英文原题：Engineering pulp foam with highly improved water stability and multifunctional properties by incorporation of natural rubber and montmorillonite

作者：Yidong Zhang, Wangfang Deng, Meiyan Wu, Guang Yu, Zhexuan Liu, Na Cheng, Haishun Du*, Chao Liu*, Bin Li*

01 论文信息

论文信息

Y.D. Zhang, W.F. Deng, M.Y. Wu, et al. Engineering pulp foam with highly improved water stability and multifunctional properties by incorporation of natural rubber and montmorillonite[J]. Green Carbon 2024 2(2) 231-241.

论文关键词

Cellulose foam; Natural rubber; Montmorillonite; Heat insulation; Flame retardancy

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.03.005

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Engineering pulp foam with highly improved water stability and multifunctional properties by incorporation of natural rubber and montmorillonite

中文解读原链接

Green Carbon文章│美国威斯康辛大学麦迪逊分校杜海顺、青岛能源所刘超、李滨：多功能植物纤维发泡材料的构建

02 背景简介

随着全球气候环境的不断恶化，碳中和作为控制全球升温的具体目标之一，已在世界范围内广泛实施。木质纤维是地球上蕴藏最丰富的可再生生物质资源，将其有效利用可逐步替代石油基资源，助力我国“双碳”目标的实现。

泡沫材料是一类具有多孔结构的发泡材料，具有孔隙率高、密度低、质轻、隔热和吸音性好等优点，被广泛应用于消音隔热、防冻保温、缓冲防震以及轻质结构材料中，在交通运输、房屋建筑、包装存储、日常用品及国防军工等领域应用前景广阔。目前，常用的泡沫材料主要由聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯等石油基材料发泡制成，存在原料不可再生，生产能耗高、碳排放高，产品不可生物降解和回收利用率低等问题，造成了严重的塑料污染，已成为全人类可持续生存和发展的痛点。因此，人们越来越多地关注如何更好的利用天然生物质材料来替代石油基材料。

近日，美国威斯康辛大学麦迪逊分校杜海顺博士和中国科学院青岛生物能源与过程研究所的刘超高级工程师、李滨研究员等于Green Carbon上发表标题为“Engineering pulp foam with highly improved water stability and multifunctional properties by incorporation of natural rubber and montmorillonite”的研究文章。该工作以纸浆纤维为原料，利用简单的常温常压物理发泡-模具成型-热风干燥的过程，制备了一种新型的植物纤维发泡材料。通过引入天然乳胶和蒙脱石，在提高发泡材料耐水性和机械性能的同时，赋予其优异的阻燃、抗菌和吸油性能，增加了该新型绿碳材料的实用性和应用领域。

03 文章简介

植物纤维纸浆泡沫是一种廉价、环保的新型多孔材料。研究人员在前期研究中，模仿植物细胞壁的天然交联互锁结构，采用硼离子仿生交联策略，使其机械强度增加超过28倍，发展了这一新材料的制备技术（授权中国发明专利ZL201910006983.2, ZL201910007105.2，ZL202210690228.2、ZL202210690227.8；Chem. Eng. J., 2019, 371, 34-42; Carbohydr. Polym., 2022, 278, 118963; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 7414−7426; Desalination, 2024, 573, 117153），使其具备了实际应用的可能，但该材料在既定应用领域中的回弹性、耐水性和抗菌性等依然有待提高。

在该项工作中，研究人员将天然胶乳和蒙脱石引入到纸浆泡沫材料的制备中，采用低成本且易于工程放大的常温常压、空气发泡技术，制得了具有多重优异性能的环保型多孔发泡材料。精巧的结构设计赋予了泡沫材料低密度（14-24 mg/ cm³）、高孔隙率（99%）和出色的温度阻隔特性。借助木质纤维、天然胶乳和矿物组分的协同作用（木质纤维提供三维骨架结构；天然胶乳的引入可以在木质纤维之间形成丝状连接，提高应力传递；蒙脱石的加入可以在纤维表面形成均匀的阻燃保护层，并进一步提升材料的机械性能）（图1），泡沫材料的机械强度也获得了大幅提升，其在80%应变条件下抗压强度可达2.7 MPa，约为空白常规纸浆泡沫的5倍以上。此外，该研究的纸浆泡沫也展现出良好的阻燃、吸油、抗水、抗菌（大肠杆菌和枯草芽孢杆菌）等多重功能属性（图2），大大拓展了其在多领域的应用可能。

图1. 纸浆泡沫中木质纤维、天然胶乳和蒙脱石的协同作用

图2. 纸浆泡沫的放大制备与隔热、抗菌、耐水和循环吸油性

总结及展望

传统的塑料泡沫材料（例如，聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚氨酯等）的合成原料主要来自石油和煤炭等石化资源。这些泡沫材料的大量使用加剧了不可再生石化资源的枯竭，并且其废弃物在自然环境中难以降解，造成了严重的塑料污染。基于生态环境保护的目的和可持续循环发展的理念，开发可再生、可降解的绿色发泡材料引起了全球学术和企业界的极大兴趣。该研究对于植物纤维、天然胶乳和天然矿物协同作用制备发泡材料的工艺方法做了深入的探索，制得的发泡材料不仅强度、缓冲、温度阻隔等基础物理性能优异，而且具有防火、吸油、抗菌等功能化属性，使其在建筑阻隔、高端汽车吸音、油水分离、高品质包装缓冲材料等众多领域具有广阔的应用潜力，并有望逐步替代传统石油基泡沫材料的使用。尽管如此，生物质基发泡材料的规模化连续稳定制备依然面临一些挑战，包括原材料质量的控制、新型成型设备的研制、产品质量的稳定、生产效率的提升和成本的降低等，以满足既定应用场景下新材料产品规模化应用的要求。

04 文章摘要

Abstract

Considering the aim of carbon neutrality and reducing plastic pollution, lightweight porous materials with good thermal insulation and mechanical robustness derived from renewable resources are in high demand. Cellulose-based pulp foams (PFs) offer considerable potential applications in many fields; however, the cost-effective manufacturing of PFs with satisfactory properties remains challenging. Herein, we demonstrate a simple and low-cost strategy to prepare a novel pulp/natural rubber (PNR) foam by combining wood pulp fiber and natural rubber latex through wet foaming and oven drying, eliminating traditional freeze-drying and solvent exchange processes. The obtained PNR foam exhibited high porosity (98.4%–99.1%), low density (14.1–24.0 mg/cm³), and excellent water stability (without disintegration under magnetic stirring for 14 days). Moreover, montmorillonite (MMT) was easily incorporated into the PNR during the preparation process, improving the mechanical strength and heat insulation of the obtained PNR-MMT foam. The optimized PNR-MMT foam could be compressed more than ten times without losing its resilience, exhibiting a compressive strength of 2.7 MPa at 80% strain, five times higher than that of pristine PF. Moreover, the PNR-MMT foam exhibited excellent flame retardant, good "spill" oil absorption, and good antibacterial properties towards Escherichia coli and Bacillus subtilis. Overall, this study provides a facile, sustainable, and low-cost route for manufacturing PNR-MMT foams with high resilience, good thermal insulation, excellent flame retardancy, and strong antibacterial properties, thus highlighting their usage potential in a broad range of applications.

05 作者简介

杜海顺 博士后研究员

杜海顺，美国威斯康辛大学麦迪逊分校博士后研究员，Green Carbon青年编委。2021年获美国奥本大学博士学位，曾入选2023年“全球前2%顶尖科学家榜单”。主要从事木质纤维材料的纳米化及应用开发，包括木质纤维原料的组分分离，纳米纤维素的绿色可持续制备，纤维素基纳米复合材料的构建及应用开发。迄今共发表SCI论文90余篇，其中以第一/共一/通讯作者在Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Nano-Micro Letters，Chemical Engineering Journal等期刊发表SCI论文50余篇（包括期刊封面论文7篇，ESI高被引论文22篇，ESI热点论文10篇）。发表论文共被引7700余次，H指数46；申请发明专利8项，已授权5项。目前担任Nature Sustainability，Nano-Micro Letters， Small，Chemical Engineering Journal等国际知名期刊审稿人，并受邀担任国际学术期刊Frontiers in Nanotechnology副主编，Carbohydrate Polymer Technologies and Application编委，EcoMat青年编委。

刘超 高级工程师

刘超，中国科学院青岛生物能源与过程研究所高级工程师，硕士生导师。2017年获中国科学院大学博士学位，目前于青岛能源所系统集成工程中心木质纤维绿碳材料项目部主要从事生物质预处理与综合利用，木质纤维材料化利用的应用基础研究、关键工程技术开发与成果转化，曾主持或作为骨干参与国家自然科学基金青年基金、联合基金重点项目，国家863计划子课题，中国科学院洁净能源先导专项子课题，山东省重点研发计划，SHELL国际企业合作，青岛市科技成果熟化，以及多项企业合作项目等。曾获辽宁省科学技术进步二等奖（2019）、中国石油和化工联合会技术发明三等奖（2022）等。已在Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等国内外主流刊物上发表学术论文50余篇，授权中国发明专利30余项。

李滨 研究员

李滨，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师，Green Carbon青年编委。2009年获华南理工大学工学博士学位，2009年至2011年于加拿大University of New Brunswick作博士后研究，2012年2月加入青岛能源所，期间（2013-2014）以访问学者身份访问芬兰Åbo Akademi University，目前担任青岛能源所系统集成工程中心木质纤维绿碳材料项目部部长。工作聚焦木质纤维组分清洁分离与综合利用、纤维素高值材料化利用的应用基础研究与成果转化。曾获评芬兰约翰·加多林学者（2013）、山东省杰青（2019）、全国商业联合会科技进步一等奖（2022）、中国石油和化工联合会技术发明三等奖（2022）、研究所“清源学者”骨干人才等。目前担任中国造纸学会纳米纤维素及材料专业委员会委员、The Global Energy Association评审委员会委员等，期刊Polymers、《中国造纸》等编委。近年来，主持国家自然科学基金联合基金重点项目，中国科学院洁净能源先导专项子课题、国际伙伴计划项目等。已在Small、Chemical Engineering Journal、《化学进展》等领域内主流刊物上发表学术论文120余篇（H指数42），发表英文书籍1章；申请PCT国际专利2项，已授权中国发明专利36项。

06 Green Carbon

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