聚乳酸

新型包装材料——聚乳酸

一、简介

聚乳酸(polylactic acid, 简称PLA)是以乳酸为单体化学合成的，也称聚丙交酯，是具有可生物降解的高分子聚酯材料,其分子式为(C3H4O2)n。聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生。聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。

聚乳酸的热稳定性好，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，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，还具有聚苯乙烯(PS)相似的光泽度和加工性能，因此具有广阔的市场前景，用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装(内衣、外衣)、产业(建筑、农业、林业、造纸)和医疗卫生等领域。

美国和日本已开始工业化生产PLA。意大利一公司使用美国生产的天然聚交酯（PLA）设计和制造新鲜农产品包装材料，这种新的包装材料将在欧洲的零售商店使用。天然的PLA 是一种生物基的聚合物，由100%来自玉米淀粉的细菌发酵而成。PLA不仅具有较高的强度和透明度，而且为零售商提供了包装天然产品使用天然基包装材料的机会。

二、PLA材料性能

聚乳酸的优点主要有以下几方面：

（1）聚乳酸（PLA）使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸，再通过化学合成转换成聚乳酸。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，是公认的环境友好材料。

（2）机械性能及物理性能良好。聚乳酸（PLA）含有有序排列的光学活性中心,其结晶性和刚性较高,制成的薄膜抗张强度是聚乙烯薄膜的数倍。PLA还具有最良好的抗拉强度及延展度，适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便。也可以采用各种普通加工方式生产，与目前广泛所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。

（3）聚乳酸能防潮、耐油脂并具有良好的密闭性。

（4）聚乳酸也拥有良好的光泽性和透明度，和利用聚苯乙烯（PS）所制的薄膜相当。

（5）聚乳酸（PLA）薄膜具有良好的透气性、透氧性及透CO2性，它也具有隔离气味的特性。由于在水解时表面呈弱酸性,故PLA膜是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料。

（6）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。

除此之外，PLA最为包装材料还存在一定的缺陷，如亲水性差，耐冲击强度低，加工成型困难，因而限制了它的应用。从而对其改性的研究至关重要。

三、生产制备

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。主要方法有：

（1）直接缩聚法

传统的PLA的合成方法是乳酸直接脱水聚合得到低相对分子质量的PLA，也叫开环聚

合方法。此聚合方法工艺简单，化学原料及试剂用量少，对提高聚乳酸的绿色应用有好处。但直接聚合的PLA相对分子质量仍偏低，有的只能达到几万，需进一步提高。制备流程大体如下：

1)取材

将玉米等壳类作物碾碎后，从中提取淀粉，然后将淀粉制成未精化的葡萄糖。现在很多高技术已克服减去了碾碎的过程，直接从大量的农作物中提取原料。

2)发酵

以类似生产啤酒或酒精的方式来发酵葡萄糖，而葡萄糖发酵后变成类似于食物添加用于人体肌肉组织内中的乳酸。

3)中间型产物

将乳酸单体以特殊的浓缩制程，转变成中间型产物——减水乳酸，即丙交酯。

4)聚合

丙交酯单体经过真空净化后，再以一种不使用溶剂的溶解制程来完成开环的动作，使单体聚合。

5)聚合物修饰

由于聚合物的分子量与结晶度的不同，可使材料特性的变化空间很大，所以因不同应用的产品，将PLA做不同的修饰。

（2）二步法

使乳酸生成环状二聚体丙交酯，在开环缩聚成聚乳酸。这一技术较为成熟，美国NatureWorks公司生产聚乳酸工艺的工艺即为该工艺。中国的海正与中科院共同研制的聚乳酸生产技术也与此相似，主要过程是原料经微生物发酵制得乳酸后，再经过精制、脱水低聚、高温裂解，最后聚合成聚乳酸。

美国LLC公司生产聚乳酸工艺为：玉米淀粉经水解为葡萄糖，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-乳酸。

美国一家研究所则是将制乳酪后的废弃土豆转化为葡萄糖糖浆，再用细菌发酵成含乳酸酵液，经电渗析分离、加热使水分蒸发，得到可制薄膜与涂层的聚乳酸，可作保鲜袋及代替有聚乙烯和防水蜡的包装材料。

法国埃尔斯坦糖厂与一所大学研制出用甜菜为原料，先分解成单糖，发酵生产乳酸，再用化学方法将乳酸聚合为聚乳酸，也可利用工业制糖工序的下脚料贫糖液来生产聚乳酸，生产成本低。

日本钟纺公司以玉米为原料发酵生产聚乳酸，利用聚乳酸制成生物降解性发泡材料。其过程是在聚乳酸中混入一种特殊添加剂，对其分子结构进行控制，使之变为易发泡的微粒，再加入用碳水化合物制成有机化合物发泡剂，在成型机中成型、经高压水蒸气加热成发泡材料。该材料的强度压缩应力、缓冲性、耐药性等聚苯乙烯塑料相同，经焚烧后不污染环境，还可肥出。

（3）反应挤出制备高分子量聚乳酸

用间歇式搅拌反应器和双螺杆挤出机组合,进行连续的熔融聚合实验,可获得由乳酸通过连续熔融缩聚制得的分子量达150000的聚乳酸。利用双螺杆挤出机将低摩尔质量的乳酸预聚物在挤出机上进一步缩聚,制备出较高摩尔质量的聚乳酸。通过反应挤出缩聚法制得的聚乳酸的结晶度有所降低,这对改善聚乳酸材料在使用过程中表现出较大的脆性是有益的。

直接法的主要特点是合成的PLA不含催化剂,但反应条件相对苛刻产品易分解,实用性小。近年来,经过改进聚合工艺和共聚改性技术,使PLA的性能得到进一步改善目前PLA的