加拿大麥吉爾大學(xué)最新研究:?無毒的生物基甘油基聚乳酸增塑劑

麥吉爾大學(xué)（McGill University），簡稱麥吉爾（McGill），于1821年在蘇格蘭裔蒙特利爾商人和慈善家、格拉斯哥大學(xué)校友詹姆斯·麥吉爾捐贈的土地和資金基礎(chǔ)上，由英王喬治四世頒布皇家特許狀以麥吉爾之名創(chuàng)立。加拿大麥吉爾大學(xué)

聚乳酸(PLA)是一種生物基來源且可堆肥降解的聚合物，具有優(yōu)異的拉伸強度、模量以及生物相容性，可應(yīng)用包裝、3D打印、生物醫(yī)用等領(lǐng)域。盡管PLA的應(yīng)用范圍很廣，但固有的脆性和低延展性限制其廣泛應(yīng)用。因此，為了提高材料的性能，人們常利用增塑劑與PLA共混以降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)并賦予材料柔韌性和加工性能。

最近加拿大麥吉爾大學(xué)的Milan Mari?等使用甘油、琥珀酸酐和不同鏈長的醇合成一系列生物基來源的增塑劑，用于增塑脆性的聚乳酸并評價了化學(xué)結(jié)構(gòu)對增塑性能、遷移率、共混物形態(tài)和毒性的影響。在20wt%增塑劑的負(fù)載下，PLA膜具有優(yōu)異的柔韌性（高達435%伸長率），純PLA的伸長率僅為6%，同時增塑后的PLA的Tg可降低到15℃（純PLA的Tg~60℃）。

該研究以題為 “Highly Flexible Polylactide Food Packaging Plasticized with Nontoxic, Biosourced Glycerol Plasticizers”發(fā)表在《ACS Appl. Polym. Mater.》上。

甘油基增塑劑的合成

甘油是一種無毒、可再生、含有三個羥基官能團的化合物，是一種設(shè)計綠色增塑劑的理想構(gòu)件。作者使用甘油與不同鏈長的單酯化琥珀酸酐制備了一系列類似物，并評估了其作為增塑劑在柔性PLA基食品包裝中的應(yīng)用。制備方法為：在無溶劑條件下，加入催化量的對甲苯磺酸(pTsOH H2O)，氮氣氣氛下反應(yīng)18h得到產(chǎn)物，產(chǎn)物為淺黃色或透明油狀物。這種方法避免了在反應(yīng)過程中使用有機溶劑，并以非常低的催化劑負(fù)載量達到高產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率，且在酯化過程中僅產(chǎn)生水作為副產(chǎn)物。

增塑效果評估

為了評價增塑劑的增塑效率，作者通過溶劑流延法制備含有10和20wt%的PLA膜，并用DSC評估了復(fù)合材料的熱性能。純PLA的Tg為59℃，加入增塑劑后PLA的Tg明顯下降，尤其是負(fù)載20wt%較長直鏈增塑劑的PLA的Tg可降低至15℃，但支化結(jié)構(gòu)的GS-EH沒有產(chǎn)生同樣理想的效果。

添加有效的增塑劑應(yīng)能提高柔韌性，同時增加斷裂伸長率，故作者測試了材料的拉伸性能。總的來說，10wt%，20wt%增塑劑負(fù)載下均能有效的增塑PLA，并產(chǎn)生高度柔性和延展性的溶劑流延薄膜。相比之下，相對于純PLA，負(fù)載10wt%增塑劑的熔融混合物在拉伸性能方面顯示出可忽略的改善，而在20wt%負(fù)載下的熔融共混物顯示出延展性/柔韌性的顯著改善，伸長率達到257%-435%。

增塑劑遷移

作者在60℃的溫度下，將20wt%負(fù)載的共混物薄膜暴露于水、3% v/v乙酸和10% v/v乙醇中1、5和10天，以監(jiān)測遷移隨時間的演變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)較長烷基鏈組成的增塑劑生產(chǎn)的共混物顯示出最低的質(zhì)量損失百分比，而異丙基鏈官能化的GS-iP在10天后始終顯示出比所有其他測試的類似物更高的質(zhì)量損失。這是由于在較低分子量下，親水性更強的增塑劑會從PLA共混物中產(chǎn)生更高程度的遷移。

在所有三種測試的模擬物中，由于酯鍵的水解，純PLA也會有質(zhì)量損失，隨時間保持相對恒定在5%和8%之間。而在所有測試的模擬物中，用ATBC和GS-C6增塑的共混物顯示出比純PLA更低的質(zhì)量損失，這表明當(dāng)暴露于水溶液時，這些增塑劑為PLA基質(zhì)提供了額外的穩(wěn)定性。學(xué)在加拿大醫(yī)博類大學(xué)

加拿大麥吉爾大學(xué)最新研究:?無毒的生物基甘油基聚乳酸增塑劑

總結(jié)

本文在無需溶劑的情況下，利用甘油、琥珀酸酐和不同鏈長的醇合成一系列生物基來源的增塑劑，并用于生產(chǎn)柔韌PLA膜，使其具有作為食品包裝材料的潛在應(yīng)用。所有甘油類似物增塑劑都顯著降低了純PLA的Tg，最高可降低44℃。在20wt%增塑劑負(fù)載下，在溶劑流延薄膜中獲得高達435%的斷裂伸長率，而熔融共混后材料的斷裂伸長率也可高達257%。當(dāng)暴露于不同的水性食品模擬物時，具有較短烷基鏈基團增塑的PLA顯示出隨時間推移的最高遷移程度，10天后觀察到高達22%的質(zhì)量損失，而GS-C6混合物顯示出優(yōu)異的耐遷移性(< 7%質(zhì)量損失)?？傊?，這項工作證明了這一系列生物增塑劑的適用性，以生產(chǎn)高度靈活，低浸出，無毒的聚乳酸共混物，有潛力用于制造聚乳酸為基礎(chǔ)的食品包裝材料。

麥吉爾大學(xué)一共設(shè)有11個學(xué)院，包括跨學(xué)科研究學(xué)院、農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院、人文社科學(xué)院、牙科學(xué)院、教育學(xué)院、工程學(xué)院、法學(xué)院、德薩特爾斯管理學(xué)院、醫(yī)學(xué)與健康科學(xué)院、音樂學(xué)院、自然科學(xué)學(xué)院。

連續(xù)16年位列麥考林雜志加拿大醫(yī)博類大學(xué)排名第1；

2022年QS世界大學(xué)排名第27；

2021年泰晤士高等教育世界大學(xué)排名第40；

2020年QS世界大學(xué)排名中位列全球第35名；

2020年泰晤士高等教育世界大學(xué)排名中位列全球第42名；

2019年US News世界大學(xué)排名中位列全球第43名。

更多留學(xué)干貨內(nèi)容，歡迎繼續(xù)關(guān)注學(xué)在加拿大官網(wǎng)和美國留學(xué)網(wǎng)以及我們的官方微信服務(wù)號。