包裝材料是每個人都司空見慣的東西，尤其是保鮮袋等以聚合物材料為主的日用包裝材料，更是每天都會用到。不過“包裝材料”其實是一個很寬泛的概念，除了制造包裝容器外，只要能構(gòu)成“產(chǎn)品-包裝”關(guān)系的材料都可以這么歸類。

包裝材料的成本一般都比較單純、一目了然。但在一些比較特殊的場合，為使包裝材料更符合應(yīng)用場合的要求，有人想出了給包裝材料做“加法”，即通過添加特定的填料，如六方氮化硼（h-BN）等，使包裝材料具備導(dǎo)熱、阻燃、抗菌等特殊性能。

為什么選擇氮化硼？

h-BN是一種人工合成的化合物，因具有類似石墨的片狀形狀而素有白色石墨之稱，各方面性能都十分優(yōu)秀，不僅機械強度高、吸附性能好、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)高，同時還擁有卓越的抗氧化性、良好的潤滑性能、寬的能隙帶和電絕緣性。

由于二維納米材料層數(shù)的減少能夠賦予它更獨特的結(jié)構(gòu)和性能，因此應(yīng)用上可以先將h-BN剝離為層數(shù)較少的BNNSs，然后再通過溶液共混法、原位聚合法和熔融共混法等制備方法改善聚合物的導(dǎo)熱、力學(xué)、阻隔、阻燃、抗菌等性能。最終產(chǎn)品在電子產(chǎn)品熱管理、電子封裝、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著不錯的應(yīng)用前景。

復(fù)合包裝材料應(yīng)用前景

為了更好地發(fā)展BNNSs復(fù)合材料在包裝領(lǐng)域中的應(yīng)用，首先要有針對性地增強復(fù)合材料在相應(yīng)領(lǐng)域中所需要的性能。目前可行的方向可分為導(dǎo)熱、阻隔、阻燃、防腐、抗菌等，至于要怎么實現(xiàn)呢，下面一起來看看。

1.高導(dǎo)熱包裝材料

BNNSs復(fù)合材料在高導(dǎo)熱包裝材料方面具有很好的應(yīng)用前景，這是因為電子元件的飛速發(fā)展導(dǎo)致對電子封裝材料的熱管理要求越來越高，而高導(dǎo)熱的復(fù)合材料可以提高導(dǎo)熱效率，保證電子器件的性能，提高安全性。不過由于BNNSs填料的幾何形狀、取向排列、在聚合物中的分散性以及與聚合物的相容性等因素都會影響復(fù)合材料的導(dǎo)熱性，因此可以通過對BNNSs進行表面修飾提高BNNSs與聚合物的相容性，通過構(gòu)建定向排列的BNNSs導(dǎo)熱路徑有效減少聲子散射，降低界面熱阻來提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱效率。

例：環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的電氣絕緣性能、力學(xué)性能、加工性能等，被廣泛應(yīng)用干電子封裝領(lǐng)域，Han等對BNNSs進行表面修飾，制備了新型異構(gòu)的碳化硅(SiC)-BNNSs，隨后采用溶液共混法制備了SiC-BNNSs/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。實驗表明，當添加質(zhì)量分數(shù)為20%的SiC-BNNSs時，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.89 W/（m·K），是純環(huán)氧樹脂的4.1倍。

2.阻燃包裝材料

作為二維層狀材料，BNNSs 具有比表面積大和機械強度高的特點，層層疊加的結(jié)構(gòu)可以在聚合物材料燃燒時形成物理隔絕層，可以有效阻擋熱量和氧氣進入，起到阻燃的效果，可用作一些易燃產(chǎn)品的阻燃包裝材料。

例：環(huán)氧樹脂材料易燃，且燃燒時會產(chǎn)生有害氣體，因此可以通過添加BNNSs填料提高復(fù)合材料的阻燃性。Zhang等采用水熱法，并使用鐵酸鉍納米粒子(BF)對BNNSs進行功能化處理得到了BF-BNNSs，隨后將其作為填料加入環(huán)氧樹脂基材中制得了BF-BNNSs/環(huán)氧樹脂復(fù)合膜，最后結(jié)果表明，加入質(zhì)量分數(shù)為3%的BF-BNNSs填料時，環(huán)氧樹脂的最大放熱率降低了34.7%，最大排煙率降低了35.6%，CO排放量降低了50%。

3.防腐包裝材料

由于BNNSs納米片的比表面積大，具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐蝕性，可以有效地陽隔水和氣體分子透過，因此BNNSs 復(fù)合材料在防腐包裝領(lǐng)域也很有前景。

例：BNNSs可以添加進丙烯酸防腐涂料增強其防腐性，如Fan等用硅烷偶聯(lián)劑（KH560）對BNNSs進行了改性處理，并將其加入丙烯酸中制備了鍍鋅鋼的防腐涂層，隨后通過電化學(xué)實驗研究了復(fù)合涂料的耐腐蝕性。結(jié)果表明，與普通的丙烯酸涂料相比，復(fù)合涂料的腐蝕電流密度從22μA/cm²降低到0.23μA/cm²。

4.抗菌包裝材料

抗菌包裝材料可抑制微生物和病菌生長繁殖，延長食品貨架期，保證食品和藥品包裝安全性等。BNNSs具有抑菌性，一方面BNNSs對細菌的細胞膜有毒性，可以破壞細菌的細胞膜；另一方面，BNNSs自身良好的阻隔性可以使細菌與外界隔離，切斷水和營養(yǎng)物質(zhì)的供給，進而導(dǎo)致細菌失活死亡。BNNSs抗菌材料通常分為兩種，分別如下：

①BNNS填料直接作為抗菌劑，主要利用BNNSs自身的抗菌性，Pandit等采用熔融共混法制備了BNNSs/低密度聚乙烯（LDPE）抗菌膜，結(jié)果表明BNNSs對細菌細胞外膜造成了不可修復(fù)的損傷；BNNSs/LDPE復(fù)合材料對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等細菌有良好的抑制效果。

②BNNSs與其他填料協(xié)同起到抗菌的作用，主要利用BNNSs與其他抗菌劑的協(xié)同作用提高復(fù)合材料的抑菌性能。Firestein等使用紫外光照射BNNSs與硝酸銀的混合溶液制備了復(fù)合膜，結(jié)果表明復(fù)合膜對大腸桿菌和K-261細菌有很好的抑制作用。

5.高阻隔包裝材料

氧氣和水蒸氣的含量對食品和藥品的品質(zhì)有重要影響，提高產(chǎn)品包裝的阻隔性有利于產(chǎn)品的保護。BNNSs作為二維納米層狀材料，具有縱橫比高和不易溶于水的特點，將其作為填料加入復(fù)合材料中時，可以改變滲透分子的溶解度、滲透路徑和擴散速率，因此可以用作高阻隔包裝。

例：Nguyen等制備了BNNSs/CNF阻氧復(fù)合膜，測得純CNF膜的氧氣透過率為19.08 mL/（m²·d），加入質(zhì)量分數(shù)為0~5%的BNNSs時，復(fù)合膜的氧氣透過率降低至4.7 mL/（m²·d）。

6.高強包裝材料

BNNSs具有力學(xué)性能良好、彈性模量大、機械強度高等特點，將BNNSs填料加入聚合物中，可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，因此，BNNSs復(fù)合材料可以應(yīng)用于高強包裝材料領(lǐng)域。

例：Zhang等將BNNSs和納米纖維素晶體(CNCs)作為填料加入PVA基體中，制備了復(fù)合材料。實驗結(jié)果表明，單獨加入BNNSs和CNCs填料可以改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，添加質(zhì)量分數(shù)為1.6%的BNNSs和CNCs制備的復(fù)合膜拉伸強度為109 MPa，比純PVA膜高42%；彈性模量為3.42 GPa，比純PVA膜高50%。

結(jié)語

雖然目前BNNSs復(fù)合材料還停留在制備和性能研究的階段，并沒有廣泛應(yīng)用于包裝領(lǐng)域，但其優(yōu)勢已十分明顯，若能根據(jù)不同包裝材料的性能需求進一步加強相關(guān)研究，向簡單化和工業(yè)化發(fā)展，氮化硼在包裝領(lǐng)域中未嘗不能有一席之地。

資料來源：

氮化硼復(fù)合材料在包裝領(lǐng)域應(yīng)用的研究進展，張皓然，徐淑艷，盧曉玉，陳墨。

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