氧化石墨烯+可降解聚合物=适用于食品包装的新复合材料

聚乳酸 (PLA) 是一种由可再生生物质制成的聚合物；通常是发酵的植物淀粉，如玉米、甘蔗、木薯或甜菜。在使用中，它表现出与某些石油衍生聚合物相似的机械和物理特性，但它是可生物降解的——在商业堆肥条件下，PLA 将在十二周内分解，而聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 则需要几个世纪。广泛应用于生物医学和纺织行业，近年来它在食品包装领域的受欢迎程度有了巨大的增长。然而，PLA 被视为“临时”解决方案。非常适合节日期间的外卖咖啡杯和食品容器，但由于其阻隔性能差（对水蒸气和氧气的渗透性高），因此根本不适合长期储存食品。为了解决这一限制，来自智利的一个跨学科研究团队开发了一系列 PLA 纳米复合材料，将可生物降解的聚合物与功能化氧化石墨烯 (GO) 相结合。他们的研究成果发表在《Polymer Testing》7月刊上。

他们首先生产氧化石墨烯，然后在两种不同的温度下——25°C（GO-DA1 和 GO-ODA1）和80°C（GO-DA2 和 GO-ODA2）——用两种类型的烷基胺（癸胺 (DA) 和十八胺 (ODA)）对其进行功能化。使用熔融混合技术，将这些功能化的 GO 纳米颗粒填料以不同的负载量（0.2、0.7、2 wt%）掺入 PLA 中。制备的复合薄膜厚度为 1.0 毫米（用于机械测试）或 0.1 毫米（用于渗透率分析），并经历了一系列其他表征阶段，包括 FTIR 光谱、热重分析和差示扫描量热法。

石墨、GO、GO-ODA1、GO-ODA2、GO-DA1 和 GO-DA2 的 X 射线衍射图。

他们发现温度对氧化石墨烯功能化阶段有显著影响——在 80 °C 下进行的反应显示出比室温下更高的质量产率。元素分析表明，功能化将氮添加到纳米颗粒中，达到 GO-DA2 的最大含量（3.92 wt%）。X 射线衍射和 FTIR 支持这一发现，证实了功能化纳米粒子上存在烷基链。纳米颗粒的热分析发现，虽然氧化石墨烯在 130 到 280 °C 之间表现出显着的质量损失 (38%)，但功能化氧化石墨烯的热稳定性要高得多——例如，GO-DA2 的质量损失仅为 12%，GO-ODA2的质量损失仅为7% 。复合薄膜的量热曲线表明，PLA-GO 的结晶度低于任何 PLA 功能化的 GO 薄膜——这表明功能化促进了复合材料的聚合物与其填料之间更高的亲和力。复合材料的光学显微镜分析证实了这一结果。

研究发现，随着纳米颗粒负载量的增加，PLA 复合材料的机械性能略有下降。他们将此归因于四个因素，“……团聚体的形成、纳米复合材料结晶度的降低、颗粒-聚合物界面裂缝的形成以及改性氧化石墨烯中存在的烷基链的增塑作用。”阻隔测试表明，随着纳米颗粒负载量的增加，复合材料的氧气和水蒸气的渗透性显著降低。复合材料 PLA-GO-ODA2 表现出最佳的整体阻隔性能——在0.7wt%时，透氧率与标准 PLA 相比降低了30.4%。与单独使用 PLA 相比，仅使用0.2 wt%的GO-ODA2可使水蒸气渗透率降低 50.2%。

“除了其他可能的应用之外，这种阻隔性能的显著改进使这种材料适用于食品包装。”

文章来源：materialstoday