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)合改性的研究進展進行了總結(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，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行改性處理，從性能的根本上使其得到加強，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、無機粒子等進行改性，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，同時不會降低聚乳酸本身密度輕、透明度高這些特點。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，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，同時也有利于保護環(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，需要進一步改善;生物處理法即通過微生物合成實現(xiàn)，利用生物處理法能夠降低污染，同時能夠大范圍的使用，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一步的提升，而且對于材料本身內(nèi)部所具有的性能不會造成損壞，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，同時也不會損壞其本身的性能，具有很好的應(yīng)用價值。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。本實驗同時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）是一種有機復(fù)合體，具有良好的性能，因為其本身所具有的特性，使其可以廣泛應(yīng)用于橡膠、油漆等中。蒙脫石的儲備含量很高，易于得到，所以其價格偏低，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)，其中每一個片層的厚度約1nm，長、寬為100nm。蒙脫土的改性包括無機改性方法和有機改性方法。蒙脫土的添加可以明顯提高聚乳酸單獨使用時的性能缺陷，使得復(fù)合材料的性能得到加強，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，對其進行有機改性，利用共混，加工工藝簡單，經(jīng)過多次試驗，最后得到的復(fù)合材料各方面性能均得到了顯著地提升，達到了試驗?zāi)繕?biāo)，進一步提高了蒙脫土的使用新性能。②鄒學(xué)書等的試驗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)晶所需要的時間，使得反應(yīng)能夠更快速、更高效地進行。當(dāng)其體系中引入蒙脫土納米粒子后，會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)晶度也會明顯加強。

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，因為其特殊的化學(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，需要進行表面改性。納米二氧化硅因為其比表面積大、以及表面吸附力強等一系列的性能，使之廣泛應(yīng)用于高分子材料的增強改性中，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，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，使其性能得到進一步加強，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，同時利用其本身的性能，對于身體上所受的組織損傷進行修復(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使用都不能滿足行業(yè)上對其綜合要求，因為其本身的性能不足，需要進一步加強。利用兩種材料復(fù)合改性可以改善材料性能，以達到對于材料的要求，同時能夠增強復(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，同時加強了復(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一步加強。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一步的加強，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，還需要進一步的優(yōu)化，同時也要注意降低成本，提高其競爭力，要綜合考慮各方面的性能要求，提高其使用價值。而且在制作包裝材料的時候，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現(xiàn)都是需要進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