Science of the Total Environment：用于包装的喷射沉积纤维素纳米纤维薄膜的最新进展

背景介绍

塑料包装由于其难以降解和微粒排放引起严重的环境问题。开发生物降解薄膜因其可解决当前塑料包装的生态和健康问题而引起关注。纳米纤维素基薄膜是替代石油基塑料的理想材料，其具有生物降解性、可再生性和无毒性等显著特征。

澳大利亚莫纳什大学Warren Batchelor（通讯）在国际知名期刊《Science of the Total Environment》上发表题为“Recent advancements, trends, fundamental challenges and opportunities in spray deposited cellulose nanofibril films for packaging applications”的综述文章。该综述简要介绍了CNF当前趋势和生产方法，同时，讨论了将CNF制备薄膜的方法，重点介绍通过喷射沉积制备CNF薄膜、特性及主要应用以及与商业化相关的基本挑战。此外，讨论了提高薄膜防潮性能和光学性能的可能途径。最后，重点介绍了薄膜工业化生产现状以及其在学术界和工业界面临的机遇。

图文解读

图2显示了木质纤维素生物质的典型结构，化学基团（分子间或分子内）赋予纤维素独特的特征，易获取、可再生性、生物降解性和无毒性。纤维素的特征主要取决于聚合度和聚合物的链长度。纤维素的聚合物链长度在约10000~15000个脱水葡萄糖单元范围内。天然纤维素是结晶区和非结晶区的组合，其结晶度在40%~70%之间。纤维素纳米材料或纳米纤维素的转化利用与纤维素相比其应用更加广泛，如聚合物增强、纳米复合材料、纸制品和化妆品等。

包装在食品工业中起着重要作用，其可防止机械和生化变质。半透明CNF薄膜是代替石油基包装材料的理想选择。与传统的石油基塑料相比，生物基材料无毒无害。文献检索统计显示，CNF基薄膜的研究论文占到相关研究的40%，2018年发表论文数量最多，其次是2020年。

CNF可通过多种技术/方法转化成薄膜材料，例如旋涂、浸涂、连续涂层、浇铸、真空过滤和喷涂等。连续涂层工艺是生产CNF薄膜的最常用技术，其次是浇铸。喷射沉积或喷涂技术是一种简单、可扩展且快速的制膜工艺。该过程涉及雾化液体，其中，液滴的形成通过两种作用机制进行，即液体薄膜和液体射流解体。液滴的聚结是在表面张力的影响下进行的，并导致CNF薄膜的形成。喷射沉积机理如图7所示。由于该工艺的快速性、连续性、简单性和灵活性，喷射沉积已成为生产CNF薄膜的传统技术的潜在替代方法。该技术较为新颖，可用于商业规模生产CNF薄膜。

CNF形成纤维状致密结构，有可能在阻隔性能中发挥关键作用。将CNF与其他添加剂结合并形成复合材料，从而提高防潮性能。控制防潮性能的主要因素是形状、尺寸、分布以及薄膜结构中添加剂或化学物质的数量。用添加剂或化学品替代部分CNF形成复合材料，在很大程度上改善了薄膜的防潮性能。研究表明，将CNF与羧甲基纤维素（CMC）结合并通过喷涂制备CNF-CMC复合材料在很大程度上改善了防潮性能，其结果与一些传统包装材料（CPM）相当，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）等，羧基与自身和CNF形成氢键，阻止水分的传递。氧气阻隔性能可能受到许多因素的影响。例如，羧甲基化预处理对氧气透过率（OTR）有积极影响。定量和厚度是影响CNF薄膜阻氧性能的其他参数。这些参数的增加导致OTR值降低。此外，薄膜的阻氧性能与相对湿度成反比。这一发现可归因于CNF的结晶度和致密结构。CNF薄膜具有高强度，通常被认为是造纸和包装应用中最突出的特性之一。然而，通过将CNF与添加剂结合并通过喷射沉积形成其复合材料，可以进一步增强该性能。CNF薄膜（无论生产方法如何）都是半透明的，这是由于密集的纤维存在。CNF薄膜的透射率特性影响因素有纤维的来源和组成、纤维的生产工艺和薄膜的干燥温度。

此外，干燥时间长、能耗高及回收问题是喷射沉积制备CNF薄膜当前面临的主要挑战。

图1 该综述流程图

图2 木制纤维素生物质的典型结构

图6 a）浸涂，b）旋涂，c）铸造，d）真空过滤，e）连续图层，f）喷涂沉积

图7 喷射沉积过程机理

总结与展望

1、喷射沉积的CNF基薄膜可成为石油基包装材料的潜在替代品，其具有优异的机械性能和阻氧性能，具有大规模生产潜力；

2、该方案的实施仍然存在问题：干燥时间长、纤维生产能耗高，防潮性有限，回收时机械和阻隔性能降低；

3、以较高的固体含量进行喷涂可从薄膜中去除水，加快薄膜的干燥速度，同时，增加粉碎机的转数可改善薄膜的回收性能；

4、将CNF与添加剂和环境友好化学品相结合，有助于克服上述限制；

5、CNF的成本也是不可忽视的问题，而通过增加该材料的生产能力和回收能力可显著降低成本；

6、CNF基薄膜材料的使用可减少世界对石油基包装材料的依赖，进而改善人们生活质量。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155654

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