由于聚乳酸相對于石油基塑料具有優(yōu)異的生物可降解性,使其能夠在一次性注塑、發(fā)泡和吹膜領(lǐng)域大規(guī)模替代石油基塑料來解決日益嚴(yán)重的“白色污染”問題,目前已經(jīng)得到全世界的大力推廣。鑒于此,我國近年來也在相關(guān)領(lǐng)域頒布了相應(yīng)的法律法規(guī)禁止非降解一次性塑料如PP、PE和PS的使用。針對聚乳酸存在的耐熱性差、價格高、韌性差等難題,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料研究團(tuán)隊對此作了深入的研究,并取得了系列進(jìn)展。
在前期的工作中,該團(tuán)隊通過合成聚乳酸用生物基結(jié)晶成核劑成功解決了聚乳酸耐熱差的關(guān)鍵問題,從而拓展了聚乳酸在傳統(tǒng)塑料等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,但這種耐熱改性又會進(jìn)一步增加聚乳酸的成本,進(jìn)一步限制其在一次性應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,價格較高(相對于傳統(tǒng)石油基通用塑料)是限制聚乳酸廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。近年來,為了降低聚乳酸的應(yīng)用成本并保持聚乳酸的生物可降解,利用價格低廉、來源廣泛//可生物降解和持續(xù)利用的生物質(zhì)如木質(zhì)素、纖維素、竹粉和淀粉等生物質(zhì)填充復(fù)合聚乳酸已經(jīng)成為環(huán)保塑料中發(fā)展最為迅速的一個方向。
但是,在聚乳酸/生物質(zhì)復(fù)合材料中,由于聚乳酸與纖維素、淀粉或竹粉等生物質(zhì)填料之間親疏水差異明顯,導(dǎo)致聚乳酸/生物質(zhì)復(fù)合材料界面相容性非常差。同時,一般生物質(zhì)填料均屬于大尺寸剛性顆粒,其在聚乳酸基體中的存在很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,誘發(fā)裂紋,導(dǎo)致該類復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度和延展性非常差,應(yīng)用嚴(yán)重受阻。因此,研究聚乳酸/生物質(zhì)復(fù)合材料中生物質(zhì)填料親疏水的改變對界面相容性的影響以及降低生物質(zhì)對聚乳酸基體誘發(fā)裂紋能力的研究將對這類材料的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的意義。
針對該問題,該團(tuán)隊首次利用高活性反應(yīng)型生物基增容劑如環(huán)氧大豆油(ESO)、環(huán)氧腰果酚殼油(Epicard)、衣康酸環(huán)氧樹脂、檸檬酸環(huán)氧樹脂等對該類復(fù)合材料進(jìn)行了界面改性研究,制備出了高性能且滿足應(yīng)用要求的全生物基可降解環(huán)保型聚乳酸復(fù)合材料。同時,對高活性反應(yīng)型生物基增容劑如何改善親水生物質(zhì)剛性粒子與疏水聚乳酸基體的界面相容性進(jìn)行了詳細(xì)機(jī)理研究和分析(圖1)。
圖1 高活性反應(yīng)界面增容劑增容聚乳酸/淀粉復(fù)合材料機(jī)理示意圖
研究發(fā)現(xiàn)高活性反應(yīng)型生物基增容劑改善聚乳酸/生物質(zhì)填料界面相容性的主要原因是其在反應(yīng)擠出加工中富集到生物質(zhì)填料的表面,從而改變了生物質(zhì)填料的親水界面本質(zhì),實(shí)現(xiàn)了疏水聚乳酸在親水生物質(zhì)填料界面的浸潤,從而提高了該類復(fù)合材料的界面相容性和機(jī)械性能,相關(guān)成果發(fā)表在(Carbohydrate Polymers, 2013, 92: 810–816; Carbohydrate Polymers, 2013, 94: 235–243; Carbohydrate Polymers, 2013, 95: 77–84; Composite Science and Technology, 2014, 94: 16-22; Composites Science and Technology, 2014, 90, 9-15; ACS Industrial and Engineering Chemistry Research, 2014, 53: 10653-10659; Journal ofApplied Polymer Science, 2015, DOI: 10.1002/APP.41220; International Journal of Biological Macromolecules, 2015, in press )及已獲授權(quán)2項中國專利(CN201210123934.5; CN20121 0062675.X)。最終,通過該方法,我們制備出了符合應(yīng)用需求的各種注塑、吸塑一次性可降解產(chǎn)品(圖2,3),預(yù)計在不久的將來能夠有效緩解“白色污染”的環(huán)境問題。
圖2 高活性反應(yīng)界面增容劑增容聚乳酸/淀粉復(fù)合材料注塑產(chǎn)品
圖3 高活性反應(yīng)界面增容劑增容聚乳酸/淀粉復(fù)合材料吸塑產(chǎn)品
- 湘潭大學(xué)徐圣教授課題組 CEJ:碳微球改性MXene - 一種同時增強(qiáng)聚乳酸材料的阻燃、抑煙和導(dǎo)熱性能的高效雜化阻燃劑 2025-07-15
- 北化楊衛(wèi)民/李好義團(tuán)隊《Compos. Part A》:電紡紗線綠色高效短流程制備技術(shù)取得新進(jìn)展 2025-05-15
- 青科大烏皓/段詠欣/張建明Macromolecules:聚甲基丙烯酸甲酯接枝纖維素納米晶在聚乳酸對映體共混物中選擇性成核機(jī)制研究 2025-03-05
- 中科院納米能源所李琳琳 AFM:筋膜槍協(xié)助可生物降解壓電神經(jīng)導(dǎo)管促進(jìn)外周神經(jīng)修復(fù) 2025-07-23
- 武漢大學(xué)鄧紅兵/趙澤團(tuán)隊 Sci. Adv.:廢棄花粉和棉纖維“變身”高性能、水加工和可持續(xù)的生物塑料 2025-04-07
- 東華大學(xué)何創(chuàng)龍教授團(tuán)隊 Biomaterials:一種具有高彈性的超柔軟熱塑性生物降解彈性體用于動脈再生 2024-12-05
- 北京工商大學(xué)楊彪教授團(tuán)隊:新機(jī)理增強(qiáng)PLLA結(jié)晶能力及耐熱性 2021-02-23