Наноцеллюлоза как диффузионный барьер

Барьерный слой — это задача о диффузии. В картине «растворение–диффузия» проницаемость равна произведению того, сколько газа растворяется в материале, на то, как быстро он через него движется, — и каждая барьерная технология бьёт по одному из двух сомножителей. Нефтехимическая упаковка делает это двумя способами: плотные полярные сети — EVOH, поливиниловый спирт — в которые неполярный кислород почти не растворяется, и химии с низкой поверхностной энергией, фторированные и восковые, которые не смачиваются водой и маслом. Нанокристаллические покрытия из описанных выше CNC и CNF доводят первую стратегию до предела: плёнка, представляющая собой, по существу, сплошную водородную связь. Пищевая упаковка живёт при той же физике с другой стороны: съедобные покрытия подчиняются той же обратной зависимости — гидрофильные сети держат кислород и пропускают воду.

Почему кристаллическая целлюлоза держит кислород

Кислород — маленькая неполярная молекула, а целлюлоза — один из самых полярных материалов промышленности: решётка гидроксильных групп, связанных друг с другом. Растворяться кислороду негде — сомножитель растворимости падает почти до нуля, — и идти некуда: в кристаллических доменах цепи упакованы на ван-дер-ваальсовых расстояниях, а в аморфных промежутках между ними цепи связаны водородными связями в стекло. Сами фибриллы и кристаллы — пластины и стержни относительно плёнки, поэтому всякой молекуле, которая всё же движется, приходится огибать их по извилистому пути; чем длиннее элементы и чем их больше, тем ниже проницаемость. Маслу и жирам стена ещё жёстче: их молекулы крупные и неполярные, химического входа в сеть у них нет вовсе. Поэтому наноцеллюлозная плёнка может сравниться с фторорганической обработкой бумаги по жиростойкости — но механизмы противоположны: фторуглероды отталкивают, снижая поверхностную энергию, целлюлоза не пускает плотностью.

Вода — то же свойство наоборот

Вода — та молекула, ради связывания с которой эта сеть и построена. Решётка гидроксилов предлагает ей место сорбции на каждой поверхности, поэтому плёнка набирает влагу, аморфные области пластифицируются и разбухают, открывается свободный объём, а вместе с ним деградирует кислородный барьер — у лучших марок медленно, с ростом влажности быстрее; насколько барьер выживает при высокой относительной влажности, заметно различается между исследованиями и марками, и честность требует оставить это диапазоном. Паропроницаемость гидрофильной плёнки по барьерным меркам изначально высока, а жидкая вода рано или поздно побеждает. Лекарство всегда одно по замыслу — добавить гидрофобности ацетилированием поверхности, добавкой воска или полимера, гибридным слоем, — и каждое лекарство частично разбирает ту самую плотную полярную сеть, что создала кислородный барьер. Этот компромисс — не инженерная недоработка, а та же химия, посчитанная с другой стороны.

Что трудно на практике

Внутренние характеристики — это лабораторный случай; отгружаемый случай задают дефекты. Кислородопроницаемость покрытой бумаги определяют проколы, трещины на сгибах и непокрытые волокна, так что промышленная задача — сформировать сплошную плотную плёнку на быстро движущемся полотне и сберечь её при переработке и перевозке. Толщина покупает барьер примерно пропорционально, но стоит материала и энергии сушки — с той же экономикой удаления воды, что отягощает наноцеллюлозу вообще. А там, где требуется водоотталкивание, а не газонепроницаемость, ответ уходит из физики целлюлозы в управляемую гидрофобизацию — другой механизм для другой половины задачи.