研究背景：

塑料具有重量轻、成本低、加工性好的优点，但广泛使用的塑料产生大量不可降解的废物污染物，造成重大的环境挑战。为了解决这个问题，人们对开发生物可降解聚合物作为绿色替代品越来越感兴趣。在这些聚合物材料中，聚（乳酸）(PLA)因其优异的安全性、生物相容性和生物降解性而被认为是一种很有前途的材料。然而，PLA或其他环保材料的广泛使用仍然受到其性能不足或复杂的制造工艺，因此成本高的限制。因此，有必要通过有效、稳健的策略开发高性能、低成本的生物可降解材料。

研究内容：

中国科学技术大学的俞书宏院士团队研究了一种先进的PLA辅助剥离和分散方法，它可以实现从天然矿物金云母中大量生产云母纳米片。结合珍珠启发的结构设计，我们制备了一种可降解的聚乳酸包覆云母纳米片(纳米云母/PLA)纳米复合薄膜，研究该薄膜的强度、光学性能、紫外吸收和气体阻挡性能。以及珍珠启发的高度有序的“砖和砂浆”结构的形成机理。

主要研究结果：

（1）珍珠灵感纳米云母/聚乳酸纳米复合薄膜的制备。a)聚乳酸溶液辅助下纳米云母片的剥离过程。b)通过剪切力组装制备了珍珠层灵感薄膜，实现了纳米云母片的均匀取向。c)所获得的由纳米云母片和聚乳酸组成的“砖和砂浆”结构示意图。d)珍珠层激发膜的小角度XRD图案显示了纳米云母片的周期性排列和由此产生的生物激发膜的综合屏障特性（插图）。e)通过10m×15厘米的卷对卷成型工艺获得的珍珠启发薄膜的照片。

（2）纳米云母薄片的表征。a）地面辉辉岩粉末的扫描电镜图像和地面辉辉岩粉末的照片（插图）。b)纳米云母薄片的扫描电镜图像，显示了通过pla辅助剥离制备的纳米云母薄片。c)纳米薄片的透射电镜图像，显示超薄云母片。d)带磁搅拌的纳米云母片分散的照片及其可扩展的制备照片(插图显示5桶50L纳米云母片分散，浓度为1wt%)。e)纳米云母片的AFM高度图像显示，纳米云母片的高半径-厚度比。f)纳米云母片的厚度为≈7nm。g)辉晶石粉末、聚乳酸膜和珍珠灵感膜的XRD曲线。h)通过PLA辅助剥离制备的金云母粉末、PLA和纳米云母片的XPS。i)分别通过PLA辅助剥离制备的金云母粉末、PLA和纳米云母片的FTIR光谱。

（3）不同纳米云母片含量的纳米云母/聚乳酸纳米复合薄膜的力学性能比较。a)不同含量纳米云母片的拉伸应力应变曲线。b)不同含量纳米云母片的珍珠层激发膜的拉伸强度和模量的比较。c)不同含量纳米云母片的珍珠层薄膜的韧性。d)珍珠灵感薄膜中“砖和砂浆”结构的扫描电镜图像（注：样品由等离子切割机制备）。e，f)受珍珠层启发的薄膜的拉伸断裂部分的扫描电镜图像。g)辉晶石的晶体结构及其与聚乳酸分子的相互作用示意图。[38]h)聚乳酸中碳基的红外光谱显示其与纳米云母的相互作用。i)用厚度为0.04mm、宽度为4mm的珍珠层灵感膜拉出2公斤重的照片。

（4）研究了珍珠启发的纳米复合薄膜的阻挡性能和紫外屏蔽性能，以及与纯聚乳酸和塑料薄膜的比较。a)在23°C/90%RH条件下，不同塑料薄膜和不同纳米云母片含量的珍珠激发薄膜的透氧速率。b)在38°C/90%RH条件下，不同塑料薄膜和不同纳米云母片含量的珍珠激发薄膜的水蒸气传输速率。c)在38°C/90%RH条件下，不同塑料薄膜和不同纳米云母片含量的珍珠激发薄膜的庚烷蒸汽传输速率。d)不同纳米云母片含量的珍珠层激发薄膜的紫外-可见透射率。e)珍珠层启发膜与其他塑料薄膜的力学性能比较。f)将雷达图与纯PLA电影和EVA电影进行比较。g)受珍珠层启发的薄膜的光谱反射率。h,i)受珍珠灵感的薄膜的照片。

（5）珍珠层激发的纳米云母/聚乳酸纳米复合薄膜具有优异的综合性能。a)滚到辊路径示意图，显示了浆料的涂层工艺过程和珍珠启发薄膜的热干燥过程。作为参考，在（b-e）中，皮带的宽度为20厘米。b)输送带中心区域的浆涂层过程的照片。c)输送带上的珍珠层灵感美学薄膜的运输过程照片。d)二氧化钛-云母/PLA纳米复合悬浮液在滚对辊输送带上以35°C动态干燥的照片。e)从传送带上剥离出珍珠灵感的薄膜。f-i）珍珠岩灵感薄膜的应用演示：将由珍珠岩灵感薄膜加工而成的纸式起重机放置在金云母(f)上，密封在珍珠启发的大豆薄膜中的照片(g)，密封在珍珠启发的薄膜中的去离子水的照片(h)，以及从珍珠启发的美学薄膜加工而成的海蜗牛的照片(i)。j)在ISO20 200 标准堆肥条件下，对不同天数前后的视觉观察。k)堆肥条件下不同天数前后的残留率。

研究结论：

本研究报道了一种可生物降解的珍珠激发纳米复合薄膜，具有优越的屏障性能、优异的力学性能和自组装天然矿物纳米云母的紫外屏蔽性能。通过合理的仿生设计，将这些综合性能结合在一起，表明从天然矿物和生物可降解聚合物开始制备更好的可持续材料是一种强大但环保的策略。目前的纳米纳米复合膜有望成为一种优良的食品包装材料，从而延长食品的保质期。同时，通过引入一些具有特殊珠光颜色的无机纳米级构建块，如二氧化钛涂层云母微片(TiO2-云母)，将提高珍珠色薄膜的光学和力学性能，以满足其在高端化妆品、电子产品包装等领域的应用。因此，通过提高PLA基薄膜的力学性能、屏障性能和紫外线屏蔽性能，这些珍珠仿生薄膜将为仿生原理在PLA材料上应用于构建可降解高性能材料开辟道路。

参考文献：

Zi-Meng Han, De-Han Li, Huai-Bin Yang, Yu-Xiang Zhao, Chong-Han Yin,Kun-Peng Yang, Hao-Cheng Liu, Wen-Bin Sun, Zhang-Chi Ling, Qing-Fang Guan,* and Shu-Hong Yu*,Nacre-Inspired Nanocomposite Films with Enhanced Mechanical and Barrier Properties by Self-Assembly of Poly(Lactic Acid) Coated Mica Nanosheets,Adv. Funct. Mater. 2022, 2202221.

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202202221

DOI: 10.1002/adfm.202202221