纤维素纳米纤维增强再生纸与食品接触纸的油脂/空气阻隔性能对比研究

研究人员针对传统石油基包装材料的环境问题，开发了基于TEMPO氧化(TOCNF)和酶解(ECNF)的纤维素纳米纤维(CNF)喷涂涂层技术。通过在再生纸(RC)和食品接触纸(FC45/FC100)上喷涂2-4 g/m2的低载量涂层，显著提升了材料的油脂阻隔性(最高达kit 12)和空气阻隔性(Gurley测试显示完全阻隔)，同时TOCNF涂层使RC的Cobb60吸水值从138 g/m2降至40.3 g/m2。该研究为可持续包装提供了高效的单材料解决方案。

　　

随着全球对可持续包装需求的激增，传统石油基材料的环境问题日益凸显。纸基包装虽可生物降解，但天然多孔结构导致其油脂阻隔性和气体阻隔性差，通常需要10-20 g/m²的高载量涂层才能满足要求，这大幅增加了成本和环境负担。针对这一技术瓶颈，意大利米兰理工大学"Giulio Natta"化学、材料与化学工程系的研究团队创新性地开发了超低载量的纳米纤维素涂层技术，相关成果发表在《Carbohydrate Polymers》上。

研究团队采用两种纳米化工艺：TEMPO介导氧化法(TOCNF)通过选择性氧化纤维素C6位羟基引入羧基，酶解法(ECNF)则通过纤维素酶切断糖苷键。通过超声波预处理结合高压均质(800 bar)获得纳米纤维，采用双次喷涂技术将涂层载量控制在4 g/m²以内。测试涵盖油脂阻隔(TAPPI T559)、空气渗透(ISO 5636-5)和吸水性能(TAPPI T441)，并通过SEM、TEM、XRD和FT-IR进行表征。

3.1 材料特性

原始桉树纤维素(结晶度88%)经TEMPO氧化后羧基含量达0.71 mmol/g，酶解纤维素结晶度降至78%。TEM显示TOCNF经4次均质后纤维宽度降至3-13 nm(μ=5.78 nm)，显著细于ECNF的5-50 nm(μ=10.2 nm)。

3.3 涂层性能

TOCNF在RC和FC100上仅需2 g/m²即可实现最高油脂阻隔(kit 12)，而ECNF需0.6 wt%载量。对于易开裂的FC45(45 g/m²)，添加甘油塑化剂(1:0.33比例)使TOCNF涂层获得同等性能，SEM证实其有效填补了基材孔隙。

3.6 空气阻隔

TOCNF使RC空气渗透率从5.08 μm Pa^-1 s^-1降至完全阻隔(<0.08 μm Pa^-1 s^-1)，FC100从15.94 μm Pa^-1 s^-1显著改善，均优于ECNF涂层。

3.7 防水性能

TOCNF使RC的Cobb₆₀值从138 g/m²降至40.3 g/m²，接近防水标准(30 g/m²)，而ECNF因氢键网络较弱导致防水性下降。

该研究开创性地证明：化学氧化的TOCNF通过强静电斥力和氢键网络，在极低载量下即可实现多维度屏障增强，其性能显著优于物理法处理的ECNF。特别开发的甘油塑化配方解决了薄型基材的涂层开裂问题，为开发完全基于纤维素的可回收单材料包装提供了关键技术支撑。这项由Arianna De Santis和Gloria Nicastro主导的研究，不仅将纳米纤维素涂层的经济可行性提升到新高度，更推动了包装工业向碳中和目标迈进的重要一步。