葡萄糖基石墨烯增强泡沫：阻燃与电磁屏蔽一体化的绿色建筑材料创新

本研究针对传统石油基泡沫材料不可再生、易燃且电磁屏蔽性能不足的问题，开发了一种以葡萄糖和柠檬酸为基体、掺入磷酸二氢铵和石墨烯的多功能生物降解泡沫（GCAG）。该泡沫具备优异的阻燃性（LOI=44.7%，UL-94 V-0级）、电磁屏蔽效能（35.3 dB）和热稳定性（800°C残重53.2 wt.%），同时可生物降解（60天土壤降解率9.83%），为绿色建筑提供了安全、可持续的新型材料解决方案。

　　

随着城市化进程加速和电子设备普及，建筑行业面临双重挑战：一方面，广泛使用的聚氨酯（PU）和聚苯乙烯（PS）泡沫依赖不可再生的石油资源，难以自然降解，长期使用加剧资源消耗和环境污染；另一方面，这些材料易燃且燃烧时释放剧毒气体（如一氧化碳CO和氰化氢HCN），同时缺乏电磁干扰（EMI）屏蔽能力，无法应对物联网设备带来的电磁污染问题。传统泡沫的局限性促使研究人员转向开发兼具安全性、功能性和环境兼容性的新型材料。

在此背景下，生物质衍生材料因其可再生性和环境友好性受到关注。葡萄糖作为一种来源于玉米、小麦等农作物的生物质，具有生物降解特性，但其直接衍生的树脂存在耐水性差、热稳定性低的问题。柠檬酸（CA）可作为交联剂与葡萄糖通过酯化反应形成葡萄糖-柠檬酸（GC）树脂，但反应条件苛刻（需200°C高温），且低温合成的树脂粘度低、性能不足。此外，单一生物质材料难以同时满足阻燃、电磁屏蔽等多功能需求。

为解决这些问题，西南林业大学云南省木材胶粘剂及胶合制品重点实验室的研究团队开展了一项创新研究，通过将葡萄糖、柠檬酸与磷酸二氢铵（ADP）、石墨烯和发泡剂偶氮二甲酰胺（AC）结合，开发了一种可生物降解的多功能泡沫（GCAG）。该研究旨在整合可持续性、安全性和多功能性，为绿色建筑提供先进材料解决方案，成果发表于《Results in Engineering》。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先通过水浴搅拌制备GC树脂，随后加入ADP和石墨烯形成GCAG树脂，最后经硅胶模具成型和热固化得到泡沫样品。表征手段包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）分析化学结构与反应机制；扫描电子显微镜（SEM）观察泡孔形态；万能试验机测试压缩强度；热导率仪和热重分析（TGA）评估热性能；四探针系统和矢量网络分析仪测量导电性与电磁屏蔽效能（SE）；锥形量热仪、极限氧指数（LOI）和UL-94垂直燃烧测试阻燃性能；并依据ASTM D5988标准进行土壤埋藏实验验证生物降解性。

研究结果如下：

3.1. 生物泡沫的化学性质

通过FTIR和¹³C-NMR谱分析证实，GC树脂中葡萄糖的羟基与CA的羧基形成酯键（C-O-C），ADP的加入进一步通过酯化和氢键作用增强交联密度。XPS显示GCAG中出现O-P和P=O键，表明ADP与GC树脂形成磷酸键交联。XRD显示GCAG结晶度（28.56%）低于GCG（32.23%），证明ADP和石墨烯的协同作用降低了结晶度，促进非晶态结构形成。

3.2. 生物泡沫的结构与表观密度

SEM显示GCAG泡沫具有均匀闭孔结构，平均泡孔尺寸（225.36 μm）小于GCG（433.89 μm）和GCA（373.23 μm），表观密度（304.25 kg/m3）更高。ADP分解产生的气体（如NH₃和H₂O）与机械搅拌引入的空气共同作用，形成细密泡孔，石墨烯的加入进一步优化泡孔分布。

3.3. 压缩强度、紫外抵抗力、肖氏硬度和粉碎率

GCAG泡沫压缩强度达3.263 MPa，高于GCA（2.537 MPa）和GCG（1.852 MPa），且紫外照射72小时后强度保持稳定（3.139 MPa）。肖氏硬度为96.5 HD，粉碎率仅4.06%，表明材料具备优异的机械耐久性和结构稳定性。

2.3.4. 热导率和热重分析（TGA）

GCAG热导率低至0.069 W·m^?1·k^?1，优于多数已报道泡沫材料。TGA显示GCAG在800°C残重53.2 wt.%，热分解峰值温度（217°C）高于GCG（196°C），证明ADP和石墨烯协同提升热稳定性。

2.3.5. 导电性和电磁屏蔽效能（SE）

GCAG导电率达87.79 S/cm，EMI屏蔽效能达35.3 dB（8.2–12.4 GHz波段），远超民用建筑标准（≥20 dB）。石墨烯通过导电损耗（反射）和介电损耗（吸收）机制增强屏蔽效果，泡沫多孔结构延长电磁波衰减路径。

3.6. 生物泡沫的防火性能

锥形量热测试显示GCAG峰值热释放率（pHRR=14.92 kW/m2）和总热释放（THR=5.39 MJ/m2）显著低于GCG（152.28 kW/m2和31.07 MJ/m2）。LOI值达44.7%，UL-94达到V-0级，且燃烧时烟释放量（TSP=0.32 m2）极低。ADP分解产生的磷氮化合物促进致密炭层形成，隔绝氧气和热量。

3.7. TG-IR测试、拉曼和燃烧后SEM分析

TG-FTIR显示GCAG气相挥发物少于GCG，拉曼光谱ID/IG比从4.1降至3.13，表明ADP催化石墨化提升炭层质量。SEM和EDS证实GCAG燃烧后形成均匀碳磷层，元素分布一致。

3.8. 泡沫的生物降解性测试

60天土壤埋藏后，GCAG质量损失率仅9.83%，低于GCG（11.25%），证明其具备可控生物降解能力，ADP交联网络延缓但不完全抑制微生物降解。

研究结论表明，GCAG泡沫成功整合了生物质材料的可持续性、ADP的阻燃效能和石墨烯的功能性，通过酯化交联和氢键作用形成稳定网络结构。其闭孔形态、低热导率、高压缩强度和卓越电磁屏蔽性能使其在绿色建筑中具有应用潜力。ADP在气相和凝聚相双重机制下发挥阻燃作用，分解产生的惰性气体稀释氧气，磷化合物催化炭层形成；石墨烯则增强导电性和屏蔽效能。与传统PU和PS泡沫相比，GCAG合成工艺更简单、安全性更高且可生物降解，有效解决了资源依赖、环境污染和功能性不足的问题。该研究为开发多功能绿色建筑材料提供了新策略，有望推动建筑行业向可持续发展转型。