PLA食物包装膜：韧性小阻隔差？加入氧化石墨烯，瞬间解决了！

无溶剂法提高氧化石墨烯/聚乳酸食物包装薄膜的阻隔性能

生物降解材料研究院原创报道，食品包装对于延长食品的保质期，保持甚至提高食品的质量至关重要。尽管食品包装材料在食品制造业中非常关键，但其目前主要缺陷之一是材料的迁移性和渗透性。这种缺陷在很大程度上是由于目前的材料不足以提供一道屏障——对包装食品中所含气体、水蒸气或天然物质的完全不可渗透的屏障。因此，在不影响包装食品安全和质量的情况下，开发基于生物聚合物的增强性能食品包装材料是一项重要的研究工作。

聚乳酸(PLA)是一种性能优良的可生物降解材料，具有广阔的应用前景。目前，研究人员对聚乳酸及其复合材料在3D打印领域的应用很感兴趣。除了在3D打印中的应用外，PLA还是一种有吸引力的包装应用生物聚合物。这归功于它的众多优点，如良好的生物降解性、优异的机械性能、无毒性质和高光学透明度。因此，基于上述优点，聚乳酸通常被认为是一种很有前途的可生物降解的聚乙烯替代材料。然而，PLA的气体阻隔性能不够理想，而且韧性较差，这使得它很少被包装行业采用。因此，为了提高聚乳酸薄膜的实用性，必须显著提高聚乳酸薄膜的阻气性能。

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赋予聚合物膜高阻隔性的策略之一，是通过将不渗透的纳米片填料加入到聚合物基质中。这说明选择合适的填料是实现高阻隔性薄膜非常重要的一步。氧化石墨烯(GO)作为一种常用的填料材料，由于其紧密堆积的平面结构、较大的长径比和显著的高比表面积，其具有的优异气体阻隔性能备受关注。

近日，据《Materials》报道，北京工商大学研究人员采用无溶剂熔融共混法制备了氧化石墨烯(GO)/聚乳酸(PLA)纳米复合材料，并将其作为潜在的阻氧包装膜进行了研究。同时，研究人员为了使氧化石墨烯在聚乳酸基体中均匀分散，采用疏水硅烷偶联剂γ-(2，3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560)对氧化石墨烯进行改性。

为了充分利用GO的有利性能，必须实现GO在聚合物基体中的均匀分散，以获得所需的性能。GO/聚合物纳米复合材料的制备主要采用三种合成策略：溶液混合、熔融混合和原位聚合。

在这三种合成策略中，溶液混合被广泛认为是制备GO/聚合物的有效方法，因为GO在水或有机溶剂（如丙酮、氯仿、四氢呋喃、二甲基甲酰胺或甲苯）中易于加工。尽管与熔融混合过程相比，溶液混合通常能够改善颗粒在基质中的分散性，但由于漫长的溶剂蒸发过程，颗粒仍可能发生重新聚集。此外，溶剂混合方法还存在一些问题，如最终产品中残留的溶剂，使用过多且昂贵的溶剂，以及产生二次废流，这些都极大地阻碍了该方法在大规模制备GO/聚合物包装膜中的大规模采用。

由于KH560的环氧基团与PLA的羧基和羟基端基之间形成了共价键，改性后的GO与PLA具有良好的粘接性能。此外，由于KH560具有较长的烷基侧链，从而提高了GO的热稳定性和PLA的结晶度。在KH560-GO/PLA复合膜中，KH560-GO通过双重作用机制帮助该复合膜降低透氧性：(1)由于其天然的阻隔性能而提供物理阻隔，(2)通过提高结晶度来降低透氧性。

研究人员还进一步通过拉曼光谱、热重分析和原子力显微镜测试，确定了GO粉末和KH560-GO粉末的结构和形貌，采用X射线衍射(XRD)和差示扫描量热法(DSC)对纳米复合材料的结晶度进行了表征。

该团队制备的KH560-GO0.75/PLA膜比纯PLA膜和GO0.75/PLA膜的氧气渗透量分别降低了大约33%和13%。此外，力学性能和冲击断口分析表明，KH560-GO/PLA的拉伸强度和断裂伸长率的提高是由于KH560-GO的环氧基与PLA基体的羟基和羧酸端基之间具有较强的界面粘附性和粘结性。

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