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華東師范大學生命科學學院張強科研團隊基于納米纖維素制備高強度、高柔韌性的全降解生物質泡沫材料

文章來源：新能源網更新時間：2025-08-15 15:28:40

塑料泡沫材料具有廣泛的應用前景，但傳統石油基塑料泡沫材料存在不可再生、不可降解等問題，加劇了資源枯竭與環境污染。纖維素作為自然界中產量最豐富的天然高分子材料，具有可再生、可降解的特性，因此利用纖維素制備替代性泡沫材料，有望緩解當前塑料泡沫材料面臨的資源與環境壓力。然而，由于纖維素無法熔融加工，傳統塑料泡沫加工技術難以直接應用于纖維素基泡沫材料的生產，這極大地限制了其產業化發展。

近年來，常壓干燥工藝的發展為纖維素基泡沫材料的規模化生產提供了可行路徑。該工藝的技術關鍵在于解決材料在干燥過程中因毛細作用引發的多孔結構坍塌問題。目前，針對這一問題的解決方案主要有兩種：一是發泡策略，通過氣-液界面穩定劑（如表面活性劑）維持氣泡結構以抵消毛細管力；二是采用骨架增強策略，通過改性或添加無機礦物等強化材料的微觀網絡結構。然而，這些方法通常會引入新的化學試劑或不可降解組分，增加了工藝的復雜性，降低了材料的環保性。此外，纖維素基泡沫材料易脆裂，導致柔韌性不足，嚴重制約其在包裝緩沖等關鍵領域的應用。

近日，華東師范大學生命科學學院、上海市調控生物學重點實驗室張強課題組成功開發了一種全降解生物質泡沫材料，兼具優異柔韌性和彈性，并初步驗證了規模化生產的可行性。相關研究成果于2025年8月1日以“High-Elongation, Water-Weldable, and Fully Degradable Biomass Foams Fabricated via Oven Drying”發表于《Science Advances》。華東師范大學博士研究生常雨晴和田逸塵為文章共同第一作者，該研究得到國家自然科學基金（32071383）的支持。

該項研究提出了一種混合生物質發泡策略，通過特殊設計的纖維素納米纖維與酪蛋白酸鈉協同作用，既能形成穩定的濕態泡沫，又能構建阻氣性氣泡界面，從而避免烘箱干燥過程中的結構坍塌。具體步驟包括：以全生物質來源的納米纖維素（CNFs）和酪蛋白酸鈉（SC）為原料，通過機械攪拌形成濕泡沫體系，羧甲基纖維素（CMCNFs）與SC協同作為皮克林穩定劑，有效穩定氣泡界面，顯著提升烘箱干燥過程中泡沫的抗坍塌性能。添加甘油進一步賦予材料卓越柔韌性與高伸長率，成功制得G-CNF/SC泡沫。該泡沫材料展現出優異的力學性能（如高伸長率和彈性），媲美石油基泡沫，拉伸應力高達約400千帕（與脆性泡沫相當），但同時具有137.0%的優異延展性。其循環彈性表現突出，經100次壓縮后仍能保持90%以上的應力。此外，該材料具備水焊接特性，焊接后的泡沫材料可恢復87.3%的原始拉伸應力及近100%的延展率，支持定制化加工復雜結構。研究還采用流延工藝成功制備出連續泡沫卷材，驗證了規模化生產的可行性。

與先前開發的纖維素基泡沫相比，G-CNF/SC泡沫具有多項優勢，包括高伸長率、優異彈性、水焊接特性、可回收性和生物全降解性。此外，該泡沫材料在生產-使用-處置的全生命周期中無需復雜化學處理或昂貴設備，兼具環境友好性與經濟可行性，為緩解塑料泡沫污染，提供了很好的潛在解決方案。基于該項研究，G-CNF/SC泡沫材料在第十九屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽“揭榜掛帥”專項賽中斬獲全國一等獎。

▲圖1 高柔韌性和全降解的G-CNF/SC泡沫

▲圖2 第十九屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽“揭榜掛帥”專項賽全國一等獎

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