纳米结构石墨烯对木薯淀粉（Manihot esculenta）涂覆纤维素纸板的物理化学和机械性能的影响

《Carbon Resources Conversion》：Effect of nanostructured graphene on the physicochemical and mechanical properties of Cassava starch ( Manihot esculenta) coated cellulose paperboards

　　淀粉涂层与石墨烯复合用于纸板的物理化学和机械性能研究，发现0.4%石墨烯涂层显著提升防水性（87.8%）、降低空气渗透率（27%）和油吸收（97%），同时增强拉伸强度（16%）和抗撕裂强度（8%），证实石墨烯与天然聚合物结合的可持续包装解决方案。

　　
本研究旨在开发一种由改性 Cassava 淀粉与石墨烯复合的新型涂层材料，用于提升纸板的物理化学和机械性能，同时减少对传统合成聚合物的依赖。研究团队通过实验验证了不同浓度石墨烯对涂层性能的影响，并系统评估了其环境友好性和功能适用性。

**研究背景与意义**
当前包装材料面临两大挑战：一是传统石油基涂层（如聚乙烯、聚丙烯）的不可降解性和环境毒性；二是纸基材料普遍存在的防水、防油和机械强度不足等问题。微塑料污染的加剧促使学术界探索生物基替代方案。Cassava 淀粉作为可再生能源来源，其改性涂层已显示出改善纸板性能的潜力。但如何通过纳米材料增强其功能特性仍需探索。石墨烯因其卓越的力学强度、阻隔性能和生物相容性，成为改善涂层性能的理想候选材料。

**材料与方法**
研究采用 4% 改性 Cassava 淀粉溶液作为基体，分别添加 0.2% 和 0.4% 质量分数的石墨烯（商品名 XP078-21）。涂层制备通过刮刀工艺实现均匀覆盖，厚度控制在 150-380 微米区间。性能测试涵盖 Cobb 水吸收、气体渗透率（水蒸气、氧气）、油吸收率、机械强度（拉伸强度、抗撕裂强度、硬度）及微观结构表征（FTIR、Raman、SEM）。

**关键实验结果**
1. **防水与气体阻隔性能**
- Cobb 测试显示，涂层后纸板的水吸收率显著提高（0.4% 石墨烯组达 13.6 g/m2），但结合水蒸气渗透率（WVP）数据可见，涂层有效阻隔了水分子迁移。4% 淀粉涂层使 WVP 降低 78%，而添加 0.4% 石墨烯时进一步降至 107 g/m2·day，表明石墨烯的片层结构有效封闭了纸板孔隙。
- 氧气透过率（OTR）未受显著影响，可能与石墨烯团聚导致的致密化程度不足有关。研究指出，采用分散剂或改用石墨烯氧化物可优化气体阻隔性能。

2. **防油与机械性能**
- 油吸收率测试显示，0.4% 石墨烯涂层使油吸收量降低 97%，达到相当于实验油墨 Kit 11 的防油等级，接近商业涂层材料水平。
- 机械强度测试表明，高浓度石墨烯（0.4%）使纸板拉伸强度提升 16%，抗撕裂强度增加 8%，同时保持 5.49% 的断裂伸长率。Taber 硬度测试显示涂层纸板在机器方向（MD）和十字方向（CD）的硬度分别提升至 21.0 和 13.0 mN，证明其抗弯曲性能优异。

3. **微观结构与界面结合**
- SEM 分析显示，石墨烯与淀粉形成均匀的复合涂层，填补了纤维素纤维间的孔隙（图 6E-H）。高浓度石墨烯（0.4%）导致更致密的微观结构，表面褶皱和片层堆叠增强纤维间的机械互锁。
- FTIR 和 Raman 光谱证实材料纯度及石墨烯结构特征。FTIR 表明淀粉的羟基（3280 cm?1）、羰基（1640 cm?1）等特征峰完整，未出现石墨烯合成残留物；Raman 的 D-G 带比例（约 1:3）符合单层或多层石墨烯特征。

**创新点与局限性**
- **创新性**：首次将 Cassava 淀粉与石墨烯复合用于纸板涂层，提出“淀粉-石墨烯”协同效应机制。相较于单一淀粉涂层（ Kit 7 防油等级），石墨烯复合涂层（ Kit 11）防油性能提升显著，且机械强度改善幅度超过 15%。
- **局限性**：实验发现 0.4% 石墨烯涂层存在约 7.35% 的水分含量，高于对照组（6.21%），可能与石墨烯团聚导致疏水表面部分暴露有关。此外，氧气渗透率（OTR）未达理想水平，需通过优化纳米材料分散工艺或引入其他阻隔成分改进。

**环境与经济价值**
研究验证了生物基材料替代传统聚合物的可行性：Cassava 淀粉全球年产量达 1.1亿吨（占淀粉总产量 11%），石墨烯成本低于 $500/kg，涂层制备能耗仅为传统聚乙烯涂层的 1/3。按当前包装市场规模估算，若推广该涂层技术，每年可减少约 480万吨合成聚合物使用，相当于减少 620万吨二氧化碳排放。

**应用前景**
该涂层技术适用于需高防油、耐机械冲击的食品包装（如油炸食品容器、生鲜保鲜箱）。测试数据显示，涂层纸板在 90% 相对湿度下仍保持 0.42 ml/min·cm2 的空气渗透率，接近食品级包装标准（ISO 22196:2011）。此外，石墨烯的抗菌性能（通过表面氧化还原电位增强）可进一步拓展至医药包装领域。

**未来研究方向**
1. **纳米材料分散优化**：开发超声辅助分散或静电纺丝技术，解决石墨烯在淀粉基体中团聚问题（当前涂层厚度波动达 ±6%）
2. **功能梯度设计**：尝试在淀粉涂层中构建石墨烯梯度分布（外层 0.4%、内层 0.2%），平衡表面阻隔与内部支撑
3. **循环利用研究**：测试涂层纸板在 6 次印刷-折叠循环后的性能稳定性，评估实际应用中的耐久性

本研究为发展可持续包装材料提供了新思路，其技术路径符合联合国可持续发展目标（SDGs 12:负责任消费与生产），具有显著的环境效益和产业化潜力。后续研究需重点关注纳米材料与生物基体的长期界面稳定性，以及规模化生产的经济性分析。