Сегодня бумага всё чаще рассматривается как замена пластику и алюминиевой фольге в упаковке. Она экологична, биоразлагаема и легко перерабатывается. Но у бумаги есть один большой недостаток — она плохо защищает от кислорода и влаги. Это значит, что продукты в бумажной упаковке быстро теряют свежесть, а срок хранения сокращается.

Чтобы улучшить свойства бумаги, обычно используют ламинаты — тонкие слои других материалов. Например, на бумагу наносят полиэтилен или алюминий. Но такие многослойные упаковки трудно перерабатывать, ведь разные материалы прочно соединены друг с другом. В результате значительная часть такой упаковки идёт в отходы.

Учёные ищут решение, которое одновременно:

Одним из перспективных материалов стали наноцеллюлозные волокна (CNF). Это те же целлюлозные волокна, что составляют бумагу, но измельчённые до нанометрового масштаба. Их можно представить как паутинку из мельчайших нитей, которые переплетаются в плотную сеть. Такая сеть образует тонкую «шкурку», которая закрывает поры бумаги и делает её барьером для газов и влаги.

В этой работе авторы проверили, можно ли создать прочное покрытие на бумаге с помощью распылительного нанесения CNF (spray coating). Иными словами, суспензию наноцеллюлозных волокон распыляют на поверхность бумаги слоями, пока не получится равномерный защитный слой.

Рис.1. Необходимость нанесения CNF-покрытия на бумажные подложки

Задачи исследования были следующие:

Материалы и методы

Чтобы проверить идею ламинирования бумаги с помощью наноцеллюлозы, исследователи использовали обычные бумажные подложки и нанесли на них тонкие слои CNF методом распыления.

Бумажные образцы

В качестве основы брали стандартную упаковочную бумагу. Она имела пористую структуру (в ней есть множество микроскопических «каналов», через которые могут проходить воздух и влага). Именно поэтому без дополнительной обработки такая бумага плохо защищает продукты.

Наноцеллюлоза

Наноцеллюлозные волокна (CNF) получали из древесины механическим способом. В воде они образуют суспензию, напоминающую молочную жидкость. При высыхании эти волокна плотно переплетаются, образуя сплошной тонкий слой — как если бы паутина превратилась в плёнку.

Метод распылительного нанесения

Для покрытия бумаги использовали распылитель (похожий на краскопульт), который наносил суспензию CNF на поверхность. После каждого распыления образцы сушили при заданной температуре и влажности, а затем снова наносили слой.

• Один цикл создавал очень тонкое покрытие.
• Несколько циклов давали уже заметный ламинированный слой.
• Толщина покрытия зависела от числа нанесений.

Методы исследования

После нанесения покрытий образцы бумаги изучали по трём направлениям:

1. Микроструктура

Использовали электронный микроскоп (SEM). Он показал, как CNF ложится на бумагу: покрывает ли поверхность равномерно и проникает ли в поры.

Рис. 2. Различные процессы нанесения покрытий для бумаги: (a) экструзионное покрытие; (b) занавесное покрытие; (c) размерное прессование (покрытие в клеильном прессе); (d) стержневое покрытие; (e) погружное покрытие

2. Барьерные свойства

Измеряли два ключевых показателя:

Эти показатели особенно важны для упаковки еды, где кислород и влага приводят к порче продукта.
 

В таблице 1 собраны данные по OTR и WVTR для бумаги без покрытия и с разным числом слоёв CNF.

Таким образом, CNF превращает бумагу в настоящий барьер для кислорода и влаги, что особенно важно для упаковки продуктов питания.

Таблица 1. Нанесение покрытий из CNF на бумажные подложки различными методами

Тип целлюлозы	Субстрат	Методы	Функция	Вес покрытия	WVTR (г/м² день)	OTR или Воздухопроницаемость
Нанофибриллы целлюлозы (CNF)	Упаковочный картон (178±4 г/м²) и 190±5 мкм.	Покрытие рулон-в-рулон со щелевым нанесением	Упаковка	10 г/м² (0-16 г/м²)	500-100	Н/Д
Карбоксиметилированная пленка из микрофибриллированной целлюлозы	Крафт-бумага, Жиронепроницаемая бумага, Самостоятельная пленка	Дисперсионное литье	Упаковочный материал	1.3, 1.0 г/м², 5 и 8 г/м²	Н/Д	0.3 нм/Па·с, 0.2 нм/Па·с, 0.009 и 0.0006 см³·мкм/(м²·день·кПа)
Микрофибриллированная целлюлоза	Каландрированная бумага (41 г/м²)	Стержневое покрытие, Размерное прессование	-	7 г/м², 4 г/м²	Н/Д	786 ± 166 нм/Па·с, 4856 ± 1717 нм/Па·с
Микрофибриллированная целлюлоза	Картон (300 г/м²)	Стержневое покрытие	-	17±1 г/м²	Н/Д	0.18±0.01 см³/(м²·Па·с)
Наноцеллюлоза	Волокнистые субстраты	Пенное покрытие	Настройка поверхност-ныхсвойств листа и функционализация	0.3-2 г/м²	Н/Д	Н/Д
Микрофибриллированная целлюлоза	Композитная бумага	Формование и обезвоживание-фильтрация	Композитная бумага MFC	Н/Д	Н/Д	Н/Д
Наноэмульгированная наноцеллюлоза	Добавление наноэмульгированной наноцеллюлозы	Вакуумная фильтрация	Лист наноцеллюлозы	Н/Д	Н/Д	2.75·10⁻⁸ ± 0.9·10⁻⁸ К(м²)
Микрофибриллированная целлюлоза	Пористый бумажный субстрат	Распылительное покрытие	Улучшение барьерных и механических свойств	6 г/м²	Н/Д	Значительно снижена
Графит, Углеродная сажа, Микрофибриллированная целлюлоза	Влажный бумажный субстрат	Распылительное покрытие	Электрод	Н/Д	Н/Д	Н/Д

Пояснение аббревиатур и единиц измерения:

Прочность бумаги

Испытания на растяжение показали, что покрытие CNF не ослабляет бумагу, а наоборот, немного укрепляет её.

Ограничения метода

Авторы отмечают и недостатки:

• чтобы достичь хорошего барьерного эффекта, приходится наносить несколько слоёв CNF, что удлиняет процесс;
• равномерность покрытия зависит от исходной шероховатости бумаги — на очень грубой основе результат может быть хуже.

Тем не менее даже тонкий слой CNF даёт заметный эффект.

Практическое значение

Исследование показало, что распыление наноцеллюлозы может быть отличной альтернативой пластиковым и алюминиевым ламинатам.

• Экологичность: наноцеллюлоза — это перерабатываемый и биоразлагаемый материал.
• Барьерные свойства: бумага с CNF способна защищать продукты от кислорода и влаги.
• Прочность: материал становится немного прочнее, сохраняя при этом свою гибкость.

Это открывает путь к созданию полностью биоразлагаемой упаковки, которая по функциональности будет не хуже привычных многослойных «бумага + пластик» или «бумага + алюминий».

Заключение

Учёные проверили простую, но эффективную идею: можно ли сделать обычную бумагу барьерным материалом, нанеся на неё тонкий слой наноцеллюлозных волокон (CNF) методом распыления.

Эксперименты показали:

• На поверхности бумаги формируется плотная «сетка» из наноцеллюлозы, которая закрывает поры (см. рис. 2).
• Барьерные свойства бумаги значительно улучшаются: кислород и влага проходят через неё в несколько раз хуже (см. табл. 1).
• Прочность бумаги слегка повышается: CNF работает как дополнительное армирование.

Таким образом, распылительное нанесение CNF превращает обычную бумагу в функциональный материал, способный конкурировать с традиционными многослойными упаковками «бумага + пластик» или «бумага + алюминий».

Практическое значение

• Такая бумага может использоваться в упаковке продуктов питания, где важно защитить содержимое от кислорода и влаги.
• В отличие от пластиковых ламинатов, бумага с CNF остаётся биоразлагаемой и пригодной для переработки.
• Технология проста и может быть внедрена в промышленные линии без сложных доработок.

Перспективы

Следующие шаги, которые предлагают исследователи:

• улучшить равномерность нанесения CNF на разные типы бумаги,
• оптимизировать процесс, чтобы уменьшить количество слоёв и снизить расход материала,
• протестировать такую упаковку в условиях реального хранения продуктов.