文章概述

1、通过烘箱干燥的CNF泡沫

CNF泡沫的制备方法包括两个步骤：i) 将含有CM-CNFs和表面活性剂（如硬脂酸钠（SS）或单硬脂酸甘油酯（GM））的水浆通过剧烈的机械搅拌形成湿泡沫；ii) 湿泡沫在80°C的烘箱中干燥，获得CNF泡沫。当表面活性剂的浓度达到其临界胶束浓度时，它们会在气泡表面进一步形成带负电荷的胶束层，既能提高液膜的刚度，最大限度地减少气泡的歧化，还可通过静电斥力防止气泡聚集。而CNF的存在不仅保证了泡沫基质的高机械强度，还有效地密封了气泡内部的空气。

图1. CNF泡沫的制备。（a）制备方法和原理示意图。（b）烘箱干燥前（左）和后（右）的CNF泡沫照片。圆盘状CNF泡沫的照片，从顶部（c）和侧面（d）拍摄。

2、湿 CNF/SS 泡沫的表征

湿泡沫中存在许多直径为∼50 μm的均匀分布的气泡。湿CNF/SS泡沫的储能模量远大于CNF浆料和CNF/SS浆料的储能模量，这可能是由于气泡的存在。当应变大于10 %时，湿CNF/SS泡沫的储能模量显著降低，表明网络和其中的气泡被破坏。此外，湿CNF/SS泡沫的储能模量随角频率的增加而增加，这可能与内部气泡的弹性有关。

3、CNF泡沫的表征

CNF泡沫表面存在直径约为50 μm的小孔，对应相邻气泡之间的边界通道和褶皱表面的崩塌气泡，这些通道保证了气泡界面的水分蒸发。在泡沫的横截面中观察到大量直径约为300 μm的闭孔气泡。CNF泡沫具有12.10±3.01 mg/cm3的超低密度和99.14±0.07%的超高孔隙率。氮气吸附和解吸等温线显示其内部形成了大孔、微孔和中孔，拟合得到比表面积为59.12±6.78 m2/g。CNF泡沫的孔径分布曲线也显示在封闭孔壁上存在2~20 nm的介孔。CNF泡沫的压缩模量为26.21±5.14 KPa。

图3. CNF泡沫的表征。CNF泡沫的表面（a）和横截面（b 和 c）的SEM图像。（d）Ashby 图显示了文献中报道的CNF泡沫和其他CNF泡沫的孔隙率与密度的关系。（e）CM-CNFs、SS和CNF泡沫的FTIR光谱。（f）CNF泡沫的循环压缩应力-应变曲线。

4、CNF泡沫的隔热性能

厚度仅为1.5 mm的CNF泡沫板可以显著抑制热传导，其绝缘性能随着厚度的增加而增加。红外热图像显示，CNF泡沫涂层对冷热都有更好的阻挡效果。这些结果充分表明CNF泡沫是一种很有前途的绝缘材料。尽管与商业塑料基绝缘泡沫相比成本更高，但其可再生、可生物降解和可回收的特性使其成为环保应用的合适替代品。

图4. CNF泡沫的隔热性能。（a）不同厚度的CNF泡沫板的照片。（b）保温试验示意图。（c）隔热测试期间CNF泡沫板的表面温度变化，一组没有泡沫板作为对照。（d）带有商业纸质杯套（左，∼2 mm 厚）和CNF泡沫涂层（右，∼2 mm 厚）的咖啡杯。装满冰块（e）和热水（f）的咖啡杯的红外热图像。

5、CNF泡沫的功能化

CNF泡沫的功能化对于拓宽其应用场景至关重要。将具有阻燃性能的沸石掺入CNF泡沫中，获得的混合泡沫表现出优异的阻燃性。为了提高CNF泡沫的机械强度，将湿的CNF/SS泡沫浸入FeCl3 或CuSO4溶液中。Fe-CNF和 Cu-CNF泡沫的压缩模量分别为249.03±36.25 MPa和186.70±28.34 MPa，显著高于CNF泡沫。此外，疏水改性和磁化均适用于CNF泡沫，表现出很强的相容性。

图5. CNF泡沫的功能化。CNF泡沫（a）和嵌入沸石的泡沫（b）的垂直燃烧测试。Fe-CNF 泡沫（c）和Cu-CNF泡沫（d）的照片。（e）Cu-CNF 泡沫的横截面照片。（f）Fe-CNF 和 Cu-CNF 泡沫的压缩应力-应变曲线。（g）甲基三乙氧基硅烷改性CNF泡沫表面的悬浮水滴，超过90°的接触角。（h）含Fe3O4纳米颗粒的CNF泡沫吸附在磁铁上。