《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Lignin Nanoparticle Stabilized Pickering Emulsion Coating for Fabricating Water- and Oil-Proof, Biodegradable, and Recyclable Paper
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为解决传统塑料包装污染和纸基材料防水防油性能差的难题，本研究开发了一种基于聚乙烯醇(PVA)/木质素纳米颗粒(LNPs)/硬脂酸(SA)的Pickering乳液复合涂层。该涂层通过LNPs稳定油水界面，PVA提供耐油性，SA赋予疏水性，使涂布纸获得优异屏障性能（水接触角111.2°、Cobb60值17.73 g/m2、Kit等级>9/12）和机械强度（湿抗张强度0.97 kN/m）。涂层可热水中快速脱除实现纤维回收，涂布纸120天内完全土壤降解，为绿色包装提供新策略。
当您拿起一个纸杯咖啡时，可曾想过这张薄薄的纸可能承载着替代塑料包装的使命？纸源于可再生的植物纤维，可生物降解且易回收，本是环保包装的理想选择。然而，其天然的多孔结构就像海绵一样，遇到水或油时会迅速渗透，这严重限制了它在食品包装等领域的应用。传统解决方案或使用有毒的含氟化合物，或采用不可降解的塑料涂层，虽提升了防水防油性，却带来了新的环境污染和回收难题。如何在提升纸张性能的同时，不牺牲其环保本色，成为材料科学领域的一道紧迫课题。
针对这一挑战，东北林业大学的魏振科、王永贵等研究者在《Journal of Bioresources and Bioproducts》上发表论文，报道了一种创新的三元复合Pickering乳液涂层。该研究巧妙利用工业副产物碱木素制备出木质素纳米颗粒(LNPs)，以其作为乳化剂，成功将亲水的聚乙烯醇(PVA)和疏水的硬脂酸(SA)稳定在同一水包油(O/W)乳液体系中。PVA作为水相连续相，赋予涂层良好的成膜性和耐油性；SA作为油相分散相，提供关键的疏水性；而LNPs则像“砖块”一样吸附在油水界面，与起到“水泥”填充作用的PVA协同形成坚固的界面屏障，共同构筑了保护纸张的“盔甲”层。
研究采用的关键技术方法包括：通过溶剂交换法自组装制备LNPs，并表征其形貌、粒径和电位；通过高速剪切乳化制备不同SA比例的PLS系列Pickering乳液，并系统评估其粒径分布、微观结构和流变特性；采用涂布机将乳液均匀涂布于漂白纸两面，制备涂布纸；通过接触角测定仪、Cobb值测定仪、Kit试剂测试、电子万能试验机、水蒸气透过率测试仪等系统表征涂布纸的润湿性、防水性、防油性、机械强度及气体阻隔性能；并通过水果保鲜实验、热水脱涂回收实验和土壤埋藏降解实验验证其应用潜力、可回收性和生物降解性。
3.1. LNPs的表征
通过透射电镜(TEM)和动态光散射(DLS)分析表明，所制备的LNPs呈类球形，平均粒径为(20.8 ± 5.0) nm，水合粒径为67.37 nm，Zeta电位为-37.6 mV，显示出良好的分散稳定性，为其作为高效Pickering乳化剂奠定了基础。
3.2. PLS乳液的表征
研究表明，LNPs能有效乳化并稳定PVA/SA复合体系，形成均匀的O/W型Pickering乳液。激光粒度分析和扫描电镜(SEM)显示乳液液滴分布均匀，储存30天未出现相分离，且表现出明显的剪切稀化行为，利于涂布加工。随着SA含量增加，乳液粘度增大，稳定性增强。
3.3. PLS乳液涂布纸的结构与力学性能
扫描电镜(SEM)显示PLS乳液涂层能完整覆盖纸张纤维孔隙，形成致密保护层。随着SA加入，涂层表面粗糙度增加。力学测试表明，涂布纸的干、湿抗张强度均显著提升，其中P-PLS2的湿抗张强度达到(0.97 ± 0.07) kN/m，是未涂布纸的6.93倍，使其在浸水20分钟后仍能轻松提起4 kg壶铃，展现出卓越的湿强度。
3.4. PLS乳液涂布纸的防水防油性能
接触角测试表明，P-PLS2的水接触角达到(111.2 ± 4.5)°，呈现疏水性。Cobb60值降至(17.73 ± 0.09) g/m2，较未涂布纸降低了80.2%。Kit等级超过9/12，具备良好的防油性。实际演示证明，涂布纸能有效阻隔水、牛奶、可乐等常见液体以及果冻、炸鸡、大豆油中的水分和油脂渗透。
3.5. PLS乳液涂布纸的气体阻隔性能
涂布纸的水蒸气透过率(WVTR)和氧气透过率(OTR)均显著降低。得益于改善的水蒸气阻隔性，以P-PLS2包装的杨梅、葡萄、樱桃番茄在储存过程中失重率明显低于未包装及未涂布纸包装组，尤其在杨梅保鲜中效果显著，9天后未出现明显开裂，展示了其在生鲜食品包装中的应用潜力。
3.6. PLS乳液涂布纸的可回收性与生物降解性
将涂布纸置于100°C热水中，PVA溶解导致涂层结构瓦解，SA和LNPs脱离，纤维得以有效回收。回收后纸张表面均匀，力学强度与未涂布纸回收品无显著差异。土壤降解实验表明，涂布纸在120天内可完全降解，而聚乙烯(PE)薄膜在同一环境下无明显变化，证明了其环境友好性。
该研究成功开发了一种基于全生物降解组分（PVA、LNPs、SA）的高性能PLS Pickering乳液涂层。该涂层通过LNPs的乳化作用，实现了亲水组分与疏水组分的有效协复合，在不使用有毒化学表面活性剂的情况下，显著提升了纸基材料的防水、防油、机械强度和一定程度的阻隔性能。更为重要的是，该涂层易于热水脱除，便于纸张纤维回收，且涂布纸在自然环境中可完全生物降解，成功解决了传统塑料涂层或含氟涂层带来的环境污染和回收困难问题。这项工作为开发高性能、全绿色、可循环的纸基包装材料提供了切实可行的技术路径，对推动“以纸代塑”和包装行业的可持续发展具有重要意义。未来研究可聚焦于简化LNPs制备工艺、进一步提升气体阻隔性以及赋予涂层抗菌、智能响应等附加功能。
