本文的主要作者包括 Tia Lohtander, Tetyana Koso, Ngoc Huynh, Tuomo Hjelt, Marie Gestranius, Alistair W. T. King, Monika Österberg 和 Suvi Arola，来自芬兰的 VTT 技术研究中心和 Aalto University。该研究发表于 2024 年 2 月 9 日的《ACS Omega》。文章题为“Bioactive Fiber Foam Films from Cellulose and Willow Bark Extract with Improved Water Tolerance”。
这项研究属于材料科学和生物分子工程领域，其核心是在可持续包装材料替代品方面的探索。由于全球对可替代石化基塑料包装的需求不断增加，研究者们逐渐将目光转向可再生来源的材料。纤维素作为一种来源丰富、可生物降解且可回收的材料，在包装领域应用广泛。然而，现有纤维素材料的吸湿性和湿敏性限制了其在耐湿应用中的使用。例如，低密度泡沫包装目前主要基于石化材料（如聚苯乙烯和聚氨酯），纤维素基泡沫因其水敏特性通常难以取代。
为了克服这一限制，本研究的目标是开发一种轻量化的纤维素纤维泡沫膜（fiber foam films），这种材料结合了改良的水耐性以及额外的生物活性功能（如抗氧化性和紫外线防护）。
1. 材料制备与选择
研究者选用了高浓度纳米纤维素（CNF）、羧甲基纤维素（CMC）、甲基纤维素（MC）、AKD（烷基酮二聚体）作为防水剂，以及一种含多酚的柳树皮提取物（Willow Bark Extract，WBE）。以下为材料制备的细节：
2. 泡沫制备与成膜过程
研究分步优化了泡沫的制备过程： - 将 CNF、CMC 和山梨醇等组成的混合物搅拌并分散后，加入 WBE 和 AKD，再通过高剪切混合产生泡沫。 - 泡沫结构在涂膜器上被施涂在 PET 膜上，并在 105°C 下干燥至形成干燥的纤维泡沫膜。 - 为稳定泡沫结构，采用了特殊的配比（例如 CNF/WBE 比例和 AKD 添加量）。
3. 性能表征
泡沫膜的机械性能、生物活性和水相互作用进行了全面表征： - 机械测试：通过拉伸试验研究了泡沫膜的厚度、密度和抗拉强度。 - 显微结构表征：采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察干膜的微观剖面结构。 - 化学分析：通过 ATR-FTIR 和 NMR （核磁共振）分析化学键是否形成，并进一步验证 WBE 和 AKD 的物理或化学交互。 - 功能性测试：包括抗氧化性能检测（通过 ABTS 法）、紫外线防护能力和水接触角测试以评估疏水性改进。
1. 机械性能与结构分析
研究通过 FE-SEM 图像发现，干燥的纤维泡沫膜在微观上呈现出层状且多孔的结构。强度测试表明，添加 WBE 的纤维泡沫膜抗拉强度提高了一倍以上，而密度增加至 0.83–0.97 g/cm³。WBE 的引入通过增加材料的粘度和降低空气含量，对机械强度起到积极作用。
2. 水相互作用与湿敏性
水接触角测试数据显示，纯 CNF 泡沫膜展现出较高的亲水性，但加入 AKD 后，其疏水性显著提高。出人意料的是，WBE 和 AKD 的联合使用在表面疏水性上表现出协同效应，底部膜一侧几乎接近于疏水状态。此外，DVS 测试表明，添加 AKD 和 WBE 的纤维泡沫膜表现出更低的水分吸附能力。
3. 生物活性功能
在紫外线防护测试中，含 WBE 的泡沫膜 UPF（紫外线防护因子）值达到 24–39，表明其具有“非常好”的防护效果。这通常归因于 WBE 中多酚的紫外线吸收特性。同时，抗氧化活性检测显示，WBE 的引入使泡沫膜的自由基清除能力达到 80%，而 WBE 本身在溶液中几乎完全清除了 ABTS 自由基。
4. 化学交互
ATR-FTIR 和 NMR 数据显示，WBE、AKD 与 CNF 之间的交互主要为物理作用，而未观察到显著的共价键形成。理论上，WBE 和 AKD 的物理吸附在 CNF 表面上形成竞争，在某种程度上使 WBE 的疏水区域朝向空气界面，从而增强整体疏水性。
本研究提出了一种新颖的轻量化纤维泡沫膜设计，成功地改进了纤维素基材料的耐湿性和生物活性。研究方法融合了材料功能化和泡沫制备的集成工艺，这种工艺在可持续包装和功能性涂层领域展示了显著的应用潜力。
通过本研究，作者们成功地使传统纤维材料扩展应用于耐湿的高附加值领域，同时突出了生物质资源整合利用的重要性。这为未来高性能生物基材料的进一步发展铺平了道路。