基于κ-卡拉胶的多级结构泡沫材料：高效有害化学吸附、超绝热与防火性能的协同创新

针对传统隔热材料密度高、绝热差、易燃等问题，中国科学院的研究团队创新性地通过铁离子交联κ-卡拉胶与膨胀蛭石纳米片，结合二氧化硅纳米纤维(SiO2)的耐烧蚀性，制备出兼具UL-94 V-0级阻燃(LOI 69.5%)、超低导热系数(0.0377 W·m?1·K?1)和高效油污吸附的多功能泡沫材料，为生物基高性能材料开发提供新范式。

　　

随着全球对节能减排需求的日益迫切，高性能隔热材料的研发成为科学界关注焦点。然而传统无机隔热材料存在脆性大、有机材料易燃等问题，而生物基材料往往难以兼顾力学性能与多功能性。这一矛盾在化工、建筑等领域尤为突出——既要实现UL-94 V-0级防火标准（材料点燃后10秒内自熄、30秒内不复燃、无熔滴），又要满足低于0.04 W·m^?1·K^?1的导热系数，同时还需具备环境污染物处理能力。

中国科学技术大学的研究人员独辟蹊径，从海洋藻类提取的κ-卡拉胶（κ-carrageenan）这一天然多糖入手。这种物质分子链上的硫酸酯基团能与Fe³⁺等金属离子形成"双螺旋结构-连接区"网络，在180-700°C热解时会生成均匀的Fe₂O₃阻隔层。团队创新性地将其与膨胀蛭石纳米片（VNS）通过铁离子交联组装，并引入高长径比的二氧化硅纳米纤维(SiO₂)作为增强骨架，最终构建出具有多级结构的CA-VNS-SiO₂复合泡沫。相关成果发表在《Carbohydrate Polymers》上。

研究主要采用静电纺丝制备SiO₂纳米纤维，通过XRD和SEM/TEM表征其形貌；利用阳离子诱导自组装技术将蛭石剥离为纳米片；采用冷冻干燥法制备三维多孔泡沫，并通过极限氧指数(LOI)、锥形量热和导热系数测试评估性能。

材料表征与制备
XRD证实SiO₂纤维呈非晶态，SEM显示其直径均匀且长径比优异。蛭石经剥离后衍射峰强度降低，TEM观察到单层纳米片结构。FTIR显示Fe³⁺同时与卡拉胶的硫酸酯基和蛭石片层形成配位键。

性能测试结果
导热系数低至0.0377 W·m^?1·K^?1，比纯卡拉胶泡沫降低84.1%。垂直燃烧测试达到UL-94 V-0级，LOI值高达69.5%，远超常规聚合物材料。锥形量热显示总热释放(THR)降低84.1%，燃烧后残炭率提升至58.3%。

多功能应用验证
经十八烷基三甲氧基硅烷改性后，水接触角达152°，对柴油、机油等有机污染物的吸附容量达自身重量的25-40倍，且可通过挤压重复使用。

这项研究通过"生物多糖-黏土矿物-无机纳米纤维"的跨尺度协同，实现了材料在分子、纳米和微米级别的多级结构调控。Fe³⁺的双重交联机制不仅增强了力学强度，还赋予材料本征阻燃性；蛭石纳米片与SiO₂纤维形成的"面-线"复合支撑网络，既保证了绝热性能又克服了传统气凝胶的脆性。该工作为发展"绿色制造-高性能-多功能"一体化材料提供了新思路，在建筑保温、化工防护、环境治理等领域具有广阔应用前景。