聚乳酸 （PLA） 是一種由可再生生物質(zhì)制成的聚合物；通常是發(fā)酵的植物淀粉，如玉米、甘蔗、木薯或甜菜。在使用中，它表現(xiàn)出與某些石油衍生聚合物相似的機械和物理特性，但它是可生物降解的——在商業(yè)堆肥條件下，PLA 將在十二周內(nèi)分解，而聚對苯二甲酸乙二醇酯 （PET） 則需要幾個世紀。

廣泛應用于生物醫(yī)學和紡織行業(yè)，近年來它在食品包裝領域的受歡迎程度有了巨大的增長。然而，PLA 被視為“臨時”解決方案。非常適合節(jié)日期間的外賣咖啡杯和食品容器，但由于其阻隔性能差（對水蒸氣和氧氣的滲透性高），因此根本不適合長期儲存食品。為了解決這一限制，來自智利的一個跨學科研究團隊開發(fā)了一系列 PLA 納米復合材料，將可生物降解的聚合物與功能化氧化石墨烯 （GO） 相結(jié)合。他們的研究成果發(fā)表在《Polymer Testing》7月刊上。

他們首先生產(chǎn)氧化石墨烯，然后在兩種不同的溫度下——25°C（GO-DA1 和 GO-ODA1）和80°C（GO-DA2 和 GO-ODA2）——用兩種類型的烷基胺（癸胺 （DA） 和十八胺 （ODA））對其進行功能化。使用熔融混合技術，將這些功能化的 GO 納米顆粒填料以不同的負載量（0.2、0.7、2 wt%）摻入 PLA 中。制備的復合薄膜厚度為 1.0 毫米（用于機械測試）或 0.1 毫米（用于滲透率分析），并經(jīng)歷了一系列其他表征階段，包括 FTIR 光譜、熱重分析和差示掃描量熱法。

石墨、GO、GO-ODA1、GO-ODA2、GO-DA1 和 GO-DA2 的 X 射線衍射圖。

圖片來源：sciencedirect

他們發(fā)現(xiàn)溫度對氧化石墨烯功能化階段有顯著影響——在 80 °C 下進行的反應顯示出比室溫下更高的質(zhì)量產(chǎn)率。元素分析表明，功能化將氮添加到納米顆粒中，達到 GO-DA2 的最大含量（3.92 wt%）。X 射線衍射和 FTIR 支持這一發(fā)現(xiàn)，證實了功能化納米粒子上存在烷基鏈。納米顆粒的熱分析發(fā)現(xiàn)，雖然氧化石墨烯在 130 到 280 °C 之間表現(xiàn)出顯著的質(zhì)量損失 （38%），但功能化氧化石墨烯的熱穩(wěn)定性要高得多——例如，GO-DA2 的質(zhì)量損失僅為 12%，GO-ODA2的質(zhì)量損失僅為7% 。

復合薄膜的量熱曲線表明，PLA-GO 的結(jié)晶度低于任何 PLA 功能化的 GO 薄膜——這表明功能化促進了復合材料的聚合物與其填料之間更高的親和力。復合材料的光學顯微鏡分析證實了這一結(jié)果。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著納米顆粒負載量的增加，PLA 復合材料的機械性能略有下降。他們將此歸因于四個因素，“……團聚體的形成、納米復合材料結(jié)晶度的降低、顆粒-聚合物界面裂縫的形成以及改性氧化石墨烯中存在的烷基鏈的增塑作用。”阻隔測試表明，隨著納米顆粒負載量的增加，復合材料的氧氣和水蒸氣的滲透性顯著降低。

復合材料 PLA-GO-ODA2 表現(xiàn)出最佳的整體阻隔性能——在0.7wt%時，透氧率與標準 PLA 相比降低了30.4%。與單獨使用 PLA 相比，僅使用0.2 wt%的GO-ODA2可使水蒸氣滲透率降低 50.2%。

“除了其他可能的應用之外，這種阻隔性能的顯著改進使這種材料適用于食品包裝。”