聚乳酸的特性与生产方法

2021/2/18 14:01:13

聚乳酸(英语:Polylactic Acid或Polylactide,缩写:PLA),是一种热塑性脂肪族聚酯。生产聚乳酸所需的乳酸或丙交酯(英文:Lactide)可以通过可再生资源发酵、脱水、纯化后得到,所得的聚乳酸一般具有良好的机械和加工性能,而聚乳酸产品废弃后又可以通过各种方式快速降解。

Polylactic Acid.jpg

特性

最近的研究希望将类似于合成聚羟基脂肪酸酯的生物合成法应用在合成聚乳酸上,使用的是大肠杆菌直接进行发酵[5] 材料性质 聚乳酸杯子盛放热液体后的效果,所以常需加入其他组分来提高耐热性能。

聚乳酸的熔点、耐热性、机械性能、加工性能都与其结晶度有关,而影响其结晶度的最主要因素是原料中L-乳酸和D-乳酸的配比。如果原料是纯的L-乳酸或者纯D-乳酸,则所得的聚L-乳酸(简称PLLA)是高结晶性聚合物,聚D-乳酸(简称PDLA)是半结晶聚合物。聚L-乳酸的结晶度大概是37%,其玻璃化转变温度大约是65°C,熔点是180°C,拉伸模量大约为3-4GPa,弯曲模量大约为4-5GPa。即使只加入少量右旋聚乳酸,结晶度也可以提高较多。比如聚L-乳酸按照一定比例和聚D-乳酸共混后,聚L-乳酸的熔点最多可以提高50°C,热弯曲温度升高到了大约190°C。所得的抗热性聚乳酸可以在110°C 的环境下使用[8]聚乳酸和聚苯乙烯、PETE的机械性质相似,但可连续使用的温度要低得多,结晶度提高后可以提高可连续使用的温度,但生物降解速率也随之变低了。将聚乳酸置于坩埚中加热可以汽化为可燃气体。 相对于其他生物可降解材料,聚乳酸具有部分疏水性。聚乳酸和聚乳酸的共聚物的溶剂是氯仿。除此之外,聚乳酸可溶于氯化溶剂、热苯、四氢呋喃和1,4-二𫫇烷但不溶于水、乙醇和大多数脂肪烃溶剂。

聚乳酸系乳酸单体经脱水缩聚所形成的高分子聚合物,是一种典型的合成类可完全生物降解材料,由于其具有可靠的生物安全性、生物可降解性、环境友好性、良好的力学性能及易于加工成形等优点,在生物医用高分子、纺织行业、农用地膜和包装等行业具有广阔的应用前景。

生产方法

乳酸的结构中同时含有羧基和羟基,故乳酸分子之间可以发生酯化反应形成长链。虽然名叫聚乳酸,但绝大部分羧基已经在聚合反应中反应掉,实际并没有什么酸性,这一点和聚丙烯酸为代表的侧基均为羧基的聚合物不同。聚乳酸的单体乳酸可以透过化学合成或者透过可再生资源合成。

一般使用玉米、木薯提取出的淀粉,甘蔗和甜菜提取的糖和秸秆等提取的纤维素,经过发酵、脱水等过程获得乳酸。所获得的乳酸需要进行纯化,才能进行聚乳酸的生产,因为乳酸中含有的微量富马酸和醋酸都会造成聚合反应的终止。

聚乳酸的主要合成途径 目前生产聚乳酸的途径主要有三条:

以乳酸为原料直接缩聚:由于乳酸缩聚反应中逐渐生成的水会引起水解和链转移,所以一般先通过闪蒸等手段除去原料乳酸中残存水分,之后在100°C,1kPa的低压下脱水生成丙交酯和小分子量聚乳酸,然后以氯化亚锡和对甲苯磺酸为催化剂,在160°C温度下进行熔融缩聚,可以得到分子量高于80000的聚乳酸。如果想进一步提高分子量,可以将熔融聚乳酸冷却后进一步缩聚,或在共沸蒸馏的条件下进行缩聚,不断把生成的水除去,最终可以得到分子量超过100,000的聚乳酸。

以乳酸为原料缩聚成一定分子量的聚乳酸后,加入酸酐和环氧树脂等偶联剂。偶联剂可以与聚乳酸链末端残余的羟基和羧基发生反应,达到较短链互相结合产生长链的扩链效果 先以两分子乳酸彼此酯化形成丙交酯,然后以纯化的丙交酯为原料,在金属催化剂(比如丁基锡)的作用下进行开环聚合。华莱士·卡罗瑟斯在1932年就发现了这一反应,但直到1954年杜邦公司改进了丙交酯的提纯方法之后才开始工业生产。丙交酯为原料时常用的聚合方式是溶液聚合、悬浮聚合或熔融聚合。 通过在聚乳酸的生产中加入其他单体,聚乳酸还可以与羟基乙酸和乙二醇形成多种共聚物

除了乳酸和丙交酯以外,五元环化合物L-Lactic acid O-carboxyanhydride(lac-OCA)是一种新的合成原料,它发生聚合反应生成聚乳酸的同时并非生成水而是生成二氧化碳,二氧化碳可以直接脱离反应体系,从而使平衡向生成聚乳酸的方向移动,使lac-OCA的反应效率比使用丙交酯要高。

环境友好型

聚乳酸生物降解塑料原料来源丰富,安全性强: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。焚烧时不会释放出氮化物、硫化物等有毒气体,安全性强。

其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。具有优异的抗菌性能聚乳酸是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物降解塑料。

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