聚乳酸(Polylatic acid),简称PLA,也称为聚丙交酯。是以玉米、小麦、木薯等富含淀粉的农作物为原料,经过现代生物技术合成乳酸,再经过特殊的聚合反应过程生成的高分子材料,属于热塑性直链脂肪族聚酯。 通常所讲的玉米塑料就是由玉米制得的聚乳酸,玉米纤维就是玉米制得的聚乳酸纤维。
玉米是我国的主要粮食作物之一,在人们的印象中,玉米主要用来食用、做饲料和榨油。然而,玉米还有一个重要用途却鲜为人知,那就是用来制造一种生物降解塑料——聚乳酸,由食物“变身”为工业用品。
聚乳酸是生物降解塑料的一种,其他还有聚羟基烷酸酯(PHA)、聚丁二酸酯(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚乙烯醇(PVA)、二氧化碳聚合物等。但聚乳酸是首个大规模工业化的生物基和生物降解塑料,有着广阔的发展潜力。
聚乳酸的特点
传统的塑料是以石油加工产物为原料生产而得,石油资源储量有限,且制得的产品难以分解,废弃后容易造成环境污染。相比传统的塑料,聚乳酸具有以下优点:
(1)聚乳酸原料来源十分丰富,玉米、木薯、高粱等都可以生产聚乳酸,而这些农作物均可人工大面积种植,此外秸秆、稻草等农作物或植物根茎叶也可以作为原料。
(2)聚乳酸还具有良好的生物相容性和生物可降解性。聚乳酸具有生物活性,降解产物可被生物体吸收,是理想的生物医用材料。聚乳酸埋在土壤中在大自然微生物的作用下6-12个月就可以发生降解,变成乳酸最终成为二氧化碳和水,可谓真正的环境友好材料。
(3)聚乳酸也具有优异的抗菌性能,是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物降解塑料。焚烧时不会释放出氮化物、硫化物等有毒气体,安全性强。
(4)聚乳酸塑料还有良好的机械性能,透明性,透气透氧性,可直接采用通用塑料设备进行挤出、注射、拉伸、纺丝、吹塑等加工成型,如制成的纤维物理性能接近锦纶和涤纶,透气性和手感却好于涤纶。
(5)聚乳酸的生产能耗只相当于传统石化产品的20%~50%,产生的二氧化碳气体则只为50%。
但是,聚乳酸也存在一些缺陷,如含大量酯基亲水性差,基体分子量低与分子量分布过宽导致部分物理性能较差,如热变形温度低、韧性与抗冲击性能低,降解周期不可控制、价格昂贵等,这些都限制了聚乳酸的应用,需要在生产过程中进行一定的改性予以改善。
聚乳酸生产方式
生产聚乳酸得先制得乳酸,通常有三个来源:含糖的生物质材料提取淀粉再糖化发酵,家庭垃圾中的糖类发酵,以农作物或植物根茎叶等废弃生物质材料为原料提取纤维素再糖化和发酵。
有了乳酸则主要以两种方法生产聚乳酸。一是乳酸直接缩聚法。在脱水剂的作用下,乳酸分子之间的羟基和羧基自发进行缩合脱水反应,直接生成聚乳酸。此方法生产成本低廉,生产流程简单,生产成本较低。但反应中副产物难以除去抑制了反应的进行,难以得到高分子量的聚合物。
二是丙交酯开环聚合法,也称二步法。使乳酸分子先聚合成丙交酯,再进一步缩聚成聚乳酸,是目前工业上大规模生产高分子量聚乳酸最普遍的方法。此方法需进行丙交酯的纯化,工艺流程相对复杂、成本较高、路线较长,可得到分子量达106~107级的聚乳酸。
自聚乳酸被人类开发以来,最初是用于制作纤维,用在医疗器械上,如制作手术缝合线,后来逐渐用于制造日用品以及工业用品。如今聚乳酸已被广泛用于农用地膜、塑料型材、薄膜、包装材料、食品容器、一次性消费品、服装、纺织品、卫生用品、医疗器械等。其中应用最广也最有潜力的就是包装材料。
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