全球對塑料泡沫材料的需求是巨大的（年價值約為 3413 億美元），并且在現(xiàn)代社會需求不斷增長的推動下，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，導致嚴重的全球污染問題。
最近，馬里蘭大學胡良兵教授團隊報道了一種基于 3D 石墨-纖維素納米纖維 (G-CNF) 泡沫的泡沫材料的可降解、可回收和經濟高效的解決方案，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，無需任何化學反應。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。
具有設計形狀的堅固、可降解和可回收的 G-CNF 泡沫可以大規(guī)模印刷，顯示出更高的機械強度（3.72 MPa 對 0.28 MPa 的拉伸強度和 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漿料打印的詳細過程，以及3D打印產品。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，儲能模量 (G’) 和損耗模量 (G”) 作為振蕩應力 (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) 使用具有各種設計形狀的石墨/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泡沫的微觀結構以及密度和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泡沫結構示意圖。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構的 SEM 圖像。g) CNF 和石墨/CNF漿料的 FT-IR 光譜。h,i) 石墨/CNF泡沫納米結構的側視 SEM 圖像。
機械性能
圖4 G-CNF泡沫與市售塑料泡沫的機械性能比較。a) G-CNF 泡沫和商業(yè)塑料泡沫的極限拉伸強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構在d) 拉伸和 e) 壓縮下的變形和斷裂過程的有限元建模結果。
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 秒內燃燒測試的數(shù)字圖像。
總結
團隊通過 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品。石墨/CNF 漿料保持高表觀粘度以及良好的儲存和損失模量穩(wěn)定性，這使得從漿料生產連續(xù)長絲以構建 3D 結構成為可能。印刷的 G-CNF 泡沫比商業(yè)塑料泡沫強 8 倍，具有 27.2 MPa 的高拉伸剛度和兩倍的強度，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 復合材料中的可逆鍵合機制（即氫鍵），可以實現(xiàn)優(yōu)異的降解性和可回收性。我們通過可逆氫鍵結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現(xiàn)可持續(xù)應用的有希望的方向。
