魏風(fēng)軍

目前來看，包裝行業(yè)未來的方向是綠色環(huán)保、可降解的包裝材料。聚乳酸（PLA）是市場上滿足這一要求的材料之一，具有良好的市場發(fā)展前景，主要應(yīng)用于生物醫(yī)藥及新型包裝領(lǐng)域，是一種環(huán)境友好型的材料，可以替代傳統(tǒng)塑料。本文主要就聚乳酸納米復(fù)合材料中不同納米材料與聚乳酸的復(fù)合改性的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)分析。

聚乳酸概述

聚乳酸又稱聚丙交酯，是以能夠再生的植物為原料，通過開環(huán)聚合或縮聚方法生產(chǎn)得到聚乳酸。聚乳酸能夠在自然環(huán)境中水和、可以發(fā)生反應(yīng)變?yōu)樗投趸?，無毒，且反應(yīng)容易發(fā)生，所以聚乳酸對環(huán)境沒有任何污染。經(jīng)研究證明，在生產(chǎn)聚乳酸的整個(gè)循環(huán)過程中，其釋放的二氧化碳的量要低于原料植物生長時(shí)所吸收的二氧化碳的量，也就是說聚乳酸和其他材料相比，其生產(chǎn)過程還有減少溫室氣體排放這一優(yōu)勢。另外，聚乳酸具有良好的力學(xué)、物理、機(jī)械性能，彎曲模量大于PS，加上其生產(chǎn)成本低，對于氣味能夠很好地隔離開;而且對一些材料透明性和光澤度比較好，表面能高;再加上其生產(chǎn)成本低，而且可以自然進(jìn)行循環(huán)利用，使其在各行各業(yè)中都具有廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是目前最具發(fā)展前景的新型包裝材料。但是同時(shí)，聚乳酸性質(zhì)較脆，使用性能上還具有一些缺陷，限制了聚乳酸的大規(guī)模使用，目前可以通過共混、增塑、共聚、復(fù)合改性等方法對其進(jìn)行改性處理，從性能的根本上使其得到加強(qiáng)，而復(fù)合改性是最具發(fā)展前景的方法。納米復(fù)合改性方法，是目前包裝用聚乳酸復(fù)合改性領(lǐng)域內(nèi)非常有發(fā)展前景的研究方向，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

聚乳酸納米復(fù)合材料

聚乳酸納米復(fù)合材料利用特定的添加方法，將金屬材料、無機(jī)粒子等進(jìn)行改性，并將改性材料分散在納米聚合物材料中，使其形成聚乳酸與納米復(fù)合材料的改性體系。納米共混改性是近年來受到各行業(yè)廣泛關(guān)注的方法之一，其與共混改性有所不同，納米共混改性可以顯著改善材料的抵抗壓力和抵抗彎曲性能，也能夠?qū)怏w進(jìn)行隔離處理，在聚乳酸中使得填充劑依據(jù)納米尺寸分散，同時(shí)不會(huì)降低聚乳酸本身密度輕、透明度高這些特點(diǎn)。由于納米粒子自身的結(jié)構(gòu)，使納米復(fù)合材料不同于其他材料的性能，與復(fù)合材料自身所具有的特性有關(guān)。通常納米材料的制備方法為插層復(fù)合、溶膠-凝膠、原位聚合、共混。目前聚乳酸納米復(fù)合材料主要有：納米纖維素（NCC）、改性蒙脫土（MMT）、納米二氧化硅、羥基磷灰石（HA）。

1.聚乳酸/納米纖維素復(fù)合材料

納米纖維素Nano.crystalline cellulose（NCC）是由一些植物等材料發(fā)生化學(xué)變化處理形成的，納米纖維素具有很好的使用性能，長度變化范圍較大，其直徑為1～100nm。納米纖維素主要來源于植物資源，還具有很多優(yōu)點(diǎn)，有助于其在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用，有很好的應(yīng)用前景。其中納米纖維素的制備方法主要有物理處理法、靜電紡絲法、生物處理法、化學(xué)處理法等。物理處理法是開發(fā)較早且發(fā)展最迅速的制備方式，生產(chǎn)過程中綠色環(huán)保，滿足目前的行業(yè)發(fā)展要求，同時(shí)也有利于保護(hù)環(huán)境，但是設(shè)備較貴;化學(xué)處理法包含多種處理方法，利用化學(xué)處理法所得的納米纖維素結(jié)晶度較高，但是也有一些缺陷，需要進(jìn)一步改善;生物處理法即通過微生物合成實(shí)現(xiàn)，利用生物處理法能夠降低污染，同時(shí)能夠大范圍的使用，有利于包裝行業(yè)的應(yīng)用。

聚乳酸/納米纖維素復(fù)合材料的研究進(jìn)展：①陳丹等主要利用表面改性的方法，使用化學(xué)改性，使得改性后的材料性能得到進(jìn)一步的提升，而且對于材料本身內(nèi)部所具有的性能不會(huì)造成損壞，即可以提高復(fù)合材料的綜合性能。在聚乳酸/納米纖維素復(fù)合材料的領(lǐng)域上是一個(gè)很大的突破。②王璇等研究的硅烷偶聯(lián)劑（KH570）改性納米纖維素主要在其表面上發(fā)生變化，硅烷化納米纖維素在纖維厚度上有少許增加，同時(shí)保持了納米纖維素的棒狀結(jié)構(gòu)。硅烷化納米纖維素在聚乳酸的基體表現(xiàn)為與基體之間的良好的性能，同時(shí)也不會(huì)損壞其本身的性能，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。③崔等在研究中制備的PLA/I.34TCN納米復(fù)合材料滿足了目前市場對于包裝薄膜的需求，而且還具有很好的性能，提高了納米復(fù)合材料的穩(wěn)定性，所以這種復(fù)合材料薄膜在食品包裝應(yīng)用方面也有很好的前景。本實(shí)驗(yàn)同時(shí)還有很多不足和沒有考慮到的地方，需要繼續(xù)研究其他方面對于包裝膜性能的影響，綜合提高納米纖維素與聚乳酸復(fù)合材料在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用，使其發(fā)揮更大的效用。

2.聚乳酸/蒙脫土復(fù)合材料

蒙脫石（MMT）是一種有機(jī)復(fù)合體，具有良好的性能，因?yàn)槠浔旧硭哂械奶匦?，使其可以廣泛應(yīng)用于橡膠、油漆等中。蒙脫石的儲(chǔ)備含量很高，易于得到，所以其價(jià)格偏低，使其在制備聚合物材料的過程中得到了廣泛應(yīng)用。蒙脫土是屬于2∶1型的黏土礦物，其結(jié)構(gòu)是兩片中間夾層的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是蒙脫土特殊性質(zhì)的主要原因，依靠著公用氧原子鏈接而成的層狀結(jié)構(gòu)，其中每一個(gè)片層的厚度約1nm，長、寬為100nm。蒙脫土的改性包括無機(jī)改性方法和有機(jī)改性方法。蒙脫土的添加可以明顯提高聚乳酸單獨(dú)使用時(shí)的性能缺陷，使得復(fù)合材料的性能得到加強(qiáng)，能夠更好地在各領(lǐng)域、各行業(yè)中使用。

聚乳酸/蒙脫土復(fù)合材料的研究進(jìn)展：①共混法的加工工藝簡單，應(yīng)用廣泛;Ogata主要針對蒙脫土本身性能的缺陷，對其進(jìn)行有機(jī)改性，利用共混，加工工藝簡單，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最后得到的復(fù)合材料各方面性能均得到了顯著地提升，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，進(jìn)一步提高了蒙脫土的使用新性能。②鄒學(xué)書等的試驗(yàn)證明納米蒙脫土在聚合物中起著一定的成核劑的作用，這大大縮短了結(jié)晶所需要的時(shí)間，使得反應(yīng)能夠更快速、更高效地進(jìn)行。當(dāng)其體系中引入蒙脫土納米粒子后，會(huì)使得體系的熔融熱得到一定程度的提高，這表明當(dāng)聚乳酸/蒙脫土共混體系中引入納米蒙脫土之后，其體系的結(jié)晶度也會(huì)明顯加強(qiáng)。

3.聚乳酸/二氧化硅納米復(fù)合材料

二氧化硅又叫硅石，且存在十分廣泛，可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域;在二氧化硅的原子晶體中，因?yàn)槠涮厥獾幕瘜W(xué)結(jié)合鍵相互作用，所以二氧化硅中的硅氧鍵的鍵能很高，除此之外還具有很多其他優(yōu)良的性質(zhì)。二氧化硅表面表現(xiàn)為親水性，不利用對其材料的使用，需要進(jìn)行表面改性。納米二氧化硅因?yàn)槠浔缺砻娣e大、以及表面吸附力強(qiáng)等一系列的性能，使之廣泛應(yīng)用于高分子材料的增強(qiáng)改性中，而且具有很好的穩(wěn)定性，有助于其普遍應(yīng)用。在農(nóng)藥行業(yè)、食品行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)等行業(yè)對于納米二氧化硅的應(yīng)用十分普遍。也可作為填料增塑劑應(yīng)用在橡膠、塑料領(lǐng)域，對于包裝領(lǐng)域同樣具有研究前景。

聚乳酸/二氧化硅納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展：①劉文勇等的力學(xué)性能測試主要研究的是當(dāng)納米二氧化硅的含量增加，聚乳酸/二氧化硅納米復(fù)合材料的性能變化時(shí)，主要觀察其抗彎、抗壓性能。最后得出結(jié)論，在納米二氧化硅含量增加的情況下，其性能均有明顯提升。②楊桂生等的發(fā)明提供了一種改性納米二氧化硅增強(qiáng)增韌的聚乳酸復(fù)合材料以及其制備方法，能夠從根本改善復(fù)合材料的缺陷，使其性能得到進(jìn)一步加強(qiáng)，從而獲得更加優(yōu)異的性能，滿足對其性能上的要求。

4.聚乳酸/納米羥基磷灰石復(fù)合材料

羥基磷灰石的化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)和人體、動(dòng)物骨骼組織非常類似，在人體內(nèi)有一定的作用效果，可以幫助其代謝，同時(shí)利用其本身的性能，對于身體上所受的組織損傷進(jìn)行修復(fù)，幫助其恢復(fù)自身性能，從而通常表現(xiàn)出生物活性。研究表明，聚乳酸以及羥基磷灰石單獨(dú)使用都不能滿足行業(yè)上對其綜合要求，因?yàn)槠浔旧淼男阅懿蛔?，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。利用兩種材料復(fù)合改性可以改善材料性能，以達(dá)到對于材料的要求，同時(shí)能夠增強(qiáng)復(fù)合材料與組織的生物相容性。

聚乳酸/納米羥基磷灰石復(fù)合材料的研究進(jìn)展：①魏俊超等研制出了表面接枝聚的聚乳酸/納米羥基磷灰石復(fù)合改性材料，利用這種方法得到的復(fù)合改性材料，能夠顯著提高原材料所表現(xiàn)出來的缺陷，增加復(fù)合材料的性能優(yōu)勢，滿足對材料實(shí)用性能的要求，在多領(lǐng)域都能夠得到大范圍的使用。②周堯等對聚乳酸/納米羥基磷灰石復(fù)合材料進(jìn)行了表面改性，此方法有助于提高其在聚乳酸中的分散性，同時(shí)加強(qiáng)了復(fù)合材料的性能。結(jié)果表明，改性后的復(fù)合材料的一些性能均比改性前的聚乳酸/納米羥基磷灰石復(fù)合材料有明顯的提高。通過各種新的嘗試，均可以改善材料的性能，滿足使用性能要求。

結(jié)束語

聚乳酸現(xiàn)階段的應(yīng)用非常廣泛，在各行各業(yè)中都得到了大家的關(guān)注。其中在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用可能還處于相對較少的階段。但是由于聚乳酸本身所具有的各種良好的性質(zhì)，使得其有很好的發(fā)展前景。聚乳酸能滿足的性能需求可通過各種方法進(jìn)行改善，本文主要研究的是聚乳酸與納米材料的復(fù)合改性方面，通過分析目前主要的納米材料與聚乳酸的復(fù)合改性，使其能夠更好地應(yīng)用在包裝領(lǐng)域內(nèi)。通過分析可知，目前的復(fù)合材料已經(jīng)有了很大的突破，發(fā)明了許多的改性方法，使得材料的性能得到進(jìn)一步加強(qiáng)。在本文所討論的4種聚乳酸納米復(fù)合材料中，目前在包裝行業(yè)應(yīng)用最廣泛的是聚乳酸/納米纖維素復(fù)合材料，利用各種方法使得復(fù)合材料的性能得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，更有利于其在包裝領(lǐng)域上的應(yīng)用。但是對于其他3種復(fù)合材料要應(yīng)用在包裝方面，還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，同時(shí)也要注意降低成本，提高其競爭力，要綜合考慮各方面的性能要求，提高其使用價(jià)值。而且在制作包裝材料的時(shí)候，需要根據(jù)所要包裝的內(nèi)裝產(chǎn)品的要求和材料本身的性質(zhì)進(jìn)行改性，目前可降解的包裝材料是發(fā)展的趨勢，綠色包裝是潮流，需要繼續(xù)對復(fù)合材料進(jìn)行更加深入的研究，尋找更合適的綠色改性劑，以及降解方法的選擇和可控降解的實(shí)現(xiàn)都是需要進(jìn)一步深入研究的問題。

作者單位：河南科技大學(xué)包裝工程系

責(zé)任編輯：王蕾 wl@cprint.cn