Page 76 - 《精细化工》2022年第11期

·2226· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

互连接成线型高分子长链，在空间呈伸直、折叠等 阻氧阻湿性能的影响，为未来纤维素在包装膜领域
[2]
状态，分子间形成大量氢键 。这些结构特征赋予 的应用提供了研究基础。
纤维素分子与众不同的溶解度、黏度、密度、熔点
表 1 包装膜材料在各领域的阻隔性等级分类
等物化性质，也是纤维素高亲水性和高生物相容性
[3]
的原因 。微米级天然纤维素早以纸的形式广泛应 Table 1 Barrier grade classification of packaging film
materials in various fields
用于食品包装领域，如牛皮纸、淋膜纸或者涂布纸、 水蒸气透过性 氧气透过性
[4]
防水防油纸等 。但纤维素制成膜用于医药、医疗 应用领域 参考文献
④
WVT ① WVP ② OQ ③ OP
器械和柔性电子等更广泛领域的包装技术需要纤维
2
–9
食品、药品 <10 <10 –11 <10 <10 [5]
纳纤化。目前，主要有纤维素溶解再生、纤维素衍
电子器件 <10 –1 <10 –13 <1 <10 –11 [6]
生化、纳纤化成膜法等几种方式，常需要借助聚乙
–1
太阳能电池 <10 –2 <10 –14 <10 <10 –12 [7]
烯醇（PVA）等高阻隔聚合物或 SiO 2 无机粒子等提 ⑤ –6 –18 –5 –16
[1]
高复合膜的阻隔性能 。然而多组分间为异质复合， OLED <10 <10 <10 <10 [8]
2
① 水蒸气 透过量 ， g/(m ·24h) ； ②水蒸 气透过 系数，
如何实现纤维素与其他组分间的有效协同作用和高 2 3 2
g·cm/(cm ·s·Pa)；③氧气透过量，cm /(m ·d·Pa)；④氧透过系数，
相容性复合，甚至靶向复合，以提高纤维素基阻隔 cm ·cm/(cm ·s·Pa)；⑤有机发光二极管。
2
3
膜的水蒸气和氧气阻隔性，是纤维素用于高阻隔性
包装膜的挑战性难题。软包装材料在各领域的阻隔 1 纤维素基包装膜阻氧阻湿机制分析
性等级分类见表 1。
本文基于阻隔膜的组成结构及阻隔机制的解 包装阻隔膜主要是由有机高分子和功能性填料
析，分别从纤维素、纤维素衍生物和纳米纤维素 3 等形成杂化网络结构，控制水蒸气和氧气等外界分
个不同纤维素基元结构及与其他高聚物或填料的多 子从阻隔膜外部渗透到内部的吸附、扩散和脱附过
组分相互作用角度，分析了组分间相容性对阻隔膜 程。纤维素基包装膜的阻隔机制分析如图 1 所示。

图 1 纤维素链结构及有机-无机杂化膜阻隔机制分析
Fig. 1 Analysis of cellulose chain structure and organic-inorganic hybrid film barrier mechanism

阻隔膜材料内部纤维素高分子和无机纳米片或 2、3、6 位的羟基自身不仅可以形成分子内和分子
[9]
球形颗粒组成的砖泥结构 ，形成阻隔水蒸气和氧 间氢键，还可以与其他高分子聚合物如富含氨基的
气的重要屏障。其中纤维素作为一种富含多羟基位 蛋白质、壳聚糖和含醇羟基的聚乙烯醇形成氢键、
点的网状聚合物，主链 β-1,4 糖苷键凭借长链或多元 离子键和共价键，提高杂化网络的密度，降低内部
环状，可以提供足够的刚性结构，构筑稳固的网络， 自由体积和气体的扩散速度，从而延长气体在阻隔