基于纸基的超疏水涂层：面向可持续功能界面的润湿机理、制备策略、材料设计、性能评估与应用前景

《Food Packaging and Shelf Life》：Paper-based superhydrophobic coatings for sustainable functional interfaces: Wetting mechanisms, fabrication strategies, material design, performance evaluation, and application prospects

　　

摘要

纸质材料是塑料的可持续、轻质替代品，但其固有的亲水性限制了其在对水分敏感的应用中的使用。超疏水涂层为调节液体与纤维素表面之间的相互作用提供了一种有效的策略。本综述从基体特定的界面工程角度研究了纸质超疏水涂层，重点关注润湿行为、毛细浸润、涂层稳定性和应用性能。颗粒沉积、相分离、层层自组装、印刷和化学接枝等制备路线通过不同机制构建分级界面，但在涂层均匀性、可扩展性、界面附着力和机械耐久性方面存在显著差异。分析表明，多孔纸上的稳定超疏水性依赖于对分级粗糙度、低表面能、涂层-纤维附着力和孔结构可及性的协同控制，而在机械变形和干湿循环期间，液体浸润和Cassie-to-Wenzel转变仍是性能恶化的主要原因。颗粒-聚合物复合材料和多功能混合架构可以提高界面凝聚力和结构稳定性，而生物基和无氟系统为食品包装提供了更可持续的途径，但在阻隔性能、耐久性和食品接触安全性方面仍需进一步改进。对于食品包装，仅具有较高的水接触角不足以证明其应用适用性。性能评估应结合润湿性与耐油性、氧气透过率、水蒸气透过率、涂层附着力、耐折性和耐磨性、总迁移和特定迁移、感官影响以及在预期使用条件下的保鲜效果进行。因此，从实验室演示到实际包装的转化需要综合优化液体拒斥性、阻隔性能、机械鲁棒性、食品接触安全性、可扩展加工性和生命周期结束时的相容性。

引言

超疏水表面定义为静态水接触角（WCA）> 150°和滑动角（SA）< 10°，广泛应用于自清洁、防结冰、油水分离和微流控领域 (Agbe et al., 2020, Chen et al., 2021; N. Liu et al., 2022a, Liu et al., 2022b, Liu et al., 2022c; Selim et al., 2023; Shang et al., 2012)。通过最小化固-液接触面积，这些界面抑制了液滴的铺展和液体的滞留，从而保护对水分敏感的基体。

人工超疏水性通常是通过将分级微/纳米结构粗糙度与低表面能化学结合来实现的 (Chen et al., 2019; D. Wang et al., 2020a, Wang et al., 2020b, Wang et al., 2020c; Zhang et al., 2024)。虽然在金属 (Rajput et al., 2024, Zhou et al., 2024)、陶瓷 (Bi et al., 2018) 和聚合物 (Cao et al., 2020, Elzaabalawy and Meguid, 2020, Gu et al., 2023) 等致密基体上已成功实现，但将其应用于纸质材料带来了独特的挑战 (Jiao et al., 2020; S. Liu et al., 2022a, Liu et al., 2022b, Liu et al., 2022c; Yun et al., 2023)。纸张是由亲水性纤维素纤维组成的相互连通的多孔网络。其润湿动力学取决于表面化学、毛细浸润、孔可及性和纤维溶胀。高性能超疏水纸必须防止毛细渗透并稳定Cassie-Baxter状态，同时保持基体的柔韧性、透气性和可回收性。

天然纤维素纤维迅速吸收极性液体，导致纤维溶胀、湿强度丧失和尺寸不稳定性 (Bezinge et al., 2024, Lukyanov et al., 2020, Silva-Neto et al., 2023)。当纸张被视为食品包装中塑料阻隔材料的替代品时，这些局限性变得尤为重要，因为暴露过程涉及比纯水更多的成分。高脂肪食品，如奶酪、糕点和肉制品，会使包装暴露于油脂和水-脂混合相中。油脂和表面活性食品成分可以润湿或渗透排斥纯水的纹理，而涂层缺陷为油脂进入纤维网络提供了通道。因此，超疏水性不应被视为耐油性的直接衡量标准；食品包装涂层还必须形成连续的耐油屏障 (Aulin et al., 2010)。

冷冻冷链产品带来了另一组需求。运输和解冻过程中的温度波动会使包装暴露于冷凝水、霜冻和液体渗出物中。通过孔隙、折痕或涂层缺陷进入的湿气会促进纤维溶胀并使纸张变弱，而热循环和湿气循环会损害涂层的完整性 (Lavoine et al., 2012, Marsh and Bugusu, 2007)。超疏水界面可能减少液态水的滞留和吸收，但表面纹理内的冷凝可能会使被困的气层不稳定；高水接触角本身并不能证明具有耐霜冻性或不透气的水蒸气屏障 (Boreyko & Collier. 2013)。这些条件产生了对能在低温下以及在冷凝和冻融暴露后保持拒水性和附着力的涂层的需求，同时还需要限制产品脱水所需的水蒸气屏障。因此，食品包装应用需要对表面润湿、厚度方向上的传输和机械耐久性进行协同控制，而不是仅仅依靠高水接触角 (Rhim et al., 2013)。

各种技术用于制备超疏水纸，包括浸涂、喷涂、气相沉积、印刷、相分离和化学接枝。这些方法引入无机纳米颗粒（如SiO₂、TiO₂）、疏水聚合物、含氟树脂、硅酮、蜡或生物大分子来构建分级粗糙度并降低表面能。所得纸张应用于食品包装 (Ding et al., 2023, Li et al., 2019)、防伪 (Ferraro et al., 2022, Samanmali et al., 2025, Wan et al., 2024) 和微流控纸基分析设备（μPADs） (Sousa and Mano, 2013, Wang et al., 2022, Zhang et al., 2026)。然而，工业转化受到折叠下耐久性差、涂层-纤维附着力弱、孔隙堵塞、依赖含氟化学以及缺乏标准化测试的限制。

现有的综述总结了改性纤维素材料的通用策略 (Jiao et al., 2020; S. Liu et al., 2022a, Liu et al., 2022b, Liu et al., 2022c; Yun et al., 2023)。然而，针对纸质超疏水涂层的基体特定和面向应用的分析仍然有限。纸张基体影响涂层形成、润湿转变和机械响应，而食品成分和储存条件决定了使用期间所需的阻隔性能。本综述将纸张特性与润湿物理学、材料选择、制备路线和终端使用性能联系起来，特别关注超疏水涂层在食品包装方面的机遇和局限。

章节摘要

基本润湿模型和多孔纤维素界面

润湿性由静态接触角（CA）、接触角滞后（CAH）和滑动角（SA）来表征 (Butt et al., 2022, Chen et al., 2025)。在理想的平滑均质基体上，平衡接触角（θ）由杨氏方程定义 (YOUNG. 1805)：cos θ= (γ_SV ? γ_SL)/γ_LV其中 γ_SV、γ_SL 和 γ_LV 分别表示固-气、固-液和液-气界面张力。通过低极性改性剂（如含氟化物

制备工艺

纸张涂布需要基体特定的界面工程来调节涂层渗透、抑制毛细浸润，并确保牢固的纤维-涂层附着力，同时防止孔隙堵塞 (Chang et al., 2018, MacDonald, 2018, Wang et al., 2023)。目前的制备策略分为五种途径：(i) 微/纳米颗粒或溶质沉积；(ii) 相分离；(iii) 层层自组装 (LbL)；(iv) 印刷；(v) 化学接枝。

涂层材料体系与结构-性能关系

在本综述中，所报道的涂层被分为五个实际且不互斥的组别：(i) 基于无机颗粒的涂层；(ii) 含氟涂层；(iii) 合成聚合物、硅酮和蜡基涂层；(iv) 生物基和食品级涂层；(v) 多功能混合架构。

本综述中使用的材料框架是作者为了整理所报道的涂层体系而开发的，并非采用自单一的已发表分类。它是基于

高级与多功能应用场景

纸张上超疏水涂层的效用源于其在纤维素纤维级别精确调节界面行为的能力。通过建立分级的Cassie-Baxter界面，这些涂层抑制了毛细吸收，缓解了湿气引起的纤维溶胀，并保护其免受机械降解。这些特性与食品包装应用尤为相关，其中对水、油脂和湿气传递的抵抗有助于保护

结论与未来展望

纸质超疏水涂层为控制多孔纤维素基体上的液体渗透和表面污染提供了一种有效策略。这里综述的证据表明，其性能是由表面能、分级粗糙度、涂层-纤维附着力、涂层渗透和孔结构的综合影响决定的。毛细浸润、Cassie-Baxter状态失稳以及在折叠、磨耗和干湿循环过程中的涂层损伤仍是

CRediT 作者贡献声明

Yuedan Wang：撰写 - 原稿、可视化、软件、方法论、调查、数据整理。Xuzhe Shi：可视化、软件、数据整理。Shenglong Liu：软件、资源、形式分析。Yufeng Wang：撰写 - 审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、概念构思。Baoying Shi：验证、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Haiyan Song：验证、监督、方法论，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能会影响本文中报告的工作。

致谢

我们要感谢天津市科学技术局科学项目的支持（拨款号：22YDTPJC00860）。

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