所有基于生物质的超疏水性水性涂层都是通过含有木质素的纳米纤维素实现的

《Food Packaging and Shelf Life》：All biomass-based superhydrophobic aqueous coatings enabled by lignin-containing nanocellulose

基于木质素溶解再生纳米纤维素的水基超疏水涂层制备及其多功能性

　　

杜贵涛|张晓倩|邹杰|胡浩|孙玉清|雷泽鹏|王晓辉

华南理工大学制浆造纸国家重点实验室，中国广州 510640

摘要

由于普遍使用含氟、硅烷或基于纳米粒子的改性剂，这些改性剂依赖于有毒或不可降解的成分和有机溶剂，因此实现可持续的超疏水表面仍然是一个重大挑战。在这里，我们报道了一种完全基于生物材料的水相策略，用于构建基于含木质素的溶解再生纳米纤维素（LDNC）的多功能超疏水涂层。LDNC是通过纤维素和木质素的共溶解和共再生制备的，表现出优异的水分散性和两亲性。这种独特的结构使得蜂蜡能够稳定乳化，并且可以方便地通过喷涂方式制备出全生物基的超疏水涂层。所得到的涂层纸张具有出色的防水和防潮性能，有效防止了在高湿度条件下的食物变质，延长了保质期。此外，该涂层还具备光热除冰和抗菌等附加功能，使其非常适合用于食品包装。总体而言，这项工作介绍了一种无溶剂、完全基于生物材料的超疏水涂层制备方法，将功能性与时效性相结合，为下一代绿色表面保护和包装材料提供了可扩展的途径。

引言

受到自然界中观察到的显著润湿性能的启发（Bayer, 2020; Zhang et al., 2024），例如自清洁的荷叶和鸟类羽毛的防水表面，超疏水表面已被广泛开发并成功应用于多种基底，包括纸张（Chen et al., 2021）、金属（Wang et al., 2025）、纺织品（K. Chen et al., 2023）和聚合物（Zhang et al., 2024）。由于对水相的强排斥性，超疏水表面提供了多种功能保护，包括防水（Liu et al., 2022）、防污（Xia et al., 2025）、防冰（Boreyko & Collier, 2013）和防腐（Wang et al., 2025）。除了这些典型作用外，超疏水表面还越来越被认为是先进技术的关键组成部分，从智能可穿戴设备（Zhao et al., 2016）和海水淡化（Wu et al., 2024）到生物医学界面（Chen, Li, et al., 2022）和能量收集系统（Ye et al., 2025），从而突显了它们日益重要的科学和技术价值。

实现超疏水性通常需要结合低表面能和表面粗糙度（Zhang et al., 2021）。迄今为止，大多数涂层依赖于低表面能的含氟化合物或PFAS类改性剂（Taliantzis & Ellinas, 2025），以及基于硅烷的试剂（Liu et al., 2024）。然而，越来越多的证据（Ruzi et al., 2022）表明，含氟系统存在严重的生态毒性和健康问题（Dong et al., 2023）。此外，这些传统改性剂的固有缺点——包括高成本（Zhou et al., 2024）、复杂的加工过程（Sultan et al., 2025）、较差的生物降解性（J. Wang et al., 2021）以及对有机溶剂的依赖（Liu et al., 2024）——共同限制了它们的可扩展性和可持续性应用。

最近的研究探索了天然化合物，如卡纳巴蜡（Gupta et al., 2021; Milionis et al., 2019）、米糠蜡（B.-Y. Liu et al., 2019）、蜂蜡（Naderizadeh et al., 2019）和硬脂酸（Poulose et al., 2024）作为含氟或硅烷改性剂的替代品。然而，这些策略通常需要加入无机或合成纳米颗粒（例如SiO?、TiO?、ZnO、PTFE等）来赋予微/纳米级粗糙度，这又带来了生物积累和淡水或土壤污染的新风险（Li et al., 2025）。此外，尽管基于生物的系统显示出潜力，但这些方法仍然严重依赖有机溶剂。总体而言，一个基本的科学挑战尚未解决：如何合理设计一种完全由生物质衍生的纳米结构系统，能够在水介质中稳定天然疏水材料，同时提供实现超疏水性所需的明确纳米级粗糙度，同时避免使用有毒化学物质和有机溶剂。

在这里，我们设计了一种含木质素的溶解再生纳米纤维素（LDNC），它将纳米级木质素球体整合到纳米纤维表面中。LDNC不仅通过木质素结构提供了内在的纳米级粗糙度，还保留了纳米纤维素的水分散性和两亲性，从而使得蜂蜡在水中的稳定乳化和分散成为可能。一个简单的喷涂过程将LDNC-蜡乳液组装到纸张表面上，形成超疏水层，其中蜡的低表面能与LDNC赋予的层次状粗糙度相协同作用。值得注意的是，这种结构完全由生物质原料制成，且不使用有机溶剂。除了防水和自清洁性能外，木质素和蜡的存在还赋予了光热转换功能，实现了快速除冰。该涂层还表现出抗菌性、细胞相容性和生物降解性，强调了其环境和生物医学安全性。总之，这种无有机溶剂、全生物基的策略为多功能超疏水涂层提供了一条可扩展且多用途的途径，在食品接触材料和可持续包装方面具有广泛的应用潜力。

材料

漂白硬木牛皮浆（BHKP）和碱木质素由山东华泰造纸工业股份有限公司提供，并在使用前进行了真空干燥。1,5-二氮杂环[4.3.0]-5-壬烯（DBN）、烯丙基氯和丙酮购自Aladdin Reagent有限公司。蜂蜡购自上海Macklin生化技术有限公司。商业SiO?超疏水涂层购自华夏嘉和纳米技术有限公司。

溶剂和LDNC的制备

DBN（0.5 mol）与30 mL丙酮充分混合。

含木质素的溶解-再生纳米纤维素的制备和微观形态

受到木材层次化微/纳米级结构的启发（Gong et al., 2025），我们使用漂白硬木牛皮浆（BHKP）和碱木质素作为主要构建块，故意省略了高亲水性和低分子量的半纤维素，制备了生物启发的木质纤维素纳米材料。LDNC是通过在可回收的离子液体中分子分散纤维素和木质素获得的，该离子液体作为临时处理介质，随后通过再生过程制备。

结论

总之，这项工作提出了一种基于LDNC的全生物基水相超疏水涂层，为含氟和硅烷基系统提供了一种可持续的替代方案。通过采用自下而上的共溶解和共再生策略，纳米级木质素结构可控地整合到纤维素纳米纤维中，实现了层次状表面粗糙度的构建，并保持了足够的两亲性，从而在没有有机溶剂的情况下稳定蜂蜡分散体。

作者贡献声明

杜贵涛：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究。邹杰：验证、正式分析。胡浩：方法论、研究。王晓辉：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。孙玉清：方法论、研究。雷泽鹏：撰写——审阅与编辑、监督、方法论。张晓倩：数据管理、正式分析、研究、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

X. W. 感谢国家自然科学基金（项目编号：U23A6005, 22308109, 52103109, 22408111）、国家重点研发计划（项目编号：2024YFD2200805）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2023B1515040013, 2025A1515011956）、中央高校基本科研业务费（项目编号：2025ZYGXZR004）以及广州市基础与应用基础研究项目（项目编号：SL2023A04J00635）的支持。