纤维素纳米晶增强聚乳酸复合绿色高阻隔包装材料上取得新进展

随着对环境可持续性发展的广泛认识，与传统的石油基聚合物相比，由可再生资源衍生出的完全可生物降解的聚乳酸（ PLA ）由于其良好的物理化学性质在包装领域受到越来越多的关注。然而，纯 PLA 因其低的结晶速率，低气体阻隔性和高迁移率等缺陷阻碍了其在食品包装领域的应用。目前，很多学者利用 纳米 纤维素及纤维素衍生物增强 PLA ，但针对其作用机理及内在 影响机制 仍是研究的难点。

图 1. 不同长径比纤维素纳米晶对 PLA 的作用机理 与 性能 增强示意图

余厚咏 研究 团队通过不同方法从生物质纤维素中提取不同长径比的纤维素纳米晶 （纳米球、纳米棒、纳米纤维） ，并利用溶液涂膜技术将纤维素纳米晶均匀分散在 PLA 基体中。系统研究不同长径比纤维素纳米晶对 PLA 基体形貌、热稳定性、结晶能力、机械性能、阻隔性能、迁移率等的影响。 纤维素纳米球具有强诱导 PLA 结晶链的成核能力，而纤维素纳米纤维具有优异诱导 PLA 分子链的应力传递（ 图 1 ），研究组首次阐明了不同长径比纤维素纳米晶的成核、氢键、界面作用等效应对 PLA 的性能协同增强机制。

图 2 不同 纤维素纳米晶增强 PLA 纳米复合薄膜的断裂机制 和力学模型分析

该团队通过 Halpin-Kardos 和 Ouali 模型分析不同长径比纤维素纳米晶对 PLA 力学性能的贡献。通过模型分析可知 Halpin-Kardos 模型适用于长径比较低的 纳米纤维素基 复合材料而 Ouali 模型则更加适用于长径比较大的 纳米纤维素基 复合材料，并且阐述了不同长径比纤维素纳米晶增强 PLA 纳米复合薄膜的断裂机制 （ 图 2） 。进一步 与石墨烯、纳米粘土等无机增强材料 对比研究 ，发现纳米纤维素的引入， 该纳米复合膜 在热稳定性、力学性能和水蒸气透过率上有更为显著地改善（ 图 3）。该工作对纳米纤维素及纤维素衍生物增强聚乳酸及其他生物可降解聚合物纳米复合材料在食品包装领域研究提供了极其重要的理论参考。

图 3 本研究 PLA/CNC 复合材料和石墨烯等粒子增强 PLA 复合材料对比研究图： T ma x 的增加量，Ds （ 拉伸强度的增加率 ） 和WVP （水蒸气透过率减少率）

以上相关成果分别发表在 ACS Applied Material & Interfaces （ ACS Appl. Mater. Interfaces 2017. DOI: 10.1021/acsami.7b09102 ）， ACS Sustainable Chemistry & Engineering （ ACS Sustain. Chem. Eng. 2016, 4(5): 2632-2643 ）， RSC Advances （ RSC Adv., 2014, 4, 59792 ） , Carbohydrate Polymers （ Carbohyd. Polym. 2017, 173: 7�C16 ）上。相关论文的作者兼通讯作者为浙江理工大学材料与纺织学院、丝绸学院副教授余厚咏和研究生张恒等同学一起合成的。
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2017-12-14 15:51