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寧波材料所在綠色環保的超臨界流體物理發泡法制備聚乳酸發泡材料方面取得新進展
作者:,日期:2021-11-11

  聚乳酸(PLA)是一種以可再生資源為原料,且具有可完全生物降解性、良好生物相容性的環境友好型高分子聚合物,被譽為最具有發展潛力的生物基高分子材料。正式發布的《中國制造2025》重點領域技術路線圖中也將PLA放在先進輕工材料的首位。PLA無毒、無刺激性,具有優良的可生物降解性和生物相容性,并可采用傳統的方法成型加工,廣泛應用于生物醫藥領域。但是由于通用聚乳酸的熔體強度低,制備成發泡材料后,其泡孔易破裂,力學性能差,難以滿足實際應用需求。

  緩沖包裝材料以及餐飲包裝材料是聚乳酸發泡制品的主要應用領域。將聚乳酸制備成發泡材料進行應用,對環境友好,不僅可以改善聚乳酸的韌性,并可有效降低原材料成本。中國科學院寧波材料技術與工程研究所高分子先進加工團隊鄭文革研究員和汪龍研究員一直致力于研發滿足市場應用需求的聚乳酸發泡材料。目前,其團隊突破了通用聚乳酸微發泡的技術難題,用超臨界連續擠出發泡法、釜壓發泡法以及注塑微發泡法都可以制備出高膨脹倍率的聚乳酸發泡材料()Ind. Eng. Chem. Res, 2013, 52: 13411-13421; Ind. Eng. Chem. Res, 2016, 55, 12557-12568; Chem. Eng. J, 2017, 327:1151)。用釜壓發泡工藝也成功實現了膨脹倍率為20~50倍的聚乳酸發泡珠粒的可控制備(中國發明專利,申請號:201911171912.4)。該技術制備條件溫和、生產過程穩定,具有極高的產業化價值。將聚乳酸發泡珠粒采用傳統的水蒸氣成型機進行成型,根據模具的設計差異,可以制備出不同形狀的聚乳酸發泡制品以滿足市場應用需求(圖1)。因注塑微發泡法可以一步成型結構復雜的泡沫制品,具有加工成型循環周期短的優勢,商業應用前景非常廣闊。目前,研究人員通過對來源同樣廣泛,且可再生、可生物降解,并具有優良力學性能的納米纖維素(CNF)進行表面改性,利用熔融加工技術,制備了大量可工業化生產的PLA/CNF納米復合材料。然后,采用注塑微發泡法制備了輕質高強的聚乳酸發泡材料,其密度為0.05~0.7 g/cm3,最大比拉伸強度為60 MPa,最大比楊氏模量為2.2 GPa(PCT專利,申請號:PCT/CN2020/114854,中國發明專利,申請號:201911171912.4)。

  近期,高分子先進加工團隊在聚乳酸微孔膜的制備方面取得進展。聚乳酸微孔膜作為一種新型的可持續多孔功能膜材料,具有分級分離、負載、緩釋等特點,在生物醫用、水體凈化等方面具有廣泛的應用前景。雖然高壓流體物理發泡技術在綠色環保、規?;苽涞确矫婢哂兄T多優勢,但在制備聚乳酸微孔膜方面仍存在一些技術挑戰。一是當薄膜原始厚度小于50mm,高壓流體發泡劑逃逸較快,導致泡孔成核點減少,從而難以制得理想泡孔結構的聚乳酸微孔膜;二是高壓流體發泡技術難以制備出具有“由表至里”開孔或通孔結構的聚乳酸微孔膜。研究人員創新提出采用高壓流體與空間受限發泡制備聚乳酸微孔膜。為了減少氣體從聚乳酸薄膜中逸出,設計了PET/PLA/PET三明治結構,如圖1所示。先采用熱壓機制備PET/PLA/PET三明治結構(圖2a,b),通過調節初始膜厚度、飽和壓力和發泡溫度,成功制備了由封閉橢圓孔向高度有序直孔轉變的可控孔結構聚乳酸多孔膜(如圖3),聚乳酸多孔膜的最終開孔率值高達72%。該工作為無溶劑法工業化制備聚乳酸多孔膜開辟了一條簡單、綠色的途徑,在水凈化和組織工程領域具有廣闊的應用前景。

  該工作相關結果已發表于國際期刊Int. J. Biol. Macromol. 2021, 182, 1037(DOI:10.1016/j.ijbiomac.2021.04.105)。上述工作得到了寧波市自然科學基金(2019A610143)、浙江省自然科學基金(LQ21B040003)、國家自然科學基金(52003280)的大力資助。

圖1 聚乳酸發泡珠粒的粘結成型圖

圖2 聚乳酸多孔膜的制備工藝流程

圖3 聚乳酸通孔膜的微觀形態

  (高分子實驗室 任倩)

  

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