出于对微塑料和纳米塑料污染的担忧，聚会和外卖中常用的一次性餐具已经从塑料餐具转向纸质餐具。它们的耐水性和耐油性通常是通过使用对环境有害且持久存在的全氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)或塑料涂层来实现的，而塑料涂层会加剧塑料污染问题。因此，安全环保的耐水和耐油材料是一个至关重要的需求。
针对以上问题，美国田纳西大学的Siqun Wang等人开发了一种全植物基耐水耐油纸复合材料：模拟天然植物特性，通过热压方法在纸上应用了无缝木质素薄膜，通过改变木质素涂层重量(10−40g/m2)、热压压力(1−5 MPa)、温度(120−180°C)和热压前木质素微颗粒和纳米颗粒(LMNP)悬浮液的含水量(10−50 wt %)等参数，确定40 g/m2木质素包覆重量施加于3MPa压力，160℃温度，30 wt %水分含量为最佳条件。这产生了具有优异防水(100min)和耐油(25min)的木质素层。这种纸复合板在花园土壤中可在56天内生物降解，从而为不可生物降解的塑料和PFAS提供了一种有前途的环保替代品。
图文解读
木质素纳米颗粒 - 纸复合材料的生产
该团队研究人员通过使用搅拌器将 50 g木质素纳米颗粒（LMNPs）分散于 50 g去离子水中，制备了50wt %的悬浮液。通过调整木质素纳米颗粒悬浮液在纸表面的用量来控制木质素纳米颗粒层的克重。例如，将0.2 g 50wt %木质素纳米颗粒悬浮液涂抹在边长为100 mm的正方形纸上，便可形成10 g/m2木质素层(图1)。同样地，通过调整相应的LMNPs的量，可分别形成20、30和40 g/m2木质素层。随后，将湿润木质素纳米颗粒涂层的整个纸张在3 MPa, 160℃下热压3分钟，以形成木质素纳米颗粒 - 纸复合材料。这些样品分别标记为C10−P3-T160-M30、C20−P3-T160-M30、C30−P3-T160-M30、C40−P3-T160-M30。木质素纳米颗粒 - 纸复合材料的制造工艺如图 1 所示。
图1.用木质素纳米颗粒(LMNP)悬浮液涂覆基材(静电复印纸)的方案，形成多层木质素纳米颗粒 -纸复合材料。
木质素纳米颗粒 - 纸复合材料的热稳定性分析
该团队研究人员采用热重分析(TGA)对复合纸的热稳定性进行评估。为了比较，还评估了纯纸和木质素纳米颗粒粉末在热压前的热重分布。质量损失作为温度的函数如图2a所示，而质量对温度的一阶导数(DTG)如图2b所示。从室温到约110°C观察到的初始质量损失对应于吸附水的挥发，这是所有三种样品的共同特征。第一个平台出现在110 ~ 240℃之间，表明纯纸和复合纸都具有热稳定性。相比之下，木质素纳米颗粒在160°C左右开始出现质量损失，表明组分部分分解。在复合材料中，木质素纳米颗粒层在热压过程中发生了结构变化，但质量没有明显变化。在240 ~ 380℃之间，未涂布和木质素纳米颗粒复合纸均表现出快速的质量损失，在360℃时，DTG曲线出现一个单峰，这是由于纤维素主要结构的分解。相比之下，原始木质素纳米颗粒粉末表现出连续的质量损失，DTG曲线上的峰值较少。总之，木质素纳米颗粒 -纸复合材料保留了纤维素和木质素的热特性，但在160 - 240°C范围内存在明显差异。这些差异源于热压过程中的热处理，与未涂布纸相比，复合材料在240°C以下的热稳定性更高。
图2.a：木质素纳米颗粒 -纸复合材料(C40−P3-T160-M30)、未涂布纸和木质素纳米颗粒的TGA曲线；b：一阶导数热图(DTG)。
木质素纳米颗粒 - 纸复合材料的顶表面和横截面图像
为了评估木质素纳米颗粒在纤维素基质中的分散，该团队研究人员利用扫描电子显微镜(SEM)捕获了木质素纳米颗粒 -纸复合材料的顶表面和横截面图像。图3描绘了未涂布纸的顶表面和横截面的SEM图像。对表面的检查显示纤维素纤维的纵横交错排列，没有明显的单一方向。纤维的宽度从10 μm到100 μm不等。此外，许多微米大小的孔点缀在交织的纤维上。对横截面的分析表明，未涂布纸的平均厚度为109 μm，因此用微米测量的结果是恒定的。此外，很明显，与热压后的木质素纳米颗粒 -纸复合材料相比，未涂布纸的纤维堆积程度较低。
图3.基材纸的扫描电子显微镜(SEM)图像。（a：纸张的横截面；b,c：纸张表面的俯视图）。
木质素纳米颗粒 - 纸复合材料的生物降解分析
一次性餐具和包装中使用的不可降解材料在环境中积累，对野生动物和人类构成风险，开发的木质素纳米颗粒 -纸复合材料的可降解性对其未来的应用至关重要。考虑到纤维素和木质素是可生物降解的，它们的衍生复合材料也应该表现出可生物降解性。木质素纳米颗粒 -纸复合材料在园林土壤中的初步好氧生物降解研究表明，木质素纳米颗粒 -纸复合材料在前7天变得湿润和柔软，在14天后分解成几个部分，并随着时间的推移逐渐分解。到56天，该复合材料完全消失(图4)。这表明热压木质素纳米颗粒 -纸复合材料比塑料涂层或PFAS添加剂为纸制品提供了显着的优势。
图4.木质素纳米颗粒 -纸复合材料在园林土壤中的降解。
总结
本研究成功开发了一种完全基于植物的耐水和耐油纸复合材料，在追求可持续的一次性餐具方面取得了重大进展。研究确定了木质素膜的最佳应用条件为:LMNP膜重40 g/m2，压力3 MPa，温度160℃，湿LMNP层含水量30 wt %。这些条件使纸张复合材料具有优异的耐久性，能够保持水100min和油25min。重要的是，复合材料在花园土壤中56天内生物降解，强调了其环境效益。这项研究不仅解决了对环保一次性餐具的迫切需求，还为可持续包装解决方案的进一步创新奠定了基础。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c06079
本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编（微信号：biomass12345）
为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部（木质素高值化利用国家创新联盟秘书处）目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。
进群方式：添加小编为好友（微信号：biomass12345），邀请入群。
请备注：姓名+单位+研究方向。
另外，本公众号还友情为国内外有需求的实验室免费发布招聘信息，也可为学术机构发布相关学术会议信息。
