包装用聚乳酸纳米复合材料的改性研究进展

魏风军

目前来看，包装行业未来的方向是绿色环保、可降解的包装材料。聚乳酸（PLA）是市场上满足这一要求的材料之一，具有良好的市场发展前景，主要应用于生物医药及新型包装领域，是一种环境友好型的材料，可以替代传统塑料。本文主要就聚乳酸纳米复合材料中不同纳米材料与聚乳酸的复合改性的研究进展进行了总结分析。

聚乳酸概述

聚乳酸又称聚丙交酯，是以能够再生的植物为原料，通过开环聚合或缩聚方法生产得到聚乳酸。聚乳酸能够在自然环境中水和、可以发生反应变为水和二氧化碳，无毒，且反应容易发生，所以聚乳酸对环境没有任何污染。经研究证明，在生产聚乳酸的整个循环过程中，其释放的二氧化碳的量要低于原料植物生长时所吸收的二氧化碳的量，也就是说聚乳酸和其他材料相比，其生产过程还有减少温室气体排放这一优势。另外，聚乳酸具有良好的力学、物理、机械性能，弯曲模量大于PS，加上其生产成本低，对于气味能够很好地隔离开;而且对一些材料透明性和光泽度比较好，表面能高;再加上其生产成本低，而且可以自然进行循环利用，使其在各行各业中都具有广阔的应用前景，被认为是目前最具发展前景的新型包装材料。但是同时，聚乳酸性质较脆，使用性能上还具有一些缺陷，限制了聚乳酸的大规模使用，目前可以通过共混、增塑、共聚、复合改性等方法对其进行改性处理，从性能的根本上使其得到加强，而复合改性是最具发展前景的方法。纳米复合改性方法，是目前包装用聚乳酸复合改性领域内非常有发展前景的研究方向，具有很好的应用价值。

聚乳酸纳米复合材料

聚乳酸纳米复合材料利用特定的添加方法，将金属材料、无机粒子等进行改性，并将改性材料分散在纳米聚合物材料中，使其形成聚乳酸与纳米复合材料的改性体系。纳米共混改性是近年来受到各行业广泛关注的方法之一，其与共混改性有所不同，纳米共混改性可以显著改善材料的抵抗压力和抵抗弯曲性能，也能够对气体进行隔离处理，在聚乳酸中使得填充剂依据纳米尺寸分散，同时不会降低聚乳酸本身密度轻、透明度高这些特点。由于纳米粒子自身的结构，使纳米复合材料不同于其他材料的性能，与复合材料自身所具有的特性有关。通常纳米材料的制备方法为插层复合、溶胶-凝胶、原位聚合、共混。目前聚乳酸纳米复合材料主要有：纳米纤维素（NCC）、改性蒙脱土（MMT）、纳米二氧化硅、羟基磷灰石（HA）。

1.聚乳酸/纳米纤维素复合材料

纳米纤维素Nano.crystalline cellulose（NCC）是由一些植物等材料发生化学变化处理形成的，纳米纤维素具有很好的使用性能，长度变化范围较大，其直径为1～100nm。纳米纤维素主要来源于植物资源，还具有很多优点，有助于其在包装领域的应用，有很好的应用前景。其中纳米纤维素的制备方法主要有物理处理法、静电纺丝法、生物处理法、化学处理法等。物理处理法是开发较早且发展最迅速的制备方式，生产过程中绿色环保，满足目前的行业发展要求，同时也有利于保护环境，但是设备较贵;化学处理法包含多种处理方法，利用化学处理法所得的纳米纤维素结晶度较高，但是也有一些缺陷，需要进一步改善;生物处理法即通过微生物合成实现，利用生物处理法能够降低污染，同时能够大范围的使用，有利于包装行业的应用。

聚乳酸/纳米纤维素复合材料的研究进展：①陈丹等主要利用表面改性的方法，使用化学改性，使得改性后的材料性能得到进一步的提升，而且对于材料本身内部所具有的性能不会造成损坏，即可以提高复合材料的综合性能。在聚乳酸/纳米纤维素复合材料的领域上是一个很大的突破。②王璇等研究的硅烷偶联剂（KH570）改性纳米纤维素主要在其表面上发生变化，硅烷化纳米纤维素在纤维厚度上有少许增加，同时保持了纳米纤维素的棒状结构。硅烷化纳米纤维素在聚乳酸的基体表现为与基体之间的良好的性能，同时也不会损坏其本身的性能，具有很好的应用价值。③崔等在研究中制备的PLA/I.34TCN纳米复合材料满足了目前市场对于包装薄膜的需求，而且还具有很好的性能，提高了纳米复合材料的稳定性，所以这种复合材料薄膜在食品包装应用方面也有很好的前景。本实验同时还有很多不足和没有考虑到的地方，需要继续研究其他方面对于包装膜性能的影响，综合提高纳米纤维素与聚乳酸复合材料在包装领域的应用，使其发挥更大的效用。

2.聚乳酸/蒙脫土复合材料

蒙脱石（MMT）是一种有机复合体，具有良好的性能，因为其本身所具有的特性，使其可以广泛应用于橡胶、油漆等中。蒙脱石的储备含量很高，易于得到，所以其价格偏低，使其在制备聚合物材料的过程中得到了广泛应用。蒙脱土是属于2∶1型的黏土矿物，其结构是两片中间夹层的结构，该结构是蒙脱土特殊性质的主要原因，依靠着公用氧原子链接而成的层状结构，其中每一个片层的厚度约1nm，长、宽为100nm。蒙脱土的改性包括无机改性方法和有机改性方法。蒙脱土的添加可以明显提高聚乳酸单独使用时的性能缺陷，使得复合材料的性能得到加强，能够更好地在各领域、各行业中使用。

聚乳酸/蒙脱土复合材料的研究进展：①共混法的加工工艺简单，应用广泛;Ogata主要针对蒙脱土本身性能的缺陷，对其进行有机改性，利用共混，加工工艺简单，经过多次试验，最后得到的复合材料各方面性能均得到了显著地提升，达到了试验目标，进一步提高了蒙脱土的使用新性能。②邹学书等的试验证明纳米蒙脱土在聚合物中起着一定的成核剂的作用，这大大缩短了结晶所需要的时间，使得反应能够更快速、更高效地进行。当其体系中引入蒙脱土纳米粒子后，会使得体系的熔融热得到一定程度的提高，这表明当聚乳酸/蒙脱土共混体系中引入纳米蒙脱土之后，其体系的结晶度也会明显加强。

3.聚乳酸/二氧化硅纳米复合材料

二氧化硅又叫硅石，且存在十分广泛，可以应用在很多领域;在二氧化硅的原子晶体中，因为其特殊的化学结合键相互作用，所以二氧化硅中的硅氧键的键能很高，除此之外还具有很多其他优良的性质。二氧化硅表面表现为亲水性，不利用对其材料的使用，需要进行表面改性。纳米二氧化硅因为其比表面积大、以及表面吸附力强等一系列的性能，使之广泛应用于高分子材料的增强改性中，而且具有很好的稳定性，有助于其普遍应用。在农药行业、食品行业、医药行业等行业对于纳米二氧化硅的应用十分普遍。也可作为填料增塑剂应用在橡胶、塑料领域，对于包装领域同样具有研究前景。

聚乳酸/二氧化硅纳米复合材料的研究进展：①刘文勇等的力学性能测试主要研究的是当纳米二氧化硅的含量增加，聚乳酸/二氧化硅纳米复合材料的性能变化时，主要观察其抗弯、抗压性能。最后得出结论，在纳米二氧化硅含量增加的情况下，其性能均有明显提升。②杨桂生等的发明提供了一种改性纳米二氧化硅增强增韧的聚乳酸复合材料以及其制备方法，能够从根本改善复合材料的缺陷，使其性能得到进一步加强，从而获得更加优异的性能，满足对其性能上的要求。

4.聚乳酸/纳米羟基磷灰石复合材料

羟基磷灰石的化学成分与结构和人体、动物骨骼组织非常类似，在人体内有一定的作用效果，可以帮助其代谢，同时利用其本身的性能，对于身体上所受的组织损伤进行修复，帮助其恢复自身性能，从而通常表现出生物活性。研究表明，聚乳酸以及羟基磷灰石单独使用都不能满足行业上对其综合要求，因为其本身的性能不足，需要进一步加强。利用两种材料复合改性可以改善材料性能，以达到对于材料的要求，同时能够增强复合材料与组织的生物相容性。

聚乳酸/纳米羟基磷灰石复合材料的研究进展：①魏俊超等研制出了表面接枝聚的聚乳酸/纳米羟基磷灰石复合改性材料，利用这种方法得到的复合改性材料，能够显著提高原材料所表现出来的缺陷，增加复合材料的性能优势，满足对材料实用性能的要求，在多领域都能够得到大范围的使用。②周尧等对聚乳酸/纳米羟基磷灰石复合材料进行了表面改性，此方法有助于提高其在聚乳酸中的分散性，同时加强了复合材料的性能。结果表明，改性后的复合材料的一些性能均比改性前的聚乳酸/纳米羟基磷灰石复合材料有明显的提高。通过各种新的尝试，均可以改善材料的性能，满足使用性能要求。

结束语

聚乳酸现阶段的应用非常广泛，在各行各业中都得到了大家的关注。其中在包装领域的应用可能还处于相对较少的阶段。但是由于聚乳酸本身所具有的各种良好的性质，使得其有很好的发展前景。聚乳酸能满足的性能需求可通过各种方法进行改善，本文主要研究的是聚乳酸与纳米材料的复合改性方面，通过分析目前主要的納米材料与聚乳酸的复合改性，使其能够更好地应用在包装领域内。通过分析可知，目前的复合材料已经有了很大的突破，发明了许多的改性方法，使得材料的性能得到进一步加强。在本文所讨论的4种聚乳酸纳米复合材料中，目前在包装行业应用最广泛的是聚乳酸/纳米纤维素复合材料，利用各种方法使得复合材料的性能得到进一步的加强，更有利于其在包装领域上的应用。但是对于其他3种复合材料要应用在包装方面，还需要进一步的优化，同时也要注意降低成本，提高其竞争力，要综合考虑各方面的性能要求，提高其使用价值。而且在制作包装材料的时候，需要根据所要包装的内装产品的要求和材料本身的性质进行改性，目前可降解的包装材料是发展的趋势，绿色包装是潮流，需要继续对复合材料进行更加深入的研究，寻找更合适的绿色改性剂，以及降解方法的选择和可控降解的实现都是需要进一步深入研究的问题。

作者单位：河南科技大学包装工程系

责任编辑：王蕾 wl@cprint.cn