背景与现状：

传统塑料缺乏可降解性，导致了严重的塑料污染（白色污染）。此外，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等不可降解的聚合物广泛用于食品包装材料，并最终在体内积累，对人体健康造成破坏性影响。因此，需要开发完全生物降解的食品包装材料。大量的生物可降解聚合物已经被用于包装材料，其中PBAT由于其可生物降解性和极高的柔韧性而被广泛使用。然而，其机械阻力低，紫外线阻挡弱，尤其是其降解机制不明确，阻碍了其在食品包装应用中的广泛应用。

近年来，强度高、生物降解性好的天然纤维素纳米晶体(CNCs)被认为是提高PBAT机械强度和生物降解率的理想增强剂，但纯CNCs不能赋予PBAT阻挡紫外线的性能，这将影响其作为包装材料的寿命。幸运的是，一些金属、金属氧化物或植物，如(松香、氧化石墨烯(GO)、壳聚糖、氧化锌(ZnO)等)添加到CNCs中与聚合物基质混合后，将获得一种功能性纳米复合材料，该材料具有优良的紫外线屏蔽性能和增强的生物降解性。特别地，在所有杂化材料中，CNC-ZnO杂化材料表现出更优异的抗菌、光催化活性和超高的紫外线屏蔽性能，可以作为增强剂改善生物聚合物的性能。然而，目前尚未研究具有不同形态的CNC-ZnO杂化物(即ZnO杂合体)的PBAT纳米复合膜在土壤埋藏、海水和UV老化条件下的生物降解行为。

图形摘要：

研究内容：

本研究设计合成了各种形态的ZnO杂化物，即（r-ZnO、d-ZnO和s-ZnO杂化物），然后通过溶液浇铸将它们引入PBAT基体中。此外，还评估了各种ZnO杂化物对所得PBAT纳米复合薄膜的热稳定性、紫外线屏蔽和机械性能的影响。更重要的是，还研究了纯PBAT和具有各种ZnO杂化的PBAT纳米复合材料在土埋、海水和紫外线老化条件下的生物降解能力和机理，为未来的环保食品包装材料提供理论依据。

研究结果：

图1.(a)CNCs和ZnO杂化体：（b）r-ZnO，（c）d-ZnO，(d)s-ZnO和纳米复合材料的交联部分：(e)PBAT，(f)r-ZnO，(g)d-ZnO，(h)s-ZnO的SEM显微图

图2.（a）FTIR光谱，(b)s-ZnO纳米复合材料的峰反褶积，(c)TGA,(d)DTG曲线，(e)规整PBAT和PBAT纳米复合材料薄膜的拉伸强度(方向为规整PBAT的拉伸试验图片)

图3.纯PBAT及含ZnO杂化的PBAT纳米复合薄膜的（a）透射率，（b）紫外-可见漫反射光谱变化

表1.不同形貌ZnO杂化的纯PBAT和PBAT纳米复合薄膜对UVA和UVB辐射的阻隔百分率和UPF值

图4.PBAT纳米复合膜在（a）土壤,(b)海水中降解的失重情况，纯PBAT和掺有s-ZnO的PBAT纳米复合膜在（a）土壤,(b)海水中降解前后的FTIR吸收光谱

图5.土壤和海水中的降解过程示意图

图6.纯PBAT以及不同形貌的PBAT纳米复合薄膜ZnO杂合体（a）在土壤中降解后的FE-SEM显微图，（b）它们的接触角，（c）在海水中降解后的显微图

图7.（a）紫外老化16周前后纯PBAT和含s-ZnO杂化PBAT纳米复合薄膜的FTIR光谱图，（b）紫外老化示意图,经4周，8周和16周紫外老化后纯PBAT及其纳米复合膜的FE-SEM显微图

研究结论：

本研究成功制备了纯PBAT和PBAT纳米复合膜，以研究不同形貌的ZnO杂化物对PBAT纳米复合膜力学性能、紫外阻断性能和生物降解性的影响。s-ZnO杂化对PBAT纳米复合膜性能的影响最为明显，其UPF值提高至12.36，抗拉强度提高15.1%。含有ZnO杂化物的PBAT纳米复合膜的降解能力与PBAT相比明显提高，这主要是由于CNCs的亲水性加速了酯键的水解，同时为微生物提供营养物质。此外，还介绍了PBAT纳米复合膜在海水、土壤埋藏和UV老化条件下的绿色包装材料可能的生物降解机制，表明这种PBAT纳米材料具有巨大的包装应用前景。

参考文献：

Degradation mechanism of green biopolyester nanocomposites with various cellulose nanocrystal based nanohybrids

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s10570-021-04031-1