20190719 周五

单分散高度有序的壳聚糖/纤维素纳米复合泡沫

研究背景

聚合物泡沫是由分散在聚合物基质中的气相组成的材料。聚合物基质中的气泡不影响聚合物固有性质，例如化学反应性或润湿性。然而，气泡的存在会导致材料质量轻，并且具有较大的比表面积。分散气相对多孔聚合物性质的影响程度取决于泡沫形态，即其相对密度、平均孔径、孔隙之间的相互连接、孔壁厚度等。

研究方法

将不同量带正电荷的季铵化CNF混入4 wt%壳聚糖溶液中，用于生产单分散高度有序的纳米复合泡沫。采用旋转流变仪表征壳聚糖/CNF溶液的流变行为，利用Nikon SMZ-800N光学显微镜和Optronis CL600X2高速相机监测微流体鼓泡，通过气泡粒径分布、泡沫的液体含量来表征液体泡沫，通过形貌、密度和机械性质来表征固体泡沫。

研究结果

在固体泡沫中，大多数物理性质由孔径和形状分布以及孔的组织决定。因此，控制多孔材料结构十分重要。最近作者利用微流体辅助泡沫模板解决了该问题，从而能够生成单分散和高度有序的壳聚糖泡沫。然而，泡沫性质还取决于孔壁成分的性质。壳聚糖基泡沫的绝对机械性能较差，这是因为壳聚糖在水中的溶解度非常低，因此冷冻干燥泡沫的相对密度变得非常小。从纳米复合材料的结果中汲取灵感，作者将纤维素纳米纤维加入发泡的壳聚糖溶液中，以加强泡沫孔壁，从而增强泡沫的机械性能。本文报道纤维素纳米纤维如何影响液体泡沫模板和固体泡沫的结构。所得纳米复合材料泡沫机械性能得到改善，然而，这种改善与复合材料中纤维素纳米纤维的量不成比例。其中一个原因可能是纤维素纳米纤维会干扰固体泡沫的多孔结构。

研究结论

尽管将CNF加入壳聚糖基质中能在一定程度上增强孔壁，但这种改善不一定转化为固体泡沫的宏观机械性质，该现象可以通过下述原因来解释，即随着CNF浓度增加，含CNF的泡沫有序性、单分散性和连通性而降低。换言之，两种效果之间存在竞争：CNF会引起细胞壁机械性能的改善，同时其不规则形态也会导致泡沫机械性能降低。未来的工作将通过优化泡沫模板路线来解决此问题。