玉米塑料

玉米塑料

北京大学数学学院 吉克林皓

关键词：玉米塑料；聚乳酸；绿色化学

玉米塑料是生物降解塑料，其成分为聚乳酸（polylactic acid ,简写为PLA），由玉米淀粉发酵产生乳酸，再经化学合成方法而得到。聚乳酸是世界上第一种100% 用玉米制造的高分子。Cargill Dow LLC因此项技术获得了美国环保署（EPA）2002 年度的Alternative Solvents and Reaction Conditions Award（创新溶剂和反应条件奖）。据报道，美国LLC 公司生产聚乳酸工艺为：首先把玉米磨成粉，分离出淀粉，再从淀粉中提取出原始的葡萄糖。再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达99．5％的L一乳酸。再把提取出来的乳酸制成最终的聚合物—— 聚乳酸。

1 聚乳酸的优点及应用

聚乳酸的优点主要有以下几方面：

（1）生物可降解性良好。聚乳酸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，对保护环境非常有利。

（2）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。PLA本身属脂肪族聚酯，具有通用高分子材料的基本特性，可用于包装材料、家电外壳或作为可降解纤维材料。PLA可以替代部分聚乙烯和聚丙烯的应用，广泛应用于塑料的各种成型加工。例如：塑料容器，杯子、盘子、食品容器（盒）、液体容器（瓶、桶）、餐具（刀、勺、叉）、包装膜、塑料袋、发泡塑料（容器、包装材料）、地膜、纺织（服装、无纺布）等。PLA材料的透明度和光泽很好，有利于展示被包装物品的特性，阻气阻水性好，印刷方便，其优异的性能决定了它将在包装市场上占有重要地位。

（3）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。医疗器材方面由于PLA比起其他常用高分子材料，具有独特的生物兼容性和生物降解性，因而能作人造骨折内固定物（代替金属固定物，免除二次手术）、缓释材料、手术缝合线、组织修复材料等方面使用。技术附加值高，因而是目前聚乳酸主要的市场，也是医疗行业应用广泛，最有发展前景的高分子

材料。且因其原料为可再生的生物资源，世界公认的新世纪最有发展前途的新型环保、可持续发展材料。

2 聚乳酸的制备方法

聚乳酸生产是以乳酸为原料，传统的乳酸发酵大多用淀粉质原料，目前美、法、日等国、家已开发利用农副产品为原料发酵生产乳酸，进而生产聚乳酸。由乳酸制聚乳酸生产工艺有：（1）直接缩聚法，在真空下使用溶剂使脱水缩聚。（2）非溶剂法，使乳酸生成环状二聚体丙交酯，在开环缩聚成聚乳酸。

水解

图1 聚乳酸的生产流程

由乳酸制造PLA可采用两种工艺，一种是直接缩聚法，即在真空条件下，采用溶剂使之脱水缩聚。该法简单，但得到的聚合物分子量较小，一般小于5000。另一种是二步法，也叫非溶剂法，即3个乳酸分子自行聚合生成丙交酯，再开环缩聚成PLA，这样可以得到分子量较高的PLA。但在此过程中，必须选择专门的催化剂和引发剂；同时，丙交酯必须经过提纯，否则难以获得分子量较高的聚合物；此外为了防止副反应，还要采用惰性气体。聚合物的性质还受到聚合工艺的影响，其中L－乳酸比例越高，则PLA的结晶程度高，有明显的、较高的结晶温度，L－乳酸比例越低，则PLA的结晶程度越低，逐渐成为无定型结构，没有

固定的熔点，熔点越来越低，因此PLA的熔点可从171℃向60℃变化，强度等机械物理性质也会变化，树脂的透明度也会变化。一般的，用于聚乳酸合成的L－乳酸的光学纯度需达到92％左右。

3 聚乳酸生产中的绿色化学概念

绿色化学是当今国际化学化工研究的前沿，它吸收了当代化学、物理、生物、材料、信息等科学的最新成果和技术，从根本上来减少或消除化学产品的设计、生产和应用中有害物质的使用与产生，使所研究开发的化学产品和工艺过程更加环境友好。因此绿色化学的浪潮席卷全球，绿色化学理论的研究，绿色化学技术的开发，正成为人们关注的热点。绿色化学是具有明确的社会需要和科学目标的新兴交叉学科，经过10多年的探索和研究，已总结出一些理论和原则，这就是P．T．Anastas和J．CWarner所倡导的绿色化学12原则，以玉米为原料合成聚乳酸的工艺过程很好体现绿色化学的基本原则。

①防止污染优于污染的治理。聚乳酸的原料是玉米淀粉，生产过程选用发酵法，不产生对环境有副作用的物质，并且乳酸，聚乳酸都可在自然环境中很快的降解而进入自然循环。这在源头和产业链的末端都极大了减少了污染，真正做到了防止污染而不是先污染后治理。

图2 聚乳酸产业循环链

②提高合成反应的“原子经济性”。传统的基于石油的化学合成法因为要通过多个合

成步骤，因此原料的化学结构要经过多次的改变，不符合绿色化学的原子最大利用率的概念。而聚乳酸的生成过程中因为采用的发酵工艺，淀粉中的原子可以最大程度转移到聚乳酸中。

③在合成过程中，尽可能不使用和不产生对人体健康和环境有害的物质。相比较于化学法合成乳酸使用用原料为乙醛和剧毒物氢氰酸，催化剂也多有化学毒性，以淀粉作为原料合成乳酸，不产生有毒的副产物，并且可循环使用。

④设计安全的化学品。乳酸也是人体代谢产生的，并且可参与自然的循环过程，对人体无毒。聚乳酸本身是生物相容性的，可直接应用于人体。

⑤使用无毒、无害的溶剂和助剂。发酵法合成乳酸，没有使用有毒的溶剂和助剂。

⑥合理使用和节省能源。乳酸的生产采用生物发酵的方法，温度较低，相比较于石油来源的单体，能耗大大较低。聚乳酸的熔点较低，加工过程相比较于传统的石油基塑料的生产，玉米塑料的的生产过程能耗低。

⑦尽可能利用可再生资源。玉米塑料的原料是可再生资源，并且聚乳酸最终可以被分解成二氧化碳和水，进入自然循环。

⑧尽可能减少不必要的衍生步骤；化学法合成塑料工艺复杂并且要进行多步反应，而发酵法合成乳酸，生产工艺温和，工艺简单。

⑨采用高选择性的催化剂；发酵法合成乳酸，可以通过选择不同的菌种，生产出高度立体选择性的乳酸单体，避免了进行单体分离纯化的工业步骤。

⑩设计可降解的化学品；乳酸和聚乳酸都可在自然环境下降解，并且降解周期比较短 ⑾防止污染的快速检测和监控。

⑾ 防止事故和隐患的安全生产工艺。聚乳酸的生产工艺简单，条件温和。

由此可见，采用玉米为原料生产聚乳酸，符合绿色化学12项原则中的11项，充分体现了绿色化学的指导思想和理念。

4 玉米塑料的利与弊

塑料作为四大基础材料之一，因其质地轻、加工方便、美观实用，深受人们青睐，广泛用于各行各业。2005年中国的塑料产量达到4500万吨，居世界前列。塑料的出现给我们的生产和生活带来了极大的便利，同时，因塑料导致的“白色污染”问题也日益严重。一边是塑料制品对人类生产和生活的深度渗透，一边是历经千年而无法降解的“白色污染”。在