完全基于生物材料且可生物降解的聚乳酸泡沫，采用均质纤维制成，用于油水分离

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Fully bio-based and biodegradable poly(lactic acid) foam fabricated with homogeneous fiber for oil-water separation

本研究利用绿色超临界CO2发泡技术开发了全生物基可降解的PLA开放胞孔泡沫，通过同质PLAF作为成核剂和硬质相调控泡沫结构，显著提升结晶速率（半衰期从15.8min降至<1.0min）和热稳定性（120℃压后保持62%原始高度），同时形成网络结构增强熔体粘弹性，实现13.6-24.6g/g的高油吸附容量和10次循环后87%的吸附效率保持率。

　　

Youjin He | Junji Hou | Xiaoli Zhang | Jingbo Chen

郑州大学材料科学与工程学院，中国郑州 450001

摘要

在生产与消费过程中对石化聚合物泡沫的过度依赖引发了日益严重的塑料污染问题。本文采用绿色的超临界CO₂发泡技术，开发出完全基于生物材料且可生物降解的聚乳酸（PLA）开孔泡沫，用于选择性吸油。为避免影响PLA的降解过程，选用了均质的PLA纤维（PLAF）作为成核剂和硬质相，以调控泡沫的细胞结构。PLAF的加入显著加快了PLA的结晶速率，使其结晶半衰期从15.8分钟缩短至不到1.0分钟。由于形成了网络状结构，PLAF显著提高了熔体的粘弹性能。在发泡过程中，未熔化的PLAF不仅增加了泡沫的细胞密度，还促进了细胞结构的形成。经过退火的PLA-5泡沫在120°C压力处理后仍能保持其原始高度的62%。得益于其开孔结构，PLA-5泡沫具有优异的吸油和有机溶剂吸附能力，吸附量范围为13.6至24.6克/克，并且在10次循环后仍能保持87%的初始吸附效率。本研究提供了一种制备环保泡沫的方法，可用于油水分离。

章节摘录

1 引言

海洋石油泄漏、工业废水排放以及食品行业产生的废油排放对水生生态系统和人类健康构成了严重威胁[1]。与天然有机或矿物吸附剂相比，多孔聚合物材料（如聚氨酯泡沫）具有重量轻、吸附能力强和可重复使用等优点[2][3]。然而，这些材料常常被丢弃在垃圾填埋场或水体中，从而导致塑料污染。

材料

PLA（REVODE 110）由浙江和顺生物材料有限公司提供，密度为1.25克/立方厘米，熔点为158.9°C；PLAF的熔点为176.4°C，由泉州Smartwin进出口贸易有限公司提供，平均直径为12微米，长度为6毫米。CO₂被用作物理发泡剂。

样品制备

在混合之前，PLA树脂和PLAF需在60°C下干燥12小时以去除水分。PLA泡沫的制备过程如图1所示。

3.1 混合物的热行为

图2a显示了PLA/PLAF混合物的微观结构，其中PLAF在PLA中均匀分布。由于基体和纤维属于同一种化学成分的材料，因此界面结合良好。PLA和PLA/PLAF混合物的加热曲线如图2b所示。PLA在100–125°C范围内表现出明显的冷结晶现象，导致熔化峰出现双重峰值。这表明在PLA的加热过程中形成了不完美的晶体[39]。

结论

总之，我们利用超临界CO₂发泡技术成功制备出了完全基于生物材料且可生物降解的PLA泡沫，该泡沫具有优异的油水分离性能。均质的PLAF提高了PLA的结晶速率和结晶度，从而提升了其Vicat软化温度。PLAF形成的网络结构显著改善了泡沫的储存模量和熔体粘度。在发泡过程中，未熔化的PLA纤维不仅促进了细胞结构的形成，还提升了泡沫的整体性能。

作者贡献声明

Youjin He：撰写初稿、方法设计、实验研究。 Xiaoli Zhang：指导工作、方法设计。 Junji Hou：撰写修改稿、指导工作、概念构思。 Jingbo Chen：指导工作、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。