%的。添加LGN增强了泡沫的孔隙率， LGN含量25 wt%，样品的孔隙率提高到了98.84%，当LGN含量超过25 wt%的时，泡沫的多孔结构略有减少，因为过量的木质素不与CNF或CA相互作用，只是作为填充剂，导致CNFs破坏了孔隙的坚固细胞壁。

图 4.木质纳米纤维素泡沫的物理性质：（a）收缩率，（b）密度，（c）孔隙率。

/ 形貌和微观结构 /

纯CNF泡沫的SEM图像如图5a所示，显示出随机取向的2D片状结构，与不规则的3D多孔网络相连。添加 LGN 和 CA 改善了泡沫的孔径、形状和结构（图 5b）。CA 交联的 LGN/CNF 泡沫通过坚固且一致的细胞壁显示出组织良好、互连的多孔 3D 细胞结构，这是 CNF、LGN 和 CA 之间的化学交联产生的。此外，与不含LGN 的 CA 交联泡沫相比，CA 交联 LGN/CNF 泡沫表现出显着改进且排列良好的三维多孔结构和形态。

图 5.SEM显微照片：（a）纯CNF泡沫和（b）木质纳米纤维素泡沫。

/ 机械性能 /

图6显示了LGN/CNF泡沫的压缩应力-应变曲线，纯CNF泡沫在10%应变时的抗压强度为7.55 kPa，在50%应变时为39.86 kPa，在70%应变时为148.46 kPa，压缩模量为112.12 kPa。与纯CNF泡沫相比，在70%应变下，LGN-5、LGN-10、LGN-15、LGN-20、LGN-25和LGN-30的抗压强度分别提高了4%、42%、165%、306%、210%和120%。此外，与CNF泡沫相比，LGN-5、LGN-10、LGN-15、LGN-20、LGN-25和LGN-30的压缩模量分别提高了77%、120%、148%、182%、170%和126%。添加 CA 和 LGN 可提高泡沫在整个应变范围内的压缩模量和强度，表明 LGN-20 的最大抗压强度为 603.37 kPa，模量为 315.81 kPa。

《Carbohydrate Polymers》：开发具有优异抗氧化和绝缘性能的轻质、高强、高多孔的木质纳米纤维素泡沫

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