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隨著對環境可持續性發展的廣泛認識，與傳統的石油基聚合物相比，由可再生資源衍生出的完全可生物降解的聚乳酸（PLA）由于其良好的物理化學性質在包裝領域受到越來越多的關注。然而，純PLA因其低的結晶速率，低氣體阻隔性和高遷移率等缺陷阻礙了其在食品包裝領域的應用。目前，很多學者利用納米纖維素及纖維素衍生物增強PLA，但針對其作用機理及內在影響機制仍是研究的難點。

圖1. 不同長徑比纖維素納米晶對PLA的作用機理與性能增強示意圖

余厚詠研究團隊通過不同方法從生物質纖維素中提取不同長徑比的纖維素納米晶（納米球、納米棒、納米纖維），并利用溶液涂膜技術將纖維素納米晶均勻分散在PLA基體中。系統研究不同長徑比纖維素納米晶對PLA基體形貌、熱穩定性、結晶能力、機械性能、阻隔性能、遷移率等的影響。纖維素納米球具有強誘導PLA結晶鏈的成核能力，而纖維素納米纖維具有優異誘導PLA分子鏈的應力傳遞（圖1），研究組首次闡明了不同長徑比纖維素納米晶的成核、氫鍵、界面作用等效應對PLA的性能協同增強機制。

圖2 不同纖維素納米晶增強PLA納米復合薄膜的斷裂機制和力學模型分析

該團隊通過Halpin-Kardos和Ouali模型分析不同長徑比纖維素納米晶對PLA力學性能的貢獻。通過模型分析可知Halpin-Kardos模型適用于長徑比較低的納米纖維素基復合材料而Ouali模型則更加適用于長徑比較大的納米纖維素基復合材料，并且闡述了不同長徑比纖維素納米晶增強PLA納米復合薄膜的斷裂機制（圖2）。進一步與石墨烯、納米粘土等無機增強材料對比研究，發現納米纖維素的引入，該納米復合膜在熱穩定性、力學性能和水蒸氣透過率上有更為顯著地改善（圖3）。該工作對納米纖維素及纖維素衍生物增強聚乳酸及其他生物可降解聚合物納米復合材料在食品包裝領域研究提供了極其重要的理論參考。

圖3 本研究PLA/CNC復合材料和石墨烯等粒子增強PLA復合材料對比研究圖： T_max的增加量，Ds（拉伸強度的增加率）和WVP （水蒸氣透過率減少率）

以上相關成果分別發表在ACS Applied Material & Interfaces（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017. DOI: 10.1021/acsami.7b09102），ACS Sustainable Chemistry & Engineering（ACS Sustain. Chem. Eng. 2016, 4(5): 2632-2643），RSC Advances（RSC Adv., 2014, 4, 59792）, Carbohydrate Polymers（Carbohyd. Polym. 2017, 173: 7–16）上。相關論文的第一作者兼通訊作者為浙江理工大學材料與紡織學院、絲綢學院副教授余厚詠和研究生張恒等同學一起合成的。

論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b09102