可降解塑料聚乳酸(PLA) 国外研发热点与前沿透视

2019-10-09 05:10:05 今日印刷 2019年9期

魏风军 杨冰冰

可降解塑料聚乳酸(PLA)是通过主要原料乳酸进而得到的聚合物,由于原料来源充分,主要来源以含淀粉的玉米、小麦、木薯等为主,其生产过程无污染,因为可降解塑料聚乳酸的生物相容性好、环境安全、没有毒性,它加工性优良、机械性能、光透明度也很好,可用于食品、药品等多种包装材料领域,由于生成的产品可以实现在自然界中的循环,故而是理想的绿色高分子材料。本文结合知识图谱,以数据为基础,对近20年可降解塑料PLA研发热点与前沿进行透视,希冀对国内研究可降解塑料PLA的人员有所启示。

国内可降解塑料PLA研究进展

到目前为止,国内在可降解塑料PLA薄膜的制备与性能研究上取得了一定的成果,学者们主要将研究重点放在可降解塑料PLA薄膜于食品保鲜、生物医学、复合改性方面的研究。杨帆、陈一岳、林茵等人的《聚乳酸的降解性能及其微球剂的研究》一文研究了聚乳酸的降解性能和制备聚乳酸红霉素微球,试验结论表明聚乳酸的降解与分子量和构型有关,微球具有明显的缓释作用。陈米娜、魏大鹏、范昕建等人的《聚乳酸材料对成骨样细胞增殖和分化的影响》一文研究了骨样细胞增殖和分化在聚乳酸的作用下产生的影响,试验结论表明预处理后的聚乳酸薄膜,对成骨样细胞增殖和分化没有抑制作用,某种程度上,反而有轻微的促进作用。王建清、符秀科、金政伟等人的《全降解聚乳酸薄膜的增塑改性》一文讲述了采用吹塑法制备PLA薄膜,研究了不同增塑剂、增韧剂以及复配增塑体系对聚乳酸薄膜性能的影响,并通过扫描电镜分析薄膜断面结构及其体系的相容性。骆文杰、张伟阳、程树军等人的《聚乳酸薄膜包装袋对杨桃保鲜效果的研究》一文进行了聚乳酸薄膜包装袋对杨桃保鲜效果的研究,分别采用聚乳酸和聚乙烯包装袋来包装杨桃,以未包装的杨桃为对照,各项实验数据说明了聚乳酸包装的确可以有效地延长杨桃的货架期。张高章、李玲等人的《聚乳酸改性及在骨修复中的应用》一文着重介绍了在骨修复应用中改性的聚乳酸复合材料的研究现状,并且介绍了国内外的研究者们,通过一定方法和技术改进骨修复领域中聚乳酸基复合材料存在的一些缺陷,最后指出今后几年的主要研究方向。吕艳娜、王一寧、谢宜彤等人的《聚乳酸/茶多酚抗氧化膜的制备及其性能研究》一文以聚乳酸(PLA)为基材,茶多酚(TP)为抗氧化剂,通过流延法制备了具抗氧化活性的可降解PLA/TP共混膜,研究结果表明茶多酚与聚乳酸基质间发生了相互作用,茶多酚在聚乳酸基质中具有较好的分散性。

由上述可见,国内各研究机构对PLA进行了大量的研究,然而,限制于当前PLA工艺的成熟性与成本之间的难易协同,当前国内研发与生产的PLA成本居高不下,在推广上有很大的难度。据悉,东莞某公司研发的可降解PLA薄膜制品已经成功用于种子等产品的包装并出口美国、加拿大等国家。

国外PLA研究进展、机构与研究热点

笔者对PLA相关研究文献进行了梳理与分析,结果发现国外在PLA相关联的食品科学技术、纳米技术、材料科学等领域有大量的研究。Avital S、Bollinger TJ、Wilkinson JD等人的《Preventing intra-abdominal adhesions with polylactic acid film: An animal study(聚乳酸膜预防腹腔粘连的动物研究)》一文研究的目的是评价可吸收聚乳酸膜在动物模型中预防术后腹腔内粘连的效果,实验结论表明在本模型中,腹部手术期间策略性放置聚乳酸膜与术后腹腔内粘连的发生率和严重程度显著降低有关。Rhim Jong-Whan、Lee Jun Ho、Ng Perry K. W.等人的《Mechanical and barrier properties of biodegradable soy protein isolate-based films coated with polylactic acid(聚乳酸涂层大豆分离蛋白膜的力学性能和阻隔性能)》一文阐述了将大豆分离蛋白膜浸入聚乳酸溶液中,制备了聚乳酸涂层大豆分离蛋白膜,通过测定薄膜的拉伸强度(TS)、断裂延伸率(E)、水蒸气渗透性(WVP)和水溶性(WS)等性能,测试了涂层对改善薄膜力学性能和水阻性能的影响。Busolo Maria A.、Fernandez Patricia、Ocio Maria J.等人的《Novel silver-based nanoclay as an antimicrobial in polylactic acid food packaging coatings(新型银基纳米黏土在聚乳酸食品包装涂料中的抗菌作用)》一文介绍了一种含新型银基抗菌层状硅酸盐添加剂的溶剂涂层聚乳酸生物复合材料的综合性能研究。研究表明,在欧洲食品安全局参考的特定迁移水平范围内,银的迁移水平显示出抗菌活性,支持这种生物杀灭添加剂在活性食品包装应用中的潜在应用,以提高食品质量和安全性。Intan S.M. A. Tawakkal、Marlene J. Cran等人的《A review of poly (lactic acid)-based materials for antimicrobial packaging(用于抗菌包装的聚乳酸基材料综述)》一文综述了聚乳酸抗菌包装材料的研究进展,研究了抗菌聚乳酸体系的物理力学、热学和其他性质,证明了聚乳酸薄膜为抗菌药物提供了有效的基质,用于食品接触包装的抗菌PLA材料可能会与传统的石油基聚合物材料相竞争,并且具有显著的环境保护效果。Erin M. Sullivan、Robert J. Moon等人的《Processing and characterization of cellulose nanocrystals/polylactic acid nanocomposite films(纳米纤维素晶/聚乳酸纳米复合膜的制备与表征)》一文研究了纳米结晶纤维素(NCC)对聚乳酸薄膜性能的影响,薄膜结晶度随NCC含量的增加而增加,说明NCC作为成核剂,促进结晶,同时NCC的加入增加了薄膜的存储模量,略微拓宽了玻璃化转变区域。Luigi Botta、Vincenzo Fiore等人的《New polylactic acid composites reinforced with artichoke fibers(洋蓟纤维增强聚乳酸复合材料)》一文首次采用洋蓟纤维制备聚乳酸基生物复合材料,采用薄膜堆积法制备了两种纤维载荷相同的聚乳酸/洋蓟复合材料,通过准静态和动态力学试验,对两种复合材料进行了力学性能表征,试验表明随机定向复合材料刚度没有明显提高,拉伸强度较纯聚乳酸有所降低,而单向复合材料拉伸强度高于纯基体。

上述进展显示国外在PLA改性与其降解等方面做了很多研究。笔者针对2000~2018年可降解塑料PLA相关的国际研究进行了系统梳理,结果发现,下列研究机构在PLA上卓有建树。其中,CNR(意大利国家研究委员会)研究文献的突增值为3.4421,该机构在2000~2018年发表的关于可降解塑料PLA薄膜的学术成果有明显的突增,是国外可降解塑料PLA薄膜研究领域比较重要的研究机构,其发表的论文也是可降解塑料PLA薄膜研究领域的重要转折点。

同时发现了在可降解塑料PLA薄膜研究领域的研究热点,如图1所示。

由图1可以看出,“adhesion(附着力)”是国际可降解塑料PLA薄膜研究领域出现频次最高的高频关键词,同时结合后续高频关键词“behavior(行为)”“active packaging(活性包裝)” “barrier property(防护性能)”可知,国际PLA薄膜研究领域重点关注聚乳酸薄膜的防护性能(特别是附着力)变革与创新,以提升PLA薄膜的应用和保护。除“barrier property(防护性能)”是当前PLA薄膜领域的研究热点和重点外,“biocompatibility(生物相容性)”“biodegradable(可生物降解的)”“antimicrobial activity(抗菌活性)”“biomaterial(生物材料)”和“biopolymer(生物聚合物)”也是PLA薄膜领域的研究热点。

由表2、图2所示的图谱分析可知,“nanocomposite-films(纳米复合膜)”“cellulose-nanocrystal(纤维素纳米晶)”“essential-oil(精油)”不仅是当前国际PLA薄膜领域的研究前沿,也是将来国内PLA薄膜领域的研究前沿。

结束语

综上所述,国内外都在可降解塑料PLA领域做了很多研究,可降解塑料由于其可降解和其生物相容性等卓越特性,可以期望的是,其在包装、医疗等领域具有很大的应用前景。然而,可降解塑料PLA在降解方面的研究还处于起步阶段,当前,国内外对于PLA的工作大多处于合成、改性和应用等方面,但是对其降解机理、降解过程中酶的分离的研究偏少,还需要进一步进行深入的系统性研究。再者,从工业化应用而言,可降解塑料PLA的生产工艺需要进一步优化以降低成本,以促成在包装或医疗领域的大面积推广应用。因此,可降解塑料PLA的应用还需要很多的研究才能实现。

作者单位:河南科技大学包装工程系

责任编辑:李倩 liqian@cprint.cn


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