目前，大多數(shù)食品包裝材料由石油基、不可降解的熱塑性塑料制成，其廣泛應(yīng)用可能造成嚴(yán)重環(huán)境問題，開發(fā)生物基材料以取代傳統(tǒng)的塑料包裝材料引起了廣大研究人員的興趣。紙基材料因其生物降解性、低重量性、可再生性、食品安全性、可回收性和環(huán)保性，在食品包裝領(lǐng)域顯示出至關(guān)重要的應(yīng)用價值。然而，傳統(tǒng)紙張由天然纖維素纖維制成，具有豐富的親水性羥基，纖維之間呈現(xiàn)高度多孔的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其防水和耐油性能差，顯著限制了其在食品包裝領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。鑒于此，研究構(gòu)建高度防水防油的包裝紙對食品包裝行業(yè)具有重要意義。
為開發(fā)綠色環(huán)保且能滿足食品包裝需求的紙基包裝材料，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院楊卓鴻教授和胡洋副教授帶領(lǐng)的生物基功能高分子材料研究團(tuán)隊與中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所楊子明研究員所在團(tuán)隊相互合作，在構(gòu)建超疏水涂層紙方面取得了新進(jìn)展，開發(fā)了基于纖維素納米晶、丙烯酸松香、殼聚糖構(gòu)建的生物基Pickering乳液涂料，協(xié)同疏水性納米二氧化硅和聚二甲基硅氧烷，通過浸涂和噴涂的方式在紙張表面進(jìn)行涂布，高效構(gòu)建了具有微納米分層結(jié)構(gòu)的仿荷葉超疏水涂層紙（PE&SP-CP），該涂層紙表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性、阻油性、自清潔性和機(jī)械性能，同時還具備良好的生物降解性、可回收性和重復(fù)使用性，在液體和油炸等食品的包裝領(lǐng)域中表現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛力。
相關(guān)研究成果以“Chitosan/acrylic rosin-based superhydrophobic coatings inspired by Pickering emulsion template and lotus leaf surface structure for paper-based food packaging”為題在國際知名期刊International Journal of Biological Macromolecules（中科院Top期刊，IF 2025 = 8.5）上發(fā)表。論文的共同第一作者為團(tuán)隊2023級碩士研究生陸曼芝和2022級碩士研究生魯盼，通訊作者為胡洋副教授、楊卓鴻教授和楊子明研究員，研究得到了廣東省科技計劃、紙漿和造紙工程國家重點實驗室、國家重點研發(fā)計劃和中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊等項目的支持。該研究將全生物基的Pickering乳液與疏水性二氧化硅相結(jié)合，有效構(gòu)建具有仿荷葉表面結(jié)構(gòu)的耐油、自清潔、防污、可回收、可生物降解的超疏水涂層紙，為紙基材料在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的參考思路。
圖1 具有微/納米分層表面結(jié)構(gòu)的超疏水PE&SP-CP紙的制備示意圖。
圖 2 Pickering乳液的（a）顯微照片和（b）粒徑分布;（c）由吖啶橙染色的CNC制成的 Pickering 乳液的激光共聚焦圖像。圖（a）中的插圖是Pickering乳液的數(shù)碼照片。
圖 3（a）U-CP、（c）PE-CP和（e）PE&SP-CP涂布紙的表面SEM圖像；（b）U-CP、（d）PE-CP和（f）PE&SP-CP涂布紙的橫截面SEM圖像。
圖 4 （a）U-CP、PE-CP和PE&SP-CP涂布紙的WCA值；（b）U-CP和PE&SP-CP涂布紙的紙船漂浮試驗；（c）各種液體食品在PE&SP-CP涂布紙表面的接觸角；（d）U-CP、PE-CP和PE&SP-CP涂布紙的WVP值。
圖 5 U-CP、PE-CP和PE&SP-CP涂布紙的（a）防污性和（b）自清潔性；U-CP、PE-CP和PE&SP-CP涂布紙的（c）防油等級和（d）油接觸角；（e）U-CP 和 PE&SP-CP 涂布紙的耐熱油測試。
圖 6 （a）U-CP、PE-CP和PE&SP-CP涂布紙的干濕拉伸性能；（b）PE-CP 和 PE&SP-CP 涂布紙磨損試驗后的 WCA 值；（c）U-CP 和 PE&SP-CP涂布紙經(jīng)土壤掩埋后的外觀照片。
圖 7 （a）PE&SP-CP紙杯在盛放水、雪碧、茶、牛奶、咖啡上的應(yīng)用；（b）商用紙杯和 PE&SP-CP 紙杯中液體的殘留圖片；（c）各種液體的殘余率；和（d）使用 PE&SP-CP紙盛放炸薯條和龜苓膏果凍的圖片。
圖 8 （a）涂層紙的回收過程；（b）PE&SP-CP 涂層紙（b1）和去涂層紙（b2）的光學(xué)顯微鏡圖像；（c）PE&SP-CP涂層紙、去涂層紙和再生紙的FTIR光譜；（d）原始濾紙（d1）和再造紙（d2）的光學(xué)顯微鏡圖像。
綜上所述，該團(tuán)隊受荷葉微納米粗糙結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過Pickering 乳液模板并噴涂疏水納米二氧化硅，成功構(gòu)建了一種具有仿荷葉表面結(jié)構(gòu)的可生物降解、防油防污的超疏水涂層紙。在涂層紙結(jié)構(gòu)中，微米級的丙烯酸松香微球鑲嵌并固定在以殼聚糖為涂膜基質(zhì)的涂層中，疏水納米二氧化硅通過聚二甲基硅氧烷黏附在乳液涂層表面，形成仿荷葉的微納米分層結(jié)構(gòu)，通過氣墊的形成和Cassie狀態(tài)，實現(xiàn)超疏水表面效應(yīng)，對多種液體具有顯著的排斥性，能夠滿足食品包裝疏水防油等要求。該研究工作為應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域的超疏水紙基材料的開發(fā)提供了一定的理論和實踐基礎(chǔ)。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.142375
