DOI: 10.1002/adfm.202204219

泡沫材料具有隔热、吸声、减震等多种功能，广泛应用于包装和建筑行业。该类材料以石油基塑料为主，然而，大多数塑料既不能生物降解，也不能防火，从而带来严重的塑料污染和安全问题。本文报道了一种由资源丰富的石墨和纤维素制成的防火、隔热且可回收的3D石墨-纤维素纳米纤维（G-CNF）泡沫。开发了一种无冷冻干燥的可扩展离子交联方法，以低能耗和低成本的方式制备Cu2+离子交联G-CNF（Cu-G-CNF）泡沫。此外，直接泡沫形成策略使本地泡沫制造能够满足本地需求。离子交联G-CNF泡沫表现出优异的水稳定性（泡沫即使在潮湿状态下也能保持机械强度，并且在空气中干燥后不会变形）、耐火性（41.7kW/m2）和低导热率（0.05W/（mK）），同时不影响复合泡沫的可回收性、降解性和机械性能。该3D G-CNF泡沫有望替代商用塑料泡沫材料，代表了一种对抗“白色污染”的可持续解决方案。

图1.通过无冷冻干燥离子交联法原位大规模制备Cu-G-CNF泡沫。a,b）通过Cu2+离子交联制备Cu-G-CNF泡沫的示意图。c）通过超声波处理生产大容量G-CNF浆料，每瓶1加仑。d）空气干燥后的大尺寸（60cm×30cm×5cm）G-CNF泡沫。e）该示意图显示了原位大规模生产的潜在应用。通过离子交联处理以直接形成泡沫的方法有望在原位（使用泡沫的地方）按需生产G-CNF泡沫，避免最终泡沫产物的长途运输。

图2.通过Cu2+离子交联可扩展地制备G-CNF泡沫。a）Cu2+交联G-CNF泡沫在不同长度尺度上的分层结构。b）Cu-G-CNF泡沫微观结构的SEM图像。c）Cu-G-CNF泡沫的高倍SEM图像。d）图（c）所示Cu-G-CNF泡沫中铜的EDX元素图。e）CNF、G-CNF和Cu-G-CNF泡沫的FT-IR光谱。石墨片和纤维素之间相互作用的原子模拟：f）由三层石墨烯构成的G泡沫的原子结构；g）由三层石墨烯和纤维素分子链构成的G-CNF泡沫的原子结构。棕色和绿色原子分别代表石墨薄片和纤维素分子链；h）石墨片和纤维素分子链之间的相互作用；i）在有或无纤维素的泡沫形成过程中，氢键能随时间的变化。加入CNF基质后，氢键能增加了10倍以上。

图3.PS泡沫、CNF泡沫、G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的动能吸收。a）由多个组件组装而成的落塔的照片，包括一个实心框架、一个顶板、一个底板、一个聚苯乙烯泡沫塑料缓冲垫，及其下方的一个刚性塔底板。b）PS泡沫、CNF泡沫、G-CNF泡沫和Cu-G-CNF泡沫的动能吸收。c）测试期间高速摄像机拍摄的照片。

图4.Cu-G-CNF泡沫的阻燃性和热性能。a）PS、b）CNF、c）G-CNF和d）Cu-G-CNF泡沫的垂直燃烧试验数字图像。e）PS、CNF、G-CNF和Cu-G-CNF泡沫的HRR（放热率）与时间的关系，f）HRRpeak值。

图5.Cu-G-CNF泡沫的水稳定性、可回收性和可降解性的展示。CNF（左）、G-CNF（中）和Cu-G-CNF（右）泡沫的水稳定性：在水中的形状保持能力，泡沫在a）完全润湿状态和b）干燥后的照片。CNF泡沫和G-CNF泡沫显著收缩，而Cu-G-CNF泡沫可以很好地保持其形状。c）CNF泡沫（左）、G-CNF泡沫（中）和Cu-G-CNF泡沫（右）浸泡在水中的照片。d）压缩后的行为。在相同压力（重量为500g）下CNF和G-CNF泡沫容易损坏；相反，交联的G-CNF泡沫保持其3D结构。e）Cu-G-CNF泡沫的可回收性。f）PS、CNF、石墨-CNF和Cu-G-CNF泡沫的可降解性。