石油基塑料因其材料轻质、具有强大的物理和机械性能、优异的气体阻隔性能以及耐腐蚀性，使得在包装应用中备受青睐。全球对合成塑料的需求量巨大，2018年超过92亿吨，年增长率为5%。然而，这些合成材料需要很长时间才能分解，在这个过程中会产生微塑料和纳米塑料，从而造成严重的环境问题。目前，大约20%的塑料废物被回收或焚烧；其余的则被填埋、焚烧或丢弃在海洋中，这对水生、海洋、陆地、动物和人类健康产生不利影响。为了解决这些挑战，人们一直在寻找可生物降解、无毒和可持续的材料，这导致包装应用中对这类材料的需求日益增长。
聚乙烯醇(PVA)是一种可生物降解聚合物，细菌可以利用它作为碳源和能量来源。PVA还具有无毒和生物相容性，因此它是制造各种材料（如塑料薄膜）的理想替代品。然而，PVA容易吸湿并随之膨胀，会对其阻隔和机械性能产生不利影响，从而限制了其在包装工业中的应用。因此，提高PVA薄膜的水阻性对于拓宽其在高湿度环境中的应用至关重要。
研究人员已经采用了多种策略来提高可生物降解食品包装的性能，包括塑化、交联、聚合物共混和纳米颗粒掺入。另一种引人注目的方法是静电纺丝，这是一种提高生物降解食品包装薄膜性能的有前景的策略。静电纺丝利用电流体力学从聚合物溶液中制造微米到纳米尺度的纤维材料。使用纳米纤维合成的塑料，直径从纳米到微米不等，由于其表面积与体积比极高，比使用传统方法制造的产品具有许多优势。这些特性使它们非常适合食品包装应用，特别是在需要增强阻隔性、机械性能以及可生物降解性的应用。静电纺丝能够将纤维直接铺展到基材上，特别是聚合物薄膜，以提高其包装应用的性能。
目前，各种可再生材料，如多糖、蛋白质和生物相容性聚合物，被用于静电纺丝。其中，聚己内酯(PCL)因其生物相容性、生物可降解性和在低电压下易于静电纺丝而脱颖而出。PCL在水环境中提供必要的机械阻力，使其成为复合薄膜的理想选择。PCL固有的疏水性对于降低PVA薄膜的润湿性特别有利，从而增强其耐水性。蜂蜡作为一种天然疏水物质，通过改善其物理性能进一步增强PCL的特性。在电纺纳米纤维中加入蜂蜡不仅增加了其疏水性，而且有助于形成更粗糙的表面形态。这种增加的表面粗糙度至关重要，直接影响复合膜的润湿性和透氧性至关重要，提供了在保持生物降解性的同时增强了阻隔性能的双重好处。
近期，韩国延世大学开发了一种聚乙烯醇(PVA)薄膜的表面改性方法，解决了PVA薄膜固有的亲水性。
在特定条件下对PVA薄膜进行10min预干燥，然后使用静电纺丝技术将改性的聚己内酯(PCL)纳米纤维与蜂蜡均匀地涂覆在PVA薄膜表面，制得PVA/PCL/蜂蜡复合薄膜。该方法有效的将PVA薄膜从亲水性转变为高度疏水性，该复合薄膜具有粗糙的表面和显著的疏水性，水接触角(WCA)达到144.1°。此外，表面改性还显著降低了PVA膜的氧气渗透率，从5.5下降到2.2 cc.m-2/天，这对多种工业应用具有重要意义。因此，这种经济有效的方法有望改善亲水性聚合物的物理性能，并扩大其工业应用。
PVA/PCL/蜂蜡复合膜制备原理图
数据来源与出处
相关研究成果发表在最新一期的《Progress in Organic Coatings》上。
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