生物基可降解塑料的改性主要有化學(xué)改性、生物改性和物理改性三種改性方法。其中，化學(xué)改性是指通過化學(xué)反應(yīng)生成接枝或嵌段聚合物，通過改變組分間的界面張力形成相容體系，從而改善材料的物化性質(zhì)；生物改性是指在發(fā)酵生產(chǎn)過程中引入其他的羥基烷酸單元，對目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行定向改造，生成不同鏈段組成的聚合物，該方法在菌種選擇、碳源控制以及合成機(jī)制上具有一定的局限性且成本較高；物理改性是指通過選擇不同的共混組分、調(diào)整組分之間配比、利用溶液或熔融法制成有效共混物，進(jìn)而對共混物的熱力學(xué)性能進(jìn)行改善。物理機(jī)械共混是一種簡單易行、經(jīng)濟(jì)實用的改性方法。

PLA共混改性的四種方法

PLA具有良好的生物降解性和相容性。在土壤微生物作用下，半年到一年就可以降解成乳酸，降解產(chǎn)物可被生物體吸收；生產(chǎn)能耗低，僅相當(dāng)于石化產(chǎn)品的20%~50%，生產(chǎn)過程中CO2產(chǎn)生量為50%；其透氣性優(yōu)異且具有優(yōu)良抑菌抗霉性。這些優(yōu)良性能使得PLA是目前產(chǎn)業(yè)化最成熟、產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛、價格最低的生物基和生物降解塑料材料，已應(yīng)用于薄膜、農(nóng)林環(huán)保、生物醫(yī)療等多個領(lǐng)域。但PLA也存在潤濕性較差、材料脆、硬（斷裂伸長率不大于10%）且熱變形溫度低（不大于55℃）等缺點，故目前的研究重點主要集中在通過改性提高PLA的力學(xué)性能、抗菌能力等方面。

與PEG共混

聚乙二醇（PEG）無毒、無刺激性，具有良好的水溶性，具有豐富的端羥基，可以進(jìn)行酯化等反應(yīng)，又易與電子受體基團(tuán)締合或自動氧化，是改性PLA常用的改性增塑劑，也是該領(lǐng)域中外學(xué)者研究的重點。研究者開發(fā)了PLA與PEG相結(jié)合，并用氧化鎂（MgO）納米粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，與原始PLA薄膜相比，復(fù)合材料PLA/PEG/MgO的斷裂伸長率提高了約760％。隨著PEG和MgO納米粒子的加入，PLA薄膜的光學(xué)性能和抗菌性能發(fā)生了顯著的變化。

與無機(jī)填料/自然纖維共混

與無機(jī)填料或是自然纖維共混，也是PLA改性的主要研究方向。學(xué)者研究了碳酸鈣（CaCO3）納米粒子和殼聚糖（CS）含量對PLA/CS/CaCO3復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果顯示，CaCO3促進(jìn)了PLA與CS的融合，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量等力學(xué)性能都有了明顯提高。使用竹纖維對PLA進(jìn)行改性，得到的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和斷裂伸長率分別提高了19.3％和30.1％。采用熔融共混法制備PLA/香蕉纖維復(fù)合材料，通過使用偶聯(lián)劑和化學(xué)改性將香蕉纖維結(jié)合到PLA鏈上，得到的復(fù)合材料熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能顯著提高。

與功能橡膠共混

以聚異戊二烯橡膠（IR）、硅橡膠（SI）、丙烯酸橡膠（AR）、丙烯酸核殼橡膠（CSR）、熱塑性共聚酯（TPE）和熱塑性聚氨酯（TPU）作為功能橡膠，添加量為PLA的15％。結(jié)果表明，PLA/CSR具有最高的拉伸韌性、沖擊韌性和結(jié)晶度。學(xué)者通過引入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），制備了低成本PLA/木粉（WF）復(fù)合材料，與純PLA相比，PLA/WF/PMMA抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別提高了4.60％和26.54％，復(fù)合材料水解效率明顯優(yōu)于PLA。

與PHA共混

在PLA基底材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%~20%的PHA，共混制備的復(fù)合材料具有優(yōu)于任一原料的抗沖性能，拓寬了應(yīng)用范圍。學(xué)者研究PHA用量與PLA/PHA復(fù)合材料性能關(guān)系，在一定范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）內(nèi)，隨著PHA用量的增加，PLA/PHA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等均得到提高；但當(dāng)PHA用量過多（質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時），則會導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性降低。學(xué)者采用熔融復(fù)合技術(shù)制備了由PLA、3 - 羥基丁酸酯和3 - 羥基戊酸酯共聚物（PHBV）共混物和納米黏土組成的納米復(fù)合材料，流變表征證實了PLA/PHBV復(fù)合材料的熔體黏度和彈性較原料PLA顯著增強(qiáng)。學(xué)者通過由半結(jié)晶PLA、3 - 羥基丁酸與3 - 羥基己酸共聚酯（PHBH）制備的復(fù)合材料，結(jié)果表明，隨著PHBH含量的增多，PLA的結(jié)晶逐漸受到抑制。PHBH使材料產(chǎn)生更大的塑性變形，從而使PLA/PHBH的韌性得到改善，其中PLA/PHBH質(zhì)量比80:20時的韌性較好，扯斷強(qiáng)度較原料PLA提升20倍以上。

未來的研究方向

經(jīng)過近幾年發(fā)展，生物基可降解塑料仍有以下幾點有待進(jìn)一步研究。

1. 對于可降解塑料的“易降解程度”還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前都是以降解后的CO2釋放量、質(zhì)量損失以及物理特性的變化等數(shù)據(jù)評價材料的降解能力，并未形成統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)，這會導(dǎo)致不同材料難以橫向比較，單方面數(shù)據(jù)又難有說服力。

2. 針對可降解塑料的降解機(jī)理還需要深入研究。降解機(jī)理的探明有助于分離、培育此過程中有關(guān)的酶或酶系統(tǒng)的微生物。可預(yù)見的是，可降解塑料形成產(chǎn)業(yè)化的同時，構(gòu)建配套的降解機(jī)構(gòu)（設(shè)置專門降解處置企業(yè)）是必不可少的，甚至還會提前發(fā)展。

3. 無論是石油基還是生物基的可降解塑料都應(yīng)該將全生命周期管理作為權(quán)衡其與傳統(tǒng)塑料優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。現(xiàn)階段針對可降解塑料的研究多在合成途徑和改性方法上，關(guān)注重點也是在合成材料的力學(xué)性能、降解效果等方面，而忽略了該過程中使用的改性劑或是制備方法本身是否會造成環(huán)境污染；在某種可降解塑料產(chǎn)品投入使用前，必須對其生命周期內(nèi)的各方面包括生產(chǎn)流程和處置方法進(jìn)行全生命周期評估。

參考資料：

《生物基可降解塑料物理改性研究進(jìn)展》

孫浩程１，崔玉磊２，王宜迪１，回軍１