廢棄塑料導(dǎo)致的環(huán)境污染日益嚴重，開發(fā)綠色和可持續(xù)的塑料替代品迫在眉睫。天然高分子由于成膜性好，生物安全性高和可降解等優(yōu)勢，是制備綠色包裝材料的理想原料，但其柔性差且親水性強，普遍存在力學(xué)性能不足的問題，難以滿足實際應(yīng)用的要求。金屬有機框架(MOFs)材料因其出色的特性在催化、載藥、抗菌等領(lǐng)域得到廣泛研究，但一般MOFs的穩(wěn)定性和可加工性較差，制約了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。如何將天然高分子與MOFs結(jié)合充分發(fā)揮MOFs和天然高分子各自的優(yōu)勢，仍然存在很大的挑戰(zhàn)。
針對上述問題，廣西大學(xué)林寶鳳教授團隊前期已在MOFs@天然高分子復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)做了廣泛探索，相關(guān)成果已在材料的可控制備、藥物緩釋、快速消毒和長效抗菌、保鮮包裝和智能監(jiān)測等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，成果于Carbohyd. Polym., 2022, 297, 120041；Food Chem., 2022, 395, 133614; Appl. Surf. Sci, 2022, 571, 151351; Int. J. Biol. Macromol., J. Clean. Prod, 2020, 261, 121235; Chem. Eng. J., 2021, 403, 126342; Chem. Eng. J., 2020, 395, 125181; 2020, 214; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 10389-10398等發(fā)表。盡管如此，由于天然高分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和物理相互作用的多樣性、以及MOFs結(jié)構(gòu)的多樣性和水穩(wěn)定性等問題，MOFs@天然高分子可降解可再生保鮮包裝材料的研究尚未得到突破。
工作1簡介
圖2. Ag-2MI@CMC復(fù)合膜的放大產(chǎn)品
Ag-2MI@CMC復(fù)合膜的包裝性能
圖3. Ag-2MI@CMC的力學(xué)強度及包裝性能測試
土壤降解實驗發(fā)現(xiàn)Ag-2MI@CMC膜10天后出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，45天后幾乎完全降解，而商用PE保鮮膜在同樣條件下沒有任何降解的跡象(如圖4所示)。此外，Ag-2MI@CMC膜具有優(yōu)異的可再生性，再生5次后的Ag-2MI@CMC膜性能變化不大，不影響其作為保鮮包裝使用。
工作2簡介
圖6. ZIF-8/AgNPs@CMC合成和應(yīng)用的示意圖
如圖6所示采用雙原位生長的策略，利用CMC中的羧基將Ag+和Zn2+固定在其分子鏈上，之后原位合成ZIF-8和AgNPs，制備了ZIF-8/AgNPs@CMC涂層。ZIF-8不僅與AgNPs有協(xié)同抗菌作用，而且ZIF-8的限制效應(yīng)還可以錨定AgNPs，減少AgNPs的累積釋放，從而為食品的安全保鮮提供保障。
許多涂層材料與紙張之間結(jié)合力弱，通常只有氫鍵相互作用，產(chǎn)品使用過程遇到濕度過大或水過多時，氫鍵作用被破壞，導(dǎo)致涂層脫落而無法正常使用。 如圖7所示ZIF-8的加入使得ZIF-8/AgNPs@CMFP在水中浸泡24小時后的水溶性僅為39.7%，而沒有ZIF-8的AgNPs@CMFP幾乎完全水溶。此外，機械摩擦200次后涂層仍沒有脫落，這得益于ZIF-8/AgNPs@CMC涂層與紙張之間較強的靜電相互作用，有效提高了涂層的耐水性，并使涂層具備出色的耐摩擦性，更具實際應(yīng)用的潛力。
該團隊提出的MOFs@天然高分子復(fù)合包裝材料的制備工藝簡單、能耗低(常溫常壓)、綠色環(huán)保(溶劑為水)，且使用后可降解可再生，符合“綠色”和可持續(xù)的發(fā)展理念。上述工作展示了Ag-2MI@CMC包裝膜與ZIF-8/AgNPs@CMC涂層作為包裝材料的優(yōu)良性能，特別是Ag-2MI和CMC的結(jié)合賦予了該包裝膜優(yōu)良的機械強度和優(yōu)異的抗菌性能，用于果蔬保鮮效果顯著，并顯示出高的生物安全性、可降解和可重復(fù)利用性能，有望作為新型的代塑產(chǎn)品用于食品的保鮮包裝。相關(guān)技術(shù)已申請中國發(fā)明專利(可實時無線監(jiān)測水果新鮮度的多功能包裝紙的制備方法”，專利申請?zhí)?/span>（202111311296.5)。感謝國家自然科學(xué)基金(51863001，22175054)和廣西自然科學(xué)基金重大專項(2021GXNSFDA220005)對該工作的資助。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c05440
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120433
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