对聚乳酸的现状与发展方向的探究.docx

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1、对聚乳酸的现状与发展方向的探究1044213唐浚博 1044207韩智豪 0946321樊羽1引言人类在21世纪的最大课题之一是保护环境。自20世纪60年代以来人们开始研究和开发生物可降解聚合物及其制品，以保护环境20世纪90年代末刚刚实现工业化的聚乳酸(Poly-lactic Acid，PLA)是其中最有发展前景的一种，它是一种真正的新型绿色高分子材料，也是目前综合性能最出色的环保材料。2摘要本文对可降解塑料的现状、评价标准做了简要介绍，并对聚乳酸材料的现状、发展历程及未来发展方向进行探究，意在通过文献检索，证明聚乳酸材料是今后一段时期内最有潜力的绿色材料之一。其在塑料领域的发展前途无量。3

2、正文1 可降解塑料概述1.1 可降解塑料行业发展现状 随着世界各国对环境保护的日益关注，可降解塑料成为各国研究的主要课题，生物降解塑料作为可降解塑料发展的主要方向。欧、美、日等发达国家在生物降解塑料研究开发方面投入了大量的资金，可降解塑料的品种也越来越丰富。目前，欧洲的超市中已开始大量推广使用淀粉系列和聚乳酸系列可生物降解的购物袋及食品包装袋，每年消费量可达260亿个，意大利利用玉米淀粉生产生物可降解塑料生产能力达3.5万吨/年；美国已有50多家公司生产可降解塑料，其产品已广泛应用于食品包装领域；东欧生物降解包装也保持着高增长率，在2006年821 t的基础上保持24.6%的年均增长率；中国、

3、日本、泰国等亚洲国家也出现了许多公司生产可降解塑料包装，每年产量也都在万吨级别。可见，发展可降解塑料产业的优势不仅仅体现在对自然环境的保护方面，在经济效益方面也有巨大的发展潜力。1.2 生物降解塑料的定义生物降解塑料是指在自然环境下通过微生物的生命活动能很快降解的高分子材料或者以淀粉等天然物质为基础生产的塑料，大到电视机的支架 电脑框体，小到小摆件、厨房垃圾袋等。按其降解特性可分为完全生物降解塑料和生物破坏性塑料。按其来源则可分为天然高分子材料、微生物合成材料、化学合成材料、掺混型材料等。与烃类聚合物不同。生物聚合物可被微生物破解并用作堆肥。1.3 可降解塑料评价方法 近年来，国内外都在努力寻

4、找一个能被人类所接受的降解塑料的定义及其评价方法。影响比较大的是，欧洲制定的CEN标准，强调包装材料的回收再利用以及堆肥处理；英国标准组织BSi 则强调了包装材料的环境效应，着重于薄膜的氧化降解；其中，被大家所共识且认可程度最高的是美国材料试验协会(American Society for Testing and Materials，ASTM)对降解薄膜所作的定义及评价方法。对可降解塑料的评价可分为两方面，一方面是塑料的基本性能评价，另一方面是塑料的降解性评价。一种好的降解材料应该同时具备耐用性和可降解性。 1.3.1 塑料力学性能评价 塑料的基本性能评价包括：力学性能、抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性

5、、抗溶解性、抗氧化性、物理外观（透光性、表面光滑程度）等，均有相应的国家标准 。材料性能的评价最简单也是最常用的方法是塑料的力学性能检测，这类方法可判断材料的强度及耐用性。1.3.2 塑料降解性能评价 世界上对可生物降解的试验评价已经进行了三十多年，很多国家都提出了一些试验评价方法，同时也制订了一系列标准，我国制定的塑料降解性能国家标准如表1所示。其中ISO 14851、ISO 14852和ISO 14855属于需氧实验法；ISO 14853属于厌氧实验法；GB/T 17603、GB/T 15596属于光解实验法。表1 降解性能试验国家标准标准序号标标准名称ISO 15462水质量用于生物降解

6、能力的试验选择ISO 1459水体系培养液中有机组分最终需氧生物降解能力的评价通过分析密封容 器中无机碳的方法（CO2顶部试验）ISO 14851水系培养液中需氧条件下塑料材料生物降解能力的测定通过测定密封容器中氧气消耗量的方法ISO 14852水系培养液中需氧条件下塑料材料生物降解能力的测定通过分析释放的二氧化碳的方法ISO 14855可控堆肥条件下塑料最终需氧生物降解能力和崩裂的测定分析释放的二氧化碳的方法ISO 14813水培养液中的厌氧生物降解试验在无氧环境中测定二氧化碳和甲烷的发生量GB/T 17603光解性塑料户外暴露试验方法GB/T 15596塑料暴露于玻璃下日光或自然气候或人工

7、光后颜色和性能变化的测定2生物降解塑料 降解塑料按照降解机理可大致分为光降解塑料、生物降解塑料和光-生物双降解塑料。其中，具有完全降解特性的生物降解塑料和具有光-生物双重降解特性的光/生物双降解塑料，是目前主要的研究开发方向和产业发展方向。光降解塑料由于价格较高，又只能在光照下降解，受地理环境、气候制约性很大，埋地部分不能降解等表现出来的诸多缺点使得光降解最终退出历史舞台，而生物降解所变现出的优良的全降解性能，使得各国开始把研究目光转向生物降解。目前研究开发的生物降解材料有天然高分子材料、微生物合成高分子材料、人工合成高分子材料以及共混性高分子(添加型)材料。天然高分子型是利用淀粉、纤维素、甲

8、壳质、蛋白质等天然高分子材料制备的生物降解材料。生物合成的完全生物降解塑料是微生物把某些有机物作为食物源，通过生命活动合成的高分子化合物。通过微生物合成而得到的生物降解塑料以聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 类为多，其中最常见的有聚 3- 羟基丁酸酯 (PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV) 及 PHB 和 PHV 的共聚物 (PHBV)。3 聚乳酸3.1 聚乳酸的基本性质聚乳酸(PLA)是以微生物的发酵产物L_乳酸为单体聚合成的一类聚合物，有独特的可生物降解性能、生物相容性能和降解后不会遗留任何环保问题等特点，将成为未来应用发展前景广阔的生态环保材料。聚乳酸耐水但是不能耐高温。虽然不是水溶性的，但是海洋

9、环境中的微生物也能使之降解成二氧化碳和水。这种塑料类似透明的聚苯乙烯，表现出很好的外观（有光泽和透明度），但它是硬为且脆的材料，在大多数实际应用中需要改性（例如用增塑剂来提高其柔韧性）。它可以和许多热塑性塑料一样被加工成纤维、薄膜，热成型或者注塑成型。表2 聚乳酸的基本性能性能PDLAPLLAPDLLA溶解性均可溶于二唖烷、氯仿、二氯甲烷等PDLLA溶解性最好不溶于脂肪烃、乙醇、甲醇等固体结构结晶性结晶性无定形性熔点/18080玻璃化温度/58热分解温度/200215185 200拉伸率/20302030断裂强度/g.d-14.05.05.06.0水解性（37的生理盐水中强度减半时间/月）46

10、46233.2 聚乳酸的性能聚乳酸(PLA)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、对环境友好、良好的力学性能及易于加工成形等优点，目前已被广泛应用于生物医用高分子、纺织行业、农用地膜和包装等行业。3.31 聚乳酸类生物可降解材料的合成合成聚乳酸的原料是乳酸，其分子中含有一个手性碳原子，具有旋光性。因此，聚乳酸具有左旋聚乳酸(L-PLA)、右旋聚乳酸(D-PLA)、外消旋聚乳酸（D，L-PLA)和内消旋聚乳酸(meso-PLA)等几种光异构聚合体，其中最常用的是左旋异构聚合体L-PLA。各种异构PLA的合成方法相同，均以乳酸或其衍生物乳酸酯为原料，其具体

11、合成工艺大致可分为间接合成二步法、直接合成法和共聚改性法3种。合成技术的进展主要体现在对具体工艺的改进和完善上。图1 聚乳酸的合成路线3.3.2聚乳酸的工业合成方法聚乳酸的合成方法通常有两种，即丙交酯(乳酸的环状二聚体)的开环聚合和乳酸的直接聚合。丙交酯开环聚合首先由乳酸经脱水环构化制得丙交酯：乳酸 丙酯由丙内酯经开环聚合制得聚丙内酯（即聚乳酸，简称PLA）：丙酯 聚乳酸（PLA）其生产工序为：第一步将乳酸脱水环化制成丙交酯；第二步将丙交酯开环聚合制得聚乳酸（二步法）。其中乳酸的环化和提纯是制备丙交酯的难点，也是制备聚乳酸的关键。这种方法可制得高分子量的聚乳酸，可以较好地满足成纤聚合物和骨固定

12、材料等的要求，因此是当今生产聚乳酸的主要方法。乳酸直接聚合 乳酸 聚乳酸（PLA）由精制的乳酸直接进行聚合，是制备聚乳酸最早也是最简单的方法。该法生产工艺简单，但得到的聚合物分子量低，且分子量分布较宽，其加工性能等尚不能满足成纤聚合物的需要；而且聚合反应在高于180的条件下进行，得到的聚合物极易氧化着色，使应用受到一定的限制。3.4 聚乳酸的应用聚乳酸类材料具有很高的附加值，其研究与开发对国民经济的增长和社会的发展具有极其重要的意义。可完全生物降解聚乳酸现已广泛应用于医药、纺织、农业和包装等领域。3.4.1 药物控制释放体系用可降解的生物高分子作药物载体长期植入体内后，可以控制药物的释放速度，

13、并实现药物的靶向释放，提高药效。3.4.2 骨科组织工程材料PLA是骨组织工程中的优选材料之一，在硬骨组织再生、软骨组织再生、人造皮肤、神经修复等方面均可作为细胞生长载体，并取得了令人满意的结果。3.4.3 可吸收手术缝合线聚乳酸类材料用作外科手术缝合线时，由于其具有良好的生物降解性，能在伤口愈合后自动降解并被吸收而无需二次手术。随着伤口的愈合，缝合线缓慢降解。3.4.4 在其它领域中的应用PLA在富氧及微生物的作用下会自动分解，并最终生成C02和H20而不污染环境。PLA作为可完全生物降解塑料，越来越受到人们的重视。可将PLA制成农用薄膜、纸代用品、纸张塑膜、包装薄膜、食品容器、生活垃圾袋、

14、农药化肥缓释材料、化妆品的添加成分等。随着 PLA 等可生物降解塑料材料的应运而生，在原有聚乙烯等传统不可降解塑料制品中加入适量PLA 等生物材料制成的塑料制品，既可部分实现生物降解，原有的力学性能又没有明显的改变。这一技术突破为解决废旧塑料制品污染找到了一条新途径，也为塑料价值链带来了新机遇。生物塑料和普通塑料共混使用，在日本已经比较普遍，如丰田汽车公司的塑料零部件中，30%使用了可生物降解塑料，70%为传统塑料这样既提高了塑料部件的可降解程度，成本增加又不是很大，市场接受起来也相对容易一些。4 聚乳酸降解作用探究4.1 PLA降解微生物及降解酶已有研究表明，自然界中目前已知的能够降解聚乳酸

15、的微生物十分有限。通过对不同土壤环境中能够降解聚酯的微生物情况进行评价，结果显示自然界中降解PHB(聚-羟基丁酸酯)、PCL和PTMS(聚四亚甲基琥珀酯)的微生物数量是基本相似的，大约都在0811，这能与这些聚酯材料的酯键极易被相关脂肪酶水解有关：而降解PLA的微生物数量则不到0.04。土壤掩埋的对照实验也显示，PLA在土壤中的降解速度相对比较缓慢，一般需要几年时间。目前，人们通过土壤和菌种库筛选，已经分离到了大约几十种能够降解PLA的菌株，其中大部分降解菌都属于放线菌，例如Amycolatopsis属菌株，Kibdelosporangium aridum和Saccharothrix wayw

16、ayandensis等。4.2 PLA生物降解机制的研究PLA是乳酸单体之间通过酯键连接的，其降解应该是以酯键的断裂为基础。但研究结果发现，大部分脂肪酶对PLA没有降解作用。4.3 废弃物生物处理系统的探索PLA产品废弃后，为了加快其生物降解和实现其有效循环利用，开发PLA的循环处理系统是十分必要的。关于PLA循环利用的方法已经有过一些报道，例如在高于200下的温度下促使其分解和水解。随着越来越多PLA降解菌株和酶的发现，人们开始尝试开发PLA废弃物的生物处理系统。5 展望环境保护已成为人类在21世纪所面临的主要问题，聚乳酸是以淀粉等可再生资源为原料，最终完全生物降解为二氧化碳和水，符合当今世

17、界所倡导的可持续发展战略。聚乳酸材料具有良好的可降解性、生物相容性，有着广泛的研究和应用前景。对于PLA来讲，其生物降解的研究刚刚处于起步阶段，分离到的降解菌株和降解酶相对较少，降解机制还不完全清楚，其生物循环还没有被实现。今后聚乳酸类生物材料研究的重点将是研制无毒、高活性、反应条件温和、可控聚合物分子量及分布的催化剂，尤其是活性聚合催化剂。但是聚乳酸也存在缺乏生物活性、过高的价格这些明显的缺点，限制了其广泛应用。所以，进行仿生设计，制备具有模仿细胞微环境的聚乳酸生物活性材料或是制备具有特异性生物功能的聚乳酸生物活性医用材料，是今后一个重要的研究内容。目前，聚乳酸主要用于高附加值的医用材料，还

18、未能广泛应用于其他行业。相信在不久的将来，在国内外学者的共同努力下，随着聚乳酸的合成方法及生产工艺研究的不断深入及其生产成本的大幅度降低，将会在生物医药、农林业、食品工业、包装等方面展现出广阔的应用前景。因此，聚乳酸类生物材料势必成为21世纪最重要的生物高分子材料之一！【参考文献】1 陈佑宁,张知侠,党西妹, 樊国栋，聚乳酸的合成和改性研究进展，科技导报,2009,27(17);TQ326.92 袁芳，聚乳酸合成工艺研究，CNKI:CDMD:2.2003.097065，2003,TQ3163 吴进喜，可降解塑料的研究现状及发展前景J中国高新技术企业，2010，24；6-7 4 何潇，沈青，生物高分子材料在药物传递系统中的降解， 广州化学，2010，35（1），54-675 孙丽芳 刘芝兰，生物降解材料聚已内酯的研究与应用前景，科技产业，2002,23；33-35