纤维素 | 加点纤维素，泡沫会变得更稳定

文摘 2024-12-07 17:45 山西

在化工领域的持续探索中，科学家们始终致力于攻克泡沫稳定性这一关键难题。传统泡沫体系虽应用广泛，但因其固有不稳定性，在诸多关键场景中的效能发挥大打折扣。

而如今，河南省科学院解慧芳团队为这一困境带来了前所未有的曙光——通过巧妙添加纳米纤维素，成功解锁了泡沫超稳定性能的密码，这一突破正引领着相关行业迈向全新发展阶段。

泡沫体系在日化、消防、矿物浮选、石油化工及石油开采等众多领域均占据关键地位，然而其稳定性短板一直是制约发展的核心因素。在薄膜排水、气泡聚结与歧化等自然现象作用下，泡沫系统自由能降低，致使稳定性受损。

尽管过往借助添加表面活性剂、聚合物、蛋白质或表面活性固体颗粒等手段竭力补救，但均未能从根本上扭转泡沫衰减的宿命。现代农业生产中，地膜覆盖技术对提升土壤温湿度、抑制杂草生长、优化作物生长环境意义深远。

但传统聚乙烯、聚氯乙烯等地膜长期残留土壤，引发土壤结构破坏与微塑料污染等严峻环境问题，促使可降解地膜研发成为当务之急。在此背景下，水基泡沫材料以其独特优势崭露头角，但其稳定性欠佳，极大限制了其在泡沫地膜领域的大规模应用。

此次专利揭示的创新水基泡沫配方，以质量分数计量，以复配水基泡沫总质量 100 份为基准，纳米纤维素水凝胶用量精准控制在 0.1 - 2.0 份，搭配 0.5 - 5.0 份十二烷基硫酸钠、1.0 - 5.0 份十四醇以及 0.1 - 3.0 份聚乙烯醇，余量为水。

这一组合并非简单混合，而是各成分协同发力的精妙布局。纳米纤维素水凝胶中，纳米纤维素以 500 - 1000nm 的长度与 3 - 5nm 的直径，在微观层面构建起稳固架构。聚乙烯醇醇解度锁定在 88% - 100%区间，与十二烷基硫酸钠、十四醇及纳米纤维素水凝胶形成精准质量比(2.5 - 5.0):2.0:(0.5 - 2.0):(0.5 - 1.5)，为泡沫性能奠定坚实化学基础。

纳米纤维素于提升泡沫稳定性方面扮演核心角色，其作用机制涵盖多个维度。从微观结构剖析，纳米纤维素超高比表面积堪称天然“吸附能手”，为表面活性剂分子提供海量吸附位点，强力降低液体表面张力，为泡沫生成营造理想条件、筑牢稳定根基。分散于液体时，纳米纤维素相互交织成精密三维网络结构，赋予泡沫抵御外力冲击的强大机械强度，有效遏制破裂风险。其表面羟基基团与水分子紧密亲和，强化液膜韧性，减缓液体流失速率，延长泡沫存续周期。

以实施例 1 - 6 为观察样本，起泡率稳定在 84% - 95%高位区间，远胜缺乏纳米纤维素的对比例 1（起泡率约 65%）。随纳米纤维素添加量递增，起泡率呈显著上升趋势，清晰勾勒出两者紧密正相关关系。在稳定性评估中，依短期排液率严苛衡量标准（<8%为稳定性“非常好”、8% - 10%为“很好”、10% - 12%为“好”、>15%为“差”），实施例系列均达良好及以上水平，对比例 1 则相形见绌表现“差”。

长期稳定性测试中，该发明所报道泡沫可稳持 20 天以上，对比例 1 一周内便现衰败迹象，出水严重、结构瓦解。此发明在环境友好与资源可持续利用维度优势尽显。

纳米纤维素源于丰富天然原料，具备完全生物降解特质，契合全球绿色发展浪潮。其少量添加即显著提升泡沫性能，大幅削减化学乳化剂依赖，从源头降低环境污染风险，为化工产业绿色转型注入强劲动力，在生态脆弱区域农业地膜应用中潜力无限，有力守护土壤健康与生态平衡。

展望未来，含纳米纤维素的超稳定水基泡沫技术前景光明、应用场景丰富多元。于农业领域，精准适配不同作物生长节律与环境需求的定制化泡沫地膜有望成主流，以智能调控降解周期、高效保水增湿保温性能，助力农业精准化、绿色化升级，推动粮食安全与可持续农业发展协同共进。

石油开采前沿探索中，泡沫驱油技术有望借纳米纤维素强化稳定性、提升驱油效率，拓展能源开采边界、降低开采能耗与环境扰动，为全球能源格局优化添砖加瓦。建筑保温节能板块，其凭借优异隔热保温、环保无毒特性，有望革新传统保温材料，构建绿色建筑生态，实现建筑全生命周期节能降耗与环境友好目标。

日化、消防等多元领域，亦将因该技术赋能，催生创新产品与解决方案，提升产品品质与服务效能，深度重塑行业格局、开创发展新局面，全方位融入并驱动现代产业体系向更高质量、更具创新活力与绿色可持续方向加速演进。

实施例

(1)称取0.5份SDS和2.0份TDA于去离子水中，并在60℃下加热20min，以确保所有溶质均匀分散；冷却后，通过机械搅拌以1200rpm的速度在25℃下快速搅拌溶液5min以产生泡沫，得到SDS/TDA泡沫体系。

(2)将0.5份PVA加入SDS/TDA泡沫体系，待PVA完全溶解后，通过机械搅拌以 1200rpm的速度在25℃下快速搅拌溶液5min以产生泡沫。

(3)准确称取0.5份纳米纤维素水凝胶加入上述混合液中，通过机械搅拌以 1500rpm的速度在25℃下快速搅拌溶液10min，即制得含纳米纤维素的超稳定水基泡沫。

经实验测定，实施例1制备得到的水基泡沫的起泡率为～84％。

优势亮点

稳定性强：纳米纤维素、十四醇与聚乙烯醇协同，减缓排水、聚结和歧化，泡沫寿命超 20 天。纳米纤维素高比表面积助表面活性剂吸附、降表面张力、稳气泡，其交织网络结构与羟基分别增机械强度与液膜强度。

环保特性：纳米纤维素来源广且可生物降解，减化学乳化剂用量，水基泡沫环境适应性与可再生性优，适用水田并可添气体肥料。

-作者介绍-

2020年博士毕业，现就职于一所地方高校，主讲《物理化学》课程。

专注→低成本功能材料开发，包括碳材料，疏水/亲水材料，纤维素提取利用，聚氨酯材料的开发与应用，欢迎合作，资助，交流。

邮箱：xidsuo@126.com

爱折腾、爱学习、有一颗好奇的心，知上进，懂感恩的科学工作者。

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