可降解塑料聚乳酸(PLA) 國外研發熱點與前沿透視

魏風軍 楊冰冰

可降解塑料聚乳酸（PLA）是通過主要原料乳酸進而得到的聚合物，由于原料來源充分，主要來源以含淀粉的玉米、小麥、木薯等為主，其生產過程無污染，因為可降解塑料聚乳酸的生物相容性好、環境安全、沒有毒性，它加工性優良、機械性能、光透明度也很好，可用于食品、藥品等多種包裝材料領域，由于生成的產品可以實現在自然界中的循環，故而是理想的綠色高分子材料。本文結合知識圖譜，以數據為基礎，對近20年可降解塑料PLA研發熱點與前沿進行透視，希冀對國內研究可降解塑料PLA的人員有所啟示。

國內可降解塑料PLA研究進展

到目前為止，國內在可降解塑料PLA薄膜的制備與性能研究上取得了一定的成果，學者們主要將研究重點放在可降解塑料PLA薄膜于食品保鮮、生物醫學、復合改性方面的研究。楊帆、陳一岳、林茵等人的《聚乳酸的降解性能及其微球劑的研究》一文研究了聚乳酸的降解性能和制備聚乳酸紅霉素微球，試驗結論表明聚乳酸的降解與分子量和構型有關，微球具有明顯的緩釋作用。陳米娜、魏大鵬、范昕建等人的《聚乳酸材料對成骨樣細胞增殖和分化的影響》一文研究了骨樣細胞增殖和分化在聚乳酸的作用下產生的影響，試驗結論表明預處理后的聚乳酸薄膜，對成骨樣細胞增殖和分化沒有抑制作用，某種程度上，反而有輕微的促進作用。王建清、符秀科、金政偉等人的《全降解聚乳酸薄膜的增塑改性》一文講述了采用吹塑法制備PLA薄膜，研究了不同增塑劑、增韌劑以及復配增塑體系對聚乳酸薄膜性能的影響，并通過掃描電鏡分析薄膜斷面結構及其體系的相容性。駱文杰、張偉陽、程樹軍等人的《聚乳酸薄膜包裝袋對楊桃保鮮效果的研究》一文進行了聚乳酸薄膜包裝袋對楊桃保鮮效果的研究，分別采用聚乳酸和聚乙烯包裝袋來包裝楊桃，以未包裝的楊桃為對照，各項實驗數據說明了聚乳酸包裝的確可以有效地延長楊桃的貨架期。張高章、李玲等人的《聚乳酸改性及在骨修復中的應用》一文著重介紹了在骨修復應用中改性的聚乳酸復合材料的研究現狀，并且介紹了國內外的研究者們，通過一定方法和技術改進骨修復領域中聚乳酸基復合材料存在的一些缺陷，最后指出今后幾年的主要研究方向。呂艷娜、王一寧、謝宜彤等人的《聚乳酸/茶多酚抗氧化膜的制備及其性能研究》一文以聚乳酸（PLA）為基材，茶多酚（TP）為抗氧化劑，通過流延法制備了具抗氧化活性的可降解PLA/TP共混膜，研究結果表明茶多酚與聚乳酸基質間發生了相互作用，茶多酚在聚乳酸基質中具有較好的分散性。

由上述可見，國內各研究機構對PLA進行了大量的研究，然而，限制于當前PLA工藝的成熟性與成本之間的難易協同，當前國內研發與生產的PLA成本居高不下，在推廣上有很大的難度。據悉，東莞某公司研發的可降解PLA薄膜制品已經成功用于種子等產品的包裝并出口美國、加拿大等國家。

國外PLA研究進展、機構與研究熱點

筆者對PLA相關研究文獻進行了梳理與分析，結果發現國外在PLA相關聯的食品科學技術、納米技術、材料科學等領域有大量的研究。Avital S、Bollinger TJ、Wilkinson JD等人的《Preventing intra-abdominal adhesions with polylactic acid film： An animal study（聚乳酸膜預防腹腔粘連的動物研究）》一文研究的目的是評價可吸收聚乳酸膜在動物模型中預防術后腹腔內粘連的效果，實驗結論表明在本模型中，腹部手術期間策略性放置聚乳酸膜與術后腹腔內粘連的發生率和嚴重程度顯著降低有關。Rhim Jong-Whan、Lee Jun Ho、Ng Perry K. W.等人的《Mechanical and barrier properties of biodegradable soy protein isolate-based films coated with polylactic acid（聚乳酸涂層大豆分離蛋白膜的力學性能和阻隔性能）》一文闡述了將大豆分離蛋白膜浸入聚乳酸溶液中，制備了聚乳酸涂層大豆分離蛋白膜，通過測定薄膜的拉伸強度（TS）、斷裂延伸率（E）、水蒸氣滲透性（WVP）和水溶性（WS）等性能，測試了涂層對改善薄膜力學性能和水阻性能的影響。Busolo Maria A.、Fernandez Patricia、Ocio Maria J.等人的《Novel silver-based nanoclay as an antimicrobial in polylactic acid food packaging coatings（新型銀基納米黏土在聚乳酸食品包裝涂料中的抗菌作用）》一文介紹了一種含新型銀基抗菌層狀硅酸鹽添加劑的溶劑涂層聚乳酸生物復合材料的綜合性能研究。研究表明，在歐洲食品安全局參考的特定遷移水平范圍內，銀的遷移水平顯示出抗菌活性，支持這種生物殺滅添加劑在活性食品包裝應用中的潛在應用，以提高食品質量和安全性。Intan S.M. A. Tawakkal、Marlene J. Cran等人的《A review of poly （lactic acid）-based materials for antimicrobial packaging（用于抗菌包裝的聚乳酸基材料綜述）》一文綜述了聚乳酸抗菌包裝材料的研究進展，研究了抗菌聚乳酸體系的物理力學、熱學和其他性質，證明了聚乳酸薄膜為抗菌藥物提供了有效的基質，用于食品接觸包裝的抗菌PLA材料可能會與傳統的石油基聚合物材料相競爭，并且具有顯著的環境保護效果。Erin M. Sullivan、Robert J. Moon等人的《Processing and characterization of cellulose nanocrystals/polylactic acid nanocomposite films（納米纖維素晶/聚乳酸納米復合膜的制備與表征）》一文研究了納米結晶纖維素（NCC）對聚乳酸薄膜性能的影響，薄膜結晶度隨NCC含量的增加而增加，說明NCC作為成核劑，促進結晶，同時NCC的加入增加了薄膜的存儲模量，略微拓寬了玻璃化轉變區域。Luigi Botta、Vincenzo Fiore等人的《New polylactic acid composites reinforced with artichoke fibers（洋薊纖維增強聚乳酸復合材料）》一文首次采用洋薊纖維制備聚乳酸基生物復合材料，采用薄膜堆積法制備了兩種纖維載荷相同的聚乳酸/洋薊復合材料，通過準靜態和動態力學試驗，對兩種復合材料進行了力學性能表征，試驗表明隨機定向復合材料剛度沒有明顯提高，拉伸強度較純聚乳酸有所降低，而單向復合材料拉伸強度高于純基體。

上述進展顯示國外在PLA改性與其降解等方面做了很多研究。筆者針對2000～2018年可降解塑料PLA相關的國際研究進行了系統梳理，結果發現，下列研究機構在PLA上卓有建樹。其中，CNR（意大利國家研究委員會）研究文獻的突增值為3.4421，該機構在2000～2018年發表的關于可降解塑料PLA薄膜的學術成果有明顯的突增，是國外可降解塑料PLA薄膜研究領域比較重要的研究機構，其發表的論文也是可降解塑料PLA薄膜研究領域的重要轉折點。

同時發現了在可降解塑料PLA薄膜研究領域的研究熱點，如圖1所示。

由圖1可以看出，“adhesion（附著力）”是國際可降解塑料PLA薄膜研究領域出現頻次最高的高頻關鍵詞，同時結合后續高頻關鍵詞“behavior（行為）”“active packaging（活性包裝）” “barrier property（防護性能）”可知，國際PLA薄膜研究領域重點關注聚乳酸薄膜的防護性能（特別是附著力）變革與創新，以提升PLA薄膜的應用和保護。除“barrier property（防護性能）”是當前PLA薄膜領域的研究熱點和重點外，“biocompatibility（生物相容性）”“biodegradable（可生物降解的）”“antimicrobial activity（抗菌活性）”“biomaterial（生物材料）”和“biopolymer（生物聚合物）”也是PLA薄膜領域的研究熱點。

由表2、圖2所示的圖譜分析可知，“nanocomposite-films（納米復合膜）”“cellulose-nanocrystal（纖維素納米晶）”“essential-oil（精油）”不僅是當前國際PLA薄膜領域的研究前沿，也是將來國內PLA薄膜領域的研究前沿。

結束語

綜上所述，國內外都在可降解塑料PLA領域做了很多研究，可降解塑料由于其可降解和其生物相容性等卓越特性，可以期望的是，其在包裝、醫療等領域具有很大的應用前景。然而，可降解塑料PLA在降解方面的研究還處于起步階段，當前，國內外對于PLA的工作大多處于合成、改性和應用等方面，但是對其降解機理、降解過程中酶的分離的研究偏少，還需要進一步進行深入的系統性研究。再者，從工業化應用而言，可降解塑料PLA的生產工藝需要進一步優化以降低成本，以促成在包裝或醫療領域的大面積推廣應用。因此，可降解塑料PLA的應用還需要很多的研究才能實現。

作者單位：河南科技大學包裝工程系

責任編輯：李倩 liqian@cprint.cn