塑料制品在工业和日常生活中的广泛应用产生了大量难以处理的塑料垃圾

聚乳酸塑料的研究进展

姓名：李晓东学号：班级：

摘要：综述了聚乳酸的合成方法、聚合工艺、聚合机理等。介绍了用生物发酵法从厨房垃圾中提取乳酸, 合成聚乳酸的新工艺路线, 为聚乳酸类产品找到

了廉价的原料来源。该方法不仅可降低聚乳酸类产品的生产成本, 而且解决了厨房垃圾的处理问题, 减少了环境污染。

关键词: 聚乳酸; 垃圾; 发酵; 乳酸; 生物降解; 塑料

一、引言

塑料制品在工业和日常生活中的广泛应用产生了大量难以处理的塑料垃圾, 形成了严重的环境危害。减少并解决废弃塑料的环境污染问题引起了世界各国的高度重视, 使用和开发生物降解性塑料已成为各国解决“白色污染”的重要手段之一。聚乳酸制品就是其中一种研究较多、性能较好的生物降解性塑料, 其制品在农业、生活领域、服装和医疗行业等方面都有广阔的应用前景, 如农用地膜、农药化肥缓释材料、一次性饭盒、各种食品饮料外包装材料以及各种抗皱性强、透气性好、穿着舒适的纺织品等。聚乳酸制品废弃后能在土壤或水中被微生物分解成二氧化碳和水, 因而是一种可生物降解性塑料, 不会对环境产生污染。此外, 聚乳酸还具有优良的生物相容性, 其降解产物能参与人体代谢, 已被美国食品

医药局(FDA) 批准, 可用作医用手术缝合线、注射用胶囊、微球及埋植剂等。聚乳酸作为可生物降解性材料已引起人们的重视, 但是随着聚乳酸及相应共聚

物研究的深入, 以玉米、小麦、蔗糖、甜菜等粮食和经济作物为原料合成聚乳酸单体乳酸的高成本问题以及高摩尔质量聚乳酸合成工艺复杂、工艺流程较长等问题让人们不可忽视。国内直接法生产L -聚乳酸的总生产成本至少为45 000 元/

t , 而丙交酯开环聚合法制备L -聚乳酸的总生产成本还要高得多。只有使聚乳酸价格降低到20 000 元/ t以下, 发酵乳酸的价格降到现价的一半左右(低于10 000 元/ t) , 市场才比较容易接受, 聚乳酸才能大量用于包装材料和一次性用品。由此可见, 探索新的廉价的原料来源、开发新的催化和聚合体系是解决成本问题的根本出路。目前, 合成能满足各种需求的超高摩尔质量的聚乳酸还有一定难度。丙交酯聚合时对催化剂纯度、单体纯度要求很高, 极微量的杂质会使摩尔质量低于105 g/ mol , 高摩尔质量聚乳酸(PLA) 制备是一个难点; 另外, 聚

乳酸材料还有待于精细化, 即根据具体需要调节聚合物的性能, 如亲水性和化学可饰性等。人们正在探索通过与其它带有相应官能团的单体进行共聚来满足这些性能的要求。本文综述了聚乳酸的合成方法、聚合工艺、聚合机理等, 并介绍了利用发酵厨房垃圾制备聚乳酸的合成路线及其发展前景。

二、降解高分子材料聚乳酸(PLA)树脂的合成和改性方法。

1 聚乳酸的合成

合成聚乳酸的方法目前主要有开环聚合、直接缩聚、扩链反应等。20世纪50年代，美国杜邦公司首先由乳酸制得丙交酯，然后进行开环聚合制成聚乳酸。采用该方法可以得到高摩尔质量的聚乳酸及其系列衍生物，它是目前工业化生产聚乳酸最主要的工艺路线。丙交酯的开环聚合主要包括阴离子聚合、阳离子聚合及配位聚合。由乳酸制备丙交酯，进而制备聚乳酸的开环聚合方法的缺点是工艺过程冗长、制造成本非常高，因此限制了聚乳酸的应用和发展。

为了降低聚乳酸的制造成本，扩大其应用范围，人们一直在寻找更简捷的合成路线。其中，将乳酸单体进行直接缩聚已成为制备聚乳酸的重要方法。日本三菱人造丝公司已采用乳酸在二苯醚中直接缩聚的方法进行聚乳酸的工业生产，并

将聚乳酸树脂加工成纤维，制成纺织品。最近，日本Kyoto工学院在聚乳酸的直接缩聚/固相本体聚合合成高摩尔质量聚乳酸方面已取得突破性进展。影响固相缩聚反应的因素繁多，除预聚物的摩尔质量和分布外，反应温度、催化剂用量、预聚物的粒径和反应时间都对聚乳酸的摩尔质量有重要影响。

低摩尔质量的聚乳酸强度低，不能用作塑料和纤维。采用扩链剂是提高聚乳酸平均摩尔质量的一种有效方法。以乳酸为原料，分别以不同的二醇或聚乙二醇为催化剂，采用直接熔融缩聚法制成端羟基乳酸预聚物；然后，预聚物再经扩链聚合反应进一步提高摩尔质量。也可以把预聚的聚乳酸与异氰酸酯进行扩链反应。可用的扩链剂有乙烯基碳酸盐、杂环化合物、二异氰酸酯、环己二异氰酸酯、聚乙二醇、亚甲基二苯基二异氰酸酯等。

2 聚乳酸的改性

2.1 共聚改性

聚乳酸均聚物是半结晶性的，玻璃化温度为50-60℃，熔点170-180℃，刚性大，难以加工。共聚是改进其性能的常用方法。乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)无毒、生物相容、可在生物体内完全降解，可应用于缓释材料、缝合线、组织工程等方面。乳酸-羟基乙酸共聚物可先由乳酸、羟基乙酸分别制得丙交酯、乙交酯、乙丙交酯等，再经开环聚合制成，也可通过乳酸和羟基乙酸直接缩合、熔融固相聚合而得。汪朝阳等研究了不同构型乳酸对乳酸-羟基乙酸直接熔融共聚产物的影响。不同构型的左旋乳酸、右旋乳酸分别与羟基乙酸共聚有不同的反应机理和反应速率，生成不同性能的产物。因此，可以通过原料选择、反应配比设计来合成预期性能的聚合物。

可与乳酸共聚的有磷酸酯、聚醚、二元醇、酸酐、葡萄糖、淀粉等。聚醚/

聚乳酸是比较常见的共聚物。将可水溶性的醚段和聚乳酸结合在一起，克服了聚乳酸疏水性、弹性差的缺点。

2.2 共混改性

聚乳酸可与丝素、木质素、淀粉、羟基磷灰石、聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯、聚氧化乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸酯、聚醋酸乙烯、聚乙烯等进行共混，制备各种不同结构和性能的共混体系，满足不同的应用。

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是由微生物合成的最具代表性的脂肪族聚酯，在PLA/PHA共混体系中，各组分的摩尔质量对体系的相容性影响很大，特别是PLA 的摩尔质量。共混体系的相容性影响着结晶组分的结晶行为。聚氧化乙烯是一种结晶的热塑性水溶性高分子。许多研究者采用各种摩尔质量的聚氧化乙烯同聚乳酸共混，借以改善聚乳酸的机械性能和加工性能。

寇士军等利用聚乳酸和聚乙醇酸的共混物进行复合纺丝，得到一种生物降解复合纤维。热塑性淀粉是一种获得广泛应用的价格低廉的生物降解高分子，与聚乳酸的共混研究很多，目前共混物商品化生产。

2.3 嵌段聚合改性

可生物降解和具有纳米尺度的聚合物自组装胶束在药物控制释放、靶向药物传递方面具有很好的应用前景。邓连东等采用纳米沉淀技术合成了聚乙二醇单甲醚和聚乳酸两亲性嵌段共聚物纳米胶束。胶束呈核壳结构；粒径受聚乳酸链段摩尔质量和有机相中共聚物浓度的影响。该嵌段共聚物的临界胶束浓度(CMC)小于2.143×10-3mol/L，且随着聚乳酸链段摩尔质量的增大而减小。聚乙二醇既溶于水又溶于有机溶剂，具有较好的两亲性以及良好的生物相容性，摩尔质量范围宽、选择余地大；而且已经被美国联邦药品管理局批准用于人体。因此，聚乙二醇常