塑料泡沫材料在众多领域有着广阔的应用空间，但传统石油基塑料泡沫因不可再生、难以降解等缺陷，正不断加剧资源短缺与环境恶化的问题。纤维素作为自然界中储量最为丰富的天然高分子材料，具备可再生和可降解的特性，利用其制备替代型泡沫材料，被视作缓解当前塑料泡沫资源与环境压力的有效途径。不过，由于纤维素无法进行熔融加工，传统塑料泡沫的加工技术难以直接应用于纤维素基泡沫的生产，这成为制约其产业化发展的一大瓶颈。

 

近年来，常压干燥工艺的进步为纤维素基泡沫材料的规模化生产开辟了新路径。该工艺的核心技术难题在于解决材料干燥过程中因毛细作用导致的多孔结构坍塌问题。目前，解决这一问题的主要方法有两种：一是采用发泡策略，通过气 - 液界面稳定剂(如表面活性剂)维持气泡结构，以抵消毛细管力;二是运用骨架增强策略，通过改性或添加无机矿物等方式强化材料的微观网络结构。但这些方法往往会引入新的化学试剂或不可降解成分，不仅增加了工艺的复杂性，还降低了材料的环保性能。此外，纤维素基泡沫材料还存在易脆裂、柔韧性不足的问题，这严重限制了其在包装缓冲等关键领域的应用。

 

近日，华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室张强课题组成功研发出一种全降解生物质泡沫材料，该材料兼具出色的柔韧性和弹性，且初步验证了规模化生产的可能性。相关研究成果已于 2025 年 8 月 1 日以 “High-Elongation, Water-Weldable, and Fully Degradable Biomass Foams Fabricated via Oven Drying” 为题发表在《Science Advances》上。

 

该研究提出了一种混合生物质发泡策略，通过特殊设计的纤维素纳米纤维与酪蛋白酸钠的协同作用，既能形成稳定的湿态泡沫，又能构建阻气性气泡界面，从而避免烘箱干燥过程中的结构坍塌。其具体步骤为：以全生物质来源的纳米纤维素(CNFs)和酪蛋白酸钠(SC)为原料，通过机械搅拌形成湿泡沫体系，羧甲基纤维素(CMCNFs)与 SC 协同作为皮克林稳定剂，有效稳定气泡界面，显著提升烘箱干燥过程中泡沫的抗坍塌性能。同时，添加甘油进一步赋予材料卓越的柔韧性与高伸长率，最终成功制得 G-CNF/SC 泡沫。

 

这种泡沫材料展现出优异的力学性能(如高伸长率和弹性)，可与石油基泡沫相媲美，其拉伸应力高达约 400 千帕(与脆性泡沫相当)，同时还具有 137.0% 的优异延展性。在循环弹性方面表现突出，经过 100 次压缩后仍能保持 90% 以上的应力。此外，该材料还具备水焊接特性，焊接后的泡沫材料可恢复 87.3% 的原始拉伸应力及近 100% 的延展率，支持定制化加工复杂结构。研究中还采用流延工艺成功制备出连续泡沫卷材，验证了其规模化生产的可行性。

 

图文解析

 

 图 1：A. G-CNF/SC 泡沫的制备、应用、回收及生物降解全生命周期示意图；B. 卷对卷工艺生产的泡沫卷照片；C. 泡沫条编织的枕头（体现柔韧性）；D. 与其他泡沫在延展性、弹性等 5 项性能的对比。

 

图 1：该图全面呈现了 G-CNF/SC 泡沫的特性与优势，子图 A 通过示意图展示其全生命周期，包括以植物源羧甲基纤维素纳米纤维（CMCNFs）和牛奶源酪蛋白酸钠（SC）制备湿泡沫，干燥后用于缓冲包装等场景，废弃后可回收或生物降解；子图 B 为卷对卷流延工艺生产的泡沫卷照片，体现规模化生产能力；子图 C 展示泡沫条编织的枕头，直观呈现其优异柔韧性；子图 D 将其与 CNF / 硬脂酸钠泡沫、松香回收纸浆纤维泡沫、甘蔗渣泡沫对比，显示其在伸长率、弹性、焊接性、可回收性和生物降解性 5 项性能上均更优。

 

▲ 图 2：A. 湿泡沫照片（厚奶油状）；B. 粘度 - 剪切速率曲线及模量 - 频率曲线（体现流变特性）；C. 干燥中泡沫的异质结构（顶部多面体气泡、底部球形气泡）；D-E. 湿泡沫的冷冻 SEM 图（气泡尺寸及界面结构）；F. 干燥中 Plateau 边界通道的 SEM 图；G. 干泡沫照片；H-I. 干泡沫表面及横截面的 SEM 图（气泡结构）。.

 

图 2：聚焦 G-CNF/SC 泡沫的制备与表征，子图 A 显示湿泡沫呈厚奶油状；子图 B 的粘度 - 剪切速率曲线及模量 - 频率曲线表明，湿泡沫的粘度和储能模量高于 CMCNFs，且具有剪切变稀特性，利于流延加工；子图 C 的光学显微镜图呈现干燥中泡沫的异质结构，顶部为密堆积多面体气泡，底部为球形气泡；子图 D、E 的冷冻 SEM 图像显示湿泡沫气泡平均直径 82.0±12.2μm，气泡界面由高度交联的 CMCNFs 填充；子图 F 的 SEM 图展示干燥中即将闭合的 Plateau 边界通道；子图 G 为干泡沫照片；子图 H、I 的 SEM 图显示干泡沫表面及横截面结构，气泡平均直径 307.5±51.9μm，孔隙率达 97.2±0.1%，密度 36.9±0.9mg/cm³。

 

▲ 图 3：A. 泡沫拉伸前后照片（6.0cm→10.5cm）；B. CNF/SC 与 G-CNF/SC 的应力 - 应变曲线；C. 杨氏模量和韧性对比；D. 有 / 无缺口泡沫的应力 - 应变曲线；E. 撕裂测试曲线；F. 循环压缩曲线（100 次循环）。

 

图 3：系统展示 G-CNF/SC 泡沫的机械性能，子图 A 的照片显示泡沫可从 6.0cm 拉伸至 10.5cm；子图 B 的应力 - 应变曲线及子图 C 的数据分析表明，其伸长率达 137.0±17.2%（CNF/SC 泡沫仅 6.2±2.1%），拉伸应力约 400kPa，韧性 295.3±41.0kJ/m²（远高于 CNF/SC 泡沫的 14.6±7.5kJ/m²）；子图 D 的曲线计算得断裂能 1947.2±287.6J/m²；子图 E 的撕裂测试得撕裂韧性 511.6±23.5J/m²；子图 F 的循环压缩曲线显示，经 100 次 60% 应变循环后，压应力几乎不变，残余应变仅增加 9.3%，体现优异抗疲劳性。 

 

▲ 图 4：A. 水焊过程照片；B. 完整与焊接泡沫的应力 - 应变曲线；C. 泡沫碎片焊接成的粘合泡沫；D. 粘合泡沫弯曲照片；E. 泡沫与锡箔的复合材料；F. 剥离测试照片（纱布无法剥离）；G. 不同基底的剥离强度曲线。 

 

图 4：重点体现 G-CNF/SC 泡沫的水辅助焊接性，子图 A 展示两泡沫条经滴水后烘箱加热焊接的过程；子图 B 的应力 - 应变曲线显示，焊接泡沫拉伸应力 338.0±28.9kPa（原泡沫 387.1±18.3kPa），伸长率 137.9±9.9%，与原泡沫接近；子图 C、D 显示泡沫碎片经水焊后形成的粘合泡沫仍具高柔韧性，可大幅弯曲；子图 E 为泡沫与锡箔的复合材料；子图 F、G 的 90° 剥离测试表明，泡沫与锡箔、玻璃纸的剥离强度分别为 2.0±0.3N 和 0.9±0.1N，与纱布结合牢固（胶带先脱离纱布），与塑料无粘附。

 

▲ 图 5：A. 泡沫包装易碎品；B. 泡沫块作为填充物；C. 定制手机包装内衬；D. 卷对卷生产流程示意图；E-H. 生产各阶段照片（进料、流延、干燥、卷取）。

 

图 5：展示 G-CNF/SC 泡沫的应用与规模化生产，子图 A、B、C 分别为其作为缓冲材料包装易碎品、作为填充物保护快递、定制为手机包装内衬的实例，体现包装领域应用价值；子图 D 为卷对卷流延生产流程示意图，子图 E-H 为进料、流延、烘箱干燥、卷取的各阶段照片，工业试验成功产出泡沫卷，验证规模化生产可行性；同时，该泡沫可回收再发泡，埋土后能被微生物降解，解决传统泡沫的环境问题。

 

结论

 

与以往开发的纤维素基泡沫相比，G-CNF/SC 泡沫具有多项优势，包括高伸长率、优异弹性、水焊接特性、可回收性和生物全降解性。而且，该泡沫材料在生产、使用到处置的全生命周期中，无需复杂的化学处理或昂贵设备，兼具环境友好性与经济可行性，为缓解塑料泡沫污染提供了极具潜力的解决方案。