《Sustainability》：PBAT-Based Biodegradable Foams as Lightweight Alternatives to Expanded Polystyrene: Effect of Blend Composition on Rheology, Foaming Behavior and Cellular Morphology
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日益增长的环境关切以及替代化石基塑料的需求，加速了用于轻质包装的可生物降解发泡材料的开发。然而，可生物降解聚合物的有限熔体强度和较差的可发泡性仍是主要挑战。本研究提出并系统研究了基于PBAT、PLA、PBSA和热塑性淀粉（TPS）的新型多相可生物降解共混组合物
日益增长的环境关切以及替代化石基塑料的需求，加速了用于轻质包装的可生物降解发泡材料的开发。然而，可生物降解聚合物的有限熔体强度和较差的可发泡性仍是主要挑战。本研究提出并系统研究了基于PBAT、PLA、PBSA和热塑性淀粉（TPS）的新型多相可生物降解共混组合物，这些组合物经过专门设计，旨在利用各组分的互补特性，在不影响可加工性的前提下改善可发泡性。研究人员采用同向双螺杆挤出对配方进行共混造粒，通过流延挤出加工成薄膜，并使用氮气作为发泡剂进行发泡。研究人员进行了流变学、热学、力学及形态学表征，以评估聚合物组成的影响。配方F2表现出最高的熔体流动速率（5.42 ± 0.10 g/10 min），而F1展现出优异的熔体稳定性和延展性。发泡实验表明，共混组成对泡孔结构有显著影响。F1产生了最均匀的泡孔结构，具有最高的泡孔圆度（0.826 ± 0.04）。独立密度测量还表明，F1表现出最低的泡沫密度（0.786 ± 0.02 g/cm3），而含TPS的配方（F3）表现出更明显的泡孔合并和部分泡孔塌陷。研究结果表明，定制可生物降解共混组成，并结合成核剂和扩链母粒，是控制泡沫形态和提升加工性能的有效策略。所提出的配方代表了传统发泡聚苯乙烯在可持续轻质包装应用中的一种有前景的替代方案。
**论文解读：PBAT基可生物降解泡沫的组成设计与发泡性能研究**
**一、研究背景与问题分析**
聚合物泡沫材料在工业领域具有广泛的应用价值。2024年，意大利发泡聚苯乙烯（EPS）消费量约为12万吨，其中很大一部分用于食品包装。EPS凭借其低密度、低成本及良好的力学性能在包装领域占据主导地位，然而其大量废弃物及相应的寿命终止管理问题引发了日益严重的环境关切。欧盟一次性塑料指令（EU Directive 2019/904）的出台进一步推动了可持续可生物降解替代品的开发。
尽管可生物降解聚合物在减少塑料废弃物和化石资源依赖方面具有显著的环境优势，但其在发泡应用中的规模化工业推广仍受到多重限制。与传统塑料相比，可生物降解聚合物通常表现出较低的机械强度、降低的热稳定性、有限的熔体强度以及狭窄的加工窗口。从流变学角度看，熔体强度、拉伸粘度和应变硬化行为等参数在聚合物发泡过程中对气泡成核、生长和泡孔稳定起着根本性作用。PLA、PBAT和TPS等材料通常表现出不足的拉伸粘度来维持泡孔生长，导致泡孔过早塌陷或密度降低不充分。此外，生物塑料共混物通常不相容，在缺乏增容作用的情况下会产生不稳定的形态。
已有研究主要存在以下关键局限性：第一，绝大多数研究集中于单一聚合物体系（尤其是纯PLA或PLA基二元共混物），而将PBAT、PLA、PBSA和TPS结合在单一配方中的多相共混物研究相对不足；第二，扩链剂和成核剂虽已作为流变改性剂或泡孔结构控制剂被单独研究，但它们在多相可生物降解体系中的组合和定制使用尚未被系统研究；第三，多数文献报道的发泡试验仅在实验室规模进行，流变表征有限，很少有研究将基于塑性计的熔体稳定性优化与后续发泡实验相结合；第四，尽管TPS被越来越多地用于提高可生物降解共混物的生物基含量，但其对熔体强度和泡孔结构均匀性的不利影响虽已被充分记录，却仅被部分缓解。因此，迫切需要一种能够同时调控共混组成、成核效率和扩链行为，并提供流变学、热学和形态学综合评估的连贯策略。
**二、研究内容与技术方法**
研究人员提出并系统研究了三种新型多相可生物降解配方，分别基于PBAT/PLA（F1）、PBAT/PBSA/PLA（F2）和PBAT/TPS（F3），并结合专门设计的成核母粒和反应性扩链母粒。这些配方通过改变PBAT、PLA、PBSA和TPS的比例，旨在提供不同的刚度、延展性、热稳定性和熔体加工性平衡。
研究人员采用的主要关键技术与方法包括：（1）同向双螺杆挤出共混造粒工艺，采用驼峰式温度分布以促进逐步受控熔融；（2）流延挤出成膜工艺，使用配备200 mm宽平模头的单螺杆挤出机；（3）熔体流动速率（MFR）测试与毛细管流变测量，评估流变行为；（4）差示扫描量热法（DSC）热学表征；（5）傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）化学结构分析；（6）拉伸力学性能测试；（7）HAAKE? PolyLab HAPRO塑性计测试，监测扭矩演变并评估扩链添加剂的影响；（8）氮气辅助批次发泡工艺，使用压力釜在165 °C饱和温度和40 bar初始压力条件下进行；（9）光学显微镜结合ImageJ图像分析，定量评估泡孔形态参数。实验设计以共混组成（F1–F3）为自变量，发泡条件（饱和温度、饱和压力、停留时间和卸压程序）及成核母粒含量（5 wt.%）和扩链母粒含量（5 wt.%）保持恒定。其中扩链母粒的浓度（2、3.5和5 wt.%）通过塑性计测试进行了优化，5 wt.%因提供最高最大扭矩值而被选用于后续发泡实验。
**三、主要研究结果**
**3.1 双螺杆挤出工艺**
同向双螺杆挤出实验成功制备了F1、F2和F3三种可生物降解共混物。F1表现出良好的加工稳定性和稳定的熔体流动；F2在所分析的配方中表现出最高的流动性和可加工性；含TPS的F3则表现出较低的熔体稳定性和压力值，表明该体系对热机械加工条件更为敏感。
**3.2 流延挤出工艺**
F1和F2表现出相似的加工行为，能够生产连续均匀的薄膜；F3在流延挤出过程中表现出较低的稳定性，产生表面不规则性和薄膜均匀性降低。
**3.3 流变学表征**
F1的MFR为3.56 ± 0.10 g/10 min，F2达到最高值5.42 ± 0.10 g/10 min，F3为中间值4.36 ± 0.28 g/10 min。单向方差分析（ANOVA）确认配方对MFR具有统计学显著影响（F(2,6) = 77.31，p < 0.0001）。毛细管流变测量显示所有体系均呈假塑性行为，在170 °C和500 s?1剪切速率下，F2的表观粘度约145 Pa·s，低于F1（约185 Pa·s）和F3（约170 Pa·s）。
**3.4 热学表征**
DSC分析显示F1在约132 °C和152 °C处呈现两个熔融峰，分别归属于PBAT富集相和PLA富集相；F2在约93 °C和153 °C处呈现两个熔融事件，对应PBSA富集相和PLA富集相；F3在约119 °C处呈现较宽且不太明显的熔融转变。F2表现出最高的结晶度，这可归因于PBSA的存在及其有利的结晶行为。
**3.5 FTIR分析**
FTIR-ATR光谱确认所有配方均保留主要特征谱带，包括1700–1750 cm?1区域的羰基（C=O）伸缩信号和1000–1300 cm?1之间的C–O和C–O–C基团谱带。F3在3200–3500 cm?1区域出现宽谱带，归属于TPS相的羟基（–OH）伸缩振动。未检测到新峰或显著位移，表明挤出和发泡过程未引起宏观可检测的化学改性。
**3.6 力学性能**
拉伸测试表明F1表现出最韧性的行为，断裂伸长率约454%，拉伸强度约22.7 MPa；F2表现出最刚性的行为，弹性模量最高（643 MPa）和屈服强度16.5 MPa，但断裂伸长率低（约26.5%）；F3表现出中间性能，拉伸强度较低（约8.3 MPa）但变形能力较大（约233%）。流延薄膜的各向异性测试显示，在机器方向（MD）上F2达到最高最大应力36.1 ± 3.5 MPa和弹性模量843 ± 38 MPa，而F1在横向（TD）上表现出最高的断裂伸长率（985 ± 116%）。
**3.7 塑性计优化**
扩链剂添加剂的加入显著影响流变行为。F1的最大扭矩从2 wt.%时的66.8 ± 0.7 Nm增加至5 wt.%时的86.3 ± 0.6 Nm；F2从42.1 ± 0.9 Nm增加至58.0 ± 0.7 Nm；F3在三种浓度下均表现出较高扭矩值，5 wt.%时达96.1 ± 0.7 Nm。
**3.8 发泡行为**
密度测量显示F1具有最低泡沫密度（0.786 ± 0.02 g/cm3），F2为中间值（0.89 ± 0.03 g/cm3），F3最高（1.05 ± 0.04 g/cm3）。光学显微镜和ImageJ分析表明F1产生最均匀和稳定的泡孔结构，具有最高圆度（0.826 ± 0.04）和最低表观孔隙率（6.35 ± 0.7%），平均泡孔面积12.55 ± 1.8 μm2；F2呈中间形态，平均泡孔面积18.74 ± 2.5 μm2，圆度0.701 ± 0.05；F3表现出最不规则的泡孔结构，平均泡孔面积31.68 ± 4.2 μm2，表观孔隙率24.57 ± 2.3%，圆度最低（0.563 ± 0.06）。
**四、讨论与结论**
研究讨论指出，发泡过程可理解为三个连续阶段：成核、泡孔生长和泡孔稳定化。成核由成核母粒控制，通过提供异相成核位点降低气泡形成的能垒；泡孔生长受膨胀驱动力（溶解N?的过饱和压力）和阻力（熔体粘度和拉伸应力）之间的平衡控制；泡孔稳定化发生在聚合物充分玻璃化或结晶以“冻结”泡孔结构时。F1中熔体阻力和可变形性之间的平衡，结合塑性计结果所暗示的流变增强，可能允许更均匀的泡孔生长同时限制合并。F3中TPS相的亲水性和有限热稳定性可能促进泡孔合并和塌陷，因此高扭矩值本身并不能保证优异的泡孔结构。与商业EPS相比，所有可生物降解泡沫的密度均较高，但F1在泡孔均匀性、密度降低和结构稳定性之间实现了最佳整体平衡。
研究结论表明，共混组成在决定熔体稳定性、泡孔形态和膨胀可生物降解材料的最终性能方面起着根本作用。F2表现出最高的熔体流动速率（5.42 ± 0.10 g/10 min），表明其具有优异的可加工性；F1提供了流变稳定性和发泡性能之间的最佳整体平衡，产生了最均匀的泡孔结构，具有最高泡孔圆度（0.826 ± 0.04）和最低泡沫密度（0.786 ± 0.02 g/cm3）；F3尽管在塑性计分析中表现出最高扭矩（96.1 ± 0.7 Nm），但显示出最不理想的发泡性能和泡孔形态。整体而言，优化可生物降解共混组成，并结合使用成核和反应性扩链母粒，是提高熔体稳定性和泡沫质量的有效策略。虽然所实现的密度仍高于传统EPS泡沫，但所研究的配方为理解共混组成对可生物降解泡沫开发的影响提供了有价值的见解。未来研究将侧重于进一步优化共混组成和加工条件，开展SEM等更高分辨率的形态学表征，并通过不同使用温度下的拉伸、压缩和冲击试验研究泡沫材料的力学行为。
