‌东北林业大学于海鹏教授 Nature Communications | 通过溶剂诱导分子组装策略制备梯度结构全纤维素生物泡沫

塑料泡沫以其轻质特性、易于加工以及优异的抗冲击、吸声和隔热性能，在建筑、运输和包装等领域得到广泛应用。然而，其中超过90%的产品源自不可再生的石化资源，包括聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（EPS）和聚氨酯（PU）等常见泡沫材料（图1a）。这些材料的生产过程不仅伴随大量碳排放，加剧气候变化，其废弃物也难以生物降解，可在环境中分解为微塑料，因其持久性与潜在毒性而对生态系统及可持续发展构成威胁。

采用可再生生物质资源（如地球上最丰富的多糖——纤维素）替代上述材料，为可持续材料开发提供了重要途径。然而，将纤维素转化为强韧、可塑的泡沫通常需要复杂预处理（如化学氧化与机械纤丝化）或使用有害的交联剂与发泡剂，从而引入额外的环境与健康风险。此外，为防止干燥过程中孔结构塌陷，往往依赖冷冻干燥或超临界干燥等高能耗方法，限制了纤维素基泡沫的规模化应用。相比之下，通过溶剂交换或诱导调控纤维素分子间氢键相互作用，可在分子层面设计与调控纤维素的有序或梯度网络结构。这种分子诱导重组策略为发展高性能纤维素泡沫提供了潜在途径，但目前该类泡沫在同时实现轻量化、高强度、可塑性及高热稳定性等方面仍面临挑战。

针对上述问题，东北林业大学于海鹏教授、沈阳化工大学赵大伟教授与美国德克萨斯大学奥斯汀分校于桂华教授合作，提出一种温和且可扩展的分子级制备方法：通过乙醇诱导的纤维素分子程序化组装与梯度多孔结构构筑，成功制备出纤维素泡沫。该技术能够在常温下直接成型泡沫，并保持纤维素分子间的网络缠结，最终获得称为“全纤维素泡沫”的材料。该泡沫以常见纤维素为原料，结合可扩展、可循环的分子工程策略，为建筑节能等领域提供了一种环境友好的解决方案（图1c）。得益于纤维素分子网络的缠结与蜂窝状梯度多孔结构，全纤维素泡沫展现出高抗压模量（11.8 MPa）、低密度（0.12 ± 0.01 g/cm³）、优异的热稳定性（热分解温度达264.1 °C）以及较低的热导率（0.047–0.062 W·m⁻¹·K⁻¹），同时具备良好的成型与加工性能。此外，其可生物降解与可回收的分子特性有助于实现材料循环利用，显著降低环境足迹。与PP、EPS、PU等传统塑料泡沫相比，全纤维素泡沫在综合性能与生态可持续性方面均表现出明显优势（图1d）。该突破为建筑与运输等领域泡沫材料的革新提供了有力支持，并与全球向可持续材料转型的趋势高度契合。相关成果以“A gradient-structured all-cellulose biofoam enabled by solvent-induced molecular assembly for sustainable insulation modules”为题，发表在Nature Communications上。

全纤维素泡沫的制备

一种氯化锌/甲酸(ZnCl₂/FA)混合溶液通过将ZnCl₂、H₂O与FA按摩尔比1:2:2在室温下搅拌制备。随后，将纤维素以7 wt%的质量分数分散于上述混合溶液中，于室温下持续搅拌60分钟，直至形成透明均一的纤维素溶液。将该溶液离心脱泡后，注入立方体模具中，并浸入乙醇中以诱导纤维素分子程序化组装，形成多孔凝胶结构。之后，将该材料于空气中干燥，挥发乙醇，即获得全纤维素泡沫(All-Cel)。为制备具有增强阻燃性能的All‑Cel/植酸(PA)泡沫，将上述所得多孔凝胶浸入3 wt%的PA乙醇溶液中，随后进行干燥处理。

重要图文

图1 | 全纤维素泡沫的概述及优点。a 2023年按聚合物类型划分的全球塑料产量统计。b 美国、欧盟和中国EPS的总进口和出口统计数据。c 通过溶剂诱导纤维素分子组装来制造全纤维素泡沫的工艺。d 比较全纤维素泡沫与传统塑料泡沫关键特性的雷达图。

图2 | 全纤维素泡沫的设计与结构特性。a 一幅示意性图示，展示了通过溶剂诱导的分子组装以及梯度结构构建来制造全纤维素泡沫的过程。b 一张SEM图像，展示了全纤维素泡沫的密集表面结构。c 一张数码照片，展示了全纤维素泡沫的横截面。d 两张SEM图像，突出显示了全纤维素泡沫的梯度横截面结构。e 图表显示了不同厚度泡沫对应的密度值。f 全纤维素泡沫的二维（2D）宽角X射线散射（WAXS）图案，展示了其晶体结构。g 两张数码图像，展示了全纤维素泡沫的功能性；左边是一块1.3克的泡沫样品，可支撑500克的重量，而右边它则稳稳地立在一朵蒲公英之上，突显了其高机械强度和轻质特性。

图3 | 全纤维素泡沫具有卓越的机械性能。a-c 以应力-应变曲线（a）、压缩模量（b）以及 60%应变下的压缩强度（c）的形式展示了全纤维素泡沫与商业塑料泡沫的压缩性能对比。d-f 通过弯曲应力-应变曲线（d）、弯曲强度（e）和弯曲模量（f）展示了全纤维素泡沫与商业塑料泡沫的弯曲性能对比。g 展示了全纤维素泡沫机械坚固性的数字照片。h 比较了全纤维素泡沫与商业塑料泡沫的抗冲击性能。

图4 | 全纤维素泡沫的热性能及阻燃处理。a 全纤维素泡沫与商业塑料泡沫的存储模量对比。b 图片展示了全纤维素泡沫与商业塑料泡沫在常温（25°C）和高温（200°C）下的外观，直观地展示了其卓越的热稳定性。c-e 全纤维素/聚丙烯泡沫与商业聚丙烯、聚乙烯泡沫和聚氨酯泡沫的锥形量热仪测试：（c）热释放速率（HRR），（d）总热释放量（THR），（e）烟产生速率（SPR）。f 全纤维素/聚丙烯泡沫的极限氧指数（LOI），突显了其对点燃和燃烧的增强抵抗能力。g 全纤维素/聚丙烯泡沫的垂直燃烧测试的数字图片展示了其抵抗和扑灭火灾的能力，证实了其在易燃环境中的实际应用价值。

图5 | 全纤维素泡沫的隔热性能及建筑能耗评估。a 全纤维素泡沫中纤维素分子体系浓度不同情况下的热导率变化。数据以平均值±标准差的形式呈现，共进行了3次重复实验。b 全纤维素泡沫、石油基塑料泡沫以及其他纤维素基泡沫之间热导率的比较。c、d 红外热图像展示了在红外加热60分钟后，装有全纤维素泡沫和未装全聚乙烯泡沫的铁盒的温度情况。e 红外照射60分钟后铁盒的温度变化情况。f 各城市中建筑模型的年度能耗情况：使用EPS泡沫或全纤维素泡沫作为中间墙体隔热层。g 在不同全球城市中通过采用全纤维素泡沫实现的年度能耗节约量的计算结果。

图6 | 全纤维素泡沫的特性：可塑性、可回收性、生物降解性以及对环境的影响。a 展示了各种形状的全纤维素泡沫的数字图像。花形（i）和雨滴形（ii）泡沫是通过将纤维素分子溶液倒入相应的模具中，然后进行乙醇交换而制得的。对于波形（iii）和桥梁（iv）形状的泡沫，首先将预先成型的全纤维素泡沫板在水中软化，然后放入定制模具中，最后通过乙醇交换进行重塑。b 展示了加工大型全纤维素泡沫板的能力（47 cm×28 cm×3 cm），突出了其可扩展性和在诸如隔热和结构面板等实际应用中的潜力。c 展示了全纤维素泡沫的可回收过程。使用过的全纤维素泡沫可以粉碎成碎片并重新溶解以形成纤维素体系。通过将纤维素体系倒入模具中制造新的泡沫胚胎，并通过乙醇诱导自组装来制造再生全纤维素泡沫。这一过程展示了全纤维素泡沫的可持续生命周期。a 对全纤维素泡沫与传统塑料泡沫（聚丙烯、聚乙烯膨胀聚苯乙烯和聚氨酯）在自然土壤环境下的生物降解性测试，时间跨度从0天到160天，间隔时间为0至160天不等。随着降解时间的推移，全纤维素泡沫逐渐失去结构完整性并明显分解，而传统塑料泡沫在整个期间几乎保持不变。b 将全纤维素泡沫相对于常用塑料（聚丙烯、聚乙烯膨胀聚苯乙烯和聚氨酯）的环境影响进行评估，每个影响类别均以影响最大的材料进行标准化。

研究结论

本研究提出了一种基于溶剂诱导分子组装策略的可持续纤维素泡沫制备方法。该全纤维素泡沫的结构调控核心在于利用乙醇介导的有序分子重组过程。具体而言，在纤维素/ZnCl₂/甲酸（FA）体系中，乙醇分子通过破坏原有氢键网络，促使纤维素分子解离并发生区域性重排。在泡沫表面发生的快速乙醇交换过程中，纤维素分子迅速再结合，形成一层致密表层。此致密层是形成梯度孔隙结构的关键：它延缓了乙醇向体系内部的扩散，导致由表及里不同深度处纤维素的组装动力学出现差异。表层区域乙醇浓度高，固化迅速，形成孔隙细密的紧密结构；而内部区域因松弛时间较长，允许纤维素分子更充分地聚集，最终形成具有蜂窝状特征的梯度多孔架构。该研究从溶剂交换动力学角度揭示了多级结构形成的内在机制，为定向设计具有特定孔结构的纤维素材料提供了理论依据与工艺思路。

所制备的全纤维素泡沫兼具轻质与高强特性，其密度仅为0.12±0.01 g/cm³，抗压模量可达11.8 MPa，热分解温度高于264°C，综合性能优于聚丙烯（PP）、发泡聚苯乙烯（EPS）及聚氨酯（PU）等传统石油基泡沫材料。此外，该泡沫表现出优异的隔热性能，并与植酸复合后具备显著的阻燃特性，从而提升了其在建筑应用中的安全性。其良好的可塑性支持复杂形状成型，有利于规模化生产。与已报道的其他纤维素基泡沫及气凝胶相比（参见补充表6），全纤维素泡沫通过常温、可扩展的乙醇诱导组装工艺，同步实现了梯度多孔结构、高性能与多功能可塑性。加之其可回收性与生物降解性，该材料成为结构及隔热领域中传统塑料泡沫的可持续替代方案。

总体而言，全纤维素泡沫的开发与应用标志着相关工业领域向可持续材料技术转型迈出重要一步。该泡沫完全源于生物质，凭借其高抗压模量、优异热性能及复杂形状成型能力，在与传统材料的竞争中展现显著优势。值得指出的是，植酸的引入不仅提升了阻燃性能，也彰显了纤维素与天然衍生化合物复合以拓展功能性的潜力，使其成为超越石油基材料的可行选择。

尽管当前研究成果显著，未来仍需关注规模化生产所涉及的潜在问题，如泡沫结构与性能的一致性保持、纤维素原料质量的稳定性以及整体经济性。后续研究中，工艺放大可行性是关键方向之一。此外，更系统开展生命周期评价，深入分析其可回收性与降解行为，将有助于全面评估该材料的环境效益与局限性。面向可持续发展的材料创新，必然要求在其加工工艺与综合性能上持续优化与迭代，以满足多样化应用场景与法规标准。综上所述，全纤维素泡沫不仅提供了一种可持续替代方案，也推动了材料科学在环境友好型创新领域的前沿发展。

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https://doi.org/10.1038/s41467-026-68803-8

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