食品和飲料行業創新包裝的實施在推動全球向可持續發展的轉型中發揮著越來越重要的作用。在此背景下，廣泛應用於包裝領域的、具有靜態紅外反射特性的金屬化聚合物薄膜，需要被綠色、低成本且具有良好動態調溫性能的材料所取代。

 

 

 

先進的包裝不僅在儲存過程中包含和保護食品和飲料，而且還簡化了配送物流。在最廣泛使用的食品和飲料包裝部件中，一個突出的例子是金屬化膜，通常用於運輸盒襯裡、食品封面、零食包裝和飲料容器(圖1a)。這種金屬化薄膜通常是用標準工業技術製造的，可以很容易地重新利用或回收。目前，熱飲料飲用者可以使用的咖啡容器，如陶瓷杯、絕緣金屬熱水瓶和紙套杯，其特點是製造成本高、不切實際的可回收性、不方便的形狀因素和/或在其使用壽命中產生大量碳足跡。此外，這些容器不僅通常具有難以控制的散熱特性，而且也很少考慮到盛放熱咖啡杯的舒適外部溫度範圍(~20–48℃)和飲用咖啡的首選內部溫度範圍(~55–70℃)之間的差異(圖1b)。

 

為了尋找靈感，研究者觀察了魷魚獨特的皮膚，其外觀變化部分是由肌肉控制的被稱為色素體的嵌入器官在收縮和擴張狀態之間的切換造成的(圖1c)。基於此，研究者設計了可重構的金屬化複合材料，其紅外反射率和透射率的變化是由於拉伸誘導的表面金屬疇在毗連態和分離態之間的切換(圖1d)。

 

在這項工作中，研究者開發了一種受魷魚皮啟發的可持續熱管理複合材料，其特性是飲料容器和食品包裝應用所需要和關鍵的。首先利用工業相關的製造技術，從估計成本較低的商業起始材料，在廉價的基材上製備出具有可變形狀因素的大面積複合材料。然後研究了複合材料的機械可重構形貌，並證明了其在寬光譜範圍內的可調諧紅外功能和反復機械循環後的穩定性。隨後，通過實驗證明了大面積複合材料在多個封裝相關場景下的動態熱管理能力，並通過理論計算進一步驗證了這一點。研究結果證實了所述的自適應紅外複合材料可以作為靜態紅外反射金屬化膜常規應用於包裝應用的可行替代品。

 

 

如圖2所示為複合材料拉伸試驗的數碼相機照片、應力應變曲線以及不同應變下的SEM圖像。數碼相機照片和工程應力應變曲線顯示，彈性複合材料很容易承受較大的變形，楊氏模量為~1.8±0.1 MPa，斷裂應變為~810±10%(圖2a,b)。SEM圖像顯示，複合材料表面從一個幾乎連續的由相鄰疇組成的紅外反射Cu層過渡到一個由分離的金屬疇組成的斷裂Cu層(圖2c)。重要的是，儘管製造方法不同，但大面積材料的力學特性和應變可重構形態與報導的小面積材料相似。綜合觀測結果表明，研製的大面積複合材料具有良好的紅外自適應性能和力學穩定性。

 

 

 

接下來，研究了複合材料在機械驅動前後與中紅外區域內入射光的相互作用，如圖3a所示。得到不同應變下複合材料的總紅外反射光譜和透射光譜，並根據光譜計算出相應的平均值，如圖3b-e所示。當外加應變為0%時，光譜顯示高的總反射率為~99±1%(圖3b)，低的總透過率為~2±1%(圖3c)。當外加應變為30%時，光譜顯示總反射率下降了~78±2%(圖3b)，總透射率增加了~11±1%(圖3c)。總的來說，100%應變下的總反射率和透射率的觀測趨勢保持一致(圖3d,e)。綜合觀測結果表明，大面積複合材料在整個中紅外範圍內具有出色的自適應功能，其中包括技術上有價值的大氣傳輸窗口。

 

 

在研究了複合材料的紅外功能後，通過在沒有和有機械驅動的防護熱板上進行標準化熱測試來評估其可調的熱管理能力，如圖4a所示。對典型複合材料的熱測量表明，施加30%應變後，熱流從~214 W m −2變化到~244 W m −2 (圖4b)。更普遍的是，隨著應變的增加，複合材料的熱流密度變化從~11±3增加到~22±3，再增加到~29±3 W m −2 (圖4c)。因此，大面積複合材料的熱通量可達~30 W m −2，而估計的機械功率輸入僅為~3 W m −2，與小面積複合材料類似。

 

 

 

接下來，在另一個實際場景中，通過監測複合材料對一個裝滿熱飲的一次性紙杯的冷卻效果，來評估複合材料的溫度調節性能，如圖5a所示。圖5b所示為覆蓋複合材料和填充咖啡杯的典型延時熱紅外攝像機拍攝的照片。圖5c,d所示為有蓋杯與類似裸杯90min後的溫差。90分鐘後，有蓋杯和類似裸杯的內外溫差分別穩定在~3.9±0.3℃和~4.8±0.3℃ (圖5c, d)。對於用30%應變驅動的複合材料覆蓋咖啡杯，溫度在1-2小時內下降得更明顯。對於復合材料罩杯，隨著應變的增大，冷卻速率增加，溫差減小。總的來說，這些實驗驗證了大面積複合材料在日常生活中所遇到的動態熱管理性能。