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在食品包装领域，可生物降解的纤维素基材料有望替代传统塑料，但平衡高性能与环境可持续性颇具挑战。研究人员开展了对纤维素纳米纤维（CNF）用短链脂肪酸酯化的研究，优化脂肪酸链长，提升了薄膜性能，且薄膜 16 周内可完全分解，为下一代可持续食品包装提供了新方案。
在当今环保意识日益增强的时代，塑料污染问题愈发严峻，寻找传统塑料的绿色替代品成为科学界和工业界的迫切任务。在食品包装领域，可生物降解的纤维素基材料因其可再生、来源广泛等优势，被视为极具潜力的传统塑料替代物。然而，这类材料在实际应用中却面临着重重困难。
纤维素纳米纤维（Cellulose Nanofiber，CNF）作为从最丰富的天然聚合物中提取的材料，拥有可再生、机械强度高和性能可调节等诸多优点，备受关注。但它也有一个明显的 “短板”—— 高度亲水。这一特性源于其表面大量的羟基，使得它在许多先进材料应用场景中受到限制，例如在食品包装中，水分容易透过包装材料，导致食品变质，同时也难以阻挡氧气等气体，无法有效延长食品保质期。为了解决这些问题，科研人员尝试了多种化学改性技术，如化学气相沉积、溶胶 - 凝胶法和化学接枝等，但要实现疏水性、阻隔性能和生物降解性之间的平衡，仍然是一个巨大的挑战。
在这样的背景下，韩国化学技术研究院（Korea Research Institute of Chemical Technology，KRICT）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于用不同链长的短链脂肪酸对 CNF 进行表面酯化，旨在通过精确控制表面性质，解决平衡性能与环境可持续性这一长期难题。研究人员使用了丁酸（Butanoic Acid，BA；C4）、己酸（Hexanoic Acid，HA；C6）和辛酸（Octanoic Acid，OA；C8）这三种不同链长的脂肪酸单体对 CNF 进行表面酯化改性 。
研究结果令人瞩目。经过酯化处理后，CNF 薄膜的性能得到了显著提升。在机械性能方面，通过疏水相互作用，薄膜的拉伸强度提高了约 30MPa。在阻隔性能上，与石油基材料相比，水蒸气透过率降低了 200 多倍，氧气透过率下降了近 6 倍。同时，这些薄膜在堆肥条件下，16 周内就能够完全分解，很好地保留了生物降解性。此外，研究人员还对酯化 CNF 溶液的粘度进行了优化，使其更适合喷雾涂层工艺，能够制备出表面光滑、均匀的薄膜，为工业化生产提供了便利。
研究人员为开展这项研究，运用了多种关键技术方法。首先，利用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）观察酯化 CNF 的表面尺寸；其次，对酯化 CNF 进行化学分析和表征，以确定其化学结构、结晶度等特性；还对优化后的 CNF 薄膜进行水蒸气和氧气阻隔性能测试，评估其是否适合可持续应用场景。
在化学分析和表征酯化 CNF 的研究中，研究人员观察到不同脂肪酸酯化的 CNF（分别记为 BA - CNF、HA - CNF 和 OA - CNF）在 TEM 图像下呈现出不同的表面尺寸和分布特征。这表明不同链长的脂肪酸对 CNF 的表面性质产生了显著影响。通过对化学结构、结晶度等方面的分析，进一步明确了酯化反应对 CNF 微观结构的改变，这些微观结构的变化直接关联到薄膜宏观性能的改变。
在评估薄膜阻隔性能的研究中，研究人员发现优化脂肪酸链长确实能够有效平衡增强的阻隔性能和快速的生物降解性。较短链长的脂肪酸在一定程度上维持了材料的生物降解性，而适当增加链长又能够提升薄膜的疏水和阻隔性能。例如，BA - CNF、HA - CNF 和 OA - CNF 薄膜在水蒸气和氧气阻隔性能上表现出明显差异，且都优于未改性的 CNF 薄膜。
在研究薄膜加工性能的过程中，研究人员通过优化酯化 CNF 溶液的粘度，成功实现了喷雾涂层工艺。与传统的浇铸技术相比，喷雾涂层能够更好地控制薄膜的沉积，制备出更均匀、质量更高的薄膜，为大规模生产提供了技术支持。
这项研究成果具有重要意义。它证实了通过优化酯化过程中脂肪酸链长，可以有效平衡 CNF 薄膜的阻隔性能和生物降解性，这为功能性 CNF 的设计提供了合理的策略。该研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上，为高性能、可生物降解材料的发展做出了重要贡献，为下一代可持续食品包装解决方案提供了新的思路和方向，有望推动食品包装行业向更加环保、高性能的方向发展。
