生物質材料增強聚乳酸基復合材料的研究進展

裴培，郁萌，鄧曉玉，羅思樂，劉露露，向青，王欣瑤

（長沙師范學院，長沙 410000）

當前，隨著社會經濟的快速發展，世界范圍內的能源消耗與環境承載均受到了極大的挑戰。性能優異的塑料制品作為典型的高分子材料被廣泛應用，不僅給人類帶來了極大的便利，也給環境造成了巨大的傷害。有報道稱，每年約有800萬噸難以降解的塑料垃圾以及150萬噸微塑料流向海洋[1,2]。為了解決當前塑料材料所帶來的諸多問題，我國出臺了多項政策措施。2020年1月發布的《關于進一步加強塑料污染治理的意見》中明確規定全面禁止使用塑料吸管、一次性餐具等。當前，我國部分城市已開始施行“限塑令”。在此背景下，環境友好型新材料的開發迫在眉睫。

我國“十四五”規劃綱要中明確提出，新材料領域是國家戰略發展的新興產業，生物可降解材料是目前領域內的研究熱點。據統計[2,3]，全球生物可降解材料年產量約100萬噸，年增長率超20%。生物可降解材料因其環境友好及性能優良等特點，受到眾多企業及研究者青睞。因此，從環境保護、政策驅動及行業發展方面出發，生物可降解材料的研究、開發及應用具有重要意義。

我國是農業大國，由于生物質秸稈材料的來源廣泛、資源豐富且具備生物可降解性和再生性，因此其被認為是目前最具發展前景的生物質資源之一。聚乳酸是一種生物降解性能優良的熱塑性材料，然而該材料目前存在成本較高的問題。因此，利用大量產生的生物質秸稈材料填充綠色高分子材料——聚乳酸，既能降低成本，又能保護環境；既能廢物利用，又能為綠色材料的制造提供生態型原材料。

1 聚乳酸

聚乳酸可以天然的植物資源（如玉米、馬鈴薯及各類農作物秸稈等）為原料，通過發酵處理、提取及聚合后制得[3]。在自然環境下，被廢棄的聚乳酸制品可降解為乳酸、CO2和H2O，該材料具備良好的生物降解性能。此外，聚乳酸材料具備良好的力學性能與物理機械性能，因而被廣泛應用于包裝材料、醫用材料、建筑材料等領域。然而大量研究表明，聚乳酸材料具有韌性差、熱穩定性能差、脆性大、結晶度低、價格昂貴等特點。此類特征在一定程度上限制了聚乳酸的實際應用。聚乳酸的生態循環及應用場景[3]如圖1所示。

圖1 聚乳酸的生態循環及應用場景

2 生物質材料

農作物秸稈是生物質材料中的重要類別，我國每年可產生的農作物秸稈總量可達8億噸，近年來秸稈資源產量與使用量比對[4]如圖2所示。當前，在新材料制備領域已使用的生物質材料包括稻草、竹粉、木粉及其他農作物纖維等。有研究稱[2]，以纖維素含量較高的生物質秸稈材料為原料制備復合材料，可提升復合材料的機械性能。

圖2 我國近年來秸稈資源產量與使用量對比圖

2.1 竹纖維

我國竹類資源豐富，竹林總面積約641.16萬公頃[5]。由于竹生長快、成本低、經濟適用性強、力學性能好（具有較高的強度、韌性、硬度及可塑性），因而被普遍認為是一種在結構制造中的理想原料。以竹纖維為原料制備的復合材料可用于制作復合板材，可被應用于家具、建筑材料及包裝材料等領域。有報道稱[5]，竹纖維的添加可提升復合材料的整體結晶速率，可用于制備綠色環保型復合材料。

2.2 稻草

我國是世界上最大的水稻生產國和消費國，稻草是水稻加工過程中產生的主要副產物之一[6]。研究表明，稻草纖維表面含有大量的木質素和SiO2，其表面呈現不規則凸起的網狀結構，比表面積大[7]。因此，稻草纖維用于復合材料加工時，與膠粘劑的結合難度較大。有研究報道，稻草可作為復合材料的增強體[8]，將稻草與聚丙烯、聚乳酸等聚合物進行復合后，可以制備性能較好的新材料。

2.3 松木纖維

松木屬于針葉植物，分布遍及我國各地，具有質地柔順輕韌、彈性好、透氣性強及導熱性能優良等特點，具有研究價值及應用潛力。由于松木纖維來源廣泛、成本低廉且具有良好的生物降解性，也可作為一種良好的天然增韌材料，可被用于復合材料的制備領域。

因此，為了提高生物質材料的利用率，減少資源損耗，探究生物質材料與可降解材料——聚乳酸進行復合的工藝流程及性能優化具有重要的研究價值[9]。

3 復合材料的制備及改性

當前，以聚乳酸為基礎材料，加入增強材料（如生物質材料）等制備綜合性能優異的復合材料是領域內的研究熱點，大量研究者在該領域進行了探索。制備聚乳酸-生物質復合材料的常用工藝有注塑成型法、模壓成型法、熔融擠出法等[10,11]。

此外，大量研究表明[12-15]，由于聚乳酸與填充物之間的性能差異較大，多相間的相容性較差。許多生物質材料所含有的強極性親水羥基，易導致其與非極性且疏水的聚乳酸界面相容性差，從而可影響復合材料的形態、結構、分散均勻性及界面強度等。因此，多數復合材料在制備時可添加相容劑、偶聯劑及表面活性劑等助劑，以改善聚乳酸與填充物之間的界面相容性，提升復合材料的力學性能和親水性能等。

在偶聯劑改性聚乳酸-生物質復合材料領域，韓青[12]等采用三種不同的偶聯劑（硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑CS-201和六亞甲基二異氰酸酯HMDI）分別對玉米秸稈纖維/聚乳酸復合材料進行了界面改性。結果表明，偶聯劑改性處理可使聚乳酸基體與纖維素之間的界面相容性得到明顯改善，并提高了復合材料的拉伸強度及沖擊強度。Lee孫東寶[13]等以聚乳酸和稻殼粉為原料，添加不同含量的殼聚糖、硅烷偶聯劑和NaOH作為改性劑，通過膜壓成型法制備了PLA/稻殼粉復合材料。結果表明，硅烷偶聯劑對復合材料具有較好的綜合改性效果。

在研究馬來酸酐類接枝物對聚乳酸-生物質復合材料的改性方面，大量研究表明，馬來酸酐具有強極性基團，在接枝共聚反應中，馬來酸酐可與聚合物發生接枝反應，使得接枝后的聚合物既具有強極性又具有非極性。劉常衡[14]采用聚乳酸、10%馬來酸苷接枝的聚乳酸相容劑以及絲光處理的椰殼纖維，通過轉矩流變儀制備出了相容性、力學性能和界面性能優良的聚乳酸-椰殼纖維復合材料。

在研究甘油對聚乳酸-生物質復合材料的改性方面，王瑩等[15]采用熔融擠出和3D打印方法制備了楊木粉/聚乳酸復合材料，探究了甘油影響復合材料力學性能的原因。該研究發現，甘油能破壞聚乳酸的晶體結構，且能增強復合材料兩相界面的相容性。

4 展望

當前，采用生物質材料——聚乳酸（以聚乳酸為基材）制備各類復合材料的研究已成為領域內的研究熱點。大量研究報道對材料成型加工方法的選擇、配方設計以及生物質材料的改性等方面進行了工藝優化，對復合材料的力學性能、結晶度、熱穩定性以及降解性能等進行了測試分析。開發和利用生物質材料、擴大原材料的選取范圍、使復合材料更加多元、提升復合材料的綜合性能是本領域未來的研究方向。新型復合材料的制備具有重要的研究意義和廣闊的應用前景。