In⁃situ Liquid Exfoliation of Montmorillonite Nanosheets in Poly（lactic acid） to Resist Oxygen Permeation

doi:10.7503/cjcu20220316

Abstract

Abstract:

As one of the most representative bioplastics， poly（lactic acid）（PLA） has been identified as an ecofriendly candidate for packaging medicine and food， holding distinct advantages of high strength and good biocompatibility. The application prospects， however， are largely dwarfed by the poor ductility and low resistance to gas permeation. In this work， the high-shear liquid exfoliation method was proposed to effectively transform the montmorillonite（MMT） to few-layer MMT nanosheets（MNSs）， which thereby enabled in situ incorporation into the PLA matrix. Using a facile blade coating method， the fully biodegradable PLA nanocomposite films were prepared， with the MNS content ranging from 2% to 5% and 10%. The MNSs were found to be well exfoliated with a planar distance up to 3.11 nm， as accompanied by good alignment and strong interfacial adhesion within the composite films. These structural features conferred remarkable improvements in the mechanical properties and gas barrier performance for the composite films. This effort is of important significance for effective exfoliation of two-dimensional（2D） nanosheets， as well as fabrication of strong and high-barrier biodegradable nanocomposites.

Key words: Poly（lactic acid）, Montmorillonite nanosheets, High-shear liquid exfoliation, Crystalline morphology, Mechanical property, Oxygen barrier performance

CLC Number:

O631

TrendMD:

XU Huan, KE Lyu, TANG Mengke, SHANG Han, XU Wenxuan, ZHANG Zilin, FU Yanan, HAN Guangdong, CUI Jinsheng, YANG Haoran, GAO Jiefeng, ZHANG Shenghui, HE Xinjian. In⁃situ Liquid Exfoliation of Montmorillonite Nanosheets in Poly（lactic acid） to Resist Oxygen Permeation[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220316.

Figures/Tables 9

References 42

1	Auras R. A.， Singh S. P.， Singh J. J.， Packag. Technol. Sci.， 2005， 18（4）， 207—216
2	Wu F.， Misra M.， Mohanty A. K.， Prog. Polym. Sci.， 2021， 117， 101395
3	Chinsirikul W.， Rojsatean J.， Hararak B.， Kerddonfag N.， Aontee A.， Jaieau K.， Kumsang P.， Sripethdee C.， Packag. Technol. Sci.， 2015， 28（8）， 741—759
4	Xu J. Z.， Zhang Z. J.， Xu H.， Chen J. B.， Ran R.， Li Z. M.， Macromolecules， 2015， 48（14）， 4891—4900
5	Ghanem A. F.， Youssef A. M.， Abdel Rehim M. H.， J. Mater. Sci.， 2020， 55（11）， 4685—4700
6	Domenech T.， Zouari R.， Vergnes B.， Peuvrel⁃Disdier E.， Macromolecules， 2014， 47（10）， 3417—3427
7	Li D.， Li P.， Xu Y.， Guo W.， Li M.， Chen M.， Wang H.， Lin H.， J. Nanomater.， 2022， 2022， 7900382
8	Okamoto M.， Nam P. H.， Maiti P.， Kotaka T.， Hasegawa N.， Usuki A.， Nano Lett.， 2001， 1（6）， 295—298
9	Gomez⁃Gamez A. B.， Yebra⁃Rodriguez A.， Peñas⁃Sanjuan A.， Soriano⁃Cuadrado B.， Jimenez⁃Millan J.， Appl. Clay Sci.， 2020， 198， 105818
10	Okamoto M.， Nam P. H.， Maiti P.， Kotaka T.， Nakayama T.， Takada M.， Ohshima M.， Usuki A.， Hasegawa N.， Okamoto H.， Nano Lett.， 2001， 1（9）， 503—505
11	Keshtkar M.， Nofar M.， Park C. B.， Carreau P. J.， Polymer， 2014， 55（16）， 4077—4090
12	Ren W.， Jayaraman K.， J. Plast. Film Sheeting， 2021， 37（1）， 93—110
13	Alves J. L.， Rosa P.， Realinho V.， Antunes M.， Velasco J. I.， Morales A. R.， Appl. Clay Sci.， 2020， 194， 105697
14	Xu B.， Leisen J.， Beckham H. W.， Abu⁃Zurayk R.， Harkin⁃Jones E.， McNally T.， Macromolecules， 2009， 42（22）， 8959—8968
15	Bartczak Z.， Rozanski A.， Richert J.， Eur. Polym. J.， 2014， 61， 274—284
16	Lachance A. M.， Hou Z.， Farooqui M. M.， Samuels N. T.， Carr S. A.， Serrano J. M.， Odendahl C. E.， Hurley M. E.， Morrison T. E.， Kubachka J. L.， Barrett A. T.， Zhao Y.， Degennaro A. M.， Sun L.， Shaw M. T.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2022， 61（11）， 4168—4177
17	LaChance A. M.， Hou Z.， Farooqui M. M.， Carr S. A.， Serrano J. M.， Odendahl C. E.， Hurley M. E.， Morrison T. E.， Kubachka J. L.， Samuels N. T.， Barrett A. T.， Zhao Y.， DeGennaro A. M.， Sun L.， Shaw M. T.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2022， 61（10）， 3766—3774
18	Ren W.， Chaudhary A. K.， Jayaraman K.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2015， 54（16）， 4264—4273
19	Xu H.， Wu D.， Yang X.， Xie L.， Hakkarainen M.， Macromolecules， 2015， 48（7）， 2127—2137
20	Xu H.， Feng Z. X.， Xie L.， Hakkarainen M.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2016， 4（1）， 334—349
21	Xu H.， Adolfsson K. H.， Xie L.， Hassanzadeh S.， Pettersson T.， Hakkarainen M.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2016， 4（10）， 5618—5631
22	Ma B.， Wang X.， He Y.， Dong Z.， Zhang X.， Chen X.， Liu T.， Polymer， 2021， 212， 123280
23	Carastan D. J.， Amurin L. G.， Craievich A. F.， Gonçalves M. d. C.， Demarquette N. R.， Eur. Polym. J.， 2013， 49（6）， 1391—1405
24	Lan Q.， Li Y.， Macromolecules， 2016， 49（19）， 7387—7399
25	Xie L.， Xu H.， Chen J. B.， Zhang Z. J.， Hsiao B. S.， Zhong G. J.， Chen J.， Li Z. M.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2015， 7（15）， 8023—8032
26	Xu H.， Xie L.， Hakkarainen M.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2015， 3（7）， 1443—1452
27	Kai D.， Ren W.， Tian L.， Chee P. L.， Liu Y.， Ramakrishna S.， Loh X. J.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2016， 4（10）， 5268—5276
28	Ouchiar S.， Stoclet G.， Cabaret C.， Gloaguen V.， Macromolecules， 2016， 49（7）， 2782—2790
29	Huang Z. X.， Wang M. M.， Feng Y. H.， Qu J. P.， Macromolecules， 2021， 54（10）， 4847—4853
30	Xu S.， Zhou J.， Pan P.， Macromol. Chem. Phys.， 2022， 223（2）， 2100427
31	Xu H.， Xie L.， Wu D.， Hakkarainen M.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2016， 4（4）， 2211—2222
32	Ren P. G.， Wang H.， Yan D. X.， Huang H. D.， Wang H. B.， Zhang Z. P.， Xu L.， Li Z. M.， Composites A， 2017， 97， 1—9
33	Picard E.， Espuche E.， Fulchiron R.， Appl. Clay Sci.， 2011， 53（1）， 58—65
34	Fernandes Nassar S.， Guinault A.， Delpouve N.， Divry V.， Ducruet V.， Sollogoub C.， Domenek S.， Polymer， 2017， 108， 163—172
35	Huang H. D.， Ren P. G.， Xu J. Z.， Xu L.， Zhong G. J.， Hsiao B. S.， Li Z. M.， J. Membr. Sci.， 2014， 464， 110—118
36	Pinto A. M.， Cabral J.， Tanaka D. A. P.， Mendes A. M.， Magalhães F. D.， Polym. Int.， 2013， 62（1）， 33—40
37	Bai H.， Huang C.， Xiu H.， Zhang Q.， Deng H.， Wang K.， Chen F.， Fu Q.， Biomacromolecules， 2014， 15（4）， 1507—1514
38	Chang J. H.， An Y. U.， Sur G. S.， J. Polym. Sci. B： Polym. Phys.， 2003， 41（1）， 94—103
39	Xu P. P.， Yang S.， Gao X. R.， Chen S. P.， Xu L.， Zhong G. J.， Huang H. D.， Li Z. M.， Composites B： Eng.， 2021， 222， 109048
40	Li J.， Lai L.， Wu L.， Severtson S. J.， Wang W. J.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2018， 6（5）， 6654—6662
41	Li F.， Zhang C.， Weng Y.， ACS Omega， 2020， 5（30）， 18675—18684
42	Zhang C.， An X.， Tang Z.， Fang S.， Guo B.， Zhang L.， Liu F.， Liu J.， Chen Z.， Macromolecules， 2021， 54（24）， 11522—11532

[1]	LUO Xinyan, JIA Ruonan, XIANG Yong, ZHANG Xiaokun. Progress on the Stretchable Composite Solid Polymer Electrolytes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220149.
[2]	GAO Jing, HE Wentao, WANG Xinxin, XIANG Yushu, LONG Lijuan, QIN Shuhao. Preparation of DOPO Derivative Modified Carbon Nanotubes and Their Effect on Flame Retardancy of Polylactic Acid [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(3): 20210670.
[3]	ZHANG Zhibo, SHANG Han, XU Wenxuan, HAN Guangdong, CUI Jinsheng, YANG Haoran, LI Ruixin, ZHANG Shenghui, XU Huan. Self-Assembly of Graphene Oxide at Poly（3-hydroxybutyrate） Microparticles Toward High-performance Intercalated Nanocomposites [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210566.
[4]	WANG Xianwei, KE Hongjun, YUAN Hang, LU Gewu, LI Liying, MENG Xiangsheng, SONG Shulin, WANG Zhen. High Temperature Resistant and Soluble Polyimide Resins and Their Composites [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 2041.
[5]	WANG Peng, MAO Dan, WAN Jiawei, QI Qi, DU Jiang, WANG Dan. Effect of Hollow Multi-shelled TiO₂ on Mechanical Properties of Epoxy Resin Composites [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3218.
[6]	XIA Yiwei, WANG Guangxin, FENG Yulin, HU Yuexin, ZHAO Guiyan. Preparation and Properties of Biobased Super-tough Poly(lactic acid) Composites [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(8): 1881.
[7]	SHA Di, YU Xumin, ZHAO Jiang, MA Xiaofei, WANG Hanfu, LIU Fangfang, QIU Xuepeng. Preparation and Mechanical Properties of Carbon Fiber Triaxial Woven Fabric/Epoxy Composites ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(4): 838.
[8]	SUI Jiayang, LIU Xiaoyang, QIAN Miaomiao, ZHU Yanchao, XUE Beichen, FENG Yi, TIAN Yumei, WANG Xiaofeng. Surface Modification of Silica/carbon Black Derived from Rice Husks and Its Influence on Natural Rubber Composites^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(7): 1561.
[9]	LIU Tao,LI Wenjing,ZHANG Enshuang,ZHONG Jinyang,ZHANG Fan,LIU Yuanyuan,ZHAO Yingmin. Preparation and Properties of Flexible Cross-linked Polyimide Aerogels [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(2): 403.
[10]	YE Longqiang,KANG Shuo,ZHANG Weihao,ZHANG Yulu,HUI Zhenzhen,JIANG Bo. Sol-gel Preparation of Anti-Fogging SiO₂/SiO₂-TiO₂ Double-layer Antireflective Coating ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(11): 2274.
[11]	HAN Jiahui,HUANG Hanxiong,HUANG Yuxiao. Improving Crystallization Behavior and Melt Strength of Poly(lactic acid) via Adding Talc and PLA-g-MAH^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(9): 2089.
[12]	GAO Feilong, LI Yongcun, LUAN Yunbo, XUE Zhicheng, GUO Zhangxin, ZHANG Qi, WU Guiying. Enhancement Mechanisms of Mechanical and Self-Healing Properties of Thermoplastic Polyurethane Composites Induced by Different G-CNT Hybridization Systems^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(4): 832.
[13]	LU Lingang,CHENG Zhe,QIU Xinming,WANG Huiya,YANG Shousheng,QIAN Xiaodong,WANG Xuebao. Preparation of Green Star-topology Phosphazene Flame Retardant and Properties of Flame-retardant Epoxy Resin^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(12): 2789.
[14]	LIU Yu,CHEN Gang,ZHU Jiatian,CHEN Wenjin,HU Wen,LIU Yingyao,FANG Zhiqiang. Preparation, Structure and Properties of Strong, Transparent Cellulose Materials^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(10): 2298.
[15]	LÜ Xiujuan, SONG Yu, ZHANG Wenke. Single Molecule Force Spectroscopy Study on the Apparent Nanomechanical Properties of Polyethylene Single Crystals^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(1): 166.