|
“微塑料”指的是直径小于5毫米的塑料碎片和颗粒，最初在海洋水体和沉积物中被发现，它作为一种形状多样的非均匀塑料颗粒混合体，肉眼往往难以分辨，因此又被形象地称为“海中的PM2.5”。在过去的几年里，由于人们对于不可降解合成塑料的过度使用和错误丢弃，产生的微塑料对人类健康和自然生态系统已经构成了严重威胁。海洋中分散的微塑料很容易被浮游动物等低端食物链生物吃掉，但微塑料不能被消化掉，只能在动物胃里一直存在，最终由于食物链的“富集”效应，人体内会累积大量的微塑料。以保护自然环境为目标，从可持续资源中获得的可生物降解聚合物已被广泛认为是一种良好的石油基塑料的替代品，以解决微塑料带来的健康和环境问题。聚乳酸(PLA)作为生物质衍生和可生物降解的热塑性聚酯之一，已被认为是一种非常有应用前景的环境友好替代品，引起了学术界和工业界的极大兴趣。 
聚乳酸可以通过丙交酯的开环反应或L-/D-乳酸的缩聚反应来聚合，反应的主要步骤是小麦、甘蔗、马铃薯或其他淀粉来源的发酵过程。聚乳酸泡沫塑料作为一种新兴的、有发展前景的多孔材料，由于其导热系数低、重量轻、吸能性能好、生物降解性好等突出特点，在可堆肥食品包装材料、汽车顶棚、建筑外墙保温板等方面具有潜在的应用前景。
聚乳酸泡沫塑料尽管有上述诸多优点，但其进一步的商业应用受到了熔体强度弱和发泡性差等几个明显缺点的限制。一般来说，聚合物的熔体强度与其流变性能高度相关，这将对其发泡阶段的气孔成核和气孔生长带来相当大的影响。具体而言，聚合物的弱熔体强度会导致大孔径、孔破裂和高密度。为了克服PLA的上述缺点，人们采用了多种改性方法，如扩链、共聚、交联、纳米粒子填充等。
然而，通过扩链或共聚引入的一些不同的链段会对PLA的生物降解性能产生不利影响。交联则容易产生凝胶，降低PLA的生物降解性和可回收性。至于与其它聚合物的共混，反应性相容剂是改善共混物界面粘附性差、控制分散相微观形态的必要手段，而这也会给PLA结构中引入不同的链段。从环境友好的角度来看，由于纳米粒子填充过程中只会发生一些物理变化，因此纳米粒子填充能够在对PLA生物降解性能影响最小的情况下，提高PLA的熔体强度和发泡性。
近日，据《International Journal of Biological Macromolecules》报道，北京工商大学研究人员提出了一种简便、高效、绿色的CO2基发泡技术，并将其应用于制备聚乳酸/碳纳米管(PLA/CNTs)纳米复合泡沫塑料，以提高聚乳酸熔体的粘弹性和发泡性。最终，研究人员成功制备了可生物降解的PLA/CNTs纳米复合泡沫塑料，并且具有49.6倍的超高体积膨胀率(VER)。碳纳米管(CNTs) 作为一维纳米材料，具有许多令人印象深刻的特性，包括显著的高电导率、高强度和高模量，可作为理想的纳米填料来增强聚合物的各种物理性能或赋予聚合物基体一些新的功能。虽然利用碳纳米管和扩链剂来改善聚乳酸的流变性能已经取得了一些进展，但目前的方法仍然存在一些缺点，如成本高、表面处理复杂（破坏了碳纳米管的表面结构）和/或碳纳米管的改性涉及到化学溶剂的消耗。而该研究团队的工作则很好得克服了上述碳纳米管使用过程的种种不足。
研究人员还进一步系统研究了碳纳米管浓度对不同聚乳酸/碳纳米管纳米复合材料断口形貌、热性能和流变性能的影响。测试结果显示，随着碳纳米管的逐步加入，在碳纳米管载量为2wt%的PLA/CNTs样品中形成了聚合物-聚合物网络、聚合物-碳纳米管网络和碳纳米管-碳纳米管网络三种网络，并均对其熔体粘弹性产生了明显的增强作用。研究人员利用透射电镜、电导率和流变性能测试分别证明了这三种网络对复合材料熔体粘弹性的影响。此外，PLA/CNTs纳米复合材料的储能模量比纯PLA高3个数量级。更加重要的是，与常规差示扫描量热法(DSC)相比，不同样品的高压DSC曲线出现了双熔融峰现象，而常压加热DSC曲线只有一个熔融峰。DSC结果还表明，由于CO2的塑化作用，不同PLA试样在高压下的Tg值低于相应的常压下的Tg值(约20°C)。 
注：不同PLA试样冷冻断口的SEM照片：(a)纯PLA，(b)PLA/CNTs0.5，(c)PLA/CNTs1，(d)PLA/CNTs2，(e)PLA/CNTs3 
注：PLA/CNTs0.5(a)和PLA/CNTs3(b)的TEM图像
不同PLA样品的DSC曲线：冷却扫描(a)和加热扫描(b)
不同PLA样品的HP-DSC曲线：冷却扫描(a)和加热扫描(b)
碳纳米管独特的管状结构和较大的长径比有望为PLA纳米复合材料提供良好的流变性能和发泡性能。同时，可通过调节碳纳米管的载量和发泡温度来调节聚乳酸纳米复合材料的发泡性能，以获得超高体积膨胀率的聚乳酸泡沫塑料。基于对实验结果的分析，该工作为制备可生物降解的超低密度PLA基纳米复合泡沫塑料提供了一种高效、灵活的解决方案，在保温领域具有潜在的应用前景。
不同PLA样品在120°C恒温时间为40的POM（偏振光学显微镜）照片：(a)纯PLA，(b)PLACNTs0.5，(c)PLA/CNTs1，(d)PLA/CNTs2，(e) PLA/CNTs3
|
