GTR-10气体透过率测试仪助力绿脱石纳米复合材料可持续阻隔包装材料研究

摘要

石油基包装材料引发的环境问题推动了可持续纸基替代材料的研发，但纸张较差的阻隔性能和机械性能限制了其在食品包装中的应用。

2025年7月，京都大学的Bapan Adak和Yoshikuni Teramoto团队在《Progress in Organic Coatings》期刊上(IF:7.3)发表了一项题为“Poly(butylene adipate-co-terephthalate)/synthetic hectorite clay nanocomposite coated paper-based sustainable barrier materials for packaging application"的研究论文。

该研究提出一种新型环保策略，通过聚己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯与合成绿脱石粘土纳米复合材料涂覆来增强纸基包装性能。研究采用毒性更低的非氯化溶剂四氢呋喃溶解PBAT并分散纳米粘土，实现更安全、可规模化的涂层制备。通过核磁共振溶剂弛豫、形貌及分散性分析，从四种绿脱石粘土中筛选出Sumecton-SEN和Sumecton-STN两种适配性优良的粘土。在牛皮纸上涂覆不同纳米粘土含量（3-7wt%）和涂层定量的多层复合材料，对其机械性能、耐水耐油性及气体阻隔性能进行系统表征。结果表明，PBAT-STN和PBAT-SEN纳米复合材料涂覆纸的性能均优于纯PBAT涂覆纸，其中PBAT-STN表现更为突出，在5wt%粘土加载量时达到高性能。绿脱石纳米粘土在PBAT基体中良好分散，通过增加扩散路径的曲折度显著提升阻隔性能，与纯PBAT涂覆纸相比，氧气透过率和水蒸气透过率分别降低58.3%和48.5%。优化后的PBAT-粘土纳米复合材料涂层还展现出优异的耐水性、高耐油脂性，即使在高温下也能长时间阻止油脂渗透。这些结果证实，PBAT/绿脱石纳米复合材料涂覆纸兼具生物降解性、机械强度和优良防护功能，是食品包装的可持续解决方案。

研究材料/仪器/方法

材料

漂白牛皮纸、PBAT颗粒、四种绿脱石纳米粘土、四氢呋喃、食用大豆油与菜籽油混合植物油、含盐黄油、荧光薄层色谱板

仪器

真空烘箱、磁力搅拌器、超声波清洗器、刮棒涂布机、热封机、核磁共振波谱仪、傅里叶变换红外/近红外光谱仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪、接触角测量仪、Cobb测试仪、试验机、GTR Tec GTR-10气体透过率测试仪、湿度计

GTR Tec GTR-10气体透过率测试仪

方法

PBAT-粘土涂层配方制备

1. PBAT颗粒和纳米粘土分别在真空烘箱中干燥（PBAT 70℃/2h，纳米粘土90℃/3h）以去除水分。

2. 将干燥的PBAT逐步加入THF中，500r/min磁力搅拌1h后浸泡16h，再于50℃搅拌30min至溶解，冷却至室温备用，制备12%（w/v）PBAT溶液。

3. 干燥纳米粘土加入THF中，搅拌15min后超声处理30min，制备5%（w/v）纳米粘土凝胶。

4. 按PBAT干重的3-7wt%比例混合PBAT溶液与纳米粘土凝胶，800r/min搅拌1h，得到PBAT-粘土涂层配方。

纸基涂覆工艺

1. 使用刮棒涂布机（涂布速度2m/min）在牛皮纸上涂覆纯PBAT溶液或PBAT-粘土溶液，采用多层涂布方式达到目标涂层定量。

2. 每涂覆一层后，在40℃热风干燥箱中干燥2min以蒸发THF，再进行下一层涂覆。

热封工艺

将涂覆纸裁剪为15.0mm宽的试样，使用热封机在110℃下热压2s，密封两个涂覆表面，用于后续粘附强度测试。

测试与表征

1. 核磁共振溶剂弛豫：测量纳米粘土在THF中的弛豫时间，计算弛豫数（Rₙ），评估相容性和分散性。

2. 结构与形貌表征：通过FTIR（波数4000-400cm⁻¹）、XRD（扫描角度1.5°-40°）、TEM（-80℃冷冻切片，厚度100-120nm）、FE-SEM（加速电压1.5kV）及EDX（加速电压20kV）分析材料结构、元素组成及分散形态。

3. 耐水性能测试：采用接触角测量仪（23±1℃，50%RH，6μl水滴）测定水接触角（WCA）；按TAPPI T441标准测量Cobb 60值，评估水吸收量。

4. 耐油性能测试：按TAPPI T559标准进行Kit测试；参考ASTM F119–82协议，在40℃和60℃下进行油脂渗透测试，通过紫外光下TLC板荧光变化判断渗透情况。

5. 机械性能测试：按ASTM D882标准测试干态拉伸性能，ASTM D829–97标准测试湿态拉伸性能；按改良ASTM D624测试撕裂强度；通过搭接剪切试验和T-剥离试验（改良ASTM D1876）评估粘附强度。

6. 阻隔性能测试：按ASTM D3985标准测定氧气透过率（OTR，23±1℃，0%RH）；按ASTM E96–95标准测定水蒸气透过率（WVTR，23±1℃，50±2%RH），计算水蒸气渗透率（WVP）。

结论

该研究提出了一种创新且可行的包装用高性能阻隔材料开发方案，有效解决了传统氯化溶剂工艺存在的环境与工业规模化问题。研究不仅证实了用 THF 替代有害氯仿的可行性，还优化了工艺参数以提升相容性、分散性和涂层质量，从而改善材料的环保性能与实际应用价值。

研究表明，将黑土纳米黏土掺入 PBAT 基体可提升涂布纸的功能性能，包括机械强度、防水防油性能以及阻隔氧气和水蒸气的屏障性能。这些性能提升归因于纳米黏土的高长径比及其形成迂曲扩散路径的能力，这种结构能有效阻碍气体和液体的渗透。通过基于核磁共振弛豫和分散研究的纳米黏土等级精挑细选，进一步确保了其与 PBAT 基体及 THF 溶剂的相互作用，最终形成形态均匀的纳米复合涂层。

总体而言，这种新型 PBAT -黑土纳米复合涂层纸张，为下一代包装材料提供了一种前景广阔、可大规模生产且环保的解决方案。该技术巧妙融合了可生物降解聚合物与层状纳米黏土的协同效应，有效突破了传统纸张及聚合物涂层纸的局限性。通过提升阻隔性能与机械强度，结合采用更安全的溶剂体系和工业适用的加工工艺，这些材料成为可持续包装的理想选择，尤其适用于食品等敏感类产品。