到2050年，塑料总量预计将达到330亿吨，这就是为什么人们非常重视减少石油衍生聚合物的使用。与石油聚合物相比，生物聚合物具有许多优点，因为它们来自可再生资源和生物可降解。在众多不同的生物聚合物中，聚乳酸(PLA)是一种很有前途的替代品，特别是用于食品包装。其优点是:
- PLA 100%来自可再生资源，如玉米淀粉(在美国和加拿大)、木薯根和淀粉(主要在亚洲)或甘蔗(在世界其他地方);
- 自然生物降解的;
- 它具有良好的力学性能，可与传统的石油衍生聚合物如聚苯乙烯(PS)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)相媲美;
- PLA最近在制造方面的主要革新促成了它的大规模生产。
事实上,PLA可以用不同的方法进行处理(通过挤压、注塑、薄膜和箔铸造、纤维纺丝)，获得不同形式的材料，降低生产成本。不幸的是，PLA包装材料提供糟糕的水蒸气和氧气屏障性能，这个问题必须克服，使PLA真正有竞争力的食品包装目的。为了提高其阻隔性能，K. Goh与新加坡、荷兰和澳大利亚的其他研究人员合作，设计了一种三明治结构的pla -石墨烯复合薄膜(Applied Materials & Interfaces 8,2016, 9994)。这种新材料具有夹层结构，具有不透水的还原氧化石墨烯(RGO)作为核心屏障和商业聚乳酸膜作为外层防护封装。石墨烯是一种具有以下几个优异性能的纳米材料:
- 它具有很高的机械强度:比钢强100倍。此外，石墨烯薄片由于其单原子层和二维阵列而具有较高的断裂伸长率;
- 它是一种很好的热和电导体;
- 半透明，柔韧;
- 它对大多数气体是不透水的，因此与聚乳酸结合使用是极好的屏障。
几十年来，研究人员一直假设石墨烯的存在，2004年，曼彻斯特大学的安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃谢洛夫(Konstantin Novoselov)分离出了这种物质，并对其进行了表征。这两人于2010年获得了诺贝尔物理学奖。目前，石墨烯的市场在不断增长，主要销售在半导体、电子、能源部门和复合材料行业。此外，随着时间的推移，石墨烯的成本效益越来越高:最近在英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)，石墨烯的生产成本比以前使用的方法便宜了100倍。在PLA和RGO组成的复合材料中，屏障和保护封装之间的协同作用导致:
- 优异的阻隔性能，在干燥和潮湿条件下，阻隔性能均优于纯PLA:水蒸气渗透性降低87.6%，氧气渗透性降低两个数量级。复合材料的致密层状结构和RGO膜的高疏水性是其优异的阻挡性能的原因;最后是由于水和氧分子形成了广泛而曲折的扩散路径，其厚度高达RGO势垒的1450倍;
- 良好的加工性能，允许生产广泛的pla -石墨烯薄膜表面，可以裁剪成不同的形状;
- 食用油和薯片是对氧气和水分敏感的食品，保质期至少延长8倍。
如何制作pla -石墨烯薄膜
要使用石墨烯作为屏障，首先必须转化成石墨烯氧化物(GO)，形成非常紧密的层状膜。然后将氧化石墨烯转化为还原氧化石墨烯，以创造高阻隔膜，这是生产食品包装材料所需要的。首先，市面上的氧化石墨烯溶液用去离子水稀释，然后加压过滤。用这种方法可以得到结构紧凑、结构规则的薄膜。生成的氧化石墨烯薄膜在空气中晾干(蒸发)，然后分离并在氢碘酸中还原，形成还原氧化石墨烯薄膜。氢碘酸是首选的化学还原剂，如联氨，因为它的温和的化学还原防止很小的结构损害的膜。此外，氢碘酸还原生成的还原氧化石墨烯薄膜保持了氧化石墨烯薄膜的高灵活性和完整性，并提高了强度和延展性。RGO层压膜用去离子水冲洗，80℃下暴露72 h，去除表面和芯部残留的氢碘酸。制备复合薄膜时，在PLA薄膜上涂一层薄薄的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。使用PVP是必要的，因为它有连接性能，它已经注意到RGO薄膜分离时，直接接触PLA。该复合材料的生产过程包括在两个PLA层之间封装RGO薄膜，此前已涂层PVP;然后将夹心材料置于65°C的压力下30分钟。 This process is easily enforceable also for large-scale production. In summary, PLA-Graphene sandwich structures offer good machinability and excellent water vapor and oxygen barrier properties. Furthermore, their production process is suitable for large-scale implementation, and, using this packaging material for packaging oxygen and moisture sensitive food products, their shelf-life can be extended at least eight times. These films are a promising food packaging material, in clear competition with petroleum-derived materials.
文学。吴作栋e altri材料科学与工程学报，2016,35 (6):973 - 976
