受鱿鱼皮肤启发的新型包装材料，登上《Nature Sustainability》：让咖啡温度不太热、不太冷，而是刚刚好

食品和饮料行业创新包装的实施在推动全球向可持续发展的转型中发挥着越来越重要的作用。在此背景下，广泛应用于包装领域的、具有静态红外反射特性的金属化聚合物薄膜，需要被绿色、低成本且具有良好动态调温性能的材料所取代。

近日，美国加州大学欧文分校Alon A. Gorodetsky等人受到鱿鱼皮肤的启发，开发了一种具有可调热管理性能的、可伸缩制造的可持续包装材料。该复合材料的初始材料成本较低，约为0.1 m −2美元，尺寸可与普通金属化塑料薄膜相媲美，在应变驱动下可以调节>20倍的红外透过率和>30 W m−2的热流密度，以及在机械变形或循环后的可保持功能稳定性。此外，该复合材料在常规的实际包装场景中表现出优异的性能，例如，它们有能力控制在标准纸制容器内的热饮料的冷却。这种复合材料代表了一种技术解决方案，解决食品和饮料包装行业面临的综合成本、性能和可持续性压力。相关工作以“Scalable manufacturing of sustainable packaging materials with tunable thermoregulability”为题发表在最新一期的《Nature Sustainability》。

图1. 热管理食品和饮料包装及鱿鱼皮启发的动态热调节复合材料。

先进的包装不仅在储存过程中包含和保护食品和饮料，而且还简化了配送物流。在最广泛使用的食品和饮料包装部件中，一个突出的例子是金属化膜，通常用于运输盒衬里、食品封面、零食包装和饮料容器(图1a)。这种金属化薄膜通常是用标准工业技术制造的，可以很容易地重新利用或回收。目前，热饮料饮用者可以使用的咖啡容器，如陶瓷杯、绝缘金属热水瓶和纸套杯，其特点是制造成本高、不切实际的可回收性、不方便的形状因素和/或在其使用寿命中产生大量碳足迹。此外，这些容器不仅通常具有难以控制的散热特性，而且也很少考虑到盛放热咖啡杯的舒适外部温度范围(~20–48℃)和饮用咖啡的首选内部温度范围(~55–70℃)之间的差异(图1b)。

为了寻找灵感，研究者观察了鱿鱼独特的皮肤，其外观变化部分是由肌肉控制的被称为色素体的嵌入器官在收缩和扩张状态之间的切换造成的(图1c)。基于此，研究者设计了可重构的金属化复合材料，其红外反射率和透射率的变化是由于拉伸诱导的表面金属畴在毗连态和分离态之间的切换(图1d)。

在这项工作中，研究者开发了一种受鱿鱼皮启发的可持续热管理复合材料，其特性是饮料容器和食品包装应用所需要和关键的。首先利用工业相关的制造技术，从估计成本较低的商业起始材料，在廉价的基材上制备出具有可变形状因素的大面积复合材料。然后研究了复合材料的机械可重构形貌，并证明了其在宽光谱范围内的可调谐红外功能和反复机械循环后的稳定性。随后，通过实验证明了大面积复合材料在多个封装相关场景下的动态热管理能力，并通过理论计算进一步验证了这一点。研究结果证实了所述的自适应红外复合材料可以作为静态红外反射金属化膜常规应用于包装应用的可行替代品。

图2. 大面积复合材料的力学性能和表面形貌。

【可重构大面积复合材料的自适应红外功能】

如图2所示为复合材料拉伸试验的数码相机照片、应力应变曲线以及不同应变下的SEM图像。数码相机照片和工程应力应变曲线显示，弹性复合材料很容易承受较大的变形，杨氏模量为~1.8±0.1 MPa，断裂应变为~810±10%(图2a,b)。SEM图像显示，复合材料表面从一个几乎连续的由相邻畴组成的红外反射Cu层过渡到一个由分离的金属畴组成的断裂Cu层(图2c)。重要的是，尽管制造方法不同，但大面积材料的力学特性和应变可重构形态与报道的小面积材料相似。综合观测结果表明，研制的大面积复合材料具有良好的红外自适应性能和力学稳定性。

图3. 大面积复合材料的自适应红外功能。

接下来，研究了复合材料在机械驱动前后与中红外区域内入射光的相互作用，如图3a所示。得到不同应变下复合材料的总红外反射光谱和透射光谱，并根据光谱计算出相应的平均值，如图3b-e所示。当外加应变为0%时，光谱显示高的总反射率为~99±1%(图3b)，低的总透过率为~2±1%(图3c)。当外加应变为30%时，光谱显示总反射率下降了~78±2%(图3b)，总透射率增加了~11±1%(图3c)。总的来说，100%应变下的总反射率和透射率的观测趋势保持一致(图3d,e)。综合观测结果表明，大面积复合材料在整个中红外范围内具有出色的自适应功能，其中包括技术上有价值的大气传输窗口。

图4. 大面积复合材料可调热管理性能。

【包装应用中大面积复合材料的动态热管理性能】

在研究了复合材料的红外功能后，通过在没有和有机械驱动的防护热板上进行标准化热测试来评估其可调的热管理能力，如图4a所示。对典型复合材料的热测量表明，施加30%应变后，热流从~214 W m −2变化到~244 W m −2(图4b)。更普遍的是，随着应变的增加，复合材料的热流密度变化从~11±3增加到~22±3，再增加到~29±3 W m −2(图4c)。因此，大面积复合材料的热通量可达~30 W m−2，而估计的机械功率输入仅为~3 W m−2，与小面积复合材料类似。

图5. 大面积复合材料动态调温能力在饮料包装中的应用

接下来，在另一个实际场景中，通过监测复合材料对一个装满热饮的一次性纸杯的冷却效果，来评估复合材料的温度调节性能，如图5a所示。图5b所示为覆盖复合材料和填充咖啡杯的典型延时热红外摄像机拍摄的照片。图5c,d所示为有盖杯与类似裸杯90min后的温差。90分钟后，有盖杯和类似裸杯的内外温差分别稳定在~3.9±0.3℃和~4.8±0.3℃ (图5c, d)。对于用30%应变驱动的复合材料覆盖咖啡杯，温度在1-2小时内下降得更明显。对于复合材料罩杯，随着应变的增大，冷却速率增加，温差减小。总的来说，这些实验验证了大面积复合材料在日常生活中所遇到的动态热管理性能。

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https://www.nature.com/articles/s41893-022-00847-2

来源：高分子科学前沿

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