壳聚糖薄层对聚乳酸和聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)多层膜氧气渗透性和光学性能的影响研究

为解决生物基可降解聚合物在食品包装中氧气阻隔性能不足的问题，研究人员通过表面改性和多层结构设计，将壳聚糖(CH)薄层与聚乳酸(PLA)/聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)共混体系结合。结果表明，NaOH活化处理5分钟可显著提升界面相容性，内层CH使氧气透过率(OTR)降低75%，同时选择性降低紫外线透过率而不影响可见光透明度。该研究为开发高性能可持续食品包装材料提供了新策略。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，生物基可降解聚合物在食品包装领域的应用成为研究热点。聚乳酸(PLA)因其良好的机械性能和光学透明度备受关注，但其固有的脆性和较高的氧气渗透性限制了实际应用。与此同时，聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)虽具有更优异的结晶度和气体阻隔性，但与PLA的相容性差导致共混材料性能不稳定。更棘手的是，具有卓越氧气阻隔和抗菌特性的壳聚糖(CH)由于亲水性与疏水性生物聚酯的界面不相容，难以实现有效复合。这些材料瓶颈严重制约了可持续包装的发展，亟需开发兼顾高阻隔性、良好光学性能和加工可行性的新型复合材料。

为突破这一技术难题，研究人员设计了一系列基于PLA和PLA/PHBV共混物的多层薄膜体系，创新性地引入CH作为功能性阻隔层。研究首先采用温和的NaOH溶液对聚合物表面进行活化处理，通过FT-IR光谱、接触角测量和扫描电镜等手段系统评估了处理条件对材料性能的影响。随后通过溶剂浇铸和热压成型工艺构建了具有不同结构的双层和三层薄膜，重点考察了CH层厚度、添加乳酸低聚物(OLA)等参数对材料性能的调控作用。氧气渗透性测试采用自制渗透装置按ASTM D-3985标准进行，光学性能则通过紫外-可见分光光度法表征。

表面活化研究
NaOH处理5分钟即可在25°C下有效引入羧基(-COOH)，使PLA接触角从87.8°降至71.3°，同时保持本体结晶度仅从38%微增至42%。FT-IR显示C=O键振动峰向低波数偏移，证实了表面羧基的形成。SEM观察到处理后的表面粗糙度增加，而CH涂层又能使表面重新平滑化，界面结合紧密无空隙。

氧气阻隔性能
最薄的CH中间层(1 wt%，5.6 mL)使PLA-PLA三层膜的氧气渗透性降低75%，效果显著优于增加浓度或体积的方案。添加OLA的CH层因形成结构缺陷导致渗透性反升100%。PHBV的引入使双层膜渗透性降低44%，而结合CH的三层体系(PLANa-CHx1v1-BlendNa)渗透性与纯PLA-CH-PLA体系相当，证实CH层在控制渗透性中的主导作用。

光学性能调控
PLA-PLA双层膜在可见光区保持75%高透光率，添加CH层后仅降至64%且主要抑制紫外线透过。含25%PHBV的共混膜因相分离导致透光率骤降至48%并伴随明显雾度，而引入CH后进一步降至24%，但实现了对紫外线的近乎完全屏蔽。

该研究通过巧妙的界面设计和工艺优化，成功实现了生物基多层膜氧气阻隔性与光学性能的协同提升。短时NaOH活化在最小化材料损伤的前提下有效改善了界面相容性，而精确控制的CH薄层厚度被证明是获得最佳阻隔性能的关键。特别值得注意的是，CH层对紫外线的高选择性屏蔽为解决食品光氧化问题提供了新思路。这些发现不仅为开发替代传统石油基包装的高性能生物材料提供了理论依据，其温和处理工艺和层状结构设计策略也可拓展至其他功能性复合材料的开发中。论文发表于《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》，为可持续包装领域的技术进步做出了重要贡献。