浙江理工大学余厚咏副教授小组在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： Tmax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: 7–16）上。相关论文的第一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。
论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b09102
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