中国科大俞书宏院士团队AFM：仿生纳米复合膜，大幅延长食品保质期

颗粒在线讯：生活中广泛使用的塑料产生大量不可降解的废污染物。研究表明，开发聚乳酸（PLA）等可生物降解材料是减少对不可降解塑料的依赖和这些废物积累的有前途的策略。然而，制造具有优异机械和阻隔性能的高性能可生物降解薄膜仍然是一项重大挑战。

有鉴于此，中国科学技术大学俞书宏院士、管庆方特任副研究员团队通过引入最有效的仿生模型之一的“砖和泥”结构来改善材料的综合性能。提出了PLA辅助的剥离和分散方法，以天然矿物云母为原料制备PLA包覆的云母纳米片(纳米云母/PLA)。通过引入剪切力组件，可以制造出一种具有“砖和泥”结构的珍珠质纳米复合薄膜。这种珍珠质纳米复合膜显示出优异的机械性能、紫外线屏蔽和阻气性能。珍珠质纳米复合薄膜的整体性能优于商业塑料薄膜，这将有可能打开PLA在包装领域实际应用的道路。这项研究以“Nacre-Inspired Nanocomposite Films with Enhanced Mechanical and Barrier Properties by Self-Assembly of Poly(Lactic Acid) Coated Mica Nanosheets”为题发表在著名期刊Advanced Functional Materials。

【珍珠质纳米复合薄膜的设计与制备】

一般来说，“砖”的选择在珍珠质“砖和泥”结构材料的制造中起着关键作用。天然云母被选为“砖”的原料，主要是因为它具有丰富的储量和优异的紫外线防护性能。为了从云母中提取2D纳米级构建块，将天然云母机械粉碎成云母粉末，然后将其加入PLA溶液中并依次用高速剪切和超声波处理。通过上述两步处理，云母成功剥离到涂有PLA分子的2D无机云母纳米片（纳米云母）上。作者发现纳米云母片可以在PLA溶液中形成均匀的分散体。PLA分子的修饰极大地促进了PLA和纳米云母片之间的结合能力，这使得随后的自组装过程成为可能。

图1 珍珠质纳米云母/PLA纳米复合膜的制备

【PLA辅助纳米云母片的剥离】

与氧化石墨烯，氮化硼等合成纳米级积木相比，纳米云母片具有显著的成本优势。此外，与纳米粘土和其他亲水性无机片材相比，纳米云母片材在有机溶剂和聚合物基质中具有更好的分散性和稳定性。因此，如何制备具有高性能的纳米云母基珍珠质聚合物复合材料将具有广阔的应用前景。天然从云母剥离为纳米云母片，通过PLA溶液中的高速剪切和超声处理，云母粉末分解成纳米级片材。纳米云母表面上的分子极大地促进了其在有机溶剂中的稳定性和分散性，这使得纳米云母片均匀分布在PLA基体中。

图2 纳米云母片的表征

【珍珠质纳米复合薄膜的力学性能】

受益于珍珠质结构设计，与纯PLA相比，纳米云母/PLA纳米复合膜的机械性能大大提高。纳米云母/PLA的拉伸强度测试显示薄膜持续增加直至纳米云母的添加量增加至20 wt%。最高抗拉强度(≈97 MPa）、杨氏模量(≈8 GPa）和韧性(≈1.5兆焦耳−3） 珍珠质激发薄膜的重量为20 wt%，与PLA薄膜相比分别增加了86.5%、116%和25%。纳米复合膜强度的显著提高可归因于通过剪切力组装和蒸发诱导的自组装构建的“砖和泥”结构。这种纳米复合薄膜的高强度和高模量源于具有高刚度的纳米云母砖以及纳米云母片和PLA分子之间的强相互作用。

图3 珍珠质纳米云母/PLA纳米复合薄膜与不同纳米云母片含量的力学性能比较

【珍珠质纳米复合薄膜的阻挡和紫外线屏蔽性能】

除了机械性能外，阻气也是包装材料的重要性能。与其他塑料薄膜相比，PLA的高结晶度使其具有相对高的阻氧性能。20 wt%纳米云母片的珍珠质启发膜的OTR低至7.04 mm cm−3 m−2 day−1，可作为坚果、药品等氧化敏感产品的包装材料。珍珠质薄膜（添加量：40 %）的水蒸气阻隔性比纯PLA薄膜好约4倍。与市售的乙酸乙烯酯共聚物（EVA）包装膜相比，改进近3倍。PLA添加有序的纳米云母片显着提高了珍珠质薄膜的油脂阻隔性能。与纯PLA薄膜相比，珍珠质薄膜的油脂阻挡提高了6倍。珍珠质薄膜具有出色的润滑脂阻隔性能，为化妆品，药品和富含挥发油的食品的包装材料提供了全新的选择。

珍珠质纳米复合薄膜还具有出色的紫外线屏蔽性能。纳米云母/PLA生物激发复合膜在UV波段（280nm）具有低透射率，在可见光带（555nm）具有高透射率，表明该膜具有优异的UV屏蔽性能和可见光透射率。这种光学选择性主要是由于纳米云母片的层状晶体结构和偏振和层间光学干扰。紫外线屏蔽能力使珍珠质激发的纳米复合薄膜可用作紫外线敏感食品、医药和电子产品的包装材料，以避免紫外线损伤。

图4 珍珠质纳米复合薄膜的阻隔性能和紫外线屏蔽性能及其与纯PLA和塑料薄膜的比较

【总结】

作者报道了一种可生物降解的珍珠质纳米复合薄膜，通过自组装来自天然矿物云母的PLA涂层纳米云母，具有优异的阻隔性能、优异的机械性能和紫外线屏蔽性能。通过合理的生物启发设计将这些综合特性结合在一起表明，从原始天然矿物和可生物降解聚合物开始制备更好可持续材料是一种强大但环保的策略。本研究的珍珠质纳米复合薄膜有望成为未来优秀的食品包装材料，这将延长食品的保质期。