顆粒在線訊：生活中廣泛使用的塑料產(chǎn)生大量不可降解的廢污染物。研究表明，開(kāi)發(fā)聚乳酸（PLA）等可生物降解材料是減少對(duì)不可降解塑料的依賴和這些廢物積累的有前途的策略。然而，制造具有優(yōu)異機(jī)械和阻隔性能的高性能可生物降解薄膜仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

有鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士、管慶方特任副研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入最有效的仿生模型之一的“磚和泥”結(jié)構(gòu)來(lái)改善材料的綜合性能。提出了PLA輔助的剝離和分散方法，以天然礦物云母為原料制備PLA包覆的云母納米片(納米云母/PLA)。通過(guò)引入剪切力組件，可以制造出一種具有“磚和泥”結(jié)構(gòu)的珍珠質(zhì)納米復(fù)合薄膜。這種珍珠質(zhì)納米復(fù)合膜顯示出優(yōu)異的機(jī)械性能、紫外線屏蔽和阻氣性能。珍珠質(zhì)納米復(fù)合薄膜的整體性能優(yōu)于商業(yè)塑料薄膜，這將有可能打開(kāi)PLA在包裝領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的道路。這項(xiàng)研究以“Nacre-Inspired Nanocomposite Films with Enhanced Mechanical and Barrier Properties by Self-Assembly of Poly(Lactic Acid) Coated Mica Nanosheets”為題發(fā)表在著名期刊Advanced Functional Materials。

【珍珠質(zhì)納米復(fù)合薄膜的設(shè)計(jì)與制備】

一般來(lái)說(shuō)，“磚”的選擇在珍珠質(zhì)“磚和泥”結(jié)構(gòu)材料的制造中起著關(guān)鍵作用。天然云母被選為“磚”的原料，主要是因?yàn)樗哂胸S富的儲(chǔ)量和優(yōu)異的紫外線防護(hù)性能。為了從云母中提取2D納米級(jí)構(gòu)建塊，將天然云母機(jī)械粉碎成云母粉末，然后將其加入PLA溶液中并依次用高速剪切和超聲波處理。通過(guò)上述兩步處理，云母成功剝離到涂有PLA分子的2D無(wú)機(jī)云母納米片（納米云母）上。作者發(fā)現(xiàn)納米云母片可以在PLA溶液中形成均勻的分散體。PLA分子的修飾極大地促進(jìn)了PLA和納米云母片之間的結(jié)合能力，這使得隨后的自組裝過(guò)程成為可能。

圖1 珍珠質(zhì)納米云母/PLA納米復(fù)合膜的制備

【PLA輔助納米云母片的剝離】

與氧化石墨烯，氮化硼等合成納米級(jí)積木相比，納米云母片具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。此外，與納米粘土和其他親水性無(wú)機(jī)片材相比，納米云母片材在有機(jī)溶劑和聚合物基質(zhì)中具有更好的分散性和穩(wěn)定性。因此，如何制備具有高性能的納米云母基珍珠質(zhì)聚合物復(fù)合材料將具有廣闊的應(yīng)用前景。天然從云母剝離為納米云母片，通過(guò)PLA溶液中的高速剪切和超聲處理，云母粉末分解成納米級(jí)片材。納米云母表面上的分子極大地促進(jìn)了其在有機(jī)溶劑中的穩(wěn)定性和分散性，這使得納米云母片均勻分布在PLA基體中。

圖2 納米云母片的表征

【珍珠質(zhì)納米復(fù)合薄膜的力學(xué)性能】

受益于珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與純PLA相比，納米云母/PLA納米復(fù)合膜的機(jī)械性能大大提高。納米云母/PLA的拉伸強(qiáng)度測(cè)試顯示薄膜持續(xù)增加直至納米云母的添加量增加至20 wt%。最高抗拉強(qiáng)度(≈97 MPa）、楊氏模量(≈8 GPa）和韌性(≈1.5兆焦耳?3） 珍珠質(zhì)激發(fā)薄膜的重量為20 wt%，與PLA薄膜相比分別增加了86.5%、116%和25%。納米復(fù)合膜強(qiáng)度的顯著提高可歸因于通過(guò)剪切力組裝和蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝構(gòu)建的“磚和泥”結(jié)構(gòu)。這種納米復(fù)合薄膜的高強(qiáng)度和高模量源于具有高剛度的納米云母磚以及納米云母片和PLA分子之間的強(qiáng)相互作用。

圖3 珍珠質(zhì)納米云母/PLA納米復(fù)合薄膜與不同納米云母片含量的力學(xué)性能比較

【珍珠質(zhì)納米復(fù)合薄膜的阻擋和紫外線屏蔽性能】

除了機(jī)械性能外，阻氣也是包裝材料的重要性能。與其他塑料薄膜相比，PLA的高結(jié)晶度使其具有相對(duì)高的阻氧性能。20 wt%納米云母片的珍珠質(zhì)啟發(fā)膜的OTR低至7.04 mm cm?3 m?2 day?1，可作為堅(jiān)果、藥品等氧化敏感產(chǎn)品的包裝材料。珍珠質(zhì)薄膜（添加量：40 %）的水蒸氣阻隔性比純PLA薄膜好約4倍。與市售的乙酸乙烯酯共聚物（EVA）包裝膜相比，改進(jìn)近3倍。PLA添加有序的納米云母片顯著提高了珍珠質(zhì)薄膜的油脂阻隔性能。與純PLA薄膜相比，珍珠質(zhì)薄膜的油脂阻擋提高了6倍。珍珠質(zhì)薄膜具有出色的潤(rùn)滑脂阻隔性能，為化妝品，藥品和富含揮發(fā)油的食品的包裝材料提供了全新的選擇。

珍珠質(zhì)納米復(fù)合薄膜還具有出色的紫外線屏蔽性能。納米云母/PLA生物激發(fā)復(fù)合膜在UV波段（280nm）具有低透射率，在可見(jiàn)光帶（555nm）具有高透射率，表明該膜具有優(yōu)異的UV屏蔽性能和可見(jiàn)光透射率。這種光學(xué)選擇性主要是由于納米云母片的層狀晶體結(jié)構(gòu)和偏振和層間光學(xué)干擾。紫外線屏蔽能力使珍珠質(zhì)激發(fā)的納米復(fù)合薄膜可用作紫外線敏感食品、醫(yī)藥和電子產(chǎn)品的包裝材料，以避免紫外線損傷。

圖4 珍珠質(zhì)納米復(fù)合薄膜的阻隔性能和紫外線屏蔽性能及其與純PLA和塑料薄膜的比較

【總結(jié)】

作者報(bào)道了一種可生物降解的珍珠質(zhì)納米復(fù)合薄膜，通過(guò)自組裝來(lái)自天然礦物云母的PLA涂層納米云母，具有優(yōu)異的阻隔性能、優(yōu)異的機(jī)械性能和紫外線屏蔽性能。通過(guò)合理的生物啟發(fā)設(shè)計(jì)將這些綜合特性結(jié)合在一起表明，從原始天然礦物和可生物降解聚合物開(kāi)始制備更好可持續(xù)材料是一種強(qiáng)大但環(huán)保的策略。本研究的珍珠質(zhì)納米復(fù)合薄膜有望成為未來(lái)優(yōu)秀的食品包裝材料，這將延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。