《Carbohydrate Polymers》：Lightweight and eco-friendly methyl cellulose foams featuring moisture-induced form interlocking: A versatile alternative to conventional plastic foams
编辑推荐：
可持续泡沫制备；甲基纤维素；热凝胶化；环保材料；可降解泡沫
葛如飞|王龙泰|娄彦珍|周燕|福兹尔琼·马马拉伊姆·乌格利·图拉库洛夫|海达尔·埃尔加肖维奇·尤努索夫|阿卜杜穆图利布·阿布杜帕托·乌格利·阿塔卡诺夫|赵建波|姜国华
浙江科技大学材料科学与工程学院，杭州，310018，中国
摘要
塑料污染危机要求我们寻找可持续的替代品来取代基于石油的泡沫材料。纤维素基泡沫材料具有可再生性和生物降解性，是一个很好的选择。在这项研究中，我们采用了一种简单且无添加剂的方法，仅使用甲基纤维素（MC）制备了完全可降解的纤维素泡沫。该方法结合了机械发泡和烘箱干燥工艺，无需使用发泡剂、稳定剂或交联剂。首先，通过机械搅拌水基甲基纤维素溶液来获得稳定的湿泡沫。亲水性的甲基纤维素分子在空气-水界面起到稳定泡沫的作用。在烘箱干燥过程中，甲基纤维素的热凝胶化作用使泡沫结构固化。所得到的甲基纤维素泡沫具有非常低的密度（10.02 mg·cm?3）、高孔隙率（99.28%）以及优异的隔热性能（热导率低至37.35 mW·m?1·K?1）。此外，该泡沫还具有湿度诱导的形态互锁能力，在互锁状态下仍能保持89.5%的原始拉伸强度，并且能够很好地粘附在常见的包装材料上。另外，甲基纤维素泡沫还可以通过化学改性来获得阻燃性和疏水性等额外功能。这项研究为制备轻质、湿度诱导互锁且环保的纤维素泡沫提供了一种新的方法，作为传统塑料泡沫的可持续和多功能替代品。
引言
传统的基于石油的塑料泡沫由于其低密度、高孔隙率和低热导率，在包装、吸音、减震和缓冲等领域得到广泛应用（Sun等人，2024；Turner，2021；Zhu等人，2022）。工业化的快速发展导致全球对塑料泡沫的需求激增，目前年产量已超过1亿吨（Chang等人，2025）。然而，大多数传统塑料泡沫来源于不可再生资源且不可生物降解。这些泡沫的不当处理会导致严重的塑料污染（Geyer等人，2017；Law等人，2020）。此外，它们的生产还会产生大量的温室气体排放，对气候变化产生显著影响（Leal Filho等人，2025）。尽管使用Neste公司的NEXBTL技术生产的可再生聚丙烯和PBAT等生物降解材料已经商业化，但仍需要开发可再生和可生物降解的生物质泡沫作为可持续替代品（Nguyen-Ha等人，2023）。
鉴于纤维素及其衍生物的可再生性、生物降解性和丰富性，它们已成为制造可持续泡沫材料的理想候选材料（Cywar等人，2022）。通常，基于纤维素及其衍生物的泡沫制备包括两个步骤：首先从原材料制备湿泡沫，然后通过溶剂蒸发进行固化。这一过程的关键前提是形成稳定的湿泡沫。然而，许多传统的纤维素及其衍生物的界面活性不足，无法有效稳定气泡，因此需要添加添加剂来防止气泡聚合并分层（Hunter等人，2008；Lam等人，2014）。最常用的添加剂是十二烷基硫酸钠（SDS），它既可作为发泡剂也可作为泡沫稳定剂。虽然SDS能有效制备低密度、高比表面积和低热导率的泡沫（Lohtander等人，2022；Zhang等人，2019），但其使用会带来土壤和水源污染的环境问题（Wu等人，2022）。为了解决这些问题，研究人员研究了石墨或膨润土等纳米颗粒作为Pickering稳定剂（Chen等人，2022；Wang等人，2022）。然而，这些方法通常需要复杂的步骤，如纤维素的溶解和再生。在纤维素衍生物中，纳米纤维素是一种独特的替代品，因为它可以在空气-水界面形成缠结网络来稳定泡沫。在制备高性能纤维素泡沫时，未经改性的或改性的纳米纤维素兼具Pickering稳定剂和增强剂的双重作用（Hadi等人，2023；Hadi等人，2025；Park等人，2022）。此外，高长径比的纳米纤维素具有更好的稳定效果（Hu等人，2016）。尽管纳米纤维素理论上是理想的稳定剂，但其复杂的低成本生产过程成为限制其大规模应用的瓶颈。
溶剂去除过程是一个固有的挑战，即如何保持多孔结构以防其塌陷。这种塌陷主要是由于蒸发过程中的毛细压力引起的（Zhao等人，2025）。为了解决这个问题，人们经常采用冷冻干燥和超临界干燥技术（Liu等人，2021）。尽管这些技术可以制备高孔隙率的泡沫，但它们需要专用设备和严格的操作条件，导致能耗高且可扩展性有限。因此，常压干燥作为一种可扩展且经济可行的替代方法受到了广泛关注（El-Naggar等人，2020）。为了通过常压干燥制备高孔隙率的纤维素泡沫，人们提出了多种策略，这些策略主要集中在强化泡沫骨架和减轻干燥引起的应力上。例如化学/物理交联（Cheng等人，2025；Kriechbaum等人，2020）、添加增强组分（Zhu等人，2023）以及溶剂置换（Li等人，2017；Sun等人，2023）。作为增强组分的一种，纳米纤维素通过纳米级机械缠结、氢键作用和其他分子间相互作用来增强网络的完整性和强度（Wang等人，2025）。尽管这些策略在保持结构方面有效，但它们不可避免地引入了额外的加工步骤，增加了材料或加工成本，并可能因使用化学物质而引发环境问题。因此，开发一种真正简单、低成本且环保的常压干燥制备纤维素泡沫的方法仍然是一个亟待解决的挑战。
在各种纤维素衍生物中，甲基纤维素（MC）因其两亲性、热凝胶化行为以及“普遍认为安全”（GRAS）的特性而具有独特的优势（Coughlin等人，2021）。然而，它主要被用作泡沫稳定剂、粘合剂或增强剂，而作为单一材料通过简单工艺制备高性能泡沫的潜力尚未得到充分重视。即使将MC作为主要材料，传统方法仍需要额外的稳定剂、交联剂和复杂的干燥技术来确保结构稳定性。这无疑削弱了整个过程的简单性、经济性和环保性。在这项研究中，我们假设MC的两亲性和热凝胶化特性使其能够作为单一材料制备稳定、高孔隙率且轻质的泡沫，从而消除了对交联剂或泡沫稳定剂的需求，并解决了常压干燥过程中的挑战。在此过程中，通过机械搅拌其水溶液可以容易地生成稳定的湿泡沫，亲水性的甲基纤维素分子会在空气-水界面自发吸附。它们的疏水部分形成一层致密的膜，有效抑制气泡聚合并防止排水（Jing等人，2023）。此外，MC还会发生热诱导的凝胶化（Gu等人，2023）。在烘箱干燥过程中，温度升高会引发甲基纤维素链的疏水结合，从而在湿泡沫内部形成坚固的三维凝胶网络（Biswas等人，2019）。这种凝胶结构为常压干燥过程中的毛细应力提供了必要的机械稳定性，从而保持了多孔结构（Fairclough等人，2012）。因此，我们首次成功地通过常压干燥制备出了超轻的甲基纤维素泡沫，完全避免了任何发泡剂、稳定剂或交联剂的添加。值得注意的是，整个过程仅包含两个步骤：机械发泡和烘箱干燥，完全不使用任何发泡剂、稳定剂或交联剂。除了其固有的特性外，该泡沫还可以通过后续改性来获得阻燃性或疏水性，以适应不同的应用环境。它还表现出出色的缓冲性能和水辅助粘附性，能够牢固地粘附在各种包装基材上。这些综合特性使其成为传统塑料包装泡沫的多功能、高性能和环保替代品。这项研究因此建立了一种极其简单、经济高效且环保的制造途径，直接解决了可扩展性问题，并为高性能纤维素泡沫的广泛应用奠定了基础。
材料
甲基纤维素购自Aladdin Industrial Corporation（分子量M = 220 kDa；甲氧基DS = 1.8）。三甲基氯硅烷（TMCS，99%）、乙醇（EtOH，99.8%）和高岭土（CP）也购自Aladdin Industrial Corporation（上海，中国）。去离子水（电阻率≥18.25 MΩ·cm）在实验室中制备。
甲基纤维素泡沫的制备
将甲基纤维素溶解在去离子水中，制备出浓度为2 wt%的透明水溶液。然后以600 rpm的速度机械搅拌30分钟，生成稳定的湿泡沫。
甲基纤维素泡沫的制备
甲基纤维素泡沫的制备过程如图1a所示。首先将甲基纤维素溶解在去离子水中，形成透明均匀的溶液。随后通过剧烈机械搅拌将空气引入溶液中，从而形成泡沫。如图1b所示，亲水性的甲基纤维素分子会在新形成的空气-水界面自发吸附。它们的疏水部分朝向空气相，而亲水部分则留在水中。
结论
本研究开发了一种简单、环保且可扩展的甲基纤维素泡沫制备方法。所得泡沫具有超低密度和高孔隙率，表现出优异的隔热性能。该方法利用甲基纤维素的两亲性来稳定湿泡沫，然后通过热凝胶化和常压干燥过程将其转化为坚固的多孔结构。
作者贡献声明
葛如飞：撰写初稿、方法学设计、资金申请、数据分析、概念构思。王龙泰：方法学设计、数据分析。娄彦珍：实验研究、数据分析。周燕：实验研究、数据分析。福兹尔琼·马马拉伊姆·乌格利·图拉库洛夫：实验研究、数据分析。海达尔·埃尔加肖维奇·尤努索夫：实验研究、数据分析。阿卜杜穆图利布·阿布杜帕托·乌格利·阿塔卡诺夫：实验研究、数据分析。赵建波：实验指导。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了中央政府支持地方科技发展专项基金（2025ZY01083）的财政支持。在准备过程中，作者使用了Deepseek工具来改进语言表达并优化手稿的可读性。使用该工具/服务后，作者对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。
