石油基发泡缓冲材料（如EPS、EPE）因生产成本低、工艺成熟、性能稳定和机械性能优异而被广泛应用在运动器材、运输包装、建筑材料等领域。然而，随着工业化进程的加快和人口增长，能源危机和环境污染已成为日益突出的问题。石油基泡沫材料的不可降解性已成为阻碍可持续发展的主要挑战之一。因此，减少对传统石油基材料的依赖，转而追求具有卓越性能的环保可再生替代品正在成为科研界和工业界的共同目标。
纤维素作为最丰富和可再生的天然聚合物之一，具有生物相容性、可降解性和广泛的来源等优点，使其成为最有可能替代传统石油基材料的优势。由其延伸的纤维素基气凝胶材料具有令人满意的可持续性、孔隙率和弹性，是替代传统石油基泡沫的有前途的材料。然而，亲水纤维之间形成的粘性聚集和弱支撑力引起的孔隙塌陷对其进一步应用提出了挑战。
近日，天津科技大学马晓军教授课题组创新性地合成了一种孔规整化的纤维素基气凝胶，它通过表面界面调制来使气凝胶获得类承重结构，赋予气凝胶卓越的结构强度、机械弹性和耐水性。具体来说，纤维素和聚乙烯醇通过非定向冷冻干燥形成交织骨架。至关重要的是，体系中的鼠李糖脂表面活性剂促使聚合物网络形成稳定均匀的气泡，并在冷冻过程中驱动框架结构的规整化，促进精细机械结构的构建。相比于先前定向冷冻技术驱动的冰模板法，该方法避免的对于冷冻源和模具的严格调控，更适用于简单高效制造。此外，通过柠檬酸酯化反应的界面增强和疏水性硅烷通过化学气相沉积的包封使气凝胶具有更好的回弹性和水下耐久性。结果表明，气凝胶可以承受密集的压缩循环测试，并具有超过 10 次的水下回弹能力。湿环境下，在 80% 压缩 500 次循环后，应变损失和应力损失与初始气凝胶相比分别降低了~55.5%和~14%。应用上，在模拟道路运输包装应用中，它们具有超越发泡聚苯乙烯 （EPS） 和发泡聚乙烯 （EPE） 的出色缓冲性能，表明了其在绿色运输缓冲包装领域的前景。
图1 受承重结构启发的 S-RCCP 气凝胶的设计和制造。
图2 气凝胶的形貌和结构表征。
图3 气凝胶的力学性能表征。
图4. 气凝胶的疏水和耐水特性。
图5. 气凝胶与 EPE 和 EPS 的缓冲性能和模拟运输缓冲包装应用的比较。
该工作以“Load-Bearing Structure Inspired Cellulose-Based Aerogel With High Resilience and Water Tolerance”为题发表于《Advanced Functional Materials》。天津科技大学轻工科学与工程学院硕士研究生宋万龙与硕士毕业生潘啸森（现西安交通大学）为共同第一作者，轻工学院马晓军教授与青海理工学院工学院尹芬副教授为共同通讯作者。天津科技大学为第一兼通讯单位。该工作受到天津市自然科学基金（23JCZDJC00620）、青海理工学院“昆仑人才”引才研究项目基金（2023-QLGKLYCZX-020）和海南省自然科学基金（324MS086）资助与支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202415937
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