隨著電商平臺的快速發(fā)展以及疫情的影響，網(wǎng)上購物成為現(xiàn)代人主要的消費方式之一，隨之而來的是大量的快遞包裝需求。同時，由于人們對環(huán)境保護的日益重視，不易降解的塑料包裝已經(jīng)逐步被減少和禁止使用，取而代之的是具有環(huán)保和高性價比優(yōu)勢的紙質(zhì)包裝。然而，由于紙張具有吸濕性，在遇水的情況下，其機械強度會顯著降低，導(dǎo)致紙質(zhì)包裝無法正常使用，甚至污染貨物。目前大多數(shù)紙質(zhì)包裝的防水方法是使用聚苯乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等石油基聚合物對紙質(zhì)包裝進行防水處理，但是由于這些聚合物自身難以被降解，因此該防水方法一方面增加了保護環(huán)境的工作壓力，另一方面還阻礙了紙質(zhì)包裝本身的回收利用，增加了回收的工序和成本。
圖2. （a）十八烷胺與單寧酸化學(xué)結(jié)構(gòu)，（b）ODA-PTA@CNC的制備與應(yīng)用。
圖3. （a）CNC和（b）ODA-PTA@CNC的掃描電鏡圖，（c）CNC和（d）ODA-PTA@CNC的透射電鏡圖。CNC是一種提取自植物的棒狀納米材料（閃思科技ScienceK），具有綠色可持續(xù)、大長徑比等優(yōu)點，能夠帶來微納米級別的粗糙結(jié)構(gòu)（圖3），大大提高了疏水涂層的疏水效果。對比十八烷胺疏水涂層，ODA-PTA@CNC超疏水涂層的疏水性有明顯的提高，這歸因于ODA-PTA@CNC超疏水涂層有效結(jié)合了十八烷胺的低表面能特性和纖維素納米晶的微納米結(jié)構(gòu)。經(jīng)測試，平均每平米紙基材料只需要1 g ODA-PTA@CNC就可以達到超疏水效果，即水接觸角>150°（圖4），能有效控制生產(chǎn)成本。
圖4. ODA-PTA@CNC與ODA涂層的水接觸角與使用量的關(guān)系。
該團隊將ODA-PTA@CNC應(yīng)用于紙袋子和紙箱子上，皆達到超疏水效果。裝有600g水瓶的紙袋在水中浸泡2分鐘后力學(xué)性能大大降低，水瓶從底部掉出，而噴灑了ODA-PTA@CNC的另一個紙袋子仍然保持干燥并完好無損（圖5）。在對噴涂了ODA-PTA@CNC的紙箱子潑水后，液態(tài)水無法潤濕紙箱表面，水珠甚至無法黏連在紙箱表面，所有水珠都被濺開，紙箱表面保持干爽（圖6）。
圖5. 涂有（左）/未涂有（右）ODA-PTA@CNC的紙袋子分別在水中浸泡2分鐘后的承重測試。
超疏水涂層的耐久性對于許多應(yīng)用來說尤為重要，并且面臨著重大挑戰(zhàn)。常見的超疏水涂層通常很脆弱，此外受損的疏水涂層通常難以修復(fù)。該團隊通過砂紙摩擦對ODA-PTA@CNC超疏水涂層的耐用性進行了檢驗。首先噴涂有ODA-PTA@CNC超疏水涂層濾紙在0.5 N壓力下在砂紙上摩擦，開始時ODA-PTA@CNC超疏水涂層濾紙的水接觸角隨著摩擦距離的增加而略有下降，但下降的程度較小。隨著摩擦距離的增加，水接觸角下降程度愈發(fā)不明顯，并且當(dāng)摩擦距離大于100 cm時，水接觸角保持穩(wěn)定且大于140°（圖7），表明ODA-PTA@CNC超疏水涂層具有優(yōu)異的耐磨性，并且在紙基材料上有較好的附著能力，在紙質(zhì)包裝領(lǐng)域能有較好的應(yīng)用前景。
圖7. 涂有ODA-PTA@CNC的紙條的耐磨性測試。此外，ODA-PTA@CNC還可以應(yīng)用在紡織品（圖8）、防污（圖9）、油水分離（圖10）、Janus薄膜（圖11）以及水驅(qū)動器（圖12）等領(lǐng)域，皆具有出色的應(yīng)用效果，具有廣闊的應(yīng)用空間。
圖8.（a）棉襯衫的左側(cè)噴涂了ODA-PTA@CNC超疏水涂層，右側(cè)沒有經(jīng)過ODA-PTA@CNC處理，隨后往衣服上潑水，（b）左側(cè)雪地靴表面噴涂有ODA-PTA@CNC超疏水涂層，右側(cè)雪地靴沒有經(jīng)過疏水處理，分別往兩只鞋子表面潑水。
圖9. 噴涂了ODA-PTA@CNC超疏水涂層的棉布表面上，牛奶、可樂和咖啡維持液珠狀。
圖10. （a）燒杯中裝有清水，水底有一滴用甲基橙染色為橙色的氯仿，（b）噴涂了ODA-PTA@CNC超疏水涂層的海綿在水底將氯仿油滴吸走，（c）水底的氯仿油滴被完全吸走，而水位沒有下降。
圖11. 濾紙的正面噴涂有ODA-PTA@CNC超疏水涂層，液態(tài)水在上面維持液珠狀。濾紙背面未經(jīng)過ODA-PTA@CNC處理，被水浸潤。
圖12.（a）濾紙一面噴涂有ODA-PTA@CNC超疏水涂層，另一面未經(jīng)過疏水處理，將濾紙剪成長條狀，浸入水中，（b）濾紙條在水中自動彎曲。
以上研究成果以Sustainable and Versatile Superhydrophobic Cellulose Nanocrystals為題發(fā)表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上，并被選為雜志封面。該論文的第一單位為華南師范大學(xué)華南先進光電子研究院，論文第一作者為2019級碩士生項浩晟，文章通訊作者為張振副研究員、Kam C. Tam教授（加拿大滑鐵盧大學(xué)）和于得海副教授（齊魯工業(yè)大學(xué)）。本論文得到廣東省自然科學(xué)基金面上項目、佛山市教育局高校教師特色創(chuàng)新研究項目、廣州市科技計劃項目、齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙科學(xué)技術(shù)教育部重點實驗室和閃思科技（ScienceK）等大力支持。
作者簡介
張振副研究員，本科畢業(yè)于華東理工大學(xué)，碩士畢業(yè)于華東理工和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)，博士畢業(yè)于加拿大滑鐵盧大學(xué)和法國波爾多大學(xué)，2019年加入華南師范大學(xué)華南先進光電子研究院周國富教授團隊，主要研究方向為納米纖維素（纖維素納米晶）的制備、改性和應(yīng)用，Pickering乳液，相變材料等，近五年以第一作者或通訊作者在Chemical Engineering Journal、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、ACS Applied Materials & Interfaces、Carbohydrate Polymers、Cellulose、Journal of Colloid and Interface Science、Advanced Sustainable Systems、Journal of Applied Polymer Science和ACS Applied Nano Materials等期刊發(fā)表納米纖維素相關(guān)論文20余篇。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c00311
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