供稿人：王爽、王富 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-05-03
纤维素泡沫具有密度低、孔隙率高、比表面积大、孔隙结构可调和机械性能优异等优势，在吸附、隔热和传感等领域具有广阔的应用前景。水系环境下常压干燥是实现纤维素泡沫工业化大规模生产的最可行的方法之一。这归因于冷冻干燥和超临界干燥往往需要高能耗和高成本。然而，由于水分蒸发过程中毛细管力过大，纤维素泡沫在干燥过程中容易塌陷，因此实现水系环境下常压干燥制备纤维素泡沫具有挑战性。广西大学鲁鹏副教授课题组采用Pickering乳液模板法，基于双网络微凝胶增韧机制提高基体交联网络强度实现常压干燥制备纤维素泡沫，成功实现无需溶剂置换条件下常压干燥制备纤维素泡沫。该泡沫具有高孔隙率(≈78 %)和优异韧性(2411.8 kJ/cm3)，使用该泡沫制备的自供电压力传感器可用于监测人体运动。
如下图1所示，纤维素泡沫由前驱体经UV固化后常压干燥制得。前驱体包含两部分：微凝胶（MG）稳定的高内相乳液（HIPE）和RMG（预加载单体的MG）。HIPE与RMG经简单共混，通过紫外光固化引发单体的聚合反应，RMG内部形成双网络结构，基体中形成相互交织的PAA/AM链将RMG贯穿交联起来，得到乳液凝胶。此时，乳液凝胶的交联网络强度得到增强，这归因于双网络微凝胶的引入。其中，第一网络是TOCNC-Nisin网络，第二网络是PAA/AM网络。在乳液凝胶的连续相中，RMG镶嵌在PAA/AM的交联网络中并起着物理交联点的作用。然后，在干燥过程中，凝胶受到水分挥发引起的毛细管力，第一网络会发生断裂，发挥能量耗散的作用，并促进第二网络中PAA/AM链抵御毛细管力。因此，镶嵌在PAA/AM交联网络中的RMG作为牺牲键，可有效的在PAA/AM链段和RMG的界面上传递能量，起到了能量耗散的作用。
图1 纤维素泡沫的制备过程和设计策略
借助EDC-NHS反应体系，Nisin上的氨基与TOCNC上的羧基反应后形成酰胺键，得到具有稳定网络结构的凝胶。然后，对凝胶高速剪切得到微凝胶（图2a）。红外和XPS测试结果共同证实了MG中Nisin与TOCNC通过形成酰胺键的方式进行结合。TOCNC的界面张力小于MG粒子的界面张力，证明MG具有更强的稳定界面的能力。TOCNC和MG的频率扫描测试结果证实了MG中三维网络结构的形成（图2e）。
图2 微凝胶粒子的制备流程图和结构示意、性能表征图
纤维素泡沫由乳液凝胶常压干燥后得到。如图3(c)所示，相比于HIPE+AA/AM泡沫，HIPE+RMG泡沫具有更高的孔隙率和更小的孔径。在不经溶剂置换处理的条件下，HIPE+RMG泡沫的孔隙率为77.9%，表明本研究提出的构建双网络结构提高交联网络强度的方法有效减轻了纤维素泡沫在干燥过程中的塌陷问题，泡沫孔隙结构得到了较好的保留。如图3(f)所示，与其他纤维素基多孔材料相比，HIPE+RMG泡沫具有高达2411.8kJ/cm3的超高韧性。
图3 纤维素泡沫的性能表征
与其他材料相比，由HIPE+RMG泡沫制备的TENG具有最好的电输出性能，开路电压(图4c)、短路电流(图5d)和转移电荷(图4e)分别为13.65 V、482.93 nA和5.83 nC，这归因于丰富的孔隙结构赋予泡沫更高的比表面积，有利于在摩擦电过程中保持较大的接触面积。由纤维素泡沫制备的自供电压力传感器对于医疗康复训练具有重要意义。根据开路电压信号的数值特性，传感器可以清楚地区分康复训练时病人肘部、膝盖和脚部的运动(图4h)。同时，传感器的输出信号是较为稳定的，具有良好的可重复性。
图4 纤维素泡沫基摩擦电压力传感器的结构设计与性能表征
本研究创造性地制备了纤维素双网络微凝胶。双网络微凝胶的引入使基体具有良好的机械韧性、可拉伸性以及有效的能量耗散机制，从而提高了纤维素泡沫的交联网络强度，使其能够承受常压干燥时溶剂蒸发引起的毛细管力进而有效抵御干燥过程中孔隙的塌陷，同时赋予了纤维素泡沫优异的韧性。