生物降解型塑料-聚乳酸(pla)

1、生物降解型塑料聚乳酸(PLA)清華大學美術(shù)學院賀書俊學號2012013080摘要：近年來世界各國都高度重視源于可再生資源的可降解高分子材料的研究開發(fā)，聚乳酸因可生物降解、性能優(yōu)異、應用廣泛而深受青睞。本文主要介紹了聚乳酸的降解機理、作為可降解塑料的應用現(xiàn)狀、改進方法以及未來的發(fā)展趨勢。1、聚乳酸簡介單個的乳酸分子中有一個羥基和一個羧基，多個乳酸分子在一起，OH與別的分子的COOH脫水縮合，COOH與別的分子的OH脫水縮合，就這樣，它們手

2、拉手形成了聚合物，叫做聚乳酸。聚乳酸也稱為聚丙交酯，屬于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，原料來源充分而且可以再生。聚乳酸的生產(chǎn)過程無污染，而且產(chǎn)品可以生物降解，實現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，因此是理想的綠色高分子材料。[1]2、聚乳酸降解機理聚乳酸是典型的“綠色塑料”，因其良好的生物相容性、完全可降解性及生物可吸收性，是生物降解材料領域中最受重視的材料之一，下面就聚乳酸的降解機理進行介紹。聚乳酸是一種合成的脂肪族聚酯，其降解

3、可分為簡單水解（酸堿催化）降解和酶催化水解降解。從物理角度看，有均相和非均相降解。非均相降解指降解反應發(fā)生在聚合物表面，而均相降解則是降解發(fā)生在聚合物內(nèi)部。從化學角度看，主要有三種方式降解：①主鏈降解生成低聚體和單體；②側(cè)鏈水解生成可溶性主鏈高分子；③交鏈點裂解生成可溶性線性高分子。本體侵蝕機理認為聚乳酸降解的主要方式為本體侵蝕，根本原因是聚乳酸分子鏈上酯鍵的水解。聚乳酸類聚合物的端羧基（由聚合引入及降解產(chǎn)生）對其水解起催化作用，隨著降

4、解的進行，端羧基量增加，降解速率加快，從而產(chǎn)生自催化現(xiàn)象。[2]因乳酸來源于可再生資源，經(jīng)過聚合、改性、加工成制品，當制品廢棄時，能完全被人體吸收或被環(huán)境生物所降解成二氧化碳和水，從而造福人類并無污染地回歸自然，聚乳酸的生產(chǎn)過程無污染，而且產(chǎn)品可以生物降解，實現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，因此是理想的綠色高分子材料。下圖為聚乳酸在自然界中的循環(huán)過程。淀粉發(fā)酵乳酸聚合聚乳酸成型聚乳酸制品植物(玉米等)使用廢棄物光合作用二氧化碳和水乳酸及低聚物酶及水

5、解代謝加工3、聚乳酸的制備增，同時出口量快速下降。近年來，國內(nèi)掀起了PLA項目的開發(fā)熱潮，2010年，我國很多玉米深加工企業(yè)或生物化工企業(yè)都計劃步入聚乳酸的行列。截至2011年3月，國內(nèi)PLA年產(chǎn)能達到1.2萬噸左右，規(guī)劃產(chǎn)能約為14萬噸年。國內(nèi)最大的生產(chǎn)聚乳酸生物塑料一次性飯盒（PLA）企業(yè)是浙江海正生物材料股份有限公司，產(chǎn)能5000噸。從2007年開始，隨著國內(nèi)工業(yè)級聚乳酸生產(chǎn)裝置建成投產(chǎn)，國產(chǎn)聚乳酸產(chǎn)品逐漸投放市場，市場價格逐步下

6、降，目前平均售價約在2.1萬元噸左右。[5]5、聚乳酸的缺點通過乳酸的直接縮聚法無法合成較高分子量的聚乳酸，且聚乳酸材料存在一些缺陷，如力學性能差、耐熱溫度很低、價格貴、降解時間難以控制等，這都制約了聚乳酸的應用范圍。[6]6、聚乳酸的改進6.1物理改性6.1.1共混改性共混改性是指將兩種或兩種以上的聚合物熔混在一起，通過聚合物各組分性能的復合來達到改性的目的。高聚物共混改性屬于物理改性，未改變高聚物大分子鏈結(jié)構(gòu)，保留了原有高聚物的優(yōu)點

7、，同時通過添加新物質(zhì)，改變了聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，從而賦予高聚物某些新的性能。通過共混改性，不但能夠改善聚合物性能，還能達到降低成本的目的，制得價格低廉、用途廣泛的材料。聚合物共混是改善聚合物韌性的一種方法。[7]6.1.2增塑改性把生物相容性增塑劑加入到聚乳酸基體中，通過研究經(jīng)增塑后的聚乳酸的玻璃化溫度、結(jié)晶溫度、熔點、結(jié)晶度、彈性模量、斷裂延伸率的變化可知，增塑劑的加入使聚乳酸大分子鏈的柔性提高，玻璃化溫度降低非常明顯，其彈性模量下降，斷裂伸

8、長率提高，即在一定程度上韌性增加。通過比較其變形量和彈性能可知，這些增塑劑可以改善聚乳酸的柔韌性、耐沖擊性能。[8]6.2化學改性6.2.1共聚改性聚乳酸的共聚改性是指通過調(diào)節(jié)乳酸和其他共聚單體的比例來改變聚乳酸共聚物的性能。均聚PLA為疏水性物質(zhì)，降解周期難控制，通過與其他單體共聚可改善材料的疏水性、結(jié)晶性等，聚合物的降解速率可根據(jù)共聚物的分子量、共聚單體種類及配比等加以控制。6.2.2交聯(lián)改性所謂交聯(lián)是指在聚合物大分子鏈之間產(chǎn)生化學

9、反應，從而形成化學鍵的過程。聚乳酸交聯(lián)的一般過程是在交聯(lián)劑或者輻射作用下，通過加入其他單體與聚乳酸發(fā)生交聯(lián)反應生成網(wǎng)狀聚合物從而能改善聚乳酸的性能。交聯(lián)劑通常是多官能團物質(zhì)如多官能度的酸酐或者多異氰酸酯，根據(jù)不同的情況，交聯(lián)方式及交聯(lián)程度都會有所不同。[9]6.3復合改性實現(xiàn)聚乳酸改性的另一種方法是采用復合技術(shù)對聚乳酸進行復合改性，經(jīng)過復合后的PLA復合材料大多性能優(yōu)異、功能特別，具有優(yōu)良的生物相容性，較好的機械強度、彈性模量和熱成型性