CNF是什么高分子材料吗？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-03-08 09:21 标签： CNF是什么

基于纤维素的绿色包装材料设计研究
崔璨璨，王佑奎，刘锦慧，黎子源，陈文威，刘兵
（1.东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）
摘要：现行的包装材料过度依赖于石油资源，产生了大量的固体塑料垃圾，已经给环境造成了巨大的污染。纳米纤维素作为一种绿色无污染的生物质材料，具有优异的机械强度和化学稳定性，在包装材料领域应用广阔。本文对纤维素复合材料在包装中的应用和研究现状进行分析和介绍，并对未来纤维基包装材料的未来发展进行了展望。
关键词：纤维素；复合材料；包装材料
产品包装能够在避免产品在流通过程中受到震动、冲击等环境因素的破坏，避免异物混入产品或化学物质、细菌等腐蚀内装物，方便物流运输和贮存，促进产品销售。但是传统的包装材料大量使用塑料制品，给环境造成了巨大的污染，全国各地区陆续出台了限塑政策以及包装绿色化的相关要求和指南。开发并利用绿色智能包装材料制成相关包装制品并创建回收再利用体系，是解决这一问题的有效途径。
1.纤维素及纳米纤维素介绍
1.1纤维素
纤维素（Cellulose）是绿色植物的产物，年产量可达到数千亿吨，具有较高的强度和刚度，巨大的比表面积，能够完全自然降解、无毒无害无污染，在自然界中分布范围广、储量丰富，是人类最宝贵的可再生资源。
1.2纳米纤维素
纳米纤维素（Nano-cellulose, NC）是对天然纤维进行细化处理，提取得到直径在 100
nm以下且长度为数微米的超微细纤维。与天然纤维相比，NC的比表面积和长径比都有所增加，机械性能和阻隔性能更为优越，生物降解性、生物相容性和化学性能良好。能够和其他天然高分子或人工合成材料复合制备机械性能和阻隔性能更加优良的功能化纳米复合材料。因此，纳米纤维素在食品、造纸、纺织、水处理、生医材料、建筑材料、功能材料等领域有着广泛的应用。
表 1 纳米纤维素的分类
纳米纤维素种类
制备方法
平均尺寸
纤维素纳米晶体（CNC）
酸水解法
直径约为5nm，长度约为100~250nm
纤维素纳米纤丝（CNF）
机械法
直径5~60nm，长度为几微米
细菌纳米纤维素（BNC）
微生物发酵
直径20~100nm，长度不定
根据纤维素的基本特征可将其分为三种：纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystal，CNC）、纤维素纳米纤丝（Cellulose Nanofibrils，CNF）和细菌纳米纤维素（Bacterial Nanocellulose，BNC）[]。
2.纳米纤维素在包装中的应用
纳米纤维素能够作为增强成分改善传统包装材料的整体性能，例如提升材料的机械性能、力学性能和阻隔性能等，赋予材料各种特殊的功能特性，能够拓宽传统包装材料的应用范围，各种功能性纤维基复合材料的制备和性能研究已经成为当前的热点问题。在包装领域，纳米纤维素可用于食品包装、阻隔性包装、缓冲发泡材料、气凝胶材料、吸附性材料等多个方面。
2.1食品包装材料
食品包装对包装材料特性提出了较高的要求，不仅要保证食品安全、延长食品保质期，还应当具备足够的防震减冲击性和阻隔性能，防止有毒物质迁移。纳米纤维素安全无毒，对人体健康没有危害，在食品包装材料中具有很好的发展前景。
2.1.1 保鲜包装材料
对于食品包装材料而言，维持食物的新鲜度是对包装材料最基本的要求之一，以NC为基材制备的包装材料具有较好的保鲜特性。研究表明，纳米纤维素与聚乳酸复合材料制备的可降解型食品包装薄膜，能够有效减缓食品的氧化降解过程。此外，纤维素基可食膜还可应用于果蔬的涂膜保鲜，经过涂膜处理后的果蔬样品品质指标明显优于未处理的果蔬。
2.1.2 抗菌包装材料
将纳米纤维素与抑菌剂复合制备的包装材料能够有效致抑制病菌的生长和繁殖，有望取代传统食品包装材料。研究发现NC-壳聚糖纳米复合薄膜材料对于抑制微生物生长方面、延长肉类食品保质期效果显著，能够对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和肠炎沙门氏菌等微生物的生长起到抑制作用，可广泛应用于鲜肉的保鲜包装。
2.1.3 可食用包装材料
天然来源的纳米纤维素高分子材料无毒无害，安全性高，目前已经应用于许多食品行业。例如在纳米纤维素中加入浓缩乳清蛋白能够制备可食用的NC薄膜，该薄膜具有良好的机械性能和阻隔性能，可用作可食性包装材料，在食品包装领域应用广泛。还有研究表明在可食性膜中加入纳米纤维素能够提升复合材料的综合性能，NC对可食膜的特性具有积极的作用。
2.2 阻隔性材料
作为纳米尺寸的高分子材料，纳米纤维素能够作为一种增强剂添加到高分子聚合物基质中，制备力学性能和气体阻隔性能优异的复合材料。纳米晶纤维素与其他高分子材料混合后可制备综合性能更好功能性复合涂层，例如纳米晶纤维素能够有效增强壳聚糖薄膜的阻隔性能。
2.3 缓冲发泡材料
植物纤维发泡缓冲包装材料具有对环境绿色无污染、原料来源广泛、综合成本低廉、防震缓冲性能优越等特点，还具有可循环再生和可生物降解等巨大优势，而且该种发泡材料还可以根据产品的形状塑形，制作具有减震缓冲作用的衬垫，还可以制作能够取代EPS的新型材料填充颗粒。因此，植物纤维类发泡缓冲材料已受到越来越多研究者的关注，应用前景广阔，潜力巨大。目前，已开发的植物纤维类发泡缓冲材料的研究多以甘蔗渣、秸秆、废纸等植物纤维废料为主要原材料，已经成功制备出大量的力学性能和缓冲效果均良好的植物纤维类缓冲包装材料。
2.4 纳米纤维素基气凝胶材料
纳米纤维素基气凝胶是一种以纤维素纳米网络结构为基础的生物聚合物材料，不仅具有低导热率、大SSA、高孔隙率、轻质和低介电常数等与传统无机气凝胶材料类似的典型特征，还具有良好的生物相容性和生物可降解性，应用前景良好。使用天然纳米纤维制备的气凝胶具有良好的性能，能够有效阻隔灰尘异物、水分、微生物、紫外线等，在遇到环境条件变化时保持材料性能稳定，能较好地保护被包装物满足各种产品的包装需求
2.5 纳米纤维素基吸附性材料
将纳米纤维素与吸附剂复合能够制备得到吸附气味能力强大、力学性能优良的吸附性材料。这种潜在的活性包装材料可以应用于有除异味需求的产品包装，能够提高产品的运输、储藏和销售效果。有研究表明纤维素纳米纤丝和纳米多孔沸石吸附剂两种材料交联后能够制备得到具有吸附气味功能的复合薄膜。该沸石/纤维素纳米纤丝复合膜不仅具有高度的挠曲性和机械强度，还能够满足吸附性包装材料的要求[2]。
3 结语
纳米纤维素具有优良的气体阻隔性、生物相容性、环境友好性以及极强的机械强度等特点，使得基于纤维素的绿色包装材料在包装材料领域有着相当好的应用前景。对纳米纤维素的发展提出了一些新的要求：优化纤维素复合材料的制备方式，提高纤维素产量，降低生产成本；完善和优化纤维素的功能化改性，拓宽纳米纤维素的应用领域；还可以在纳米纤维素包装材料中嵌入RFID等智能化标签，实现新型包装的绿色化和智能化。
参考文献：
[] 康晓鸥,易兰花,邓丽莉等.纳米纤维素基抗菌复合材料及其在食品包装中的研究进展[J].食品科学,2020,41(11):317-326.
[2] Li Anling,Wang Guangfei,Zhang Yong,Zhang,etc. Preparation methods and research progress of superhydrophobic paper[J]. Coordination Chemistry Reviews,2021,449.
基金项目：东北林业大学创新训练项目202110225441，东北林业大学创新训练项目202210225080，东北林业大学科研训练项目KY202129

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