PLA材料是聚乳酸的简称,全写为:polylactic acid。源自美国NatureWorks,主要是通过植物淀粉发酵获得。属于新型的五毒环保无公害的材料。由于面世时间不是很长,在国内推广力度不够,很多人并不了解这一材质,甚至对其安全性有些质疑。
PLA非常适合用来制造一次性餐饮具用品,纯种的原料耐温60度,改性后可达110度或以上。和其他诸如PP、PS、PET等比较,PLA更安全,韧性好,摔不烂,而且可以完全降解。但是由于原料为不透明或半透明状,所以不能像PP餐具那样好看,一般是乳白色等。改性后也可较为透明,但与PP和PET材质的透明度仍有距离。现在国外崇尚环保低碳的人士,已经开始使用PLA杯子/盖子,碗,叉勺等代替PP、PS、PET一次性餐具。
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在特定条件下完全降解,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,是公认的环境友好绿色高分子材料。
PLA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,因此用途十分广泛,可用作包装材料、纤维和非织造物等,目前主要用于一次性餐饮具、服装(内衣、外衣)、产业(建筑、农业、林业、造纸)和医疗卫生等领域。
PLA在规模产业化之前的价格为1000美元/公斤。后来经密歇根州立大学Ramani Narayan教授课题组的产业化研究,实现了规模化生产。该技术现由Natureworks公司产业化。
聚乳酸的合成方法
总的来说,聚乳酸(PLA)的制备是以乳酸为原材料进行合成的。目前合成方法有很多种,较为成熟的是乳酸直接缩聚法,另一种是先由乳酸合成丙交酯,再在催化剂的作用下开环聚合。另外还有一种固相聚合法。
1.乳酸直接聚合法
直接聚合法早在20世纪30~40年代就已经开始研究,但是由于涉及反应中的水脱除等关键技术还不能得到很好的解决,所以其产物的分子量较低(均在4000以下),强度极低,易分解,没有实用性。
日本昭和高分子公司采用将乳酸在惰性气体中慢慢加热升温并缓慢减压,使乳酸直接脱水缩合,并使反应物在220~260℃,133Pa 下进一步缩聚,得到相对分子质量在4000以上的聚乳酸。但是该方法反应时间长,产物在后期的高温下会老化分解,变色,且不均匀。日本三井压化学公司采用溶液聚合法使乳酸直接聚合得到聚乳酸。
直接法的主要特点是合成的聚乳酸不含催化剂,因此缩聚反应进行到一定程度时体系会出现平衡态,需要升温加压打破反应平衡,反应条件相对苛刻。近几年来,通过技术的创新与改进,直接聚合法取得了一定的进展,应该在不久的将来随着技术的不断成熟,能够应用于工业化的大生产中去。
2.开环聚合法
开环聚合法是目前世界上用的较多的生产方法。早在20世纪中叶,杜邦公司的科研人员就用开环聚合法获得了高分子量的聚乳酸。近年来,国外对聚乳酸合成的研究主要集中在丙交酯的开环聚合上。
德国的Boeheringer Zngelhelm 公司用此法生产的聚乳酸系列产品以商品名出现在市场上;美国Cargill公司用此法生产的聚乳酸经熔喷与纺粘后加工,开发了医用无纺布产品;而我国能够合成高分子聚乳酸的仅有中山大学高分子研究所等屈指可数的几家。开环聚合多采用辛酸亚锡作引发剂,分子量可达上百万,机械强度高,聚合分离两步进行:
第一步是聚乳酸经脱水环化制得丙交酯;
第二步是丙交酯经开环聚合制得聚丙交酯;
但是这种开环聚合法在聚合的时候对催化剂的纯度,单体的纯度要求极高,即使是极微量的杂质也会使PLA的分子量低于10万,而且聚合条件如温度、压力、催化剂的种类和用量、反应时间等等也会极大地影响PLA的分子量,所以高分子量PLA的合成是一个技术难点。
3.固相聚合法
这种方法是将直接聚合法得到的低分子量树脂在减压真空、温度在Tg—Tm之间的条件下进行聚合反应得到,以提高其聚合度,增加分子量,从而提高材料强度和加工性能。
聚乳酸的应用
1、食品级材料PLA薄膜有高透明度、高光泽度等优点,同时具有持久宜人香味和优质的透气性,能使得净菜、面包、油炸圈等保持新鲜,可作为一次性餐具和食品包装材料广泛应用。制作儿童餐具和家居用品,需检测甲醛、双酚A、重金属等含量是否超标。
2、纺织纤维领域 PLA随着PLA纤维聚合工艺的局部成熟,它被认为是最具发展前景的“绿色环保”纤维之一。它具有芯吸导湿性、良好的抗紫外线性和耐菌性,优良的阻燃性、出色的回弹性及悬垂性。因此用PLA纤维制得的非织造布用途十分广泛。可用作手术衣、手术覆盖布、口罩等,也可用作尿布、妇女卫生巾的面料及其他生理卫生用品。可用作衣料、擦揩布、手提袋等生活用品。
3.生物医药领域可用作外科手术缝合线、药物控制释放系统、组织工程方面、骨折内固定材料、基因治疗载体、眼科材料、美容微整形材料等。
4、电子科技领域为了节省石油资源同时减少地球温室效应,进一步拓展聚乳酸的应用领域,日本许多公司对PLA在电子电器领域的应用进行了深入研究并取得了卓越的成效。•日本NEC公司笔记本电脑部件材料 •日本富士通公司的笔记本电脑机壳材料 •富士通公司的LSI包装带 •索尼公司 IC卡