D-甘露醇与CO2发泡协同增强聚乳酸立体复合结晶：高性能全生物基泡沫材料的创新策略

针对聚乳酸（PLA）泡沫材料中立体复合结晶（SC）含量低、泡孔结构不均的难题，研究人员通过引入生物基成核剂D-甘露醇（DM）与CO2发泡协同策略，将SC结晶度提升至46.5%，使泡沫在200°C下的比储能模量提高11.8倍。该研究为开发高性能全生物基泡沫提供了绿色解决方案。

　　

在追求可持续发展的今天，石油基泡沫材料造成的环境压力日益凸显。聚乳酸（PLA）作为生物基可降解聚合物的代表，却因结晶速率慢、熔体强度低导致发泡性能差，且均质结晶（HC）耐热性不足（熔点仅150–175°C）。尽管立体复合结晶（SC）能显著提升PLA的耐热性（熔点220–230°C）和力学性能，但高分子量PLA链的扩散阻碍使SC结晶度难以突破，传统添加剂又可能牺牲材料的生物降解性。

针对这一矛盾，宁波材料技术与工程研究所的研究团队创新性地利用天然甜味剂D-甘露醇（DM）的多羟基特性，通过氢键作用促进PLLA/PDLA链段配对，结合CO₂发泡过程中的塑化与双轴拉伸效应，成功制备出SC结晶度达46.5%、泡孔结构均匀的全生物基PLA泡沫。该成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为绿色高性能泡沫材料的开发提供了新思路。

关键技术方法
研究采用熔融共混法将DM与PLLA/PDLA（4032D/D070）混合，通过差示扫描量热法（DSC）和偏光显微镜（POM）分析结晶行为，结合超临界CO₂发泡技术制备泡沫。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实氢键相互作用，并通过动态力学分析（DMA）评估材料耐热性。

研究结果

1. PLLA/PDLA/DM共混物的结晶行为
   DSC显示DM使SC结晶温度从108.0°C升至126.3°C，结晶峰强度显著提高。POM观察到DM使球晶尺寸减小、密度增加，证实其成核效应。FTIR中羰基峰位移表明DM的羟基与PLA的–C=O形成氢键，缩短了SC结晶的扩散路径。

2. 发泡过程中的协同效应
   CO₂塑化降低了PLA链段运动能垒，发泡时的双轴拉伸进一步促进链段取向。DM的成核作用与此协同，使泡沫SC结晶度从22.6%跃升至46.5%，泡孔平均直径缩小至25.3μm，分布均匀性显著改善。

3. 性能提升
   含10wt% DM的泡沫在200°C下比储能模量达11.8 MPa/(g/cm³)，较未添加DM样品提升11.8倍，且高温尺寸稳定性优异。

结论与意义
该研究揭示了DM通过氢键介导的SC结晶促进机制，以及其与CO₂发泡的协同增效原理。所开发的PLA泡沫兼具高耐热性、优异力学性能和全生物基特性，避免了传统石油基添加剂的环境负担。Wenge Zheng团队提出的“绿色成核-发泡协同”策略，为生物可降解泡沫材料的工业化应用提供了重要技术参考。