聚乳酸的4种共混改性方法及未来的研究方向解读

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生物基可降解塑料的改性主要有化学改性、生物改性和物理改性三种改性方法。其中，化学改性是指通过化学反应生成接枝或嵌段聚合物，通过改变组分间的界面张力形成相容体系，从而改善材料的物化性质；生物改性是指在发酵生产过程中引入其他的羟基烷酸单元，对目标产物进行定向改造，生成不同链段组成的聚合物，该方法在菌种选择、碳源控制以及合成机制上具有一定的局限性且成本较高；物理改性是指通过选择不同的共混组分、调整组分之间配比、利用溶液或熔融法制成有效共混物，进而对共混物的热力学性能进行改善。物理机械共混是一种简单易行、经济实用的改性方法。

PLA共混改性的四种方法

PLA具有良好的生物降解性和相容性。在土壤微生物作用下，半年到一年就可以降解成乳酸，降解产物可被生物体吸收；生产能耗低，仅相当于石化产品的20%~50%，生产过程中CO2产生量为50%；其透气性优异且具有优良抑菌抗霉性。这些优良性能使得PLA是目前产业化最成熟、产量最大、应用最广泛、价格最低的生物基和生物降解塑料材料，已应用于薄膜、农林环保、生物医疗等多个领域。但PLA也存在润湿性较差、材料脆、硬（断裂伸长率不大于10%）且热变形温度低（不大于55℃）等缺点，故目前的研究重点主要集中在通过改性提高PLA的力学性能、抗菌能力等方面。

与PEG共混

聚乙二醇（PEG）无毒、无刺激性，具有良好的水溶性，具有丰富的端羟基，可以进行酯化等反应，又易与电子受体基团缔合或自动氧化，是改性PLA常用的改性增塑剂，也是该领域中外学者研究的重点。研究者开发了PLA与PEG相结合，并用氧化镁（MgO）纳米粒子增强复合材料的制备方法，与原始PLA薄膜相比，复合材料PLA/PEG/MgO的断裂伸长率提高了约760％。随着PEG和MgO纳米粒子的加入，PLA薄膜的光学性能和抗菌性能发生了显著的变化。

与无机填料/自然纤维共混

与无机填料或是自然纤维共混，也是PLA改性的主要研究方向。学者研究了碳酸钙（CaCO3）纳米粒子和壳聚糖（CS）含量对PLA/CS/CaCO3复合材料性能的影响。结果显示，CaCO3促进了PLA与CS的融合，复合材料的拉伸强度和拉伸模量等力学性能都有了明显提高。使用竹纤维对PLA进行改性，得到的复合材料弯曲强度和断裂伸长率分别提高了19.3％和30.1％。采用熔融共混法制备PLA/香蕉纤维复合材料，通过使用偶联剂和化学改性将香蕉纤维结合到PLA链上，得到的复合材料热稳定性和力学性能显著提高。

与功能橡胶共混

以聚异戊二烯橡胶（IR）、硅橡胶（SI）、丙烯酸橡胶（AR）、丙烯酸核壳橡胶（CSR）、热塑性共聚酯（TPE）和热塑性聚氨酯（TPU）作为功能橡胶，添加量为PLA的15％。结果表明，PLA/CSR具有最高的拉伸韧性、冲击韧性和结晶度。学者通过引入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），制备了低成本PLA/木粉（WF）复合材料，与纯PLA相比，PLA/WF/PMMA抗拉强度和抗弯强度分别提高了4.60％和26.54％，复合材料水解效率明显优于PLA。

与PHA共混

在PLA基底材料中加入质量分数10%~20%的PHA，共混制备的复合材料具有优于任一原料的抗冲性能，拓宽了应用范围。学者研究PHA用量与PLA/PHA复合材料性能关系，在一定范围（质量分数30%）内，随着PHA用量的增加，PLA/PHA复合材料的拉伸强度、断裂伸长率等均得到提高；但当PHA用量过多（质量分数50%时），则会导致复合材料的强度和韧性降低。学者采用熔融复合技术制备了由PLA、3 - 羟基丁酸酯和3 - 羟基戊酸酯共聚物（PHBV）共混物和纳米黏土组成的纳米复合材料，流变表征证实了PLA/PHBV复合材料的熔体黏度和弹性较原料PLA显著增强。学者通过由半结晶PLA、3 - 羟基丁酸与3 - 羟基己酸共聚酯（PHBH）制备的复合材料，结果表明，随着PHBH含量的增多，PLA的结晶逐渐受到抑制。PHBH使材料产生更大的塑性变形，从而使PLA/PHBH的韧性得到改善，其中PLA/PHBH质量比80:20时的韧性较好，扯断强度较原料PLA提升20倍以上。

未来的研究方向

经过近几年发展，生物基可降解塑料仍有以下几点有待进一步研究。

1. 对于可降解塑料的“易降解程度”还没有统一标准。目前都是以降解后的CO2释放量、质量损失以及物理特性的变化等数据评价材料的降解能力，并未形成统一评价标准，这会导致不同材料难以横向比较，单方面数据又难有说服力。

2. 针对可降解塑料的降解机理还需要深入研究。降解机理的探明有助于分离、培育此过程中有关的酶或酶系统的微生物。可预见的是，可降解塑料形成产业化的同时，构建配套的降解机构（设置专门降解处置企业）是必不可少的，甚至还会提前发展。

3. 无论是石油基还是生物基的可降解塑料都应该将全生命周期管理作为权衡其与传统塑料优劣的关键因素。现阶段针对可降解塑料的研究多在合成途径和改性方法上，关注重点也是在合成材料的力学性能、降解效果等方面，而忽略了该过程中使用的改性剂或是制备方法本身是否会造成环境污染；在某种可降解塑料产品投入使用前，必须对其生命周期内的各方面包括生产流程和处置方法进行全生命周期评估。

参考资料：

《生物基可降解塑料物理改性研究进展》

孙浩程１，崔玉磊２，王宜迪１，回军１

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