多功能h-BN/TiO?增强聚苯胺/PVA纳米复合薄膜，用于智能抗菌和阻燃包装

《Materials Today Communications》：Multifunctional h-BN/TiO? Reinforced Polyaniline/PVA Nanocomposite Films for Smart Antibacterial and Flame Retardant Packaging

PANI/PVA纳米复合材料薄膜通过添加TiO?和h-BN纳米填料显著提升氧阻隔性（68.7%降低）、热稳定性（600℃残留34.43%）及抗菌性能，同时具有低毒性和优异机械强度（ tensile stress ~7 MPa, Young's modulus ~33 MPa），适用于食品抗菌包装。

　　本研究聚焦于开发一种新型的聚苯胺/聚乙烯醇（PANI/PVA）纳米复合材料（NC）薄膜，通过引入二氧化钛（TiO?）和六方氮化硼（h-BN）纳米填料，以提升其在抗菌包装领域的应用潜力。随着消费者对食品安全和环保需求的不断增长，传统塑料材料因其不可降解、高加工成本以及潜在的环境和健康风险，正面临越来越多的挑战。因此，研究者们开始探索更加可持续和功能化的包装材料，其中聚合物纳米复合材料因其优异的物理化学性能，成为食品包装行业的重要发展方向。

PANI作为一种导电聚合物，因其合成简便、成本低廉、良好的环境友好性以及高反应活性，被广泛应用于多种领域。然而，PANI在实际应用中也存在一些局限性，如机械性能不足、加工难度较大、对掺杂剂敏感等问题，这些限制了其在包装领域的直接使用。PVA则是一种水溶性、非毒性、生物相容性良好的聚合物，具备优良的机械性能和气体阻隔性能，尤其适用于食品包装。但PVA的高吸水性使其在某些应用场景下表现不佳，需要通过适当改性来改善其性能。将PANI与PVA结合，形成共聚物基质，不仅能够克服单一材料的缺陷，还可能赋予材料更多功能性。

TiO?作为一种金属氧化物纳米填料，因其稳定性、低毒性、光催化特性、经济性以及良好的生物相容性，被认为是食品接触应用的理想填料。其在光催化作用下可以生成羟基自由基和活性氧物种，从而有效杀灭或失活微生物。此外，TiO?还能够通过吸附乙烯气体来延长水果的保鲜期，进一步增强了其在食品包装中的应用价值。h-BN则因其独特的二维层状结构，类似于石墨烯，具有优异的气体阻隔性能、热稳定性、机械性能以及抗氧化能力。其层状结构可以增加气体分子的扩散路径，提升阻隔效果，同时具备良好的热导性和惰性，确保与包装内容物的兼容性。将这两种纳米填料引入PANI/PVA基质中，有望通过协同效应进一步提升材料的综合性能。

研究团队通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析了PANI/PVA/TiO?@h-BN纳米复合材料的微观结构，发现TiO?和h-BN纳米填料在基质中形成了纳米花状的排列，且h-BN片层被有策略地嵌入到纳米复合材料中。这种结构不仅增强了材料的物理性能，还显著提高了其阻隔性能。具体而言，在5 wt%的h-BN添加量下，材料的氧气渗透率减少了68.7%，表明其在气体阻隔方面表现出色。同时，该纳米复合材料在600°C下的最终残渣率为34.43%，显示出良好的热稳定性。此外，其热导率降低，机械性能得到显著改善，表现出约7 MPa的拉伸应力和约33 MPa的杨氏模量，这为材料在高温环境下的应用提供了保障。

除了物理性能的提升，该纳米复合材料在环境适应性方面也表现出色。其水蒸气透过率（WVTR）和水溶性均有所降低，表明材料在潮湿环境下的稳定性增强。在活性污泥水中的降解测试中，材料在180天内表现出高达80%的降解率，这为其在环保包装中的应用提供了支持。同时，材料在碱性环境下的稳定性显著提高，进一步拓宽了其应用范围。这些性能的改善使得PANI/PVA/TiO?@h-BN纳米复合材料在食品包装中具备更高的适用性。

在抗菌性能方面，该纳米复合材料展现出显著的杀灭效果。通过实验验证，其对大肠杆菌（*Escherichia coli*）和金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*）均具有良好的抑制作用，这使其成为食品包装中抗菌材料的理想选择。此外，研究团队还通过体外细胞毒性实验（MTT法）和体内细胞毒性实验（果蝇幼虫模型）评估了该材料的安全性。实验结果显示，该材料在体外和体内测试中均表现出低毒性，确保了其在食品包装中的安全性。这些结果不仅验证了材料的抗菌性能，还为其在实际应用中的推广提供了理论依据。

在实际应用中，这种纳米复合材料薄膜不仅能够有效延长食品的保质期，还能在运输和储存过程中提供更好的保护，防止微生物污染和氧化变质。同时，其良好的热稳定性和机械性能使得材料能够在多种环境下保持稳定，从而满足食品包装的多样化需求。此外，由于材料具备良好的降解性，其在使用后能够自然分解，减少对环境的负担，符合当前可持续发展的趋势。

综上所述，本研究通过引入TiO?和h-BN纳米填料，成功开发了一种具有优异抗菌性能、热稳定性和环境适应性的PANI/PVA纳米复合材料薄膜。该材料不仅在物理性能上得到了显著提升，还在安全性和环保性方面表现出色，为食品包装行业提供了一种全新的解决方案。未来，随着进一步的优化和规模化生产，这种材料有望在实际应用中发挥更大的作用，推动食品包装技术向更加智能化和环保化的方向发展。