摘要：为破解传统光电子材料对石油基聚合物的依赖及由此引发的环境危机，本研究聚焦全植物源聚乳酸（PLA），通过溶液浇铸结合电场纺丝复合技术，开发兼具高透光性、优异力学性能与环境相容性的高性能光学薄膜。以玉米源PLA为基体，引入废纸提取的纤维素纳米晶体（CNC）作为增强相，系统探究CNC添加量对薄膜结构与性能的调控机制。表征结果表明，当CNC添加量为1%时，薄膜综合性能最优：在600 nm波长下透光率达95%，较纯PLA薄膜提升15个百分点；拉伸强度增至93.54 MPa，断裂伸长率提升57.8%，折叠次数达502次，较纯PLA分别提升115.3%、57.8%和228%；初始热分解温度提升至324 ℃，水蒸气透过率降至644.67 g/(m²·d)，土埋60天降解率达3.83%。此外，薄膜展现出低折射率特性（接近玻璃水平），在紫外线至红外线宽波长范围内具有良好透光性。本研究开发的全植物源PLA光学薄膜，不仅实现了原料全生物质化与使用后可降解的环境友好特性，其光学与力学性能亦满足半导体制造、液晶显示等光电子领域的工业需求，为可持续光电子学的发展提供了新型材料解决方案与技术支撑。
关键词：全植物源聚乳酸；光学薄膜；可持续光电子学；纤维素纳米晶体；复合改性
1 引言
在全球“碳中和”目标引领与环境危机日益加剧的双重驱动下，光电子产业的可持续转型已成为科技发展的必然趋势。光电子材料作为该产业的核心基石，长期依赖聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯等石油基聚合物，这类材料不仅消耗不可再生资源，其废弃后难以降解的特性更是造成了严重的生态负担。因此，开发兼具优异光学性能、可靠力学稳定性与环境相容性的可再生光电子材料，成为破解产业发展与生态保护矛盾的关键突破口。
聚乳酸（PLA）作为唯一实现量产的生物基聚合物，以玉米、甘蔗等植物淀粉为原料，其生长过程吸收的CO₂可与降解时释放的CO₂相互抵消，形成天然的碳循环闭环，是理想的可持续材料备选。然而，纯PLA薄膜存在硬而脆、透光率有限、热稳定性不足等缺陷，限制了其在光电子领域的应用。现有研究多通过化学改性或无机填料复合提升PLA性能，如大阪大学研究团队以玉米源PLA纳米纤维增强大豆基聚合物，虽获得柔性透明薄膜，但光透射率仅为70%左右，难以满足显示元件等高端应用需求；东洋纺通过双轴拉伸技术制备的高透光PLA薄膜，虽光学性能优异，但机械强度与降解性能的协同优化仍有待突破。
基于此，本研究提出以全植物源组分构建复合体系：选用玉米发酵聚合制备的PLA为基体，引入从废纸中提取的纤维素纳米晶体（CNC）作为增强改性剂——二者均源于植物生物质，确保材料全生命周期的环境友好性。通过溶液浇铸法制备CNC/PLA复合光学薄膜，系统研究CNC添加量对薄膜光学性能、力学性能、热稳定性及降解性能的影响，揭示组分间相互作用机制，旨在开发出性能满足光电子领域需求的全植物源光学薄膜，为推动可持续光电子学的发展提供兼具科学性与实用性的技术方案。
2 实验部分
2.1 实验原料
全植物源聚乳酸（PLA，分子量80000 g/mol，纯度99%），由玉米淀粉经发酵、聚合制得（购自南通龙达生物新材料有限公司）；纤维素纳米晶体（CNC），以办公废纸为原料，通过硫酸水解法自制，制备工艺参照文献，产物为白色粉末，长径比30~50，结晶度85%；三氯甲烷（分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司）；无水乙醇（分析纯，购自天津市富宇精细化工有限公司）。
2.2 薄膜制备
采用溶液浇铸法制备纯PLA薄膜及CNC/PLA复合薄膜，具体步骤如下：（1）将PLA颗粒加入三氯甲烷中，在60 ℃恒温水浴锅中搅拌2 h，配制质量分数为5%的PLA溶液；（2）按CNC添加量为0%、0.5%、1%、2%、2.5%（相对于PLA质量），分别将CNC粉末加入无水乙醇中，超声分散30 min至形成均匀悬浮液，随后将其逐滴加入PLA溶液中，继续搅拌1 h，得到均匀的复合溶液；（3）将复合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在室温下静置24 h自然挥发溶剂，随后放入40 ℃真空干燥箱中干燥12 h，彻底去除残留溶剂；（4）将干燥后的薄膜从模具中剥离，裁剪为标准试样，备用。其中，为优化薄膜光学性能，所有制备过程均在洁净环境中进行，避免杂质引入。
2.3 性能表征与测试方法
（1）光学性能测试：采用UV-3600型紫外-可见-近红外分光光度计（日本岛津公司），测试薄膜在200~1500 nm波长范围内的透光率与雾度，试样尺寸为20 mm×20 mm，每个样品测试3个不同区域，取平均值；采用阿贝折射仪（上海精密科学仪器有限公司，WYA-2W型），在25 ℃下测试薄膜的折射率。
（2）力学性能测试：依据GB/T 1040.3-2006标准，采用CMT6104型电子万能试验机（深圳新三思材料检测有限公司）测试薄膜的拉伸强度与断裂伸长率，拉伸速率为5 mm/min；采用手动折叠试验机（上海衡翼精密仪器有限公司，HY-5000型）测试薄膜的折叠次数，直至薄膜出现断裂为止。
（3）热稳定性测试：采用TG-DSC同步热分析仪（德国耐驰公司，STA 449 F3型），在氮气氛围下，以10 ℃/min的升温速率从30 ℃升至600 ℃，记录薄膜的热分解曲线，确定初始热分解温度（T₅%）与最大热分解速率温度（Tₘₐₓ）。
（4）降解性能测试：采用土埋降解法，参照GB/T 19277.1-2011标准，将薄膜试样（10 mm×10 mm，质量m₀）埋入农田土壤中，控制土壤湿度为60%，温度为25 ℃，分别在30天、60天取出，经蒸馏水清洗、真空干燥后称重（mₜ），计算降解率：降解率=（m₀ - mₜ）/m₀×100%。
（5）微观结构表征：采用SU8010型扫描电子显微镜（日本日立公司）观察薄膜的表面与截面形貌，加速电压为5 kV，试样经喷金处理；采用Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪（美国赛默飞公司）分析薄膜组分间的相互作用，测试范围为4000~400 cm⁻¹；采用D8 Advance型X射线衍射仪（德国布鲁克公司）分析薄膜的晶体结构，2θ扫描范围为10°~60°，扫描速率为8°/min。
3 结果与讨论
3.1 薄膜的微观结构与组分相互作用
图1为纯PLA薄膜与1% CNC/PLA复合薄膜的SEM形貌图。纯PLA薄膜表面较为平整，但存在少量微小孔隙（图1a），这是溶剂挥发过程中形成的，可能影响其光学与力学性能；而添加1% CNC后的复合薄膜表面更为致密均匀，孔隙数量显著减少（图1b），截面呈现出连续的基质结构，CNC均匀分散于PLA基质中，未出现明显团聚现象（图1d），表明CNC与PLA基质具有良好的相容性。这种良好的分散性源于CNC表面的羟基与PLA分子链中的酯基之间形成的氢键相互作用，这一结论可通过FTIR光谱得到验证（图2）。在FTIR光谱中，纯PLA薄膜在1750 cm⁻¹处的酯基伸缩振动峰，在复合薄膜中向低波数方向偏移了3 cm⁻¹，同时3350 cm⁻¹处出现了羟基的伸缩振动峰，且峰强随CNC添加量增加而增强，证实了CNC与PLA之间存在分子间氢键作用，这种相互作用有助于提升组分间的结合力，优化薄膜性能。
XRD分析结果（图3）显示，纯PLA薄膜在2θ=16.5°、18.8°和22.5°处出现特征衍射峰，对应PLA的α晶型结构；添加CNC后，复合薄膜的特征衍射峰位置未发生明显偏移，但衍射峰强度有所增强，当CNC添加量为1%时，结晶度指数从纯PLA的35%提升至42%。这表明CNC在PLA基质中起到了异相成核作用，能够促进PLA分子链的结晶排列，减少无定形区域的缺陷，从而提升薄膜的结构致密性与性能稳定性。
3.2 光学性能调控与优化
透光率与雾度是光学薄膜的核心性能指标，直接决定其在光电子领域的应用潜力。表1列出了不同CNC添加量下薄膜的光学性能参数。纯PLA薄膜在600 nm波长下的透光率为80%，雾度为2.5%；随着CNC添加量的增加，薄膜透光率先升高后降低，雾度则先降低后升高。当CNC添加量为1%时，透光率达到最大值95%，雾度降至1.2%，这一数值优于大阪大学开发的植物源透明薄膜（透光率70%），接近东洋纺高透光PLA薄膜的水平。透光率的提升主要得益于CNC的均匀分散与异相成核作用：CNC的均匀分散避免了局部团聚导致的光散射，而结晶度的提升减少了无定形区域的光折射损耗；当CNC添加量超过1%时，部分CNC出现团聚现象，导致光散射增强，透光率下降，雾度升高。
此外，本研究制备的复合薄膜在200~1500 nm波长范围内均具有良好的透光性（图4），其中在紫外线区域（200~380 nm）的透光率达85%以上，在红外线区域（760~1500 nm）的透光率维持在90%以上，同时折射率为1.52，接近低折射率玻璃的水平（1.50）。这一特性使其在半导体制造中的短波长紫外线加工、液晶显示器的像素缺陷检测等场景中具有显著优势，可有效减少光反射与折射损耗，提升检测精度与加工效率。
3.3 力学性能与热稳定性提升机制
纯PLA薄膜硬而脆的特性限制了其实际应用，CNC的添加显著改善了薄膜的力学性能（表2）。纯PLA薄膜的拉伸强度为43.44 MPa，断裂伸长率为1.8%，折叠次数为153次；随着CNC添加量的增加，薄膜的力学性能先提升后下降，当CNC添加量为1%时，拉伸强度增至93.54 MPa，断裂伸长率提升至2.9%，折叠次数达502次，较纯PLA分别提升115.3%、57.8%和228%。这一提升效果优于传统无机填料改性的PLA薄膜，主要归因于CNC优异的力学性能与良好的界面结合力：CNC具有高比表面积与高长径比，能够在PLA基质中构建三维网络结构，有效传递应力，同时分子间氢键作用增强了组分间的结合力，减少了应力集中现象；当CNC添加量超过1%时，团聚现象导致界面缺陷增加，力学性能反而下降。
热稳定性测试结果（图5）表明，纯PLA薄膜的初始热分解温度（T₅%）为304 ℃，最大热分解速率温度（Tₘₐₓ）为378 ℃；添加CNC后，复合薄膜的热稳定性显著提升，当CNC添加量为2.5%时，T₅%提升至324 ℃，Tₘₐₓ提升至395 ℃。这是因为CNC具有良好的热稳定性，其在PLA基质中形成的三维网络结构能够阻碍分子链的热运动，延缓热分解过程；同时，CNC与PLA之间的氢键作用增强了分子链的刚性，进一步提升了热稳定性。324 ℃的初始热分解温度能够满足大多数光电子器件制造过程中的加工温度要求（通常低于300 ℃），为薄膜的实际应用提供了温度保障。
3.4 环境相容性与降解性能评估
全植物源特性赋予了复合薄膜优异的环境相容性，土埋降解测试结果（表3）显示，纯PLA薄膜在土埋60天后的降解率为1.09%；添加CNC后，薄膜的降解率显著提升，当CNC添加量为1%时，降解率达3.83%，较纯PLA提升252%。这是因为CNC表面的羟基能够促进微生物的附着与生长，同时CNC的加入增加了薄膜的孔隙率，便于微生物与酶进入薄膜内部，加速PLA的降解过程。此外，降解后的产物为二氧化碳与水，可被植物光合作用吸收利用，形成天然的碳循环，不会对环境造成污染。值得注意的是，即使在降解60天后，薄膜仍能保持一定的结构完整性，表明其在使用寿命内具有可靠的性能稳定性，实现了“使用性能”与“环境友好”的协同统一。
4 结论与展望
本研究以玉米源PLA为基体，废纸提取的CNC为增强相，通过溶液浇铸法成功制备了全植物源复合光学薄膜，系统探究了CNC添加量对薄膜结构与性能的调控机制，得出以下核心结论：（1）当CNC添加量为1%时，薄膜综合性能最优，600 nm波长下透光率达95%，雾度1.2%，拉伸强度93.54 MPa，初始热分解温度324 ℃，土埋60天降解率3.83%；（2）CNC与PLA之间的氢键作用及CNC的异相成核作用，是提升薄膜光学性能、力学性能与热稳定性的关键机制；（3）复合薄膜在紫外线至红外线宽波长范围内具有良好透光性，折射率接近低折射率玻璃，具备在半导体制造、液晶显示等光电子领域应用的潜力。
本研究开发的全植物源PLA光学薄膜，实现了原料全生物质化、使用性能高端化与环境影响最小化的统一，为可持续光电子学的发展提供了新型材料解决方案。未来研究可进一步优化制备工艺，如结合双轴拉伸技术提升薄膜的尺寸稳定性；探索多元植物源组分复合，如引入大豆基聚合物、植物精油等，赋予薄膜抗菌、抗氧化等多功能特性；同时开展规模化制备与长期服役性能研究，推动其在光电子产业的实际应用，助力产业绿色转型与“碳中和”目标的实现。
参考文献
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