PLA纳米复合材料在食品包装的应用研究进展

1.引言

石油基塑料制品（如PE、PP、PVC、PET 等）因质轻、保护性强、印刷上色性好、价格低廉、性能可调等优点而被广泛应用于包装领域[1]。然而，这些塑料制品使用遗弃后降解速率十分缓慢，且难以回收，会对环境造成严重的污染。因此，在当今这个提倡节能、环保、低碳、可持续发展和高度重视食品安全的时代，石油基塑料作为食品包装材料已然显示出极大的负面性。

随着人们对环境问题的日益重视，生物基可降解高分子材料应运而生，成为最有可能替代石油基塑料的新一代包装材料。

根据来源和合成方法来划分，生物基高分子可分为天然高分子（如纤维素、甲壳素、明胶、蛋白质等[2]）、合成高分子（如聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚琥珀酸丁二醇酯(PBS)、聚乙烯醇(PVA)）以及微生物发酵高分子（如聚羟基脂肪酸酯(PHAs)[3]。它们的共同特点是在适当的氧气、温度和湿度环境下可通过微生物代谢作用分

PLA纳米复合材料在食品包装的应用研究进展

杨伟军齐国闯马丕明东为富*

（江南大学化学与材料工程学院）

摘要：本文综述了PLA纳米复合材料在食品包装领域的研究进展，具体包括PLA/纳米木质纤维复合材料、PLA/纳米黏土复合材料、PLA/金属或金属氧化物纳米复合材料以及PLA共混聚合物纳

米复合材料。并从制备方法、力学性能、热稳定性、降解性能、紫外光/气体阻隔性能、抗菌性

能、迁移性能等方面分析了各类纳米复合材料的优势，最后对PLA/纳米复合材料在食品包装的

应用前景进行了展望。

关键词：聚乳酸纳米复合材料性能食品包装

Research Progress ofPLABasedNanocompositesforFoodPackaging

Yang Weijun Qi Guochuang Ma Piming Dong Weifu*

（School of Chemistry and Materials Engineering,Jiangnan University）Abstrac t：This paper reviews the research progress of PLA nanocomposites for the application of food packaging,including PLA/lignocellulosic nanocomposites,PLA/nano-clay composites,

PLA/metal or metal oxide nanocomposites,PLA blend polymer based nanocomposites.Then,the

performance advantages of various nano-composite materials were analyzed from the aspects of

preparation methods and mechanical properties,thermal stability,degradation properties,UV/gas

barrier properties,antibacterial properties and migration properties.Finally,the

PLA/nanocompositesfor the application in food packaging area were predicted.

Keyw ord s：PLA Nanocomposites;Performance Food packaging

解成CO2、H2O、CH4等低分子化合物[3a,4]，对环境无害。

在合成的可生物降解塑料中，由淀粉发酵转

化聚合制备而成的聚乳酸最具发展前景。聚乳酸

具有良好的力学强度、透明性、加工性以及生物

相容性，可用作各类食品、药品包装[5]。但其缺

点亦十分明显，如脆性大、气体阻隔性低、热稳

定性差等，严重制约了它作为食品包装材料的应

用[6]。

近年来，随着纳米技术的飞速发展，将各类

有机、无机纳米填料与聚乳酸复合可有效改善缺

陷，提高聚乳酸机械性能、气体阻隔性以及热稳

定性[7]。不仅如此，纳米填料的加入往往还赋予

聚乳酸多功能性，如抗紫外、抗菌、抗氧化等，

极大促进了它作为食品包装材料的应用。基于本

团队多年来在食品包装领域的研究经历，本文将

围绕聚乳酸基纳米复合材料在食品包装领域的研

究进展进行讨论。

2.PLA/纳米木质纤维复合材料

木质纤维材料（即纤维素与木质素）广泛存

在于陆生植物中，纳米纤维素或纳米木质素是指

将纤维素或木质素通过酸解法、沉降法以及机械

法等方法制备得到，具有广阔的研究与应用前景。

纤维素是世界上储量最丰富的多糖结构可再

生天然高分子。按外观形态划分，纳米纤维素可

分为纳米纤维素微球（cellulose nanospheres、CNS），棒状纳米纤维素晶（cellulose nanocrystals、CNC）和纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers、CNF），他们均具有极大的比表面积，可作为纳米填料增强各类高分子基体。

其中，纳米纤维素用于增强PLA的研究也已

十分普遍[5b,7a,8]。一般说来，纳米纤维素的加入可

以显著提高PLA的结晶性能，进而提高其力学强

度、热稳定性以及气体阻隔性。

例如，Fortunati等人利用商用磷酸酯类表面

活性剂改性纳米纤维素晶（CNC），并利用浇筑

法制备了不同CNC含量的聚乳酸复合材料薄膜，

结果显示CNC改性后能均匀分散于PLA基体内部，在保持良好光学透明性的同时，PLA膜的结晶度和力学强度也得到显著提高[9]。同时，1.0 wt%改性CNC的加入使PLA膜的水蒸气阻隔性下降了34%，氧气阻隔性也明显改善[10]，而且其迁移物总含量满足欧盟使用标准（即低于60 mg/kg）[11]。Yu等人[12]通过比较研究CNS、CNC 以及CNF增强PLA时发现，CNS的结晶成核效率最高，PLA结晶度达到19.8%；CNF由于其高长径比，所得PLA复合膜的杨氏模量最高，比纯PLA提高了350%；而PLA/CNC则兼备CNS和CNF的优点，PLA的气体阻隔性最高，总迁移物含量最低。

木质素是仅次于纤维素的储量第二丰富的、具有复杂化学结构的天然高分子。其表面丰富的官能团，如脂肪族羟基、酚羟基、羧基、羰基等赋予其高反应活性。同时，木质素本身抗紫外、抗氧化、抗菌等功能决定其可作为高效的食品包装材料使用[13]。相比微米或更大尺寸的木质素颗粒，纳米木质素具有更大的比表面积，其增强作用能得到更大的发挥。

例如，Chung等人[14]通过改变木质素/丙交酯的比值，再采用原位开环聚合的方法成功制备不同聚乳酸链段长度的木质素接枝聚乳酸共聚物。结果表明，与纯木质素/聚乳酸复合材料相比，木质素接枝聚乳酸共聚物的玻璃化转变温度从45℃提高到了85℃。在保持模量基本不变的前提下，共聚物的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了16%和9%。同时复合材料的抗紫外性能也得到显著增强。

我们此前利用甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）增容改性PLA，制备不同木质素含量PLA母料，再通过熔融共混流延法得到PLA/纳米木质素复合材料薄膜。结果表明，母料法与熔融共混流延成膜相结合的制备工艺可实现纳米木质素在聚乳酸基体的良好分散，复合材料的力学性能、热稳定性和阻隔性得到明显提高[15]。同时，通过对比研究熔融共混流延成膜法和溶剂浇铸成膜法两种工艺，结果表明前者更有利于纳米木质素在PLA基体的分散，复合材料性能提升更加显