不列颠哥伦比亚大学姜锋 Small:多尺度设计用于坚固、隔热和火焰自熄的纤维素泡沫
2023-11-16 来源:高分子科技
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。
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。
原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202306942
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