包装材料的“鱿鱼游戏”，外卖不凉，咖啡不烫

冬天叫外卖，保温包装是少不了的，要不香喷喷的烧烤到手里搞不好要变冻肉。当前餐饮行业常用的保温包装是由铝等金属与塑料制成的复合材料，它们具有静态红外反射特性，轻便且保温隔热效果好。不过，这些复合材料制造成本高不说，回收利用也相对困难。随着外卖行业的快速发展，包装材料的大量使用已经逐渐演变成了一个重大环境和社会问题，不利于可持续发展。此外，目前餐饮保温包装材料的保温性能基本是不可调的，以咖啡为例，很难利用保温层使一杯刚买的咖啡外部温度保持在手拿不烫的20-48 ℃，同时内部温度保持在喝起来刚刚好的55-70 ℃。

图1. 食品保温包装材料。图片来源：Nat. Sustain.

最近，美国加州大学欧文分校（UCI）的Alon A. Gorodetsky（点击查看介绍）等研究者在Nature Sustainability 杂志发表论文，他们从鱿鱼身上获得了灵感，借助鱿鱼皮的结构大规模制备了一种具有可调热管理性质的可持续食品包装材料。一并解决了大规模制造成本高、回收利用困难和热管理性质不可控三大问题。如果这种材料能得到实际应用，在将来某个寒冷的冬夜喝着热乎奶茶的你，或许要感谢经常被烤的滋啦作响的鱿鱼。

图2. 受鱿鱼皮启发的可调保温复合材料。图片来源：Nat. Sustain.

鱿鱼皮作保温材料？这个概念咋听起来有点让人摸不着头脑。众所周知，鱿鱼皮肤可以快速变色，能让它更好的隐藏在环境中，其外观的快速变化源于肌肉控制的色素细胞的收缩和扩张（图2上）。而研究人员以此为灵感开发的金属-高分子复合材料，与普通复合材料结构不同，金属膜并非完整一层，而是可以在拉伸状态下分离的无数小片（图2下）。这种新设计使得该材料具有可控制的红外线的反射与透射特性，从而用于调控散热，其红外反射率和透射率的变化由拉伸薄膜表面金属层的分离程度控制。这种类似鱿鱼皮肤变色机理的新型保温包装材料还可低成本大规模制备，原材料价格预估仅需0.1美元每平米。实际上，这种防鱿鱼皮的保温包装材料概念，Gorodetsky团队在2019年就已经提出（Nat. Commun., 2019, 10, 1947），但当时方法较为复杂，无法进行规模化和模块化的大面积制造，也没有进行实际层面的应用测试。

图3. 可调保温复合材料的大规模制备。图片来源：Nat. Sustain.

这种神奇的可调保温复合材料的制备方法如图3所示，先在柔性铝箔基底上沉积铜，然后在铜层生长直立的柱状铜纳米结构，随后在纳米结构上喷涂对红外透明的可拉伸SEBS聚合物基体，最后与铝箔基底剥离可得复合材料产品。制备程序简单易行，可规模化进行，工作人员稍加训练即可操作，生产时间只需几个小时即可完成。而且原材料价格低廉，制备成本估计可降低到每平方米0.1美元，与普通金属-塑料薄膜保温相当。虽然肉眼看来复合材料表面金属层还算光滑（图3c），但SEM图像（图3d）显示实际上金属层分裂成了小片。在拉伸应力的作用下，复合材料表面可以从几乎连续的红外反射铜层（完全覆盖了下面的SEBS基体）转变为相互分离的铜层（暴露部分SEBS基体）（图4c）。

图4. 大面积复合材料的力学性能和表面形貌。图片来源：Nat. Sustain.

动态红外调节的关键就在于不同拉伸情况下铜层的开裂程度。这种大面积的复合材料在施加的应变为0%时，光谱显示约99±1%的高总反射率和2±1%的低透射率。而施加的应变增加到50%时，光谱显示总反射率降低约68±2%，总透射率则增加到约20±1%。在应变的驱动下，红外透射率调节大于20倍，而热通量调节则大于30 W m⁻²，并且在机械变形或循环后依然功能稳定。该复合材料的总反射率下降可能是由于镜面分量在应变诱导下的大幅减少（即来自分裂Cu层的直接反射），以及随之而来的漫反射分量在应变诱导下的轻微增加（即Cu域的间接散射）。

图5. 大面积复合材料的红外调节功能。图片来源：Nat. Sustain.

当然，这种复合材料红外调节薄膜在实际包装保温实验中也表现优异，例如它们能够控制标准纸容器中模型温热饮料的冷却，实际上就是纸杯装的热咖啡。通过机械变形来局部升高握持部位杯壁的温度，或者通过不同程度的应变来控制咖啡杯的降温速率，从而可以动态控制物体与其周围环境之间的热交换。

图6. 饮料包装应用大面积复合薄膜的动态温度调节能力。图片来源：Nat. Sustain.

从舒适的咖啡杯到帐篷，或任何需要温度调节的容器均可使用这种新型复合材料。这种可实现大面积制造的新型保温包装材料不但可以解决食品和饮料行业面临的综合成本与性能问题，而且在可回收上也颇为简单——只需用醋即可溶解薄膜上的铜，而剩下的可拉伸聚合物则使用现成的商业方法回收。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Scalable manufacturing of sustainable packaging materials with tunable thermoregulability

Mohsin Ali Badshah, Erica M. Leung, Panyiming Liu, Aleksandra Anna Strzelecka & Alon A. Gorodetsky

Nat. Sustain., 2022, DOI: 10.1038/s41893-022-00847-2

导师介绍

Alon A. Gorodetsky

https://www.x-mol.com/university/faculty/1262 

（本文由Silas供稿）