生物基反应型增塑剂对吹膜挤出聚乳酸（PLA）基可持续柔性薄膜形态和性能的效率评估

《Journal of Applied Polymer Science》：Evaluation of the Efficiency of a Biobased Reactive Plasticizer on the Morphology and Properties of Sustainable Flexible Films Based on Poly(Lactic Acid) (PLA) Produced by Blown Film Extrusion

　　

在本研究中，经过仔细的筛选阶段，研究人员成功地在实验室规模基础上开发了可持续的生物基薄膜，其热性能和机械性能与传统石油化工塑料相当。用作参考的起始共混物由聚乳酸（PLA）、乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）组成。该基体与源自腰果酚的环氧功能化增塑剂进行熔融混合，这些增塑剂同时起到增塑剂和增容剂的作用。对两种环氧添加剂（NC513和NC514s）的比较研究阐明了它们的不同作用：NC513主要作为增塑剂，降低粘度并提高延展性，而NC514s促进反应性相互作用，增加熔体强度和刚度。随后对成核剂和熔体强度增强剂进行了优化以改善加工性。最有前景的配方使用半工业双螺杆挤出机进行放大，并通过吹膜挤出进行加工，证实了技术可行性。所得薄膜的拉伸强度为27–29 MPa，断裂伸长率超过300%，抗撕裂性与相似厚度的低密度聚乙烯（LDPE）薄膜相当。这些结果表明，少量的（1–3 wt.%）生物基环氧功能化腰果酚能够生产可堆肥的柔性薄膜，作为石油化工基包装材料的可持续替代品。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
过去50年，全球塑料产量持续增长，其中包装应用占比最高，但低密度塑料制品（如薄膜和购物袋）因难以有效分离和回收，且常受食物及生物物质污染，导致回收经济性差，大量塑料最终被填埋或焚烧。为解决这一问题，生物回收（如堆肥或厌氧消化）成为合适选项。聚乳酸（PLA）作为可再生的热塑性聚酯，具有工业可堆肥性、相对低廉的成本及良好加工性，是替代传统石油基塑料的候选材料。然而，PLA存在玻璃化转变温度接近使用温度、脆性高、抗撕裂性低等不足，限制了其在吹膜挤出中的应用。为此，研究人员需通过添加增塑剂或与柔韧聚合物共混来改善其延展性与加工性。本研究中，研究人员聚焦于生物基反应型增塑剂（如腰果酚衍生物），其兼具增塑与增容功能，可减少增塑剂迁移问题，并有望在不牺牲可堆肥性的前提下提升薄膜性能。

**研究内容与结论**
为开发性能与低密度聚乙烯（LDPE）相当的可堆肥柔性薄膜，研究人员分三步开展系统研究：首先，考察两种腰果酚基环氧增塑剂（NC513与NC514s）对PLA/PBAT/ATBC共混基体的反应性影响；其次，引入成核剂与熔体强度增强剂进行配方筛选；最后，将最具潜力的配方放大至半工业双螺杆挤出及吹膜挤出生产。研究表明，低用量（1–3 wt.%）的环氧功能化腰果酚即可显著改善材料延展性与相容性，所得薄膜拉伸强度达27–29 MPa、断裂伸长率超300%，且抗撕裂性与LDPE相当，证实了其在可持续包装领域的应用潜力。该研究发表于《Journal of Applied Polymer Science》。

**关键技术方法**
研究人员采用微型双螺杆挤出机（MiniLab II）进行配方筛选及流变学表征，通过压力传感器计算真剪切应力与粘度，并利用Rabinovitsch校正获取流变曲线；采用半工业双螺杆挤出机（Comac EBC 25HT）进行放大造粒，再通过吹膜挤出生产线（MAM ES KB）制备薄膜，优化吹胀比（BUR）、拉伸比（DDR）及成型比（FR）等参数。表征方法包括：扫描电子显微镜（SEM）观察冷冻断裂面的形态，差示扫描量热法（DSC）分析热转变及结晶度，动态力学热分析（DMTA）测量储能模量，以及拉伸和裤形撕裂测试评价力学性能。

**研究结果**

**3.1 第一步：腰果酚基反应型增塑剂的作用研究**
通过SEM观察发现，未添加腰果酚时，PBAT以粗大伸长状域分散于PLA基体；添加1 wt.% NC513后，PBAT域尺寸减小且分布更细；添加1 wt.% NC514s后，PBAT分散更均匀，表明两种增塑剂均改善了相间相容性。力学测试显示，添加NC513后最终扭矩下降，弹性模量保持不变或略降，屈服应力降低，断裂伸长率从224%增至261%，体现塑化效应；NC514s则使弹性模量增至2.5 GPa，同时断裂伸长率增至247%，表明其反应性增塑作用更强调刚度和相容性。

**3.2 第二步：流变与力学性能筛选**
流变测试（经校准后）表明，NC513使粘度随含量增加而降低，呈现物理塑化效应；NC514s则使粘度增大，体现反应性交联作用。力学测试中，随NC513含量增加（1–5 wt.%），断裂伸长率提升（如M_3_513_2B达364%），弹性模量下降；NC514s系列则随含量增加模量升高（最高2.1 GPa），断裂伸长率在1–3%时最优。通过综合比较，选定3 wt.% NC513（分别搭配2% LAK或Biostrength）及1 wt.% NC514s（搭配2% Biostrength）进行放大。

**3.3 第三步：放大薄膜生产结果**
DSC分析显示，含NC513配方使PLA的玻璃化转变温度（T_g）降至约34.7°C，而NC514s配方T_g为39°C，表明前者塑化效应更显著，后者具交联作用。拉伸测试表明，三种放大配方的薄膜在纵向（MD）和横向（TD）均表现出优良性能：拉伸强度24.9–29.1 MPa，断裂伸长率345–421%，与LDPE薄膜（强度约24 MPa、伸长率>200%）相当。裤形撕裂测试显示，所有配方的抗撕裂值均高于聚丙烯（PP）薄膜（5560 N/m），与LDPE媲美。SEM进一步证实添加剂（LAK或Biostrength）均匀分散，无宏观不均匀相。

**总结与结论翻译**
研究结论部分（原论文第4节）指出：NC513和NC514s被评估为聚乳酸（PLA）和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）聚合基体的反应型增塑剂。从流变学角度看，NC513作为物理增塑剂，其浓度增加导致混合物粘度降低；相反，NC514s增强熔体强度和刚性，体现出反应型增塑剂的作用。结果突出了两种腰果酚基添加剂在优化加工性和最终力学性能方面的不同且互补的作用。两种增塑剂均改善了聚合物相间的相容性（经SEM确认），并在不牺牲机械强度的前提下提高了延展性。值得注意的是，这些效果在极低浓度（1–3 wt.%）下实现，证明了环氧功能化腰果酚作为PLA/PBAT体系生物基反应改性剂的高效性。初始筛选阶段（分析了形态、流变和力学性能）后，选取三种配方进一步研究；这些配方经半工业挤出机制粒，再通过吹膜挤出加工成柔性透明薄膜。从实验室配混到半工业吹膜挤出的成功放大证实了该方案的技术可行性和工业相关性。随后检查了这些薄膜的热性能和抗撕裂性。所得薄膜的力学性能与相似厚度的LDPE薄膜相当。拉伸强度和断裂伸长率满足柔性包装应用要求，同时抗撕裂性与传统聚烯烃薄膜相当。因此，生物基环氧功能化增塑剂（如NC514s）可替代石油化工基反应型增塑剂，支持半工业规模加工及吹膜薄膜生产。本研究证明，腰果酚衍生的添加剂可有效助力开发可堆肥、高性能的柔性薄膜，作为传统石油化工包装材料的可持续替代品。