TK生物基材料 - Science of the Total Environment：用於包裝的噴射沉積纖維素納米纖維薄膜的最新進展－鑽石舞台

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背景介紹

塑料包裝由於其難以降解和微粒排放引起嚴重的環境問題。開發生物降解薄膜因其可解決當前塑料包裝的生態和健康問題而引起關注。納米纖維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、可再生性和無毒性等顯著特徵。

澳大利亞莫納什大學Warren Batchelor（通訊）在國際知名期刊《Science of the Total Environment》上發表題為「Recent advancements, trends, fundamental challenges and opportunities in spray deposited cellulose nanofibril films for packaging applications」的綜述文章。該綜述簡要介紹了CNF當前趨勢和生產方法，同時，討論了將CNF製備薄膜的方法，重點介紹通過噴射沉積製備CNF薄膜、特性及主要應用以及與商業化相關的基本挑戰。此外，討論了提高薄膜防潮性能和光學性能的可能途徑。最後，重點介紹了薄膜工業化生產現狀以及其在學術界和工業界面臨的機遇。

圖文解讀

圖2顯示了木質纖維素生物質的典型結構，化學基團（分子間或分子內）賦予纖維素獨特的特徵，易獲取、可再生性、生物降解性和無毒性。纖維素的特徵主要取決於聚合度和聚合物的鏈長度。纖維素的聚合物鏈長度在約10000~15000個脫水葡萄糖單元範圍內。天然纖維素是結晶區和非結晶區的組合，其結晶度在40%~70%之間。纖維素納米材料或納米纖維素的轉化利用與纖維素相比其應用更加廣泛，如聚合物增強、納米複合材料、紙製品和化妝品等。

包裝在食品工業中起着重要作用，其可防止機械和生化變質。半透明CNF薄膜是代替石油基包裝材料的理想選擇。與傳統的石油基塑料相比，生物基材料無毒無害。文獻檢索統計顯示，CNF基薄膜的研究論文占到相關研究的40%，2018年發表論文數量最多，其次是2020年。

CNF可通過多種技術/方法轉化成薄膜材料，例如旋塗、浸塗、連續塗層、澆鑄、真空過濾和噴塗等。連續塗層工藝是生產CNF薄膜的最常用技術，其次是澆鑄。噴射沉積或噴塗技術是一種簡單、可擴展且快速的制膜工藝。該過程涉及霧化液體，其中，液滴的形成通過兩種作用機制進行，即液體薄膜和液體射流解體。液滴的聚結是在表面張力的影響下進行的，並導致CNF薄膜的形成。噴射沉積機理如圖7所示。由於該工藝的快速性、連續性、簡單性和靈活性，噴射沉積已成為生產CNF薄膜的傳統技術的潛在替代方法。該技術較為新穎，可用於商業規模生產CNF薄膜。

CNF形成纖維狀緻密結構，有可能在阻隔性能中發揮關鍵作用。將CNF與其他添加劑結合併形成複合材料，從而提高防潮性能。控制防潮性能的主要因素是形狀、尺寸、分布以及薄膜結構中添加劑或化學物質的數量。用添加劑或化學品替代部分CNF形成複合材料，在很大程度上改善了薄膜的防潮性能。研究表明，將CNF與羧甲基纖維素（CMC）結合併通過噴塗製備CNF-CMC複合材料在很大程度上改善了防潮性能，其結果與一些傳統包裝材料（CPM）相當，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）等，羧基與自身和CNF形成氫鍵，阻止水分的傳遞。氧氣阻隔性能可能受到許多因素的影響。例如，羧甲基化預處理對氧氣透過率（OTR）有積極影響。定量和厚度是影響CNF薄膜阻氧性能的其他參數。這些參數的增加導致OTR值降低。此外，薄膜的阻氧性能與相對濕度成反比。這一發現可歸因於CNF的結晶度和緻密結構。CNF薄膜具有高強度，通常被認為是造紙和包裝應用中最突出的特性之一。然而，通過將CNF與添加劑結合併通過噴射沉積形成其複合材料，可以進一步增強該性能。CNF薄膜（無論生產方法如何）都是半透明的，這是由於密集的纖維存在。CNF薄膜的透射率特性影響因素有纖維的來源和組成、纖維的生產工藝和薄膜的乾燥溫度。

此外，乾燥時間長、能耗高及回收問題是噴射沉積製備CNF薄膜當前面臨的主要挑戰。