全球?qū)λ芰?span id="eeokkac" class="wpcom_tag_link">泡沫材料的需求是巨大的（年價(jià)值約為 3413 億美元），并且在現(xiàn)代社會(huì)需求不斷增長的推動(dòng)下，仍在以 4.8% 的年增長率飆升。大多數(shù)現(xiàn)有的泡沫材料由塑料制成，需要數(shù)百年才能降解，導(dǎo)致嚴(yán)重的全球污染問題。
最近，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于 3D 石墨-纖維素納米纖維 (G-CNF) 泡沫的泡沫材料的可降解、可回收和經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，該泡沫材料由資源豐富的石墨和纖維素通過先進(jìn)的 3D 打印制成。CNF 可以在物理超聲處理下直接分散石墨，無需任何化學(xué)反應(yīng)。CNFs 與石墨的相互作用通過 CNFs 中親水和疏水面的作用使分散體聚合物的流變特性和良好的可加工性以及可調(diào)節(jié)的粘度用于 3D 打印。
圖1 展示使用可回收、可降解和可印刷的甘蔗渣和石墨替代白色污染的照片和示意圖。a) 白色泡沫污染。b) 塑料泡沫和 G-CNF 泡沫的數(shù)字圖像。c）由自然界中的植物和石墨礦制成的印刷 G-CNF 氣凝膠的可回收性和可降解性示意圖。
具有設(shè)計(jì)形狀的堅(jiān)固、可降解和可回收的 G-CNF 泡沫可以大規(guī)模印刷，顯示出更高的機(jī)械強(qiáng)度（3.72 MPa 對 0.28 MPa 的拉伸強(qiáng)度和 2.34 MPa 對 1.11 MPa 的壓縮剛度），更好的耐火性，比商業(yè)聚苯乙烯泡沫材料具有可降解性和可回收性。所展示的 G-CNF 泡沫有可能取代商業(yè)塑料泡沫材料，代表了解決白色污染的可持續(xù)解決方案。相關(guān)論文以題為3D-Printed, High-Porosity, High-Strength Graphite Aerogel發(fā)表在《Small Methods》上。
圖解
漿料和 3D 打印泡沫
圖2 石墨/CNF漿料的流變特性，石墨/CNF漿料打印的詳細(xì)過程，以及3D打印產(chǎn)品。a) 對于濃度為 2, 4, 8, 10, 20, 30 wt% 的石墨/CNF 漿料，作為剪切速率函數(shù)的表觀粘度。b) 對于不同濃度的石墨/CNF 漿料，儲(chǔ)能模量 (G’) 和損耗模量 (G”) 作為振蕩應(yīng)力 (Pa) 的函數(shù)。c) 透明玻璃燒杯中的自立式石墨/CNF 漿料。d) 裝入注射器的石墨/CNF 漿料的數(shù)字圖像。e) 石墨/CNF 漿料可以從內(nèi)徑為 1.0 mm 的針頭中連續(xù)擠出。f) 顯示印刷過程中多層堆疊的數(shù)字圖像。g) 使用具有各種設(shè)計(jì)形狀的石墨/CNF 漿料的 3D 打印石墨氣凝膠。（卷紙、圓杯、盒子和金字塔）。
圖3 G-CNF泡沫的微觀結(jié)構(gòu)以及密度和FT-IR表征。a) 由非常柔軟和輕盈的蒲公英支撐的 G-CNF 泡沫。b) G-CNF泡沫結(jié)構(gòu)示意圖。c) G-CNF 泡沫的多層堆疊。d) G-CNF 泡沫和商業(yè)塑料泡沫之間的密度比較。e,f) 從頂視圖方向看納米結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像。g) CNF 和石墨/CNF漿料的 FT-IR 光譜。h,i) 石墨/CNF泡沫納米結(jié)構(gòu)的側(cè)視 SEM 圖像。
機(jī)械性能
圖4 G-CNF泡沫與市售塑料泡沫的機(jī)械性能比較。a) G-CNF 泡沫和商業(yè)塑料泡沫的極限拉伸強(qiáng)度和拉伸剛度的比較。b) G-CNF 泡沫和商業(yè)塑料泡沫之間壓縮剛度的比較。c) 商業(yè)塑料泡沫和 G-CNF 泡沫的拉伸和壓縮性能。G-CNF 泡沫和商用塑料泡沫中代表性材料結(jié)構(gòu)在d) 拉伸和 e) 壓縮下的變形和斷裂過程的有限元建模結(jié)果。
可降解性和可回收性
圖5 在相同的測試條件下，G-CNF 泡沫與商業(yè)塑料 PS 泡沫相比的可降解性和可回收性的證明。a) 與周圍環(huán)境中的商業(yè)塑料泡沫相比，G-CNF 泡沫的可降解性證明。b) G-CNF 泡沫的可回收性證明。c) 商業(yè)塑料 PS 泡沫不可回收性的證明。d) 商用塑料 PS 泡沫在 4 秒內(nèi)燃燒測試的數(shù)字圖像。
總結(jié)
團(tuán)隊(duì)通過 3D 打印方法開發(fā)了一種可降解、可回收且重量輕的 3D 石墨纖維素泡沫作為先進(jìn)的泡沫材料。石墨粉可以通過 CNF 直接分散成均勻穩(wěn)定的漿料，無需表面活性劑或刺激性化學(xué)品。石墨/CNF 漿料保持高表觀粘度以及良好的儲(chǔ)存和損失模量穩(wěn)定性，這使得從漿料生產(chǎn)連續(xù)長絲以構(gòu)建 3D 結(jié)構(gòu)成為可能。印刷的 G-CNF 泡沫比商業(yè)塑料泡沫強(qiáng) 8 倍，具有 27.2 MPa 的高拉伸剛度和兩倍的強(qiáng)度，具有 2.34 MPa 的高壓縮剛度。此外，打印的 3D G-CNF 泡沫表現(xiàn)出比商業(yè)塑料泡沫材料更好的阻燃性能，表明更好的安全性。由于石墨-CNF 復(fù)合材料中的可逆鍵合機(jī)制（即氫鍵），可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的降解性和可回收性。我們通過可逆氫鍵結(jié)合天然豐富且具有成本效益的材料（即石墨和纖維素）的策略代表了開發(fā)可回收、可降解和綠色泡沫材料以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)應(yīng)用的有希望的方向。
