Wasser- und Sauerstoffbarriere-Eigenschaften von rein-cellulose Nanokompositen

Hydroxypropylcellulose (HPC) ist potenziell interessant als biobasiertes, starres Lebensmittelverpackungsmaterial, aber ihre Steifigkeit und Stärke sind etwas niedrig, und ihre Wasser- und Sauerstofftransportwerte sind zu hoch. Um diese Eigenschaften zu verbessern, untersuchten wir Nanokomposite aus HPC und Cellulose-Nanokristallen (CNCs). Diese Hochaspekt-Nanopartikel zeigen hohe Steifigkeit und Stärke, und ihre hohe Kristallinität macht sie nahezu impermeabel. Der Austausch der Gegenionen von sulfatester-dekorierten CNCs mit Cetyltrimethylammonium-Ionen resultiert in Partikeln, die in Ethanol dispergierbar sind (CTA.CNC), und ermöglicht die Lösungsgussherstellung von HPC/CTA.CNC-Nanokompositfilmen, die selbst bei einem CTA.CNC-Gehalt von 90 Gew. % hochtransparent sind. Die Einführung von CTA.CNC erhöht den Elastizitätsmodul (Ey) und die obere Zugfestigkeit (σUTS) erheblich. Zum Beispiel wird im Nanokomposit mit 90% CTA.CNC Ey = 7,6 GPa 20-fach erhöht und σUTS = 42,7 MPa mehr als verdoppelt im Vergleich zu HPC, während die Dehnbarkeit (1,1%) weiterhin bemerkenswert bleibt. Komposite mit einem CTA.CNC-Gehalt von 70 Gew. % oder weniger zeigen eine niedrigere Wasserdampfdurchlässigkeit (6,4–9,2 × 10–5 g μm m–2 s–1 Pa–1) als das reine HPC (1,5 × 10–4 g μm m–2 s–1 Pa–1), während die Sauerstoffdurchlässigkeit (5,6 × 10–7–1,3 × 10–6 cm3 μm m–2 s–1 Pa–1) um einen Größenordnung im Vergleich zu HPC (3,2 × 10–6 cm3 μm m–2 s–1 Pa–1) verringert wird. Die biobasierten Nanokomposite behalten ihre mechanische Integrität bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 75 %, zerfallen jedoch leicht in Wasser.