食品包裝盒有救了!

2020-12-23 找塑料網

生物降解材料研究院原創報導：食品包裝對於延長食品的保質期，保持甚至提高食品的質量至關重要。儘管食品包裝材料在食品製造業中非常關鍵，但其目前主要缺陷之一是材料的遷移性和滲透性。

這種缺陷在很大程度上是由於目前的材料不足以提供一道對包裝食品中所含氣體、水蒸氣或天然物質的完全不可滲透的屏障。因此，在不影響包裝食品安全和質量的情況下，開發基於生物聚合物的增強性能食品包裝材料是一項重要的研究工作。

聚乳酸(PLA)是一種性能優良的可生物降解材料，具有廣闊的應用前景。目前，研究人員對聚乳酸及其複合材料在3D列印領域的應用很感興趣。

除了在3D列印中的應用外，PLA還是一種有吸引力的包裝應用生物聚合物。這歸功於它的眾多優點，如良好的生物降解性、優異的機械性能、無毒性質和高光學透明度。

因此，基於上述優點，聚乳酸通常被認為是一種很有前途的可生物降解的聚乙烯替代材料。然而，PLA的氣體阻隔性能不夠理想，而且韌性較差，這使得它很少被包裝行業採用。因此，為了提高聚乳酸薄膜的實用性，必須顯著提高聚乳酸薄膜的阻氣性能。

賦予聚合物膜高阻隔性的策略之一是通過將不滲透的納米片填料加入到聚合物基質中。這說明選擇合適的填料是實現高阻隔性薄膜非常重要的一步。

氧化石墨烯(GO)作為一種常用的填料材料，由於其緊密堆積的平面結構、較大的長徑比和顯著的高比表面積，其具有的優異氣體阻隔性能備受關注。

氧化石墨烯(GO)結構示意圖

近日，據《Materials》報導，北京工商大學研究人員採用無溶劑熔融共混法製備了氧化石墨烯(GO)/聚乳酸(PLA)納米複合材料，並將其作為潛在的阻氧包裝膜進行了研究。

同時，研究人員為了使氧化石墨烯在聚乳酸基體中均勻分散，採用疏水矽烷偶聯劑γ-(2，3-環氧丙氧基)丙基三甲氧基矽烷(KH560)對氧化石墨烯進行改性。

(a)純PLA、(b)GO0.25/PLA、(c)GO0.75/PLA和(d)GO1.0/PLA的SEM圖像

為了充分利用GO的有利性能，必須實現GO在聚合物基體中的均勻分散，以獲得所需的性能。GO/聚合物納米複合材料的製備主要採用三種合成策略：溶液混合、熔融混合和原位聚合。

在這三種合成策略中，溶液混合被廣泛認為是製備GO/聚合物的有效方法，因為GO在水或有機溶劑（如丙酮、氯仿、四氫呋喃、二甲基甲醯胺或甲苯）中易於加工。

儘管與熔融混合過程相比，溶液混合通常能夠改善顆粒在基質中的分散性，但由於漫長的溶劑蒸發過程，顆粒仍可能發生重新聚集。

此外，溶劑混合方法還存在一些問題，如最終產品中殘留的溶劑，使用過多且昂貴的溶劑，以及產生二次廢流，這些都極大地阻礙了該方法在大規模製備GO/聚合物包裝膜中的大規模採用。

溶液混合策略

由於KH560的環氧基團與PLA的羧基和羥基端基之間形成了共價鍵，改性後的GO與PLA具有良好的粘接性能。

此外，由於KH560具有較長的烷基側鏈，從而提高了GO的熱穩定性和PLA的結晶度。在KH560-GO/PLA複合膜中，KH560-GO通過雙重作用機制幫助該複合膜降低透氧性：(1)由於其天然的阻隔性能而提供物理阻隔，(2)通過提高結晶度來降低透氧性。

(a)GO0.75/PLA和(b)KH560-GO0.75/PLA的SEM圖像

研究人員還進一步通過拉曼光譜、熱重分析和原子力顯微鏡測試，確定了GO粉末和KH560-GO粉末的結構和形貌，採用X射線衍射(XRD)和差示掃描量熱法(DSC)對納米複合材料的結晶度進行了表徵。

GO粉末和GO-KH560粉末的(a)拉曼光譜和(b)熱重分析

GO(a，b)和KH560-GO(c，d)的AFM圖像和高度剖面

(a)GO/PLA和(b)KH560-GO/PLA納米複合材料的XRD曲線

(a)GO/PLA和(b)KH560-GO/PLA納米複合材料的二次加熱曲線

該團隊製備的KH560-GO0.75/PLA膜比純PLA膜和GO0.75/PLA膜的氧氣滲透量分別降低了大約33%和13%。

此外，力學性能和衝擊斷口分析表明，KH560-GO/PLA的拉伸強度和斷裂伸長率的提高是由於KH560-GO的環氧基與PLA基體的羥基和羧酸端基之間具有較強的界面粘附性和粘結性。

氧化石墨烯/聚乳酸納米複合膜的氣體滲透性

(a)GO/PLA和(b)KH560-GO/PLA樣品的O2滲透率隨GO和KH560-GO含量的變化

比較了PO2和Bharadwaj模型在GO和KH560-GO載荷下的相對滲透率實驗數據(黃色符號表示GO/PLA，藍色符號表示KH560-GO/PLA)

(a)GO/PLA納米複合材料的應力-應變曲線，(b)GO0.75/PLA和KH560-GO0.75/PLA的應力-應變曲線比較， GO/PLA和KH560-GO/PLA納米複合材料的(c)拉伸強度和(d)斷裂伸長率

END

文章來源：生物降解材料研究院

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