聚乳酸/氧化石墨烯/木质素/复合材料的制备及简单表征
1.聚乳酸/氧化石墨烯/木质素/复合材料的制备的目的及意义
聚乳酸( PLA) 是一种非石油基的可降解高分子材料，被誉为21世纪最具发展潜力的“绿色塑料”之一[1]。但是由于其性脆、韧性差、耐水解性差，导致其应用领域受限，无法作为通用塑料和工程塑料被广泛应用。因此，对聚乳酸的改性一直是聚乳酸研究的热点。石墨烯是一种仅有一个碳原子厚度的二维平面材料，其厚度为0.335 nm，是目前发现的最薄片材。氧化石墨烯（graphene oxide） ，GO是石墨烯的一种重要衍生物，其结构与石墨烯的结构基本相同，但是在其二维表面连有一些含氧官能团，如羟基、环氧官能团和羧基基团等。石墨烯和氧化石墨烯都具有较佳的力学性能。在自然界，木质素的储量仅次于纤维素，也具有生物可降解性。每年制浆造纸工业从植物中分离出纤维素约1.4亿吨，同时得到木质素副产品5000万吨左右[2]。但迄今为止，浓缩后被焚烧处理的分离木质素超过了95％，不仅造成了极大的浪费，而且加剧了环境污染。多年来人们对木质素在合成树脂、胶黏剂、表面活性剂等领域的利用虽然有了一定的研究成果，但将其作为填充材料增强PLA的性能报道还相对较少。所以将三种材料通过熔融共混和注塑成型复合在一起，通过氧化石墨烯和木质素来改性聚乳酸得到一种新型的，同时兼备有氧化石墨烯、木质素和聚乳酸优异性能的新型复合材料。
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聚乳酸/氧化石墨烯/木质素/复合材料研究概况
- 聚乳酸产业在国外的发展历史
早在 20 世纪 30 年代末，美国、日本的科学家就开始进行聚乳酸的合成研究，但由于原料成本高，一直未得到推广。进入 20 世纪 80 年代，受石油短缺和环保压力的驱使世界对生物可降解材料的研究和发展再次活跃。在玉米的深加工技术中努力研制聚乳酸的先驱是日本的钟纺合纤公司和美国的卡吉尔·道（Cagill Daw）聚合物公司[3]。早在 20 世纪 60~70 年代，日本钟纺合纤公司在生物可降解塑料筛选中发现了聚乳酸的生物可降解性。在此期间Cargill Daw 公司开发了能从玉米产生聚乳酸纤维的工艺。最后由日本钟纺合纤公司联合岛津制作所于 1994 年共同开发出了商品名为 Lactron 的 PLA 纤维，又称作玉米纤维[4]。
1997 年，Dow 聚合物公司看好聚乳酸纤维的后期发展，与 Cargill Daw 公司以各占 50%的股份建造了年产量达 14 万吨的生产线，并于 2002 年投产，商品名为“Nature Works”。2005 年，Nature Works 公司从 Dow 和 Cargill Daw公司中独立出来，更名为英吉尔（Ingeo），至此英吉尔公司成为世界上最大的聚乳酸生产厂家。目前全世界有 100多家使用英吉尔生产的原料和消费品，其中包括了食品包装、餐具、服装、家居用品、个人护理产品以及消费类电子产品。此外，德国 Uhde Inventa - Fischer 公司、意大利Snamp rogetti 公司、荷兰 Hycail 公司、德国巴斯夫公司等也开发了聚乳酸生产技术[5]。
毫无疑问，日本是最精明的。日本并没有丰富的玉米资源，不可能像美国、中国等玉米资源大国一样不断地生产聚乳酸，但日本人善于设计和创造。自从美国卡吉尔陶氏（Cargill-Dow）公司发明聚乳酸后，日本就开始了他们的玉米塑料产品加工的研制和创新，据世界聚乳酸发展势态专利系列分析报告称，在 1985-2005 年的 20 年间申请专利数目最多的前十位专利拥有权人都是日本人，他们在聚乳酸方面申请的专利占到了在此期间总专利数的 50%，日本人在聚乳酸的改性和产品的开发力上可见一斑[6]。
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- 聚乳酸产业在国内的发展历史
在中国，聚乳酸产业的发展要相对滞后，中科院长春应化所自 2000 年开始把研究重点聚焦到聚乳酸的研究这一重大方向上，与浙江海正集团开展了联合攻关，经过 7年多的不懈努力，课题组深入开展了从乳酸到丙交酯单体的制备及其聚合得到聚乳酸的最佳反应条件和工艺探索，将丙交酯的收率从 90%提高到 97%；设计并合成了具有自主知识产权的用于低聚乳酸裂解制备丙交酯单体、本体聚合的催化剂。他们以 L-乳酸为起始原料通过若干步骤化学合成和聚合方法，优化工艺条件，进行生产设备改造，最终得到可工业应用的聚 L-乳酸树脂（PLA）及 PLA 一次性应用制品。PLA 的基本物理性能达到了国外同类产品的指标，为万吨级产业化生产提供了合理的技术参数。该项目于 2008 年投产，5 000 吨/年聚乳酸生产线已实现批量生产，产品 60%出口欧洲和日本等国[7]。
除海正外，南通九鼎生物工程有限公司和江西武藏野生物化工有限公司都分别有 3 000 吨的年生产能力。南通九鼎生物工程有限公司预计于今年将产量扩大到 20 000吨/年。
同时不可忽视的是位于汕头市的罗宾生化科技有限公司和成祥高聚物科技有限公司，他们虽不生产原料但提供改性聚乳酸原料和成品的能力惊人，达到了 25 000 吨，这两个公司的技术支持分别是美国 Nature Works 公司和Shinoka 公司[8]。
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