可生物降解泡沫材料的研究进展_蔡举艳.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期可生物降解泡沫材料的研究进展蔡举艳1，2，3，4，苏琼1，2，3，4，王彦斌1，2，3，4，王鸿灵1，2，3，4，梁俊玺1，2，3，4，王忠旭1，2，3，4，郭丽1，2，3，4，赵利斌5（1 西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730030；2 环境友好复合材料国家民委重点实验室，甘肃 兰州 730030；3 甘肃省生物质功能复合材料工程研究中心，甘肃 兰州 730030；4 甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用重点实验室，甘肃 兰州 730030；5 北方化学工业股份有限公司，四川 泸州 646605）摘要：大量以石化资源为原料的传统有机泡沫材料的使用加剧了此类资源的枯竭，且其废弃物于自然环境中难以降解，严重污染环境。与此相比，可生物降解泡沫具有生物相容性、生物降解性和可再生性，是一种环境友好材料，受到了世界各国的广泛关注。本文对比了挤出发泡、模压发泡和冷冻干燥发泡3种常见可生物降解泡沫材料的发泡工艺及原理、应用及优缺点，介绍了发泡工艺对材料性能及应用的影响，指出利用天然高分子化合物或其他可再生资源模拟天然泡沫的微观化学网络结构制备高性能可生物降解泡沫的工艺具有巨大的发展潜力；综述了天然泡沫、仿生泡沫和生物质泡沫3种泡沫材料的研究现状，重点探讨了草木类、非异氰酸酯类和木质纤维素泡沫材料的研究进展，分析了典型发泡配方及各组分作用，指出绿色介质、提高塑性及配方的进一步开发是未来可生物降解泡沫材料的发展及研究方向。关键词：降解；泡沫材料；发泡方法；配方组成；仿生中图分类号：TQ320.1 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1457-14Research progress on biodegradable foaming materialsCAI Juyan1，2，3，4，SU Qiong1，2，3，4，WANG Yanbin1，2，3，4，WANG Hongling1，2，3，4，LIANG Junxi1，2，3，4，WANG Zhongxu1，2，3，4，GUO Li1，2，3，4，ZHAO Libin5(1 School of Chemical Engineering,Northwest Minzu University,Lanzhou 730030,Gansu,China;2 Key Laboratory of Environment Friendly Composite Materials of the State Ethnic Affairs Commission,Lanzhou 730030,Gansu,China;3 Gansu Provincial Biomass Functional Composite Materials Engineering Research Center,Lanzhou 730030,Gansu,China;4 Key Laboratory of Utility of Environmental Friendly Composite Materials and Biomass in Universities of Gansu Province,Lanzhou 730030,Gansu,China;5 Northern Chemical Industry Co.,Ltd.,Luzhou 646605,Sichuan,China)Abstract:The use of a large number of traditional organic foam materials using petrochemical resources as raw materials has aggravated the depletion of such resources and their wastes are difficult to degrade in the natural environment,which seriously pollutes the environment.In contrast,biodegradable foam is biocompatible,biodegradable and renewable,and is an environmentally friendly material that has 综述与专论DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0785收稿日期：2022-04-29；修改稿日期：2022-07-03。基金项目：国家自然科学基金（21968032，22165025）；甘肃省科技计划（20YF8FA045，20JR5RA506）；中央高校基本科研业务费专项（31920220044，31920220063）；西北民族大学化学学科创新团队建设项目（1110130139，1110130141）；省级一流专业建设项目（2019SJYLZY-08)；省级实验教学示范中心项目（2019GSSYJXSFZX-01）；甘肃省高校创新创业教育改革项目（2021SJCXCYXM-01，2021SJCXCYTD-01）；甘肃省教育厅优秀研究生“创新之星”项目（2021CXZX-694）。第一作者：蔡举艳（1997），女，硕士研究生，研究方向为生物质的综合利用及功能材料的制备。E-mail：。通信作者：苏琼，教授，研究方向为精细化工。E-mail：。引用本文：蔡举艳,苏琼,王彦斌,等.可生物降解泡沫材料的研究进展J.化工进展,2023,42(3):1457-1470.Citation：CAI Juyan,SU Qiong,WANG Yanbin,et al.Research progress on biodegradable foaming materialsJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1457-化工进展，2023，42（3）received extensive attention.This paper compares foaming technologies,principles,applications,advantages and disadvantages of extrusion foaming,molding foaming and freeze-drying foaming,and introduced the influence of foaming process on material properties and application,and thus it has great development potential to prepare high-performance biodegradable foam by using natural polymer compounds or other renewable resources to simulate the microscopic and chemical network structure of natural foam.Then,this review summarizes the related research status on natural foam,bionic green foam and biomass foam,and focused on discussing research progress of plants and wood,non-isocyanate and lignocellulosic foams.Furthermore,the typical foaming formula compositions and functions are analyzed.It is pointed out that the further exploration of green medium,plasticity improving and formula is the future development and research direction of biodegradable foaming materials.Keywords:degradation;foaming materials;foaming technology;formula composition;bionic传统的有机泡沫材料，如聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫和橡胶泡沫等材料的合成原料大多来自石油和煤炭等石化资源1，这些泡沫材料的大量使用加剧了此类不可再生资源的枯竭，并且其废弃物在自然环境中难以降解，严重污染环境。因此，开发可再生的原料制备可生物降解泡沫材料至关重要。可生物降解泡沫材料指的是以生物质为原料，通过发泡技术形成内部充满大量连通或者互不连通的一类多孔材料，也可以看作是以气体为填料的固/气复合材料2。可生物降解聚合物泡沫在自然环境中可被微生物分解为二氧化碳和水，这主要通过非生物或生物反应将聚合物分解成低分子物质，然后微生物进一步对聚合物片段进行生物同化及矿化而发生自然降解3。可生物降解泡沫材料因其轻质4、隔热5、油水分离6、传感和储能7等方面的功能特性引起了人们的广泛关注。随着该领域研究的不断发展，借鉴天然泡沫材料的结构，依靠可再生资源制备低密度、高强度的泡沫材料，如纤维素泡沫8、淀粉泡沫9、木质素泡沫10、聚乳酸泡沫11和绿色仿生泡沫12，可广泛应用于缓冲包装、隔热保温、环境保护和建筑装潢等领域，此类研究在农业废弃物的高值化利用和新型生物质泡沫材料的研究和应用领域体现出重要价值13。可生物降解聚合物泡沫材料主要采用纤维素14、聚乳酸15、淀粉16、蛋白质17、壳聚糖18等天然高分子化合物经过一系列发泡技术制得，因此，可生物降解泡沫会因不同的发泡工艺和配方组成而具有不同的性能，从而形成种类繁多的泡沫材料。本文对可生物降解泡沫材料的发泡方法及其原理和应用、泡沫材料的类型、发泡配方组成及其各组分作用等进行了介绍，并详细讨论了挤出发泡、模压发泡和冷冻干燥发泡3种工艺的优缺点，重点阐述了天然泡沫、仿生泡沫和生物质泡沫3种泡沫材料的研究现状，并展望了泡沫材料的发展前景和未来的研究方向。1 可生物降解泡沫材料的发泡方法及原理发泡过程可分为3个阶段：泡孔形成、泡孔生长和泡孔稳定化，如图1所示19-20。以可生物降解聚合物为原料，辅以发泡剂、交联剂、增塑剂等助剂采用挤出发泡21、模压发泡和冷冻干燥发泡22制备的泡沫材料孔隙率高，同时具有生物相容性和高生物降解率，表现出质轻、隔热等良好性能，并可赋予阻燃、高强度等特性，可应用于建筑装潢、缓冲包装、隔热保温和环境保护等领域。1.1 挤出发泡挤出发泡是制备可生物降解泡沫材料广泛使用的一种工艺技术。首先根据原料物化性能选设加热区温度、螺杆转速、螺杆直径和出料速率，然后物图1发泡过程20 14582023年3月蔡举艳等：可生物降解泡沫材料的研究进展料经过混炼、加热熔融形成气体-聚合物复合体系，最后在快速降压中发泡挤出，得到泡沫23。在挤出发泡过程中，挤出条件（筒体温度、螺杆转速和螺杆直径等）和配方组成（生物质原料、发泡剂类型和助剂等）可显著影响泡沫的孔隙结构、密度和膨胀率24。Rokkonen等25以纤维素棕榈酸酯为原料，分别以异丁烷、二氧化碳和氮气为发泡剂，滑石粉为成核剂，3 个机筒温度分别设定为 130、135、135，熔体冷却器温度和模具温度均为120，螺杆排量为 0.66cm3/rev（1cm3/rev=0.061m3/s），螺杆直径为2mm，制得了性能良好的棕榈酸纤维素泡沫，发泡工艺如图2所示。结果表明，二氧化碳泡沫的泡孔形态不均匀，氮气泡沫的泡孔形态最均匀；异丁烷