可降解塑料聚乳酸(PLA) 國(guó)外研發(fā)熱點(diǎn)與前沿透視

魏風(fēng)軍 楊冰冰

可降解塑料聚乳酸（PLA）是通過(guò)主要原料乳酸進(jìn)而得到的聚合物，由于原料來(lái)源充分，主要來(lái)源以含淀粉的玉米、小麥、木薯等為主，其生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染，因?yàn)榭山到馑芰暇廴樗岬纳锵嗳菪院?、環(huán)境安全、沒(méi)有毒性，它加工性?xún)?yōu)良、機(jī)械性能、光透明度也很好，可用于食品、藥品等多種包裝材料領(lǐng)域，由于生成的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，故而是理想的綠色高分子材料。本文結(jié)合知識(shí)圖譜，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)近20年可降解塑料PLA研發(fā)熱點(diǎn)與前沿進(jìn)行透視，希冀對(duì)國(guó)內(nèi)研究可降解塑料PLA的人員有所啟示。

國(guó)內(nèi)可降解塑料PLA研究進(jìn)展

到目前為止，國(guó)內(nèi)在可降解塑料PLA薄膜的制備與性能研究上取得了一定的成果，學(xué)者們主要將研究重點(diǎn)放在可降解塑料PLA薄膜于食品保鮮、生物醫(yī)學(xué)、復(fù)合改性方面的研究。楊帆、陳一岳、林茵等人的《聚乳酸的降解性能及其微球劑的研究》一文研究了聚乳酸的降解性能和制備聚乳酸紅霉素微球，試驗(yàn)結(jié)論表明聚乳酸的降解與分子量和構(gòu)型有關(guān)，微球具有明顯的緩釋作用。陳米娜、魏大鵬、范昕建等人的《聚乳酸材料對(duì)成骨樣細(xì)胞增殖和分化的影響》一文研究了骨樣細(xì)胞增殖和分化在聚乳酸的作用下產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)結(jié)論表明預(yù)處理后的聚乳酸薄膜，對(duì)成骨樣細(xì)胞增殖和分化沒(méi)有抑制作用，某種程度上，反而有輕微的促進(jìn)作用。王建清、符秀科、金政偉等人的《全降解聚乳酸薄膜的增塑改性》一文講述了采用吹塑法制備PLA薄膜，研究了不同增塑劑、增韌劑以及復(fù)配增塑體系對(duì)聚乳酸薄膜性能的影響，并通過(guò)掃描電鏡分析薄膜斷面結(jié)構(gòu)及其體系的相容性。駱文杰、張偉陽(yáng)、程樹(shù)軍等人的《聚乳酸薄膜包裝袋對(duì)楊桃保鮮效果的研究》一文進(jìn)行了聚乳酸薄膜包裝袋對(duì)楊桃保鮮效果的研究，分別采用聚乳酸和聚乙烯包裝袋來(lái)包裝楊桃，以未包裝的楊桃為對(duì)照，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了聚乳酸包裝的確可以有效地延長(zhǎng)楊桃的貨架期。張高章、李玲等人的《聚乳酸改性及在骨修復(fù)中的應(yīng)用》一文著重介紹了在骨修復(fù)應(yīng)用中改性的聚乳酸復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，并且介紹了國(guó)內(nèi)外的研究者們，通過(guò)一定方法和技術(shù)改進(jìn)骨修復(fù)領(lǐng)域中聚乳酸基復(fù)合材料存在的一些缺陷，最后指出今后幾年的主要研究方向。呂艷娜、王一寧、謝宜彤等人的《聚乳酸/茶多酚抗氧化膜的制備及其性能研究》一文以聚乳酸（PLA）為基材，茶多酚（TP）為抗氧化劑，通過(guò)流延法制備了具抗氧化活性的可降解PLA/TP共混膜，研究結(jié)果表明茶多酚與聚乳酸基質(zhì)間發(fā)生了相互作用，茶多酚在聚乳酸基質(zhì)中具有較好的分散性。

由上述可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)對(duì)PLA進(jìn)行了大量的研究，然而，限制于當(dāng)前PLA工藝的成熟性與成本之間的難易協(xié)同，當(dāng)前國(guó)內(nèi)研發(fā)與生產(chǎn)的PLA成本居高不下，在推廣上有很大的難度。據(jù)悉，東莞某公司研發(fā)的可降解PLA薄膜制品已經(jīng)成功用于種子等產(chǎn)品的包裝并出口美國(guó)、加拿大等國(guó)家。

國(guó)外PLA研究進(jìn)展、機(jī)構(gòu)與研究熱點(diǎn)

筆者對(duì)PLA相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理與分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)國(guó)外在PLA相關(guān)聯(lián)的食品科學(xué)技術(shù)、納米技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)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（聚乳酸膜預(yù)防腹腔粘連的動(dòng)物研究）》一文研究的目的是評(píng)價(jià)可吸收聚乳酸膜在動(dòng)物模型中預(yù)防術(shù)后腹腔內(nèi)粘連的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明在本模型中，腹部手術(shù)期間策略性放置聚乳酸膜與術(shù)后腹腔內(nèi)粘連的發(fā)生率和嚴(yán)重程度顯著降低有關(guān)。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（聚乳酸涂層大豆分離蛋白膜的力學(xué)性能和阻隔性能）》一文闡述了將大豆分離蛋白膜浸入聚乳酸溶液中，制備了聚乳酸涂層大豆分離蛋白膜，通過(guò)測(cè)定薄膜的拉伸強(qiáng)度（TS）、斷裂延伸率（E）、水蒸氣滲透性（WVP）和水溶性（WS）等性能，測(cè)試了涂層對(duì)改善薄膜力學(xué)性能和水阻性能的影響。Busolo Maria A.、Fernandez Patricia、Ocio Maria J.等人的《Novel silver-based nanoclay as an antimicrobial in polylactic acid food packaging coatings（新型銀基納米黏土在聚乳酸食品包裝涂料中的抗菌作用）》一文介紹了一種含新型銀基抗菌層狀硅酸鹽添加劑的溶劑涂層聚乳酸生物復(fù)合材料的綜合性能研究。研究表明，在歐洲食品安全局參考的特定遷移水平范圍內(nèi)，銀的遷移水平顯示出抗菌活性，支持這種生物殺滅添加劑在活性食品包裝應(yīng)用中的潛在應(yīng)用，以提高食品質(zhì)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（用于抗菌包裝的聚乳酸基材料綜述）》一文綜述了聚乳酸抗菌包裝材料的研究進(jìn)展，研究了抗菌聚乳酸體系的物理力學(xué)、熱學(xué)和其他性質(zhì)，證明了聚乳酸薄膜為抗菌藥物提供了有效的基質(zhì)，用于食品接觸包裝的抗菌PLA材料可能會(huì)與傳統(tǒng)的石油基聚合物材料相競(jìng)爭(zhēng)，并且具有顯著的環(huán)境保護(hù)效果。Erin M. Sullivan、Robert J. Moon等人的《Processing and characterization of cellulose nanocrystals/polylactic acid nanocomposite films（納米纖維素晶/聚乳酸納米復(fù)合膜的制備與表征）》一文研究了納米結(jié)晶纖維素（NCC）對(duì)聚乳酸薄膜性能的影響，薄膜結(jié)晶度隨NCC含量的增加而增加，說(shuō)明NCC作為成核劑，促進(jìn)結(jié)晶，同時(shí)NCC的加入增加了薄膜的存儲(chǔ)模量，略微拓寬了玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域。Luigi Botta、Vincenzo Fiore等人的《New polylactic acid composites reinforced with artichoke fibers（洋薊纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料）》一文首次采用洋薊纖維制備聚乳酸基生物復(fù)合材料，采用薄膜堆積法制備了兩種纖維載荷相同的聚乳酸/洋薊復(fù)合材料，通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)兩種復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能表征，試驗(yàn)表明隨機(jī)定向復(fù)合材料剛度沒(méi)有明顯提高，拉伸強(qiáng)度較純聚乳酸有所降低，而單向復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度高于純基體。

上述進(jìn)展顯示國(guó)外在PLA改性與其降解等方面做了很多研究。筆者針對(duì)2000～2018年可降解塑料PLA相關(guān)的國(guó)際研究進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，下列研究機(jī)構(gòu)在PLA上卓有建樹(shù)。其中，CNR（意大利國(guó)家研究委員會(huì)）研究文獻(xiàn)的突增值為3.4421，該機(jī)構(gòu)在2000～2018年發(fā)表的關(guān)于可降解塑料PLA薄膜的學(xué)術(shù)成果有明顯的突增，是國(guó)外可降解塑料PLA薄膜研究領(lǐng)域比較重要的研究機(jī)構(gòu)，其發(fā)表的論文也是可降解塑料PLA薄膜研究領(lǐng)域的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)了在可降解塑料PLA薄膜研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，如圖1所示。

由圖1可以看出，“adhesion（附著力）”是國(guó)際可降解塑料PLA薄膜研究領(lǐng)域出現(xiàn)頻次最高的高頻關(guān)鍵詞，同時(shí)結(jié)合后續(xù)高頻關(guān)鍵詞“behavior（行為）”“active packaging（活性包裝）” “barrier property（防護(hù)性能）”可知，國(guó)際PLA薄膜研究領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注聚乳酸薄膜的防護(hù)性能（特別是附著力）變革與創(chuàng)新，以提升PLA薄膜的應(yīng)用和保護(hù)。除“barrier property（防護(hù)性能）”是當(dāng)前PLA薄膜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)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薄膜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

由表2、圖2所示的圖譜分析可知，“nanocomposite-films（納米復(fù)合膜）”“cellulose-nanocrystal（纖維素納米晶）”“essential-oil（精油）”不僅是當(dāng)前國(guó)際PLA薄膜領(lǐng)域的研究前沿，也是將來(lái)國(guó)內(nèi)PLA薄膜領(lǐng)域的研究前沿。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外都在可降解塑料PLA領(lǐng)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，其在包裝、醫(yī)療等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。然而，可降解塑料PLA在降解方面的研究還處于起步階段，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于PLA的工作大多處于合成、改性和應(yīng)用等方面，但是對(duì)其降解機(jī)理、降解過(guò)程中酶的分離的研究偏少，還需要進(jìn)一步進(jìn)行深入的系統(tǒng)性研究。再者，從工業(yè)化應(yīng)用而言，可降解塑料PLA的生產(chǎn)工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化以降低成本，以促成在包裝或醫(yī)療領(lǐng)域的大面積推廣應(yīng)用。因此，可降解塑料PLA的應(yīng)用還需要很多的研究才能實(shí)現(xiàn)。

作者單位：河南科技大學(xué)包裝工程系

責(zé)任編輯：李倩 liqian@cprint.cn