《Polymer》：Synergistic water treatment of high-efficiency photothermal interface evaporation and chromium ion adsorption on bio-based hydrogel spacer fabric
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竹纤维泡沫通过机械发泡（SDS）制备，密度8-18 kg/m3，孔隙率98.81-99.43%。经OTES硅烷化处理（浸渍/喷涂/CVD）将接触角提升至106.8°-136.1°。复合APP/MMT与VTMS涂层实现阻燃，锥形量热测试显示峰值放热率降低65.13%，总放热减少75.47%，LOI提升54.16%，烟释放量抑制20%。泡沫兼具低密度、高疏水性和优异阻燃性，是可持续建筑材料的重要候选。
冷伟琪|张秀敏|王俊峰|何胜|翟胜成|史江涛|达维娜·克洛伊·德·拉·维克托瓦·马尼|卢Buyun|伊斯拉姆·哈菲兹
中国南京林业大学高效加工与利用森林资源江苏省协同创新中心
摘要
通过使用十二烷基硫酸钠进行机械发泡，制备出了超低密度（8-18 kg/m3）和超高孔隙率（98.81-99.43%）的竹纤维泡沫。随后通过三次后处理（三乙氧基（辛基）硅烷（OTES）处理进行了疏水改性：浸涂、喷涂和化学气相沉积），使水的接触角分别从66.3°增加到106.8°、130.5°和136.1°。为了赋予阻燃性能，引入了聚磷酸铵/蒙脱石（APP/MMT）和乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS），建立了P-Si复合体系。锥形量热法结果显示，处理后的泡沫峰值热释放率降低了65.13%，总热释放量减少了75.47%，极限氧指数提高了54.16%，总烟雾产生量减少了20%。TG-FTIR和SEM-EDS分析证实，APP促进了炭的形成并释放了惰性气体，MMT形成了物理屏障并促进了脱水，而VTMS改善了分散性并生成了硅氧烷网络以增强炭层。所得竹纤维泡沫同时具有低密度、高疏水性和优异的阻燃性能，显示出作为建筑和包装材料的巨大潜力。
引言
基于石油的泡沫（例如聚氨酯和膨胀聚苯乙烯）已被广泛使用，但面临生物降解性差等重大环境挑战。为了解决这些生态问题，研究人员一直在开发可持续替代品，如生物基聚氨酯泡沫、聚乳酸（PLA）泡沫以及来自淀粉和纤维素的泡沫。例如，可生物降解的泡沫使用了高达61%的蓖麻油合成。生物基聚氨酯泡沫是使用从小麦秸秆中提取的生物多元醇制成的。此外，还使用降解木质素制备了生物基酚醛泡沫[1]、[2]、[3]。然而，其中大部分仍来源于石油基成分[4]。对于聚氨酯泡沫，生物多元醇的含量在34%到38%之间，而聚甲基苯基二异氰酸酯（pMDI）的含量在50%到53%之间[5]。
已经开发了多种生物基泡沫的制造方法[6]，包括注塑[7]、挤出[9]、[10]和热压。例如，已经使用热压、微波加热和蒸汽爆炸等方法制备了纤维素及其衍生物的泡沫。泡沫制造的多功能性使得可以制造出各种基于纤维的产品[11]。此外，这种方法还缓解了长纤维和高纸浆悬浮液粘度在泡沫制备过程中常见的问题[12]。精制纸浆与十二烷基硫酸钠（SDS）作为发泡剂混合并机械搅拌，制备出了低密度的木质纤维素泡沫[13]、[14]。所得泡沫的密度分别在12.6-33.7 kg/m3和33-66 kg/m3范围内[15]、[16]。另一种研究使用CNF和尿素作为原料，通过微波辅助冷冻干燥制备了密度为36 kg/m3的低密度纤维素纳米纤维（CNF）泡沫[17]。在另一项研究中，使用可再生热机械纸浆（TMP）纤维和CNF在3D打印模具中成型了密度低至100 kg/m3的纤维基泡沫，然后通过微波干燥固化——无需任何发泡剂或化学添加剂[18]。然而，由于原材料的高能耗和高纯度要求，CNF的生产成本仍然较高。总之，现有的生物基泡沫要么含有大量石油基成分，要么是通过能耗较高的工艺制造的。
纤维可分为合成纤维和天然纤维。天然纤维进一步分为木质纤维和非木质纤维[19]，其中竹纤维在非木质纤维中尤为突出。其独特的纤维素排列方式赋予了与玻璃纤维相当的强度，并且相对于合成纤维具有成本更低、密度更低、可再生性和完全可生物降解等优势。尽管如此，竹纤维富含纤维素和半纤维素，这两种成分都含有丰富的羟基，使其具有天然的亲水性[20]。已经探索了多种表面处理方法来降低竹纤维的亲水性并提高其与疏水基体的相容性。常见的处理方法包括硅烷化、异氰酸酯接枝、乙酰化和苯甲酰化[21]、[22]。硅烷化利用有机硅烷偶联剂与表面羟基反应，形成共价-Si-O-C-键[23]。虽然在中性或无水条件下，天然羟基对硅烷的反应性较低，但在温和的酸性环境中，硅烷会水解成活性的硅醇，随后与羟基缩合，在纤维表面形成-Si-O-C-键[24]。典型的硅烷化方法包括浸涂、喷涂和化学气相沉积（CVD）[24]。浸涂涉及将基底浸入硅烷溶液中，然后控制取出并固化。喷涂则是将硅烷溶液雾化到基底上，并进行热固化或环境固化。CVD是一种特别适用于多孔、凝胶状或颗粒状基底的气相技术。
为了提高阻燃性能，已将多种阻燃剂（如卤化物、磷系、氮磷杂化物（例如聚磷酸铵APP）、碳基和无机物质）引入生物基泡沫中[25]。有效的阻燃配方可以延长点火时间并降低火焰蔓延速度。阻燃性能通常是通过将添加剂物理复合到基体中、与活性阻燃单体共聚以及通过涂层或屏障层进行表面工程来实现的[26]。这些方法是聚合物材料阻燃改性的基本途径。自20世纪50年代以来，溶胶-凝胶法已被广泛用于表面功能化[27]。溶胶-凝胶过程包括金属醇盐前体的顺序水解和缩合，生成胶体溶胶。该溶胶可以通过喷涂、刷涂或浸涂等方式沉积到基底表面。随后，溶胶中的金属醇盐进一步水解和缩合形成凝胶。干燥后，会在基底表面形成具有高分子均匀性的涂层[28]。聚磷酸铵（APP）是另一种广泛使用的膨胀型阻燃剂，因其低毒性、优异的热稳定性和高磷氮含量[29]。加热时，基底表面会形成炭层，减少热量和氧气的传递。然而，APP与聚合物基体的相容性较差[30]。为了解决这个问题，已经开发了微胶囊化策略来提高阻燃性和耐水性[31]。此外，还设计了基于MOF的阻燃系统，以改善热稳定性并抑制烟雾毒性[32]。蒙脱石（MMT）作为一种纳米级层状硅酸盐，因其高阳离子交换能力、膨胀性和吸附性以及大的比表面积而被广泛研究作为阻燃剂[33]。在燃烧过程中，MMT可以生成SiO?等物质覆盖表面，防止进一步损坏[29]。然而，为了获得最佳的阻燃性能，需要在聚合物基体中有效地剥离和均匀分散MMT。用γ-氨基丙基三甲氧基硅烷（APTES）改性的MMT表现出更好的分散性和屏障性能[34]。在另一项研究中，APP与KH-550结合制备了有机-无机杂化物K-HBPE@APP，用于聚丙烯（PP）的改性，提高了其与PP基体的相容性和阻燃效率[35]。也有报道指出MMT和APP之间的协同作用[36]，并且通常使用硅烷偶联剂来提高它们的相容性。APP/MMT与硅烷偶联剂的共配制为聚合物基底提供了高阻燃性能[36]、[37]。表面工程的有效性也在其他生物基材料（如致密木质层压板）中得到了应用，以赋予阻燃性能[38]。
本研究的目的是通过在少量十二烷基硫酸钠（SDS）作为发泡剂的存在下简单机械搅拌竹纤维，然后进行 oven 干燥，制备出低密度的竹纤维泡沫。随后在纤维阶段（通过浸涂）或泡沫形成后（通过喷涂和化学气相沉积）将三乙氧基（辛基）硅烷（OTES）接枝到纤维表面，以降低其固有的亲水性。此外，通过应用溶胶-凝胶法制备的APP/MMT/乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）涂层来提高阻燃性能。这种疏水且阻燃的生物基泡沫在包装和建筑应用中具有广阔的应用前景。
材料
竹纤维由广东卓康材料科技有限公司提供；十二烷基硫酸钠（SDS，≥99%）、三乙氧基（辛基）硅烷（OTES，≥97%）、聚磷酸铵（APP，n≥1000，P?O?≥68%，N13-15%）、乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS，≥98%）、乙醇（EtOH，98%）、醋酸（HOAc）和蒙脱石（MMT，CEC 100 mmol/100 g，d??1 1.23 nm，BET ≥ 30 m2/g）由上海麦克林生化科技有限公司提供。所有化学品均为分析级，未经进一步处理直接使用。
竹纤维泡沫的表征
如图2a所示，当纤维含量保持不变时，发泡剂含量的增加导致泡沫高度增加。这归因于搅拌过程中产生的泡沫气泡体积增大。在SDS用量固定的情况下，预期纤维含量越高，泡沫高度也会增加。然而，含有3 wt.%和4 wt.%纤维的泡沫高度反而降低，可能是由于重力作用导致的塌陷。值得注意的是，竹纤维的密度...
结论
本研究通过简单的泡沫成型技术制备出了超低密度且高度弹性的竹纤维泡沫，密度范围为8-18 kg/m3。该工艺在高温干燥过程中有效保持了原有的三维多孔结构，使得材料中生物基成分占比高达95%。与现有的基于纤维的泡沫相比，本研究的泡沫不仅密度更低，而且使用的原材料更丰富，避免了复杂的...
作者贡献声明
冷伟琪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理。张秀敏：撰写 – 原稿，方法学研究，数据分析。史江涛：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。达维娜·克洛伊·德·拉·维克托瓦·马尼：概念构思。卢Buyun：数据分析，概念构思。伊斯拉姆·哈菲兹：撰写 – 审稿与编辑，可视化处理，概念构思。王俊峰：监督，资源协调，概念构思。何胜：撰写
利益冲突
作者声明没有可能影响本手稿所报告工作的竞争性财务或个人利益。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。
