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摘要：为了改进聚乳酸（PLA）在结晶性能、热稳定性和脆性等方面的性能，引入纳米纤维素，制成具有优良性能的聚乳酸/纳米纤维素复合泡沫材料。研究改复合材料的发泡成型机理有助于了解纳米纤维素/聚乳酸复合泡沫材料的性能，以及为进一步改进性能和拓宽其应用具有重要意义。

关键词：聚乳酸；纳米纤维素；成型机理；应用

1.引言

聚乳酸（PLA）是一种具有可塑性强，生物相容性好，物理可加工性强的可生物降解性新型材料，但其结晶性能差，热稳定性差，脆性高等特点限制了聚乳酸在包装领域和生物医学领域的发展。为了解决聚乳酸的缺点，选择具有可生物降解性的纳米纤维素作为改性材料。纳米纤维素具有优异的机械性能，比表面积大，高结晶度，高疏水性，高透明度，低密度，良好的生物相容性和生物可降解性，以及极其稳定的化学性质。因此探索纳米纤维素/聚乳酸复合泡沫的发泡成型机理及了解其应用至关重要。

2.纳米纤维素/聚乳酸复合泡沫的发泡成型机理探索

普通聚合物的发泡过程包括气泡的成核、长大、稳定和定型四个阶段，其中气泡的成核阶段对于泡孔的分布起决定性作用，气泡的稳定和定型阶段则决定了泡孔大小。根据经典成核理论，当在一定的温度和压力条件时，气体在聚合物中的溶解度达到平衡，就会倾向于从聚合物的集中逃离出来，当这种微小的气体分子在聚合物中集中形成许多微小气泡的过程就是气泡成核过程。新气泡的形成必然有新泡孔孔壁产生，而这个过程需要克服一定的能垒，也就是说，需要增加体系自由能，其中公式（1）为成核前后吉布斯自由能的变化关系式[1]，

式中：r：气泡核半径。式（2）的等号右边第一项为体积自由能，第二项为界面能。而聚合物中气泡成核过程就是气体克服聚合物熔体表面张力做功的过程。在聚乳酸溶液中加入氯化钠颗粒和纳米纤维素纤维，两者进入体系之后，均能够起到异相晶体成核的作用，它们为整个体系提供了很多现成的小晶核，而不需要消耗体系本身的能量去生成气泡核，因此降低了体系生成小气泡核所需要的自由能，加速了整个体系的发泡成核过程[1]。

3.纳米纤维素/聚乳酸复合材料的应用

Favier等人[2]首次将纳米纤维素用于增强（苯乙烯-丙烯酸丁酯基）纳米复合材料，随后，纳米纤维素增强聚合物（如聚乳酸，聚丙烯，聚氨酯等等）材料广泛的发展起来。所制备的纳米复合材料的性能主要取决于两方面，一方面是纳米纤维素本身的性能和特点，另一方面是聚合物的类型和特性。聚乳酸作为一种生物可降解材料，在该领域引起了广泛的注意，但是其在结晶性能、热稳定性和脆性等方面的性能制约了其发展，研究者们通过将纳米纤维素与聚乳酸结合，可以改善PLA较脆的性质[3]，还可以提高力学性能，而聚乳酸本身的优良性质不受明显的影响，这样就扩大了聚乳酸的应用范围。

Tingaut等人[4]以聚乳酸为基体，乙酰化纤维素纳米纤丝为共聚物，用来改良聚乳酸缺点，在氯仿中通过溶剂浇铸法制备了性能可调的聚乳酸生物纳米复合材料，他们用乙酸酐对纳米纤维素进行表面改性可以降低天然纳米纤维的亲水性，增强其与聚乳酸基体的相容性。研究证明所得聚乳酸纳米复合材料的性能可以通过调节乙酰化程度和乙酰化纤维素纳米纤丝的量来调控。与用未改性的乙酰化纤维素纳米纤丝制备的复合材料相比，改性的材料具有更好的分散性、热稳定性和较低的吸湿性

由于聚乳酸和纳米纤维素均可降解，生物相容性也较好，故聚乳酸/纳米纤维素复合材料可用于组织修复材料上，例如可生产医用膜，用于肌腱包裹、老膜修复以及一些神经导管的术后防粘连等。一些骨折内固定支架、药物缓释载体、可吸收的手术缝合线等也可采用该复合材料。聚乳酸因其较好的降解性，经常用于医药方面，陈品鸿等人[5]通过静电纺丝技术，制备了聚乳酸纳米纤维基复合药物载体。

另外，纳米纤维素悬浮液具有高粘度和在低固体含量下时所产生的屈服应力会给高速加工带来有害影响。聚乳酸（PLA）在这方面具有优良性能，但是它会对水蒸气建立较高的耐受性会造成对氧气有较差的阻隔性。目前的工作研究了将这两种材料结合成纸板上的薄多层涂层的可能性。Koppolu等人[6]使用定制的狭缝模具将微纤化纤维素或纤维素纳米晶体涂覆到涂有颜料的基板上，然后用中试规模的挤出涂布机将聚乳酸涂布在基板上，以低密度聚乙烯作为挤压涂层的参考，纳米纤维素预涂和电晕处理分别提高了纳米纤维素/基板和纳米纤维素/聚乳酸界面的附着力。

4.展望与前景

聚乳酸/纳米纤维素复合泡沫材料在可持续、生物可降解材料领域具有巨大的前景。这种复合材料结合了聚乳酸和纳米纤维素的优点，具有较好的力学性能、生物降解性能和资源可再生性质。在材料应用中，这种复合泡沫材料可以替代传统的聚苯乙烯泡沫，应用于包装材料、建筑隔热材料、医疗用品等领域。由于其生物可降解的特性，可以减少对环境的污染，对于促进循环经济和可持续发展具有重要意义。

参考文献

[1]王占红. 纳米纤维素/聚乳酸复合材料的制备、结构及性能研究[D]. 南京航空航天大学， 2020.

[2]Favier V， Chanzy H， Cavaille JY. Polymer nanocomposites reinforced by cellulose whiskers[J]. Macromolecules， 1995，28（18）： 6365-6367．

[3]杨伟军， 齐国闯， 马丕明， 等. PLA 纳米复合材料在食品包装的应用研究进展[J]. 塑料包装， 2019，29（2）： 19-24.

[4]Tingaut P， Zimmermann T， Lopez-Suevos F. Synthesis and characterization of bionanocomposites with tunable properties from poly（lactic acid） and acetylated microfibrillated cellulose[J]. Biomacromolecules 2010，11（2）： 454-464.

[5]陈品鸿， 苏灿坤， 林若玫， 等. 静电纺丝载药聚乳酸 （PLA ）纳米纤维膜的综合 实验设计[J]. 实验技术与管理， 2020，37（7）： 74-79.

[6]Koppolu R， Lahti J， Abitbol T， et al. Continuous processing of nanocellulose and polylactic acid into multilayer barrier coatings[J]. ACS Applied Materials Interfaces， 2019，11：11920-11927.

基金项目：河北农业大学大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：S202410086013）

作者简介：王是蛟（2004.04-），女，汉族，河北石家庄人，河北农业大学本科在读，研究方向：聚乳酸高分子材料。