消费后聚乳酸（PLA）的可持续升级：添加增塑剂和链延长剂对该再生生物塑料的功能性能及毒性的影响

《ACS Omega》：Sustainable Upgrade of Post-Consumer PLA: The Effect of Adding a Plasticizer and a Chain Extender on the Functional Properties and Toxicity of This Recycled Bioplastic

本研究通过添加增塑剂和链延长剂，探究了回收聚乳酸（rPLA）复合材料的物理、热及迁移安全性。结果表明，增塑剂提升柔韧性但增加迁移风险，而链延长剂增强机械性能和减少迁移。综合两者可优化材料性能，满足食品包装循环经济需求。

　　
该研究围绕后消费级聚乳酸（rPLA）回收材料的改性展开，旨在通过添加可生物降解的添加剂（塑料剂与链延长剂）优化其性能，同时评估对食品安全的潜在影响。研究首先模拟了商业PLA水瓶的服役周期与回收过程，包括光化学老化、热降解和湿热降解等步骤，最终获得具有典型回收材料特性的PC-PLA。在此基础上，通过熔融共混技术制备了添加不同比例塑料剂（Glyplast OLA 2）和链延长剂（Glyplast OLA 550）的复合材料，系统评估了其结构、热力学、机械性能及迁移安全性。

在结构表征方面，FTIR分析显示添加剂未显著改变PLA的官能团组成，但不同浓度的添加剂影响了结晶行为。例如，添加20%塑料剂的样品在950 cm?1附近出现结晶特征峰位移，表明结晶度（χc）从基体材料的16.2%提升至24.7%，而链延长剂（2-5 wt%）通过促进分子链延伸和交联，使结晶度维持在25%-31%区间。分子量分布分析（GPC）显示，塑料剂通过链断裂作用显著降低分子量（rPLA 30 Plast的Mn从55,273 g/mol降至26,341 g/mol），而链延长剂在1-2 wt%添加量下实现了分子量提升约10%-15%，这与其通过端基反应形成分子内/间交联的机理一致。

热力学性能测试表明，塑料剂的添加使玻璃化转变温度（Tg）从54.1℃降至21.9-31.7℃，这与其分子链柔顺性增强直接相关。而链延长剂通过促进分子链延伸和结晶结构优化，使Tg保持在51.5-55.2℃区间，同时热分解温度（Tdeg）从317.6℃提升至366.9℃，显示材料热稳定性改善。值得注意的是，添加30%塑料剂的样品在第二加热循环中未检测到冷结晶现象，表明其热历史对结晶行为的影响显著。

机械性能测试揭示了添加剂的差异化效应。塑料剂通过降低分子间作用力显著提升延展性（rPLA 30 Plast的εb达1287%），但导致拉伸强度下降57%（从63.4 MPa降至24.7 MPa）。相比之下，链延长剂在保持拉伸强度（64.0-64.4 MPa）的同时，通过提高结晶度使弹性模量（YM）维持在2200-2494 MPa水平。这种性能差异源于塑料剂主要改善分子链运动能力，而链延长剂通过端基反应形成三维网络结构。

迁移安全性评估显示，塑料剂迁移量与添加浓度呈正相关（20 wt%时Sim D1迁移量10.0 mg/dm2，30 wt%时达25.17 mg/dm2），超过欧盟食品接触材料10 mg/dm2的限值，而链延长剂添加量在2-5 wt%时迁移量均低于0.5 mg/dm2，符合安全标准。细胞毒性实验进一步验证了这点：30 wt%塑料剂材料在40℃下暴露导致Caco-2细胞存活率降至70.2%，而其他改性材料细胞存活率均高于95%。这可能与高温下塑料剂分子链断裂产生的低聚物迁移有关。

研究创新性地提出“机械回收+功能添加剂”协同改性策略：通过链延长剂维持分子量（101,161-100,228 g/mol）和结晶度（24.7-31.3%），有效平衡了材料刚性与韧性；而塑料剂需控制在20 wt%以下以避免过度链断裂。实验证实，添加20 wt%塑料剂可使水蒸气渗透率降低13.5%（RH50%时从6.98降至6.04 kg·m?3·s?1·Pa?1），同时保持弹性模量（2494 MPa）与原材料的等效性。

该研究为循环经济下的PLA回收再利用提供了重要技术路径：1）开发低毒、高相容性生物基添加剂（如链延长剂），可提升回收材料热稳定性（Tdeg提升49℃）和机械性能（YM保持2200-2494 MPa）；2）建立“分子量-结晶度-玻璃化转变温度”关联模型，指导添加剂优化配比（如2-5 wt%链延长剂）；3）提出双阶段迁移评估体系，结合恒温加速试验（10/40℃）和动态细胞实验，确保食品安全性。这些成果为生物可降解材料的大规模回收利用奠定了理论基础，特别适用于食品包装等对迁移安全要求严苛的应用场景。