研究人员将废弃纸板转化为可持续纤维素气凝胶泡沫塑料
发布时间：2023-12-20 浏览次数：
近日，北京林业大学苟进胜副教授团队以未经任何化学预处理的废纸为原料生产了一种可生物降解的泡沫。该泡沫具有低导热性、优异的机械强度和出色的缓冲性能，可以替代传统泡沫塑料。研究人员通过将剪切增稠液（STF）浸渍到泡沫中，制备了一种超高吸能的可生物降解缓冲材料。
研究人员通过将废纸纸浆与PVA/明胶溶液混合，经过冷冻干燥制备了PVA增强废纸基泡沫(P/WPF-x)与明胶增强废纸基泡沫(G/WPF-x)（x代表PVA与明胶溶液的质量分数，x=1,2,3,4 %)）（图1）。随后还制备了PVA和明胶共增强废纸基泡沫（PG/WPF-x (x = 1,2,3,4 %)），并进一步浸渍剪切增稠液制备得到SPG/WPF-x (x表示纳米二氧化硅在STF中的质量分数，x = 70和75%)
图2A、D中P/WPF-1%和P/WPF-4%的SEM照片表明P/WPF具有多孔结构。随着PVA溶液浓度的增加，有效提高了废纸纤维之间的连接和P/WPF的机械强度。G/WPF中的废纸纤维表现出紧密交织和高度多孔的结构，纤维之间形成“膜连接”结构（图2B、E）。
废纸纤维在PG/WPF样品中交织在一起，形成多孔的三维网状结构。随着PVA和明胶溶液浓度的增加，PG/WPF-4%中的废纸纤维之间形成了“珊瑚连接”结构（图2F）。
P/WPF和G/WPF具有优异的多孔结构，表现出超低的导热系数（P/WPF：0.047–0.051 W/mK和G/WPF：0.044–0.048 W/mK）。随着PVA和明胶溶液浓度的增加，P/WPF和G/WPF的导热系数逐渐增加。P/WPF和G/WPF在废纸纤维与PVA和明胶交联后仍然表现出多孔结构和优异的机械强度，使G/WPF和P/WPF的绝热和高能量吸收达到完美的协调（图3C）。
/ P/WPF和G/WPF的机械性能与静缓冲性能 /
P/WPF-4%和G/WPF-4%的压缩模量分别为1.717和2.63MPa，与未添加PVA和明胶增强的废纸泡沫相比，分别提高了416.7%和638.3%。图5B显示，废纸泡沫表现出比泡沫塑料更高的机械强度，并且可以承受相同应变下比泡沫塑料高3-4倍的应力。
随着PVA和明胶溶液浓度的增加，P/WPF和G/WPF的能量吸收性能稳步增加。P/WPF-4%和G/WPF-4%的单位体积吸收能分别显著提高了377.2%和520.9%。与传统的废纸发泡缓冲材料相比，废纸基泡沫（P/WPF-4%和G/WPF-4%）表现出更低的密度和更高的单位体积吸收能量。
图4. P/WPF和G/WPF的机械性能和静缓冲性能。
研究人员将PG-WPF浸渍在STF，并对其动态缓冲特性进行了测试。如图5A所示，不含STF的纯PG/WPF表现出较弱的动态缓冲性能和较差的能量吸收性能。相比之下，浸渍了质量分数为75%的STF的SPG/WPF-75%有效地减弱了冲击加速度，延长了缓冲时间，动态缓冲性能和能量吸收性能得到了明显改善（图5B）。并且随着STF含量的增加，而缓冲性能增强，如图5C所示。
/总结 /
在网络购物流行的今天，泡沫塑料的包装往往会会产生大量垃圾，包括纸箱和塑料泡沫缓冲材料。研究人员的工作提供了一种简单而有效的方法，可以将废纸纸浆循环利用，制造出更环保的包装材料。与传统的塑料泡沫缓冲材料相比，这种再生材料更坚固、绝热性能更好，可以承受最恶劣的运输环境。有效地解决了泡沫塑料造成的废纸回收和浪费资源利用和环境污染的复杂问题，推动了环保包装的发展。
