金属离子与纤维素纳米纤维协同构建无PFAS包装材料的阻水阻油屏障

为应对塑料污染和PFAS禁用难题，研究人员通过Zr4+/Fe3+离子交联和CNF纳米网络构建，开发出兼具优异水阻性（Cobb60值<30 g/m2）和油阻性（kit值达12）的可降解纤维包装材料，为食品包装提供绿色解决方案。

　　

全球每年有1300万吨塑料垃圾流入海洋，一次性塑料餐具是主要污染源之一。尽管以木质纤维为原料的模塑纤维餐具（市场规模预计2030年达116.6亿美元）具有可降解优势，但其亲水亲油特性导致抗渗透性差——纤维素纤维表面张力（40-50 mN/m）远高于食用油（30-32 mN/m），油脂会通过2-40 μm的纤维孔隙快速渗透。传统PFAS（全氟烷基物质）涂层虽能降低表面张力至10-20 mN/m，但因致癌风险被FDA于2024年禁用。如何开发安全高效的替代方案成为行业痛点。

美国能源部资助的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表突破性成果，通过Zr⁴⁺/Fe³⁺离子与纤维素纳米纤维（CNF）的协同作用，构建出新型阻隔体系。研究采用两种技术路径：①涂层法将CNF（3-32 wt%）真空覆膜于金属离子预处理纤维；②共混法将CNF（5-35 wt%）直接掺入含金属离子的木浆悬浮液。通过扫描电镜（SEM）观察微观结构，结合Cobb值、kit测试和持液时间等多维度评估性能。

【Preparation of WOR fiber sheet and surface morphology】

Zr⁴⁺在4 mg/g添加量下即可将吸水值从464 g/m²降至30 g/m²以下，效率是Fe³⁺（需10 mg/g）的2.5倍。SEM显示CNF涂层形成致密纳米网络，完全封闭原始纤维的微米级孔隙。

【Conclusion】

涂层法CNF添加量≥6 wt%（13 g/m²）时，油Cobb值降至25-50 g/m²，kit值达12（最高等级），持油时间>2小时；共混法需≥20 wt%（40 g/m²）达到相近效果。金属离子在pH 3-10环境中溶出率<1%，满足食品安全标准。

该研究首次实现三重突破：①通过Zr⁴⁺与纤维素羟基的配位交联减少游离-OH数量，攻克CNF材料遇水膨胀的行业难题；②利用CNF纳米尺寸（4-20 nm）特性物理阻隔油分子渗透，避免化学改性导致的界面剥离问题；③开发出可规模化生产的真空成型工艺。相比传统疏水改性（酯化产生副产物、硅烷化不均匀），该方案在保持纤维素全降解特性的同时，性能指标达到商用PFAS制品水平，为《巴黎协定》背景下的包装材料革新提供关键技术支撑。