隨著電商平臺的快速發展以及疫情的影響，網上購物成為現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，由于人們對環境保護的日益重視，不易降解的塑料包裝已經逐步被減少和禁止使用，取而代之的是具有環保和高性價比優勢的紙質包裝。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，導致紙質包裝無法正常使用，甚至污染貨物。目前大多數紙質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境的工作壓力，另一方面還阻礙了紙質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結構，（b）ODA-PTA@CNC的制備與應用。
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、大長徑比等優點，能夠帶來微納米級別的粗糙結構（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構。經測試，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），能有效控制生產成本。
圖4. ODA-PTA@CNC與ODA涂層的水接觸角與使用量的關系。
該團隊將ODA-PTA@CNC應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用來說尤為重要，并且面臨著重大挑戰。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。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不明顯，并且當摩擦距離大于100 cm時，水接觸角保持穩定且大于140°（圖7），表明ODA-PTA@CNC超疏水涂層具有優異的耐磨性，并且在紙基材料上有較好的附著能力，在紙質包裝領域能有較好的應用前景。
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）以及水驅動器（圖12）等領域，皆具有出色的應用效果，具有廣闊的應用空間。
圖8.（a）棉襯衫的左側噴涂了ODA-PTA@CNC超疏水涂層，右側沒有經過ODA-PTA@CNC處理，隨后往衣服上潑水，（b）左側雪地靴表面噴涂有ODA-PTA@CNC超疏水涂層，右側雪地靴沒有經過疏水處理，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，液態水在上面維持液珠狀。濾紙背面未經過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）和于得海副教授（齊魯工業大學）。本論文得到廣東省自然科學基金面上項目、佛山市教育局高校教師特色創新研究項目、廣州市科技計劃項目、齊魯工業大學制漿造紙科學技術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，本科畢業于華東理工大學，碩士畢業于華東理工和瑞典查爾姆斯理工大學，博士畢業于加拿大滑鐵盧大學和法國波爾多大學，2019年加入華南師范大學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等期刊發表納米纖維素相關論文20余篇。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c00311
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