可降解聚乳酸复合材料研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.06.024

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (6): 155-164.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.06.024

可降解聚乳酸复合材料研究进展

邵琳颖¹, 郗悦玮¹^,²(), 翁云宣¹^,²()

^1.北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048
^2.北京工商大学，塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室，北京 100048

收稿日期:2022-01-05 出版日期:2022-06-26 发布日期:2022-06-27
通讯作者: 郗悦玮（1990—），女，讲师，生物医用高分子材料及生物基材料，xiyuewei@btbu.edu.cn
翁云宣（1972—），男，教授，生物基材料及环境友好高分子材料，wyxuan@th.btbu.edu.cn
E-mail:xiyuewei@btbu.edu.cn;wyxuan@th.btbu.edu.cn;xiyuewei@btbu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52073004)

Research progress in degradation characteristics of poly（lactic acid） composites

SHAO Linying¹, XI Yuewei¹^,²(), WENG Yunxuan¹^,²()

^1.School of Chemistry and Materials Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2.Beijing Key Laboratory of Plastics Hygiene and Safety Quality Evaluation Technology，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China

Received:2022-01-05 Online:2022-06-26 Published:2022-06-27
Contact: XI Yuewei, WENG Yunxuan E-mail:xiyuewei@btbu.edu.cn;wyxuan@th.btbu.edu.cn;xiyuewei@btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

对聚乳酸（PLA）复合材料的生物降解性能进行综述，总结PLA与有机物（如木质素、纤维素等）、无机物（如碳酸钙、纳米银颗粒等）复合后力学性能、热性能、生物相容性、抗菌性的变化及在不同环境条件下生物降解速率的变化，梳理了PLA复合材料结构、组成与降解性能的相互关系，对降解性能可控的PLA复合材料应用前景进行了展望。

关键词: 聚乳酸, 生物可降解聚酯, 环境友好高分子

Abstract:

This paper reviewed the biodegradation performance of poly（lactic acid） composites and summarized the variation trends in their mechanical properties， thermal properties， biocompatibility， antibacterial properties， and biodegradation rate under different environmental conditions after compounded with organic substances such as lignin， cellulose， etc. and inorganic substances such as calcium carbonate， nano silver particles， etc. Furthermore， the material structures of polylactic acid composites and the relationship between the compositions and degradation properties were discussed， and the application prospect of poly（lactic acid） composites with controllable degradation properties was prospected.

Key words: poly（lactic acid）, biodegradability, environmentally friendly polymer

中图分类号:

TQ321

邵琳颖, 郗悦玮, 翁云宣. 可降解聚乳酸复合材料研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 155-164.

SHAO Linying, XI Yuewei, WENG Yunxuan. Research progress in degradation characteristics of poly（lactic acid） composites[J]. China Plastics, 2022, 36(6): 155-164.

图/表 13

图1 2010?2025年管理不善的塑料废物和塑料海洋碎片（假设3种不同的转化率）［百万公吨（MMT）］［4］

Fig.1 Poorly managed plastic waste and plastic marine debris 2010?2025（assuming three different conversion rates）（million metric tons （MMT））［4］

图2 生物可降解聚合物的分类［8］

Fig.2 Classification of biodegradable polymers［8］

图3 聚合物的降解方式［5］

Fig.3 Degradation mode of polymers［5］

图4 热降解示意图［14］

Fig.4 Schematic diagram of thermal degradation［14］

图5 PLA的降解方式

Fig.5 Degradation mode of PLA

图6 木质素单体结构图

Fig.6 Structural diagram of lignin monomer

复合材料添加剂	木质素	木质纤维素、碳二亚胺	木质纤维	玄武岩纤维
降解效果	促进降解	抑制降解	促进降解	抑制降解
力学性能	降低	含量较少时略有提高	降低	增强
热性能	没有变化	先增加后下降	⁃⁃⁃⁃	⁃⁃⁃⁃
结晶度	降低	降低	⁃⁃⁃⁃	⁃⁃⁃⁃

表1 PLA复合材料的降解效果［23，25?28］

Tab.1 Degradation effect of poly（lactic acid） composites［23， 25?28］

样品名称		添加剂	添加量/ %	第二次热循环			参考文献
样品名称		添加剂	添加量/ %	T_m/℃	T_c/℃	X_c/%	参考文献
PLA	无		0	177	113	54.3	^［23］
PLA/lignin	lignin		5	177	112	45.4	^［23］
PLA/lignin	lignin		10	174	101	42.5	^［23］
PLA/lignin	lignin		15	174	92	30.3	^［23］
PLA	无		0	177	98	13.80	^［26］
PLA/WF	WF		7.5	177	96	16.65	^［26］
PLA/WF	WF		15	178	94	16.34	^［26］
PLA/BF	BF		7.5	176	97	14.22	^［26］
PLA/BF	BF		15	178	95	13.24	^［26］

表2 PLA复合材料的降解效果

Tab.2 Degradation effect of polyl（actic acid） composites

图7 BDICDI稳定PLA/WF复合材料的机理

Fig.7 Mechanism of BDICDI stabilizing PLA/WF composites

图8 共培养体系的降解机理［40］

Fig.8 Degradation mechanism of co?culture system ［39］

图9 PLA膜（对照）和含有不同浓度活性剂的活性薄膜（PLA/PWP和PLA/EEP）的生物降解性分析［43］

Fig.9 Biodegradability assays of PLA film （control） and all AFs（PLA/PWP and PLA/EEP） containing different concentrations of AAs［43］

薄膜种类	添加量/ %	热性能
薄膜种类	添加量/ %	T_g/℃	T_m/℃	ΔH_m/J•g^-1
PLA	0	50.1±7.5	150.4±0.4	22.4±3.1
PLA/PWP5	5	48.3±5.4	148.1±3.8	21.3±8.9
PLA/PWP8.5	8.5	43.4±6.7	148.3±3.6	19.4±0.4
PLA/PWP13	13	38.6±7.4	149.8±3.2	18.7±0.4
PLA/EEP5	5	46.7±2.4	151.2±1.4	24.2±2.4
PLA/EEP8.5	8.5	43.7±3.4	149.7±0.9	21.6±4.7
PLA/EEP13	13	49.8±4.8	146.8±1.4	11.4±6.5

表3 PLA膜（对照）和含有不同浓度活性剂的活性薄膜（PLA/PWP和PLA/EEP）的热性能［43］

Tab.3 Thermal of PLA film （Control） and AFs （PLA/PWP and PLA/EEP） containing different concentrations of AAs［43］

图10 PLA（左）和PHBV（右）在培养基中生物降解第63、94、128天后的SEM照片［46］

Fig.10 SEM images of PLA （left） and PHBV （right） after biodegradation in medium after 63， 94， and 128 days［46］

参考文献 58

1	Qin M， Chen C， Song B， et al. A review of biodegradable plastics to biodegradable microplastics： another ecological threat to soil environments？［J］. J Clean Prod， 2021， 312.
2	Rezvani Ghomi E， Khosravi F， Saedi Ardahaei A， et al. The life cycle assessment for polylactic acid （PLA） to make it a low⁃carbon material ［J］. Polymers， 2021， 13（11）.
3	Kliem S， Kreutzbruck M， Bonten C. Review on the biological degradation of polymers in various environments ［J］. Materials， 2020， 13（20）.
4	Jambeck J R， Geyer R， Wilcox C， et al. Plastic waste inputs from land into the ocean ［J］. Science， 2015， 347（6223）： 768⁃771.
5	Zaaba N F， Jaafar M. A Review on degradation mechanisms of polylactic acid： hydrolytic， photodegradative， microbial， and enzymatic degradation ［J］. Polym Eng Sci， 2020， 60（9）： 2 061⁃2 075.
6	Haider T P， Volker C， Kramm J， et al. Plastics of the future？ the impact of biodegradable polymers on the environment and on society ［J］. Angew Chem Int Ed Engl， 2019， 58（1）： 50⁃62.
7	Armentano I， Bitinis N， Fortunati E， et al. Multifunctional nanostructured PLA materials for packaging and tissue engineering ［J］. Prog Polym Sci， 2013， 38（10⁃11）： 1 720⁃1 747.
8	Rajeshkumar G， Arvindh Seshadri S， Devnani G L， et al. Environment friendly， renewable and sustainable poly lactic acid （PLA） based natural fiber reinforced composites⁃a comprehensive review ［J］. J Clean Prod， 2021， 310.
9	Ramesh P， Vinodh S. State of art review on life cycle assessment of polymers ［J］. Int J Sustain Eng， 2020， 13（6）： 411⁃422.
10	Rasal R M， Janorkar A V， Hirt D E. Poly（lactic acid） modifications ［J］. Prog Polym Sci， 2010， 35（3）： 338⁃356.
11	Rosli N A， Karamanlioglu M， Kargarzadeh H， et al. Comprehensive exploration of natural degradation of poly（lactic acid） blends in various degradation media： a review ［J］. Int J Biol Macromol， 2021， 187： 732⁃741.
12	Andrzejewska A. One year evaluation of material properties changes of polylactide parts in various hydrolytic degradation conditions ［J］. Polymers， 2019， 11（9）.
13	Sednickova M， Pekarova S， Kucharczyk P， et al. Changes of physical properties of pla⁃based blends during early stage of biodegradation in compost ［J］. Int J Biol Macromol， 2018， 113： 434⁃442.
14	Madhavan Nampoothiri K， Nair N R， John R P. An overview of the recent developments in polylactide research ［J］. Bioresour Technol， 2010， 101（22）： 8 493⁃8 501.
15	Karamanlioglu M， Preziosi R， Robson G D. Abiotic and biotic environmental degradation of the bioplastic polymer poly（lactic acid）： a review ［J］. Polym Degradation Stab， 2017， 137： 122⁃130.
16	Larrañaga A， Lizundia E. A review on the thermomechanical properties and biodegradation behaviour of polyesters ［J］. Eur Polym J， 2019， 121.
17	Da Silva S A， Hinkel E W， Lisboa T C， et al. A biostimulation⁃based accelerated method for evaluating the biodegradability of polymers ［J］. Polym Test， 2020， 91.
18	Mayekar P C， Castro⁃Aguirre E， Auras R， et al. Effect of nano⁃clay and surfactant on the biodegradation of poly（lactic acid） films ［J］. Polymers， 2020， 12（2）.
19	Saadi Z， Rasmont A， Cesar G， et al. Fungal degradation of poly（l⁃lactide） in soil and in compost ［J］. J Polym Environ， 2011， 20（2）： 273⁃282.
20	Longieras A， J⁃B Tanchette， Erre D， et al. Compostability of poly（lactide）： degradation in an inert solid medium ［J］. J Polym Environ， 2007， 15（3）： 200⁃206.
21	Wang H， Pu Y， Ragauskas A， et al. From lignin to valuable products⁃strategies， challenges， and prospects ［J］. Bioresour Technol， 2019， 271： 449⁃461.
22	Sugiarto S， Leow Y， Tan C L， et al. How far is lignin from being a biomedical material？［J］. Bioact Mater， 2022， 8： 71⁃94.
23	Silva T F D， Menezes F， Montagna L S， et al. Effect of lignin as accelerator of the biodegradation process of poly（lactic acid）/lignin composites ［J］. Mater Sci Eng， B， 2019， 251.
24	Wang Y， Liu S， Wang Q， et al. Strong， ductile and biodegradable polylactic acid/lignin⁃containing cellulose nanofibril composites with improved thermal and barrier properties ［J］. Ind Crops Prod， 2021， 171.
25	Sun C， Huang Z， Liu Y， et al. The effect of carbodiimide on the stability of wood fiber/poly（lactic acid） composites during soil degradation ［J］. J Polym Environ， 2020， 28（4）： 1 315⁃1 325.
26	Kuciel S， Mazur K， Hebda M. The influence of wood and basalt fibres on mechanical， thermal and hydrothermal properties of PLA composites ［J］. J Polym Environ， 2020， 28（4）： 1 204⁃1 215.
27	Quitadamo A， Massardier V， Iovine V， et al. Effect of cellulosic waste derived filler on the biodegradation and thermal properties of hdpe and PLA composites ［J］. Processes， 2019， 7（10）.
28	E⁃R Radu， Panaitescu D M， C⁃A Nicolae， et al. The soil biodegradability of structured composites based on cellulose cardboard and blends of polylactic acid and polyhydroxybutyrate ［J］. J Polym Environ， 2021， 29（7）： 2 310⁃2 320.
29	Ilyas R A， Sapuan S M， Harussani M M， et al. Polylactic acid （PLA） biocomposite： processing， additive manufacturing and advanced applications ［J］. Polymers， 2021， 13（8）.
30	Hegyesi N， Zhang Y， Kohári A， et al. Enzymatic degradation of PLA/cellulose nanocrystal composites ［J］. Ind Crops Prod， 2019， 141.
31	Zhao X P， Hu H， Wang X， et al. Super tough poly（lactic acid） blends： a comprehensive review ［J］. Rsc Advances， 2020， 10（22）： 13 316⁃13 368.
32	Coiai S， Di Lorenzo M L， Cinelli P， et al. Binary green blends of poly（lactic acid） with poly（butylene adipate⁃co⁃butylene terephthalate） and poly（butylene succinate⁃co⁃butylene adipate） and their nanocomposites ［J］. Polymers， 2021， 13（15）.
33	Qiu S， Zhou Y， Waterhouse G I N， et al. Optimizing interfacial adhesion in PBAT/PLA nanocomposite for biodegradable packaging films ［J］. Food Chem， 2021， 334： 127487.
34	Correa⁃Pacheco Z N， Black⁃Solis J D， Ortega⁃Gudino P， et al. Preparation and characterization of bio⁃based PLA/PBAT and cinnamon essential oil polymer fibers and life⁃cycle assessment from hydrolytic degradation ［J］. Polymers， 2019， 12（1）.
35	Jian J， Xiangbin Z， Xianbo H. An overview on synthesis， properties and applications of poly（butylene⁃adipate⁃co⁃terephthalate）–PBAT ［J］. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research， 2020， 3（1）： 19⁃26.
36	Rameshkumar S， Shaiju P， O'connor K E， et al. Bio⁃based and biodegradable polymers ⁃ state⁃of⁃the⁃art， challenges and emerging trends ［J］. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry， 2020， 21： 75⁃81.
37	Gao X， Xie D， Yang C. Effects of a PLA/PBAT biodegradable film mulch as a replacement of polyethylene film and their residues on crop and soil environment ［J］. Agric Water Manage， 2021， 255.
38	Ren Y， Hu J， Yang M， et al. Biodegradation behavior of poly （lactic acid）（PLA）， poly （butylene adipate⁃co⁃terephthalate）（PBAT）， and their blends under digested sludge conditions ［J］. J Polym Environ， 2019， 27（12）： 2 784⁃2 792.
39	Fu Y， Wu G， Bian X， et al. Biodegradation behavior of poly（butylene adipate⁃co⁃terephthalate）（PBAT）， poly（lactic acid）（PLA）， and their blend in freshwater with sediment ［J］. Molecules， 2020， 25（17）.
40	Jia H， Zhang M， Weng Y， et al. Degradation of polylactic acid/polybutylene adipate⁃co⁃terephthalate by coculture of pseudomonas mendocina and actinomucor elegans ［J］. J Hazard Mater， 2021， 403： 123679.
41	Rocha D B， Souza De Carvalho J， De Oliveira S A， et al. A new approach for flexible PBAT/PLA/CaCO₃ films into agriculture ［J］. J Appl Polym Sci， 2018， 135（35）.
42	Kim H⁃S， Park B H， Choi J H， et al. Mechanical properties and thermal stability of poly（l⁃lactide）/calcium carbonate composites ［J］. J Appl Polym Sci， 2008， 109（5）： 3 087⁃3 092.
43	Ulloa P A， Vidal J， Dicastillo C， et al. Development of poly（lactic acid） films with propolis as a source of active compounds： biodegradability， physical， and functional properties ［J］. J Appl Polym Sci， 2018， 136（8）.
44	Srimalanon P， Prapagdee B， Sombatsompop N. Soil inoculation with pseudomonas geniculata ws3 for accelerating the biodegradation process of in situ compatibilized Pbs/PLA blends doped with hpqm ［J］. J Polym Environ， 2020， 28（4）： 1 138⁃1 149.
45	Brdlik P， Boruvka M， Behalek L， et al. Biodegradation of poly（lactic acid） biocomposites under controlled composting conditions and freshwater biotope ［J］. Polymers， 2021， 13（4）.
46	Mazur K， Singh R， Friedrich R P， et al. The effect of antibacterial particle incorporation on the mechanical properties， biodegradability， and biocompatibility of PLA and PHBV composites ［J］. Macromol Mater Eng， 2020， 305（9）.
47	Ramos M， Fortunati E， Beltran A， et al. Controlled release， disintegration， antioxidant， and antimicrobial properties of poly （lactic acid）/thymol/nanoclay composites ［J］. Polymers， 2020， 12（9）.
48	Siakeng R， Jawaid M， Asim M， et al. Accelerated weathering and soil burial effect on biodegradability， colour and textureof coir/pineapple leaf fibres/PLA biocomposites ［J］. Polymers， 2020， 12（2）.
49	Boonluksiri Y， Prapagdee B， Sombatsompop N. Promotion of polylactic acid biodegradation by a combined addition of PLA⁃degrading bacterium and nitrogen source under submerged and soil burial conditions ［J］. Polym Degradation Stab， 2021， 188.
50	Stoleru E， Vasile C， Oprica L， et al. Influence of the chitosan and rosemary extract on fungal biodegradation of some plasticized PLA⁃based materials ［J］. Polymers， 2020， 12（2）.
51	Pantani R， Sorrentino A. Influence of crystallinity on the biodegradation rate of injection⁃moulded poly（lactic acid） samples in controlled composting conditions ［J］. Polym Degradation Stab， 2013， 98（5）： 1 089⁃1 096.
52	De Jong S J， Arias E R， Rijkers D T S， et al. New insights into the hydrolytic degradation of poly（lactic acid）： participation of the alcohol terminus ［J］. Polymer， 2001， 42（7）： 2 795⁃2 802.
53	Valentina I， Haroutioun A， Fabrice L， et al. Poly（lactic acid）⁃based nanobiocomposites with modulated degradation rates ［J］. Materials， 2018， 11（10）.
54	Mai F， Tu W， Bilotti E， et al. Preparation and properties of self⁃reinforced poly（lactic acid） composites based on oriented tapes ［J］. Compos Part A Appl Sci Manuf， 2015， 76： 145⁃153.
55	Alcock B， Peijs T. Technology and development of self⁃reinforced polymer composites ［J］. Polymer Composites ⁃ Polyolefin Fractionation ⁃ Polymeric Peptidomimetics ⁃ Collagens， 2013， 251： 1⁃76.
56	Gil⁃Castell O， Badia J D， Ingles⁃Mascaros S， et al. Polylactide⁃based self⁃reinforced composites biodegradation： individual and combined influence of temperature， water and compost ［J］. Polym Degradation Stab， 2018， 158： 40⁃51.
57	Wang Q， Li Y， Zhou X， et al. Toughened poly（lactic acid）/bep composites with good biodegradability and cytocompatibility ［J］. Polymers， 2019， 11（9）.
58	Karamanlioglu M， Houlden A， Robson G D. Isolation and characterisation of fungal communities associated with degradation and growth on the surface of poly（lactic） acid （PLA） in soil and compost ［J］. Int Biodeterior Biodegradation， 2014， 95： 301⁃310.

[1]	沈雪梅, 朱小龙, 胡燕超, 宋任远, 张现峰, 李席. 静电喷雾法制备聚乳酸/布洛芬微球及其性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 61-67.
[2]	周舒毅, 朱敏, 刘忆颖, 曹舒惠, 蔡启轩, 聂慧, 张玉霞, 周洪福. 高分子止血材料研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 74-84.
[3]	王镕琛, 张恒, 孙焕惟, 段书霞, 秦子轩, 李晗, 朱斐超, 张一风. 医疗卫生用聚乳酸非织造材料的制备及其亲水改性研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 158-166.
[4]	李梦琪, 陈雅君. 纳米材料阻燃聚乳酸的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 102-114.
[5]	孙滔, 杨青, 胡健, 王洋样, 刘博, 云雪艳, 董同力嘎. 聚（乳酸⁃乙醇酸）薄膜制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 33-40.
[6]	毛晨, 刘番, 鄂毅, 邹姝燕, 龚兴厚. 纳米CoFe₂O₄的制备及其对PLA结晶性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 9-14.
[7]	韦宗辰, 郗悦玮, 翁云宣. 聚乳酸基复合骨组织修复材料的研究现状及进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(9): 136-146.
[8]	唐于婧, 王亚桥, 倪敬越, 王从龙, 王向东. 立构复合晶对聚乳酸发泡行为的影响[J]. 中国塑料, 2021, 35(8): 117-124.
[9]	李玉竹, 姚利辉, 叶世强, 吕国永, 刘盼盼, 徐龙飞, 仇丹. 生物降解材料在水环境中降解性能的研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(7): 103-114.
[10]	段续远, 郑红娟. 改性聚乳酸发泡技术研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(7): 134-139.
[11]	蔡小芳, 袁航, 刁晓倩, 李字义, 封棣. 食品接触聚乳酸杯盖中的滑石粉迁移分析[J]. 中国塑料, 2021, 35(7): 91-96.
[12]	杨文杰, 何佳文, 朱寒宾, 王思思, 李熹平. 石墨烯增强聚乳酸力学性能及其发泡行为研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(6): 26-32.
[13]	孙东宝, 路琴, 陆鑫禹, 贾王一, 曹尚. PLA/稻壳粉复合材料界面改性方法及性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(6): 80-84.
[14]	张博, 王小峰, 郭萌, 白志媛, 任翠红, 韩文娟, 宇山浩, 李倩. 聚乳酸表面羧基化改性及细胞相容性研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 17-23.
[15]	许佳怡. 羟丙甲纤维素增韧聚乳酸复合材料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 59-64.

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