聚乳酸简述

聚乳酸的合成、生产、及应用发展简述

姓名：

（郑州大学力学与工程科学学院工程力学专业）

摘要：综述了在目前面临石油危机情况下，聚乳酸作为一种可生物降解的高分子聚合物，在当今社会的发展现状及其前景。阐述了聚乳酸的生产、主要优点、发展前景等。

关键词：聚乳酸；合成；生产；降解；应用；

聚乳酸（英语：Polylactic Acid或Polylactide，缩写：PLA），是一种热塑性脂肪族聚酯。生产聚乳酸所需的乳酸和丙交酯可以通过可再生资源发酵、脱水、纯化后得到，所得的聚乳酸一般具有良好的机械和加工性能，而聚乳酸产品废弃后又可以通过各种方式快速降解，因此聚乳酸被认为是一种具备良好的使用性能的绿色塑料。

聚乳酸（H-[OCHCH3CO]n-OH）的热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，光华伟业开发的聚乳酸（PLA）还具有一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，主要用于服装（内衣、外衣）、产业（建筑、农业、林业、造纸）和医疗卫生等领域

生产

乳酸的结构中同时含有羧基和羟基，故乳酸分子之间可以发生酯化反应形成长链。虽然名叫聚乳酸，但绝大部分羧基已经在聚合反应中反应掉，实际并没有什么酸性，这一点和聚丙烯酸为代表的侧基均为羧基的聚合物不同。聚乳酸的单体乳酸可以通过化学合成或者通过可再生资源合成。一般使用玉米、木薯提取出的淀粉，甘蔗和甜菜提取的糖和秸秆等提取的纤维素，经过发酵、脱水等过程获得乳酸。所获得的乳酸需要进行纯化，才能进行聚乳酸的生产，因为乳酸中含有的微量富马酸和醋酸都会造成聚合反应的终止。

目前生产聚乳酸的途径主要有三条：

以乳酸为原料直接缩聚：由于乳酸缩聚反应中逐渐生成的水会引起水解和链转移，所以一般先通过闪蒸等手段除去原料乳酸中残存水分，之后在100°C，1kPa的低压下脱水生成丙交酯和小分子量聚乳酸，然后以氯化亚锡和对甲苯磺酸为催化剂，在160°C温度下进行熔融缩聚，可以得到分子量高于80000的聚乳酸[2]:42。如果想进一步提高分子量，可以将熔融聚乳酸冷却后进一步缩聚，或在共沸蒸馏的条件下进行缩聚，不断把生成的水除去，最终可以得到分子量超过100,000的聚乳酸。

以乳酸为原料缩聚成一定分子量的聚乳酸后，加入酸酐和环氧树脂等偶联剂。偶联剂可以与聚乳酸链末端残余的羟基和羧基发生反应，达到较短链互相结合产生长链的扩链效果

先以两分子乳酸彼此酯化形成丙交酯，然后以纯化的丙交酯为原料，在金属催化剂（比如丁

基锡）的作用下进行开环聚合。华莱士·卡罗瑟斯在1932年就发现了这一反应，但直到1954

年杜邦公司改进了丙交酯的提纯方法之后才开始工业生产。丙交酯为原料时常用的聚合方式是溶液聚合、悬浮聚合或熔融聚合。

通过在聚乳酸的生产中加入其他单体，聚乳酸还可以与羟基乙酸和乙二醇形成多种共聚物除了乳酸和丙交酯以外，五元环化合物L-Lactic acid O-carboxyanhydride（lac-OCA）是一种新的合成原料，它发生聚合反应生成聚乳酸的同时并非生成水而是生成二氧化碳，二氧化碳可以直接脱离反应体系，从而使平衡向生成聚乳酸的方向移动，使lac-OCA的反应效率比

使用丙交酯要高。最近的研究希望将类似于合成聚羟基脂肪酸酯的生物合成法应用在合成聚乳酸上，使用的是大肠杆菌直接进行发酵

降解方式

聚乳酸的塑胶分类标志是7。废弃的聚乳酸产品有多种废弃物处理方式，如自然分解、堆肥、焚化处理。由于聚乳酸的分解温度较低（约为230-260°C，与结晶度有关），乳酸焚化

产生的热量较传统塑胶低，产生的气体主要为一氧化碳、二氧化碳、乙醛等。聚乳酸主要降解形式是水解，可以和热降解同时进行，水解速率同样和结晶度有很大关系。聚乳酸水解生成的羧酸会催化其进一步的水解，即自催化效应。通过和别的聚合物共混或共聚可以提高聚乳酸的使用性能，但同时也降低了其优良的降解性。

聚乳酸不容易被微生物攻击而降解，也不像其他的聚酯一样容易在酶的作用下降解，但仍有一些酶比如链酶蛋白酶和菠萝蛋白酶可以促进其降解。伽马射线和电子束也会使聚乳酸链上产生自由基，从而造成辐射降解。辐射降解的效率和聚乳酸的残余端基有关，对于带芳香环的聚乳酸共聚物，辐射降解的效率也会提高。

聚乳酸的优点主要有以下几方面：

⑴聚乳酸（PLA）是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。关爱地球，你我有责。世界二氧化碳排放量据新闻报道在2030年全球温度将升至60℃，普通塑料的处理方法依然是焚烧火化，造成大量温室气体排入空气中，而聚乳酸塑料则是掩埋在土壤里降解，产生的二氧化碳直接进入土壤有机质或被植物吸收，不会排入空气中，不会造成温室效应。

⑵机械性能及物理性能良好。聚乳酸适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用十分广泛。可用于加工从工业到民用的各种塑料制品、包装食品、快餐饭盒、无纺布、工业及民用布。进而加工成农用织物、保健织物、抹布、卫生用品、室外防紫外线织物、帐篷布、地垫面等等，市场前景十分看好。

⑶相容性与可降解性良好。聚乳酸在医药领域应用也非常广泛，如可生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线等，低分子聚乳酸作药物缓释包装剂等。

⑷聚乳酸（PLA）除了有生物可降解塑料的基本的特性外，还具备有自己独特的特性。传

统生物可降解塑料的强度、透明度及对气候变化的抵抗能力皆不如一般的塑料。

⑸ 聚乳酸（PLA）和石化合成塑料的基本物性类似，也就是说，它可以广泛地用来制造各种应用产品。聚乳酸也拥有良好的光泽性和透明度，和利用聚苯乙烯所制的薄膜相当，是其它生物可降解产品无法提供的。

⑹聚乳酸（PLA）具有最良好的抗拉强度及延展度，聚乳酸也可以各种普通加工方式生产，例如：熔化挤出成型，射出成型，吹膜成型，发泡成型及真空成型，与广泛使用的聚合物有类似的成形条件，此外它也具有与传统薄膜相同的印刷性能。如此，聚乳酸就可以应各不同业界的需求，制成各式各样的应用产品。

⑺聚乳酸（PLA）薄膜具有良好的透气性、透氧性及透二氧二碳性，它也具有隔离气味的特性。病毒及霉菌易依附在生物可降解塑料的表面，故有安全及卫生的疑虑，然而，聚乳酸是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料。

⑻当焚化聚乳酸（PLA）时，其燃烧热值与焚化纸类相同，是焚化传统塑料（如聚乙烯）的一半，而且焚化聚乳酸绝对不会释放出氮化物、硫化物等有毒气体。人体也含有以单体形态存在的乳酸，这就表示了这种分解性产品具有的安全性。

发展前景

我国“十二五”期间新领域精细化工行业发展分析中明确指出，要发展替代石油生产乙烯、塑料、有机酸等产品；形成和巩固一批具有国际竞争力的产品，如柠檬酸、赖氨酸、糠醇、聚乳酸、生物法聚丙烯酰胺及二元酸等[4]聚乳酸作为一种可生物降解的高分子聚合物，可广泛应用于医疗、药学、农业、包装业、服装业等领域，以替代传统材料；聚乳酸还是一种低能耗产品，比以石油产品为原料生产的聚合物低30%-50%能耗。在不可再生的石油资源枯竭期到来之前，石油及其衍生物市场价格暴涨，可再生的产品必将成为全球范围的紧俏消费品。我国聚乳酸生产原料--玉米丰富，作为最重要的生物聚合物产品，聚乳酸酯具有广阔的发展前景，未来几年将是化工领域被关注的焦点，预计将在工业化装置建设、应用市场及需求发展、价格和性能等方面具有竞争力。甄光明教授曾经担任Nature Works中国区首席顾问，谈到全球聚乳酸的市场规模时他说，目前全球规模并无确切资料，但是肯定比Nature Works原有的一条生产线的产能7万吨要小。日本海关进口数据信息显示，2009年日本聚乳酸市场约7000吨，假设日本市场是全球市场的1/5～1/10，2009年全球聚乳酸市场总额在5万～8万吨之间，由于这几年全球聚乳酸市场不断增长，预计全球聚乳酸市场在2020年可以达到百万吨以上。虽然聚乳酸市场前景广阔，但是聚乳酸的生产在我国仍属起步阶段，不仅已建成的项目数量很少，而且生产规模不大，产业布局相对也比较零散，短期来看难成规模。不过，随着聚乳酸市场规模逐渐扩大，千吨级和万吨级项目的逐渐上马，产业规模有望上升到一个新的台阶 4.1聚乳酸市场需求将获得较大发展世界许多传统聚合物和塑料材料生产公司一致看好全球生物树脂市场，纷纷加盟开发生物聚合物或生物可降解塑料，如德国巴斯夫、陶氏化学、杜邦公司等均加大了生物技术的研发投资。一些材料消费巨头也都积极开发，把生物塑料应用到他们的产品中。随着聚乳酸树脂生产、加工技术的发展和产品性能的改进，聚乳酸市场需求将取得较大发展。这体现在：一是在包装、纤维领域继续发展更多的细分市场的同时，向传统合成树脂的更多主流市场如电子电器、汽车、建筑市场发展。二是继续在北美、欧洲地区推广应用的同时，开拓包括亚洲在内的更广泛市场。聚乳酸塑料将成为塑料行业中发展最快的增长点。聚乳酸树脂正在向汽车、电子电器市场发展。日本电子产品生产商NEC公司开始在其产品中采用生物塑料替代常规塑料，如一些标准化插件、手机