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【資訊】研究人員將廢棄紙板轉(zhuǎn)化為可持續(xù)纖維素氣凝膠泡沫塑料

近日，北京林業(yè)大學(xué)茍進(jìn)勝副教授團(tuán)隊(duì)以未經(jīng)任何化學(xué)預(yù)處理的廢紙為原料生產(chǎn)了一種可生物降解的泡沫。該泡沫具有低導(dǎo)熱性、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和出色的緩沖性能，可以替代傳統(tǒng)泡沫塑料。研究人員通過將剪切增稠液（STF）浸漬到泡沫中，制備了一種超高吸能的可生物降解緩沖材料。

/ 廢紙基泡沫的制備 /

研究人員通過將廢紙紙漿與PVA/明膠溶液混合，經(jīng)過冷凍干燥制備了PVA增強(qiáng)廢紙基泡沫(P/WPF-x)與明膠增強(qiáng)廢紙基泡沫(G/WPF-x)（x代表PVA與明膠溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x=1,2,3,4 %)）（圖1）。隨后還制備了PVA和明膠共增強(qiáng)廢紙基泡沫（PG/WPF-x (x = 1,2,3,4 %)），并進(jìn)一步浸漬剪切增稠液制備得到SPG/WPF-x (x表示納米二氧化硅在STF中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x = 70和75%)

圖1. 廢紙基泡沫的制備工藝。

/ 微觀形貌 /

圖2A、D中P/WPF-1%和P/WPF-4%的SEM照片表明P/WPF具有多孔結(jié)構(gòu)。隨著PVA溶液濃度的增加，有效提高了廢紙纖維之間的連接和P/WPF的機(jī)械強(qiáng)度。G/WPF中的廢紙纖維表現(xiàn)出緊密交織和高度多孔的結(jié)構(gòu)，纖維之間形成“膜連接”結(jié)構(gòu)（圖2B、E）。

廢紙纖維在PG/WPF樣品中交織在一起，形成多孔的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著PVA和明膠溶液濃度的增加，PG/WPF-4%中的廢紙纖維之間形成了“珊瑚連接”結(jié)構(gòu)（圖2F）。

圖2. 不同泡沫的微觀形貌。

/ P/WPF和G/WPF的隔熱性能 /

P/WPF和G/WPF具有優(yōu)異的多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出超低的導(dǎo)熱系數(shù)（P/WPF：0.047–0.051 W/mK和G/WPF：0.044–0.048 W/mK）。隨著PVA和明膠溶液濃度的增加，P/WPF和G/WPF的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加。P/WPF和G/WPF在廢紙纖維與PVA和明膠交聯(lián)后仍然表現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，使G/WPF和P/WPF的絕熱和高能量吸收達(dá)到完美的協(xié)調(diào)（圖3C）。

圖3. P/WPF和G/WPF的隔熱性能。

/ P/WPF和G/WPF的機(jī)械性能與靜緩沖性能 /

P/WPF-4%和G/WPF-4%的壓縮模量分別為1.717和2.63MPa，與未添加PVA和明膠增強(qiáng)的廢紙泡沫相比，分別提高了416.7%和638.3%。圖5B顯示，廢紙泡沫表現(xiàn)出比泡沫塑料更高的機(jī)械強(qiáng)度，并且可以承受相同應(yīng)變下比泡沫塑料高3-4倍的應(yīng)力。

隨著PVA和明膠溶液濃度的增加，P/WPF和G/WPF的能量吸收性能穩(wěn)步增加。P/WPF-4%和G/WPF-4%的單位體積吸收能分別顯著提高了377.2%和520.9%。與傳統(tǒng)的廢紙發(fā)泡緩沖材料相比，廢紙基泡沫（P/WPF-4%和G/WPF-4%）表現(xiàn)出更低的密度和更高的單位體積吸收能量。

圖4. P/WPF和G/WPF的機(jī)械性能和靜緩沖性能。

/ SPG/WPF的動(dòng)態(tài)緩沖特性 /

研究人員將PG-WPF浸漬在STF，并對(duì)其動(dòng)態(tài)緩沖特性進(jìn)行了測(cè)試。如圖5A所示，不含STF的純PG/WPF表現(xiàn)出較弱的動(dòng)態(tài)緩沖性能和較差的能量吸收性能。相比之下，浸漬了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的STF的SPG/WPF-75%有效地減弱了沖擊加速度，延長了緩沖時(shí)間，動(dòng)態(tài)緩沖性能和能量吸收性能得到了明顯改善（圖5B）。并且隨著STF含量的增加，而緩沖性能增強(qiáng)，如圖5C所示。

圖5. SPG/WPF的動(dòng)態(tài)緩沖特性。

/總結(jié) /

在網(wǎng)絡(luò)購物流行的今天，泡沫塑料的包裝往往會(huì)會(huì)產(chǎn)生大量垃圾，包括紙箱和塑料泡沫緩沖材料。研究人員的工作提供了一種簡單而有效的方法，可以將廢紙紙漿循環(huán)利用，制造出更環(huán)保的包裝材料。與傳統(tǒng)的塑料泡沫緩沖材料相比，這種再生材料更堅(jiān)固、絕熱性能更好，可以承受最惡劣的運(yùn)輸環(huán)境。有效地解決了泡沫塑料造成的廢紙回收和浪費(fèi)資源利用和環(huán)境污染的復(fù)雜問題，推動(dòng)了環(huán)保包裝的發(fā)展。

本文來源：生物基科研前瞻

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