在堆肥条件下填充功能化二氧化钛纳米颗粒 (PLA/TiO2) 的聚乳酸的生物降解评估

介绍

聚乳酸 (PLA) 是一种合成的可生物降解聚合物，由于对可作为石化衍生产品的可持续替代品的可再生材料的需求不断增加，因此在全球范围内对生物医学和消费应用进行了研究 [1,2,3,4]。 PLA 是丙交酯或乳酸聚合的产物，乳酸是自然界中通过碳水化合物微生物发酵最广泛生产的羧酸 [5]。然而，PLA的适用性相对有限，因为其热变形温度、韧性和降解率都不尽如人意[6, 7]。解决这些缺点的方法之一是通过添加无机纳米粒子对 PLA 进行改性，包括典型的纳米粘土、碳纳米管、氧化锌和锐钛矿 (A-TiO2) [8,9,10,11,12,13,14,15 ]。最近，我们通过将 PLA 与化学改性的 TiO2（溶液乳酸接枝 TiO2，以下简称 g-TiO2）熔融共混制备了 PLA/TiO2 纳米复合材料 [16]。结果表明，与纯 PLA 相比，TiO2 纳米粒子对 PLA/TiO2 共混物的机械性能（如断裂应变和弹性）的改善具有显着影响。同时，g-TiO2纳米颗粒对PLA的水解降解和光降解有很强的影响[17, 18]。

从工业和科学的角度来看，使用实验室规模试验研究可生物降解材料的生物降解性和生物降解机制是一种极其重要的方法，可以帮助了解这些材料的使用寿命[15]。目前有几种方法可用于评估可生物降解材料的生物降解性，这些方法通常基于间接测量，例如二氧化碳产生量、沼气产生量或氧气消耗量[19, 20]。

PLA 在堆肥中的生物降解特性已经得到研究和报道 [21,22,23]。堆肥是在微生物种群和受控堆肥条件的组合下，在温暖、潮湿和有氧环境中加速有机材料的生物降解 [24, 25]。此外，PLA 在堆肥条件下的生物降解是一个温度和湿度依赖的过程，涉及几个过程，即吸水、酯裂解以及低聚物碎片的形成和溶解 [26]。最广为接受的 PLA 生物降解机制涉及两步降解过程。最初，堆肥中的热量和水分攻击 PLA 链并将它们分开，从而产生小分子量聚合物，最终产生乳酸。此后，堆肥和土壤中的微生物在厌氧和好氧条件下分别将低聚物碎片和乳酸矿化，生成甲烷和二氧化碳 (CO2) [27,28,29]。

最近，填料对 PLA 生物降解的影响引起了人们的极大关注，特别关注的是纳米填料，如纳米粘土、碳纳米管和羟基磷灰石 [23, 30,31,32,33,34,35,36, 37,38]。一些作者 [32,33,34] 发现添加纳米粒子可以加速 PLA 的生物降解，这归因于纳米粒子的相对较高的亲水性，从而使水容易渗透到聚合物基质中并引发水解降解。然而，其他研究[35,36,37,38]报道，由于纳米复合材料的阻隔性能增强，生物降解被延缓。

虽然已经有一些文献关注 PLA 材料的生物降解，但 TiO2 在 PLA 降解中的作用仍然存在争议。 TiO2 纳米颗粒如何影响 PLA 的生物降解尚不清楚。因此，仍然需要研究在堆肥条件下由 TiO2 纳米填料改性的 PLA 的生物降解。目前的研究基于对不断变化的 CO2 的估计，在受控的实验室堆肥条件下广泛评估了 PLA/TiO2 纳米复合材料的生物降解，PLA/TiO2 纳米复合材料在不同降解条件下的降解性的补充，可以扩展 PLA 在各个方面的使用- 将来使用应用程序。

方法

材料

PLA（由 Natureworks ^@ 制造 (4032D)) 的重均分子量 (Mw) 为 19,600 kDa，多分散性为 1.89，通过凝胶渗透色谱法 (GPC) 测定。 PLA 在 65 °C 下减压干燥 24 小时，并在使用前用吸湿剂真空储存。乳酸（88%，广水国化）使用前在80 °C下蒸馏除去水分。锐钛矿二氧化钛纳米颗粒，平均初级粒径约为20 nm，由攀钢有限公司提供。甲苯和氯仿按原样使用。色谱级微晶纤维素由上海化学试剂有限公司提供。堆肥接种物取自城市生活垃圾（MSW）的有机部分，由中国塑料加工工业协会降解塑料专业委员会提供（ CPPIA）。

样品准备

已经报道了关于 TiO2 纳米颗粒的功能化和 PLA/TiO2 纳米复合材料的制备的详细信息 [16]。 G-TiO2 纳米填料是通过将乳酸低聚物接枝到锐钛矿表面来制备的。 PLA/TiO2 纳米复合材料是通过同向旋转双螺杆挤出机熔融共混制备的。纯PLA经过相同的混合处理以具有与纳米复合材料相同的热历程。制备含有 0、0.5、1.0、2.0、5.0、8.0 和 15.0 wt% g-TiO2 的样品并标记为 PLA、PLA/TiO2-0.5、PLA/TiO2-1、PLA/TiO2-2、PLA/TiO2 –5、PLA/TiO2–8 和 PLA/TiO2–15 纳米复合材料。

通过在 190 °C、10 MPa 压力下压制 4 分钟，然后在室温下在 5 MPa 下冷却 5 分钟，将不同比例的 PLA 和 g-TiO2 的小片样品转化为厚度约为 0.5 mm 的薄片。此后，将压缩成型的样品切成5 mm × 5 mm的尺寸并称重。

退化测试

生物降解试验是在实验室规模装置中根据为可生物降解塑料设计的标准试验方法（GB/T19277-2003/ISO 14855-1:2005）进行的（确定在受控堆肥条件下塑料材料的最终好氧生物降解性——方法通过分析释放的 CO2）。代谢底物中的大部分碳通过在有氧环境中化学转化为 CO2 来产生能量 [39]。因此，在大多数情况下，对 CO2 生成的测量被认为是最合适的生物降解测量。该标准规定了通过在受控堆肥条件下测量释放的 CO2 量和测试材料的生物降解度百分比来确定最终需氧生物降解性的程序。堆肥接种物是从 MSW 的有机部分中获得的，将其筛分至小于 5 mm 的尺寸。此后，细粒部分用作接种物。表 1 显示了确定的堆肥接种物的物理化学特性。在每个测试中，一系列堆肥反应器（每个样品一式三份）装载 15 g 参考材料（即标准建议的微晶纤维素 (MCE)）或测试材料（每个薄膜在之前称重和标记）降解）、85 g 接种物和 320 g 干海砂（提供良好的均质条件和改善的接种物内部有氧环境）。此后，将反应器置于 58 ± 2 °C 的无光培养箱中进行 90 天的实验时间。使用水饱和的不含 CO2 的空气开始曝气；通过每个反应器的流速设置为25 mL·min ^-1 .所有反应器中的湿度、混合和曝气均按照 GB/T19277-2003/ISO 14855-12,005 的要求进行控制。在选定的时间，每个样品取3-4个试样，用蒸馏水洗涤，室温干燥至少24 h至恒重。

在生物降解过程中释放的 CO2 被困在 NaOH 溶液中，并使用滴定法定期测量。 NaOH 用标准 HCl 溶液滴定至酚酞终点。参照对照烧瓶计算生物降解过程中释放的总 CO2。每个样品报告的数据是从三个样品中获得的平均值。

特征化

显微镜检查

使用在 5 kV 下操作的 Philips FEI INSPECT F 仪器获得扫描电子显微镜 (SEM) 图像。所有样品在分析前均溅射镀金。

热分析

通过差示扫描量热法 (DSC) (TA Q20, TA Instruments) 研究样品的热性能。在氮气流 (50 mL/min) 下以 10 °C/min 的加热和冷却速率在室温至 200 °C 和 200 至 - 50 °C 的温度范围内获得热谱图。

XRD 研究

X 射线衍射 (XRD) 分析是使用配备有 Cu Kα 的 DX-1000 X 射线衍射仪（中国丹东泛源仪器有限公司）进行的 (λ =0.154 nm) 源。发电机在 25 mA 和 40 kV 下运行。以6°/min的扫描速率从不同角度（即2-70°）扫描样品。

生物降解百分比的测定 (D t , %)

生物降解百分比 (D t , %) 可以使用等式计算。 1，它被采用为等式。 2 [1, 40]。

其中 (CO2)T 是从测试材料中释放出的 CO2 量（以 g/瓶为单位），(CO2)B 是对照烧瓶中释放的 CO2 量（以 g/瓶为单位），ThCO2 是聚合物材料产生的理论 CO2 量。

每个烧瓶可产生的理论 CO2 量 (ThCO2, g ² /g 样品）的计算公式如下：

其中 M TOT 是在实验开始时添加到堆肥烧瓶中的干燥聚合物固体材料的总重量 (g)，C TOT是样品中总干聚合物固体中总有机碳的重量（g），44和12是CO2的分子质量和C的原子质量 , 分别。

分子量测量

通过 GPC 测定堆肥前后 PLA 纳米复合材料的分子量。 GPC 系统配备有 Waters 1515 等度 HPLC 泵、Waters 2414 示差折光检测器和 Waters 717 plus 自动进样器。氯仿用作洗脱液，流速为 0.8 mL/min，30 °C。校准采用聚苯乙烯标准。

结果与讨论

聚合物降解与特性的变化有关，例如颜色、表面形态和机械性能。在实验室条件下，纯 PLA 和 PLA/TiO2 纳米复合材料的外观随时间的变化是不同的。纯 PLA 基质表面最初是透明的，与无定形结构一致，经过 2 天的生物降解后变得相对发白 [41]。此特征随孵育时间增加，直至 10 天后完全不透明。 30 天后，在纯 PLA 薄膜表面上开始观察到由水渗透和微生物孵化引起的黄色至深棕色斑块。然而，6 天后，PLA 纳米复合材料的表面出现了大面积的深棕色斑块（图未显示）。褐色斑点代表微生物菌落，裂缝代表生物降解作用。图 1 显示了 PLA 及其 TiO2 纳米复合材料在 SEM 下的表面形貌。在降解之前，纯的和 PLA/TiO2 纳米复合材料的表面是光滑的。在堆肥条件下生物降解 5 天后，纯 PLA 的表面没有出现显着变化。 20 天后，纯PLA的表面粗糙度增加（图1a，a'）。然而，PLA/TiO2 纳米复合材料表现出渐进的变化，清楚地表明 PLA/TiO2 复合材料发生了相当大的降解。在纳米复合材料的表面观察到明显的裂缝和空隙（分别为图 1b，b'；c，c'；d，d'；分别）。这可能与 PLA 的水解和微生物活动有关。随着孵化时间的增加，裂缝和空隙变得非常深和大（分别为图 1 b'、c' 和 d'），从而表明随着时间的推移链损失和表面侵蚀。所有测试材料的本体侵蚀现象与PLA和PLA/TiO2纳米复合材料的水解降解过程相似[17]。

纯PLA表面的SEM照片（a ⁰ , a , a' ), PLA/TiO2–2 (b ⁰ , b , b' ), PLA/TiO2–5 (c ⁰ , c , c' ) 和 PLA/TiO2–8 (d ⁰ , d , d' ) 纳米复合材料作为孵育时间的函数。 一 ⁰ , b ⁰ , c ⁰ , d ⁰ :0 天； 一 , b , c , d ： 5天; a' , b' , c' , d' :20 天

为了评估生物降解过程中 PLA 和 PLA/TiO2 纳米复合材料的结晶度，分析了在不同孵育时间选择的样品的热性能（图 2 和 3）。图 2 显示玻璃化转变温度 (T g ) 随着降解时间的增加，所有样品都略有下降。 T 的减少 g 显然是由于分子的流动性增强，这是生物降解过程中低聚物片段和水的水解过程和塑化作用的结果 [33, 42]。冷结晶峰消失(T 抄送 ) 对于所有样品，仅在 2 天后才能归因于 PLA 的水解和聚合物基质结晶度的快速增加 [43]。 T 的减少 米 归因于分子质量的快速降低 [44, 45]。双峰熔融峰逐渐转变为单峰峰，这意味着小而不完美的晶体随着降解时间的推移而消失。该结果证明，在受控堆肥条件下，在降解的早期阶段，PLA 在非晶区的降解迅速进行。冷却扫描（见图 3）显示纯 PLA 的结晶峰逐渐增加。然而，PLA/TiO2 纳米复合材料的结晶峰最初显着增加，然后随着孵育时间的增加而略有下降。此外，纳米填料含量越高，结晶峰越早到达峰值。结晶峰的降低进一步证实了非晶区退化后结晶区开始退化。 Giuliana 和 Roberto [42] 报道，PLA 样品的一些非晶区域在短时间内转变为晶体，然后由于非晶部分的侵蚀作用，结晶度增加。此外，结晶区会长时间水解。

不同孵育时间纯PLA和PLA/TiO2纳米复合材料生物降解产物的DSC热谱图，首次加热扫描

不同孵育时间、冷却扫描的生物降解纯PLA和PLA/TiO2纳米复合材料的DSC热谱图

XRD 提供了一种理想的方法来监测降解过程中聚合物结晶的变化。 PLA 及其纳米复合材料的 XRD 图案（图 4）表明聚合物基质在生物降解之前保持无定形结构。仅在 2 天后，在 2θ 处出现两个强峰 =16.4、18.5°、20.9°和23.6°明显出现并且它们的强度随着孵育时间而增加。该结果表明形成了聚（L-丙交酯）或聚（D-丙交酯）型晶体结构 [46, 47]。结晶峰的变化表明非晶区比结晶区退化得更快，这增加了结晶与非晶区的比值。该结果与DSC结果和样品的透明度变化一致。

不同孵育时间下纯PLA和PLA/TiO2纳米复合材料的XRD图

在堆肥条件下的生物降解过程中，接种物验证的评估至关重要。按标准方法测定接种物的活性：D t 在 45 天的测试结束时，参考材料的含量应至少为 70%。图 5 中的插图显示 MCE 在 5 天后开始生物降解，并且在 45 天的孵育结束时生物降解的百分比高达 72%。这些结果表明实验中的 MCE 作为参考材料是有效的。在实验中，重复的堆肥容器显示出良好的重现性（标准偏差± 1.3%）。图 5 显示了 D t 用于培养期间纯 PLA 和 PLA/TiO2 纳米复合材料。对于 PLA 和 PLA/TiO2 纳米复合材料，观察到类似的行为，即首先观察到滞后期，然后是生物降解的急剧线性增加，然后是所有样品的平台期。增加的陡峭程度应该表明退化增加。然而，曲线表明纳米复合材料的滞后阶段比纯 PLA 的滞后阶段要短一些。该结果表明，TiO2 的存在在某种程度上加速了降解的初始阶段，并增加了孵化期结束时产生的 CO2 的百分比。在受控堆肥条件下培养 80 天后，D t 对于 PLA、PLA/TiO2–1、PLA/TiO2–2、PLA/TiO2–5、PLA/TiO2–8 和 PLA/TiO2–15，分别达到 78.9、86.9、92.0、97.8、91.3 和 85.0%，分别。国冈等人。 [48] 报道说，PLA 的最终生物降解率为 80%。我们的实验结果表明 D t 在 80 天结束时，商业纯 PLA 产品的百分比也接近 80%。 D 的减少 t 从 PLA/TiO2-8 开始，当 TiO2 含量超过 8 wt% 时，TiO2 会发生强烈的团聚[16]。下一节提供了更多详细信息。

纯 PLA 和 PLA/TiO2 纳米复合材料的生物降解百分比与孵育时间的函数关系。插入是微晶纤维素随时间变化的生物降解百分比

不同的生物降解百分比与聚合物基质的不同分子量变化有关。图 6 显示了样品的分子量随孵育时间的变化。曲线表明，至少在确定的孵育时间中，PLA/TiO2 纳米复合材料中 Mn 的变化是相似的（即，Mn 快速下降，然后是几乎恒定的 Mn 的平台期）。为了探究纳米填料的加入引起的降解机制，根据参考文献[17, 49]，使用一个解释生成的羧酸端基自催化的模型来计算催化降解速率常数：

其中 k 为催化水解降解速率常数，M n0为降解前的数均分子量，M nt 是任意时刻的数均分子量。

纯PLA和PLA/TiO2纳米复合材料Mn随时间的变化

k 由方程评估的值。 (3) 绘制在图 7 中。从图 7 中，PLA 和 PLA 纳米复合材料的降解率可以分别确定为两相和三相。 Mn 在前 8 天迅速下降，然后是纯 PLA 的平台期。对于 PLA/TiO2 纳米复合材料，k 的最高值 意味着 M n 在第一阶段（即从 0 天到 4 天）迅速下降。接下来的 5 到 24 天属于第二阶段，k 的值 与第一阶段相比略有下降。很少有研究 [13, 50] 表明 PLA 的结晶部分比非晶部分更耐降解；因此，k 的减少 在这一阶段可能是由 PLA 基体的结晶度增加引起的。 24 天后（即最后一个阶段），k 的值 再次下降。在此阶段，聚合物完全降解为低聚物碎片或乳酸，微生物将剩余物质矿化，不断产生CO2。

纯PLA和PLA/TiO2纳米复合材料的生物降解率与孵育时间的关系

在堆肥条件下，影响PLA生物降解趋势的因素将控制PLA/TiO2纳米复合材料的降解。当一定量的 g-TiO2 均匀分散在 PLA 基质中时，水分子很容易渗透到样品中，从而引发降解过程 [17]。因此，Mn 在第一相中显着降低。在此期间 PLA 及其纳米复合材料的 CO2 滞后阶段的演变表明微生物需要合适的聚合物链来矿化。随着孵育时间的增加，非晶区聚合物链降解，非晶区数量减少；因此，结晶与非晶区的百分比（即 χc）增加 [39]，从而导致 k 在第二阶段。然而，低聚物片段在此阶段开始被微生物矿化，从而表明PLA矿化的生产阶段发生了。随着剩余低聚物片段的减少和χc的增加，k 和 D t k 下降并观察到接近长的平台期 和 D t 在第三阶段。在我们之前的研究 [16] 中，通过 SEM 和 TEM 报告和确定了每种纳米复合材料的形态；结果表明，g-TiO2 在 PLA/TiO2 纳米复合材料中的分散度低于 5 wt%，优于高浓度纳米填料。就TiO2的分散度和含量而言，PLA/TiO2-5的k最大 和 D t 与我们实验中的其他纳米复合材料进行了比较。

结论

制备了 PLA/TiO2 纳米复合材料（基于 PLA 和功能化的 g-TiO2）并在受控堆肥条件下进行生物降解。使用这样的标准，样品表面的图案信息和结晶度的快速增加表明 PLA 和 PLA/TiO2 纳米复合材料具有异质生物降解机制。堆肥条件下纳米复合材料的降解研究表明，在掺入功能化二氧化钛纳米颗粒（PLA/TiO2）后，PLA 的固有可降解特性仍然存在。 TiO2 纳米颗粒的加入提高了 PLA 基体的降解率，因为水分子很容易渗透到 PLA/TiO2 纳米复合材料中，从而激活降解过程。这种现象在PLA/TiO2-5中尤为明显，因为与其他纳米复合材料相比，PLA/TiO2-5的TiO2含量高，而且TiO2纳米填料在PLA基体中的分散性良好。

缩写

DSC：

差示扫描量热法

D t ：

生物降解百分比

GPC：

凝胶渗透色谱

g-TiO2 :

接枝二氧化钛

MCE：

微晶纤维素

锰：

数均分子量

分子量：

重均分子量

PLA：

聚（乳酸）

SEM：

扫描电镜

Tcc ：

冷结晶峰

Tg ：

玻璃化转变温度

XRD：

X射线衍射