摘要

石油基包裝材料引發的環境問題推動了可持續紙基替代材料的研發，但紙張較差的阻隔性能和機械性能限制了其在食品包裝中的應用。

2025年7月，京都大學的Bapan Adak和Yoshikuni Teramoto團隊在《Progress in Organic Coatings》期刊上(IF:7.3)發表了一項題為“Poly(butylene adipate-co-terephthalate)/synthetic hectorite clay nanocomposite coated paper-based sustainable barrier materials for packaging application"的研究論文。

該研究提出一種新型環保策略，通過聚己二酸丁二醇酯-對苯二甲酸丁二醇酯與合成綠脫石粘土納米復合材料涂覆來增強紙基包裝性能。研究采用毒性更低的非氯化溶劑*溶解PBAT并分散納米粘土，實現更安全、可規模化的涂層制備。通過核磁共振溶劑弛豫、形貌及分散性分析，從四種綠脫石粘土中篩選出Sumecton-SEN和Sumecton-STN兩種適配性優良的粘土。在牛皮紙上涂覆不同納米粘土含量（3-7wt%）和涂層定量的多層復合材料，對其機械性能、耐水耐油性及氣體阻隔性能進行系統表征。結果表明，PBAT-STN和PBAT-SEN納米復合材料涂覆紙的性能均優于純PBAT涂覆紙，其中PBAT-STN表現更為突出，在5wt%粘土加載量時達到高性能。綠脫石納米粘土在PBAT基體中良好分散，通過增加擴散路徑的曲折度顯著提升阻隔性能，與純PBAT涂覆紙相比，氧氣透過率和水蒸氣透過率分別降低58.3%和48.5%。優化后的PBAT-粘土納米復合材料涂層還展現出優異的耐水性、高耐油脂性，即使在高溫下也能長時間阻止油脂滲透。這些結果證實，PBAT/綠脫石納米復合材料涂覆紙兼具生物降解性、機械強度和優良防護功能，是食品包裝的可持續解決方案。

研究材料/儀器/方法

材料

漂白牛皮紙、PBAT顆粒、四種綠脫石納米粘土、*、食用大豆油與菜籽油混合植物油、含鹽黃油、熒光薄層色譜板

儀器

真空烘箱、磁力攪拌器、超聲波清洗器、刮棒涂布機、熱封機、核磁共振波譜儀、傅里葉變換紅外/近紅外光譜儀、X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、場發射掃描電子顯微鏡、能量色散X射線光譜儀、接觸角測量儀、Cobb測試儀、試驗機、GTR Tec GTR-10氣體透過率測試儀、濕度計

GTR Tec GTR-10氣體透過率測試儀

方法

PBAT-粘土涂層配方制備

1. PBAT顆粒和納米粘土分別在真空烘箱中干燥（PBAT 70℃/2h，納米粘土90℃/3h）以去除水分。

2. 將干燥的PBAT逐步加入THF中，500r/min磁力攪拌1h后浸泡16h，再于50℃攪拌30min至溶解，冷卻至室溫備用，制備12%（w/v）PBAT溶液。

3. 干燥納米粘土加入THF中，攪拌15min后超聲處理30min，制備5%（w/v）納米粘土凝膠。

4. 按PBAT干重的3-7wt%比例混合PBAT溶液與納米粘土凝膠，800r/min攪拌1h，得到PBAT-粘土涂層配方。

紙基涂覆工藝

1. 使用刮棒涂布機（涂布速度2m/min）在牛皮紙上涂覆純PBAT溶液或PBAT-粘土溶液，采用多層涂布方式達到目標涂層定量。

2. 每涂覆一層后，在40℃熱風干燥箱中干燥2min以蒸發THF，再進行下一層涂覆。

熱封工藝

將涂覆紙裁剪為15.0mm寬的試樣，使用熱封機在110℃下熱壓2s，密封兩個涂覆表面，用于后續粘附強度測試。

測試與表征

1. 核磁共振溶劑弛豫：測量納米粘土在THF中的弛豫時間，計算弛豫數（R?），評估相容性和分散性。

2. 結構與形貌表征：通過FTIR（波數4000-400cm?1）、XRD（掃描角度1.5°-40°）、TEM（-80℃冷凍切片，厚度100-120nm）、FE-SEM（加速電壓1.5kV）及EDX（加速電壓20kV）分析材料結構、元素組成及分散形態。

3. 耐水性能測試：采用接觸角測量儀（23±1℃，50%RH，6μl水滴）測定水接觸角（WCA）；按TAPPI T441標準測量Cobb 60值，評估水吸收量。

4. 耐油性能測試：按TAPPI T559標準進行Kit測試；參考ASTM F119–82協議，在40℃和60℃下進行油脂滲透測試，通過紫外光下TLC板熒光變化判斷滲透情況。

5. 機械性能測試：按ASTM D882標準測試干態拉伸性能，ASTM D829–97標準測試濕態拉伸性能；按改良ASTM D624測試撕裂強度；通過搭接剪切試驗和T-剝離試驗（改良ASTM D1876）評估粘附強度。

6. 阻隔性能測試：按ASTM D3985標準測定氧氣透過率（OTR，23±1℃，0%RH）；按ASTM E96–95標準測定水蒸氣透過率（WVTR，23±1℃，50±2%RH），計算水蒸氣滲透率（WVP）。

結論

該研究提出了一種創新且可行的包裝用高性能阻隔材料開發方案，有效解決了傳統氯化溶劑工藝存在的環境與工業規模化問題。研究不僅證實了用 THF 替代有害氯仿的可行性，還優化了工藝參數以提升相容性、分散性和涂層質量，從而改善材料的環保性能與實際應用價值。

研究表明，將黑土納米黏土摻入 PBAT 基體可提升涂布紙的功能性能，包括機械強度、防水防油性能以及阻隔氧氣和水蒸氣的屏障性能。這些性能提升歸因于納米黏土的高長徑比及其形成迂曲擴散路徑的能力，這種結構能有效阻礙氣體和液體的滲透。通過基于核磁共振弛豫和分散研究的納米黏土等級精挑細選，進一步確保了其與 PBAT 基體及 THF 溶劑的相互作用，最終形成形態均勻的納米復合涂層。

總體而言，這種新型 PBAT -黑土納米復合涂層紙張，為下一代包裝材料提供了一種前景廣闊、可大規模生產且環保的解決方案。該技術巧妙融合了可生物降解聚合物與層狀納米黏土的協同效應，有效突破了傳統紙張及聚合物涂層紙的局限性。通過提升阻隔性能與機械強度，結合采用更安全的溶劑體系和工業適用的加工工藝，這些材料成為可持續包裝的理想選擇，尤其適用于食品等敏感類產品。