裴培，郁萌，邓晓玉，罗思乐，刘露露，向青，王欣瑶

（长沙师范学院，长沙 410000）

当前，随着社会经济的快速发展，世界范围内的能源消耗与环境承载均受到了极大的挑战。性能优异的塑料制品作为典型的高分子材料被广泛应用，不仅给人类带来了极大的便利，也给环境造成了巨大的伤害。有报道称，每年约有800万吨难以降解的塑料垃圾以及150万吨微塑料流向海洋[1,2]。为了解决当前塑料材料所带来的诸多问题，我国出台了多项政策措施。2020年1月发布的《关于进一步加强塑料污染治理的意见》中明确规定全面禁止使用塑料吸管、一次性餐具等。当前，我国部分城市已开始施行“限塑令”。在此背景下，环境友好型新材料的开发迫在眉睫。

我国“十四五”规划纲要中明确提出，新材料领域是国家战略发展的新兴产业，生物可降解材料是目前领域内的研究热点。据统计[2,3]，全球生物可降解材料年产量约100万吨，年增长率超20%。生物可降解材料因其环境友好及性能优良等特点，受到众多企业及研究者青睐。因此，从环境保护、政策驱动及行业发展方面出发，生物可降解材料的研究、开发及应用具有重要意义。

我国是农业大国，由于生物质秸秆材料的来源广泛、资源丰富且具备生物可降解性和再生性，因此其被认为是目前最具发展前景的生物质资源之一。聚乳酸是一种生物降解性能优良的热塑性材料，然而该材料目前存在成本较高的问题。因此，利用大量产生的生物质秸秆材料填充绿色高分子材料——聚乳酸，既能降低成本，又能保护环境；既能废物利用，又能为绿色材料的制造提供生态型原材料。

1 聚乳酸

聚乳酸可以天然的植物资源（如玉米、马铃薯及各类农作物秸秆等）为原料，通过发酵处理、提取及聚合后制得[3]。在自然环境下，被废弃的聚乳酸制品可降解为乳酸、CO2和H2O，该材料具备良好的生物降解性能。此外，聚乳酸材料具备良好的力学性能与物理机械性能，因而被广泛应用于包装材料、医用材料、建筑材料等领域。然而大量研究表明，聚乳酸材料具有韧性差、热稳定性能差、脆性大、结晶度低、价格昂贵等特点。此类特征在一定程度上限制了聚乳酸的实际应用。聚乳酸的生态循环及应用场景[3]如图1所示。

图1 聚乳酸的生态循环及应用场景

2 生物质材料

农作物秸秆是生物质材料中的重要类别，我国每年可产生的农作物秸秆总量可达8亿吨，近年来秸秆资源产量与使用量比对[4]如图2所示。当前，在新材料制备领域已使用的生物质材料包括稻草、竹粉、木粉及其他农作物纤维等。有研究称[2]，以纤维素含量较高的生物质秸秆材料为原料制备复合材料，可提升复合材料的机械性能。

图2 我国近年来秸秆资源产量与使用量对比图

2.1 竹纤维

我国竹类资源丰富，竹林总面积约641.16万公顷[5]。由于竹生长快、成本低、经济适用性强、力学性能好（具有较高的强度、韧性、硬度及可塑性），因而被普遍认为是一种在结构制造中的理想原料。以竹纤维为原料制备的复合材料可用于制作复合板材，可被应用于家具、建筑材料及包装材料等领域。有报道称[5]，竹纤维的添加可提升复合材料的整体结晶速率，可用于制备绿色环保型复合材料。

2.2 稻草

我国是世界上最大的水稻生产国和消费国，稻草是水稻加工过程中产生的主要副产物之一[6]。研究表明，稻草纤维表面含有大量的木质素和SiO2，其表面呈现不规则凸起的网状结构，比表面积大[7]。因此，稻草纤维用于复合材料加工时，与胶粘剂的结合难度较大。有研究报道，稻草可作为复合材料的增强体[8]，将稻草与聚丙烯、聚乳酸等聚合物进行复合后，可以制备性能较好的新材料。

2.3 松木纤维

松木属于针叶植物，分布遍及我国各地，具有质地柔顺轻韧、弹性好、透气性强及导热性能优良等特点，具有研究价值及应用潜力。由于松木纤维来源广泛、成本低廉且具有良好的生物降解性，也可作为一种良好的天然增韧材料，可被用于复合材料的制备领域。

因此，为了提高生物质材料的利用率，减少资源损耗，探究生物质材料与可降解材料——聚乳酸进行复合的工艺流程及性能优化具有重要的研究价值[9]。

3 复合材料的制备及改性

当前，以聚乳酸为基础材料，加入增强材料（如生物质材料）等制备综合性能优异的复合材料是领域内的研究热点，大量研究者在该领域进行了探索。制备聚乳酸-生物质复合材料的常用工艺有注塑成型法、模压成型法、熔融挤出法等[10,11]。

此外，大量研究表明[12-15]，由于聚乳酸与填充物之间的性能差异较大，多相间的相容性较差。许多生物质材料所含有的强极性亲水羟基，易导致其与非极性且疏水的聚乳酸界面相容性差，从而可影响复合材料的形态、结构、分散均匀性及界面强度等。因此，多数复合材料在制备时可添加相容剂、偶联剂及表面活性剂等助剂，以改善聚乳酸与填充物之间的界面相容性，提升复合材料的力学性能和亲水性能等。

在偶联剂改性聚乳酸-生物质复合材料领域，韩青[12]等采用三种不同的偶联剂（硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂CS-201和六亚甲基二异氰酸酯HMDI）分别对玉米秸秆纤维/聚乳酸复合材料进行了界面改性。结果表明，偶联剂改性处理可使聚乳酸基体与纤维素之间的界面相容性得到明显改善，并提高了复合材料的拉伸强度及冲击强度。Lee孙东宝[13]等以聚乳酸和稻壳粉为原料，添加不同含量的壳聚糖、硅烷偶联剂和NaOH作为改性剂，通过膜压成型法制备了PLA/稻壳粉复合材料。结果表明，硅烷偶联剂对复合材料具有较好的综合改性效果。

在研究马来酸酐类接枝物对聚乳酸-生物质复合材料的改性方面，大量研究表明，马来酸酐具有强极性基团，在接枝共聚反应中，马来酸酐可与聚合物发生接枝反应，使得接枝后的聚合物既具有强极性又具有非极性。刘常衡[14]采用聚乳酸、10%马来酸苷接枝的聚乳酸相容剂以及丝光处理的椰壳纤维，通过转矩流变仪制备出了相容性、力学性能和界面性能优良的聚乳酸-椰壳纤维复合材料。

在研究甘油对聚乳酸-生物质复合材料的改性方面，王莹等[15]采用熔融挤出和3D打印方法制备了杨木粉/聚乳酸复合材料，探究了甘油影响复合材料力学性能的原因。该研究发现，甘油能破坏聚乳酸的晶体结构，且能增强复合材料两相界面的相容性。

4 展望

当前，采用生物质材料——聚乳酸（以聚乳酸为基材）制备各类复合材料的研究已成为领域内的研究热点。大量研究报道对材料成型加工方法的选择、配方设计以及生物质材料的改性等方面进行了工艺优化，对复合材料的力学性能、结晶度、热稳定性以及降解性能等进行了测试分析。开发和利用生物质材料、扩大原材料的选取范围、使复合材料更加多元、提升复合材料的综合性能是本领域未来的研究方向。新型复合材料的制备具有重要的研究意义和广阔的应用前景。