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迪肯大学从香蕉树和水葫芦等废物中制备涂有可生物降解的乙基纤维素的防水纸！

时间：2022-06-20 来源： 浏览：

迪肯大学从香蕉树和水葫芦等废物中制备涂有可生物降解的乙基纤维素的防水纸！

生物基能源与材料
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以下文章来源于生物基科研前瞻 ，作者Lee

生物基科研前瞻 .

生物基领域科学前沿信息

纸张因其自然降解性和可持续特性而被用作包装材料。2019 年全球纸张和纸板市场接近 4.25 亿吨，而 90 年代仅为2.50 亿吨。 目前，全球包装材料的消费量显著增加，并且在某些地区，包装用纸张的使用率已经高于塑料。但其较差的耐水性限制了其许多应用，尤其是在食品包装中，如新鲜水果、蔬菜、烘焙食品、鱼和肉类等需要防水和防潮的食品，仍然以不同的一次性不可降解塑料为主。因此，科学家们开发了防水纸希望可以解决这一问题。
近日， 迪肯大学前沿材料研究所的Maryam Naebe 等人首先从广泛存在于自然界的 香蕉树 (BP) 和 水葫芦 (WH) 等的废物中制备得到纸张，随后将 乙基纤维素（EC） 涂布在纸上，得到了防水且生物降解的纸张，并验证了它们在实际包装用途中的性能。
相关工作以“Utilisation of natural wastes: Water-resistant semi-transparent paper for food packaging”为题发表在《Journal of Cleaner Production》上。
/ 防水纸的制备 /
两种纸张以相似的方法进行制备。首先两种植物废料首先经过切割，碱处理，水洗中和以及研磨制浆、浇铸干燥等手段得到两种纸张。随后通过浸涂法将乙基纤维素（EC）涂布在两种纸张表面。
图1. 两种防水纸的制备工艺。
/ 防水纸的表面形貌 /
EC涂布前后的BP和WH纸表面的SEM图像如图2所示。由 BP 和 WH 生产的纸张含有较大的颗粒，呈纤维状。这些纤维的宽度大多在10 μm左右，彼此相互缠绕，BP4显示出比BP1更粗糙的表面。在WH样品中也发现了类似的观察结果，其中WH4显示出比WH1更明显的粗糙度。在相应的纸张表面涂布EC后可观察到更光滑的表面，额外的 EC 层覆盖了纸张表面并减少了纤维聚集造成的不均匀。
图2. 扫描电子显微镜 (SEM) 图像（第 1 列）：由不同浓度（1 和 4 克）的香蕉植物 (BP) 和水葫芦 (WH) 制备的未涂布纸；(第 2 列)：乙基纤维素 (EC) 涂层后的相应纸张表面。
/ 防水纸的化学结构 /
BP、WH和EC涂布前后纸张的FTIR光谱如图3所示。原始 BP 和 WH 显示出常见的木质纤维素结构，在 3300-3350 cm -1 波数附近具有典型的 O-H 伸缩峰。BP与WH制备成纸张后，峰的位置与强度与原材料相似，表明 BP 和 WH 中纤维素、半纤维素和木质素的化学基团没有显著变化。涂布EC之后的所有样品（BP1-EC、WH1-EC、BP4-EC、WH4-EC）都表现出几乎相同的图案，但与原始样品和未涂布样品不同，可能是由于纸表面上EC涂层的厚度（约10μm）大于ATR-FTIR的穿透深度，不能穿过EC涂层。
图3. BP、WH 和不同用量的 BP 和 WH 制备的纸张在乙基纤维素 (EC) 涂布前后的 ATR-FTIR 光谱。
/ 防水纸的接触角 /
BP和WH纸表面的水滴接触角见表1。BP纸比WH纸显示出更强的耐水性，这可能是由于 BP较高的结晶度（结晶度指数 61.7%）。涂布EC后，接触角的变化趋势非常有趣，最初随着时间的增加而增加，主要在第一分钟，然后缓慢减小。在未涂覆的样品中没有看到这种特性，这可能是因为它们的亲水性更强，并且没有这种表面抗性（EC 涂层）对水滴的影响。并且EC 涂层可以在纸张的使用寿命期间提供良好的耐水性（一次性包装），但保留亲水性（90°和更低），以便在生物降解过程中微生物发挥作用。
表1. 不同浓度（1 克和 4 克）的BP和WH在EC涂布前后的水接触角。
/ 防水纸的机械性能 /
比较BP和WH纸张，BP样品的拉伸指数几乎是WH样品的两倍。这可能是因为BP的纤维素含量和结晶度较高。涂布EC涂层后，无论是BP还是WH，拉伸指数和拉伸强度均显著增加。得到的几种纸张的拉伸指数与市售的A4纸相当。几种纸张样品的杨氏模量没有显著差异，都在590.9-1118.6 MPa左右。此外，断裂伸长率的变化也是随机的，没有表现出任何特定的趋势。
表2 不同浓度（1 g和4 g）BP和WH的纸张以及EC涂布前后的拉伸指数、拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量。
/ 防水纸的透光率 /
未涂布纸和涂布纸样品的透光率如图4所示。BP纸张相比WH在可见光波长（400-700 nm）中显示出更高的透射率，这可能与样品的颜色和形态有关。EC涂层可增加纸张的透光率，原因在于除了增加表面的均匀性之外（如 SEM 中所见），EC涂层还可能覆盖了纸张表面木质素的一些发色团，从而降低了光吸收。由于光吸收是光透射的相反现象，因此在涂层样品中发生了更高的透射率。当使用较高量的BP或WH时，透光率降低。在紫外光区域(200–400 nm)，光透射率在 UV-B (280–320 nm) 和 UV-C (200–280 nm) 范围内接近于零，具有良好的抗紫外线功能。
图4. BP和WH以及涂布有EC涂层的防水纸的透光率。
/ 防水纸的水蒸气渗透性和水分含量 /
几种纸张样品的水蒸气渗透性（WVP）和水分含量（MC）分别如图5a和图5b所示。据观察，BP4和WH4样品的WVP高于BP1和WH1。这可能与其表面存在更多的纤维及其团聚而导致的粗糙度有关。涂布EC涂层后样品的MC和WVP都得到了降低，有助于限制微生物操作，对食品包装有利。EC包含非极性的醚键 (C–O–C)，它们与水的相互作用较低。因此，涂层产生了更耐水的表面，这反映在所有涂层纸的结果中。
图5. (a)由BP和WH制备涂布有EC和未涂布的纸张的水蒸气渗透性和(b)水分含量。
/ 总结 /
在本文中，作者展示了涂布有可生物降解的乙基纤维素的纸张在可持续食品包装应用。 纸张由香蕉树和水葫芦两种资源丰富的天然废物资源制成，没有生物质残留物产生。采用浸涂法将乙基纤维素涂敷在纸张上，研究了涂敷对纸张理化性能的影响。涂层样品表现出显著的防水特性。乙基纤维素涂层还在可见光区域赋予了更高的透光率以及抗紫外线功能。此外，涂布乙基纤维素后，纸张的拉伸指数增加，伸长率和杨氏模量保持不变。 总体而言，这种生物友好型纸张可用于食品包装，包括水果、蔬菜、面包、鱼和肉等，替代不可降解的塑料。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132665
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