31852-84-3
中文名稱
聚乳酸
英文名稱
1,3-dioxan-2-one
CAS
31852-84-3
分子式
C4H6O3
MOL 文件
31852-84-3.mol
更新日期
2024/11/06 12:59:48
31852-84-3 結(jié)構(gòu)式
基本信息
中文別名
聚乳酸聚三亞甲級碳酸酯
1,3-二氧雜環(huán)己烷-2-酮均聚物
英文別名
polytrimethylene carbonate1,3-Dioxan-2-one homopolymer
常見問題列表
理化性質(zhì)
聚乳酸又稱聚羥基丙酸或聚交酯。由乳酸單體縮聚而成的可生物降解的高分子材料?？扇苡诼确?、丙酮、二氧六環(huán)、二甲基甲酰胺、苯、甲苯等溶劑，不溶于石油醚等飽和烷烴。有良好的生物相容性和血液相容性，體外抗凝血性能好，可被人體降解，以二氧化碳和水排出體外。因此，聚乳酸可制成不同材料，如用熔融擠出法制成纖維作可吸收縫合線；纖維的編織物可作人體組織修補(bǔ)材料；制成薄膜材料用作肌腱組織的防粘連膜、骨膜生長隔離膜、藥物緩釋載體等。聚乳酸可與其他生物材料復(fù)合使用，如與磷酸三鈣或碳纖維復(fù)合制成板材，可用作接骨板。聚乳酸PLA的熱穩(wěn)定性好，加工溫度170～230℃，有好的抗溶劑性，可用多種方式進(jìn)行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸、注射、吹塑。由PLA制成的產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，還具有PS相似的光澤度和加工性能，因此具有廣闊的市場前景，用途十分廣泛，可用作包裝材料、纖維和非織造物等，目前主要用于服裝(內(nèi)衣、外衣)、建筑、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、造紙和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。
圖1為聚乳酸PLA的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。
聚乳酸特性
聚乳酸簡稱PLA，是以微生物的發(fā)酵產(chǎn)物L(fēng)-乳酸為單體聚合成的一類聚合物，是一種無毒、無刺激性，具有良好生物相容性，可生物分解吸收，強(qiáng)度高，不污染環(huán)境，可塑性加工成型的高分子材料。具有良好的機(jī)械性能，高抗擊強(qiáng)度，高柔性和熱穩(wěn)定性，不變色，對氧和水蒸氣有良好的透過性，又有良好的透明性和抗菌、防霉性，使用壽命可達(dá)2～3年。PLA的化學(xué)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但由于乳酸分子中存在手性碳原子，有D型和L型之分，使丙交酯、PLA的種類因立體結(jié)構(gòu)不同而有多種，PLA具有優(yōu)異的生物降解性，廢棄后一年內(nèi)能被土壤中的微生物完全降解，生成CO2和水，對環(huán)境不產(chǎn)生污染。PLA本身屬脂肪族聚酯，具有通用高分子材料的基本特性，有著良好的機(jī)械加工性能，能夠勝任大多數(shù)合成塑料的用途，可用于制作包裝材料、家電外殼或作為可降解纖維材料。聚乳酸(PLA)因其原料為可再生的生物資源，被產(chǎn)業(yè)界一致認(rèn)定為新世紀(jì)最有發(fā)展前途的新型“生態(tài)材料”。
聚乳酸(PLA)是一種真正的生物塑料，30天內(nèi)在微生物的作用下可徹底降解生成CO2和H2O。缺點(diǎn)是脆性高，熱變形溫度低(0.46MPa負(fù)荷下為54℃)，結(jié)晶慢，但可分別通過和己內(nèi)酰胺等共聚和添加結(jié)晶促進(jìn)劑如滑石粉后退火處理加以改性，活性聚乳酸的結(jié)晶度可達(dá)40%，熱變形溫度提高到116～121℃。
圖2為聚乳酸PLA的產(chǎn)品性能指標(biāo)圖。
聚乳酸的優(yōu)點(diǎn)
(1)聚乳酸(PLA)是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源(如玉米、甘薯、土豆等)所提取的淀粉原料制成。淀粉原料經(jīng)由發(fā)酵過程制成乳酸，再通過化學(xué)合成轉(zhuǎn)換成PLA。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解。隨著全球溫度不斷升高，普通塑料的處理方法依然是焚燒火化，造成大量溫室氣體排入空氣中，而PLA塑料則是掩埋在土壤里降解，產(chǎn)生的二氧化碳直接進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)或被植物吸收，不會排入空氣中，不會造成溫室效應(yīng)。(2)PLA具有最良好的拉伸強(qiáng)度及延展度，力學(xué)性能及物理性能良好。PLA適用于吹塑、注塑、吸塑、壓延等多種加工方法，加工方便，應(yīng)用十分廣泛?？捎糜诩庸墓I(yè)到民用的各種塑料制品、包裝食品、快餐飯盒、無紡布、工業(yè)及民用布等。進(jìn)而加工成農(nóng)用織物、保健織物、抹布、衛(wèi)生用品、室外防紫外線織物、帳篷布、地墊面等。此外，它也具有與傳統(tǒng)薄膜相同的印刷性能，制成各式各樣的應(yīng)用產(chǎn)品。
(3)相容性與可降解性良好。PLA在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如可生產(chǎn)一次性輸液用具、免拆型手術(shù)縫合線等，低分子PLA作藥物緩釋包裝劑等。
(4)聚乳酸除了有生物可降解塑料的基本特性外，還具備有自己獨(dú)特的特性。傳統(tǒng)生物可降解塑料的強(qiáng)度、透明度及對氣候變化的抵抗能力皆不如一般的塑料。PLA和石化合成塑料的基本物性類似，也就是說，它可以廣泛地用來制造各種應(yīng)用產(chǎn)品。PLA也擁有良好的光澤性和透明度，和利用PS所制的薄膜相當(dāng)，是其他生物可降解產(chǎn)品無法提供的。
(5)聚乳酸薄膜具有良好的透氣性、透氧性，它也具有隔離氣味的特性。病毒及霉菌易依附在生物可降解塑料的表面，故有安全及衛(wèi)生的疑慮，然而，PLA是唯一具有優(yōu)良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料。
(6)當(dāng)焚化聚乳酸PLA時(shí)，其燃燒熱值與焚化紙類相同，是焚化傳統(tǒng)塑料(如PE)的一半，而且焚化PLA絕對不會釋放出氮化物、硫化物等有毒氣體。人體也含有以單體形態(tài)存在的乳酸，這就表示了這種分解性產(chǎn)品具有的安全性。
生產(chǎn)方法
聚乳酸生產(chǎn)是以乳酸為原料，傳統(tǒng)的乳酸發(fā)酵大多用淀粉質(zhì)原料，目前美、法、日等國家已開發(fā)利用農(nóng)副產(chǎn)品為原料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，進(jìn)而生產(chǎn)聚乳酸，英文縮寫PLA。主要方法有：(1)直接縮聚法 在真空下使用溶劑使脫水縮聚。日本在這方面做了大量的研究，但最終沒有成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
(2)二步法 使乳酸生成環(huán)狀二聚體丙交酯，再開環(huán)縮聚成PLA。這一技術(shù)較為成熟，美國Nature Works公司生產(chǎn)PLA的工藝即為該工藝。中國的海正與中科院共同研制的PLA生產(chǎn)技術(shù)也與此相似，主要過程是原料經(jīng)微生物發(fā)酵制得乳酸后，再經(jīng)過精制、脫水低聚、高溫裂解，最后聚合成聚乳酸PLA。
(3)反應(yīng)擠出制備高相對分子質(zhì)量聚乳酸PLA 用間歇式攪拌反應(yīng)器和雙螺桿擠出機(jī)組合，進(jìn)行連續(xù)的熔融聚合實(shí)驗(yàn)，可獲得由乳酸通過連續(xù)熔融縮聚制得的相對分子質(zhì)量達(dá)150000的PLA。利用雙螺桿擠出機(jī)將低摩爾質(zhì)量的乳酸預(yù)聚物在擠出機(jī)上進(jìn)一步縮聚，制備出較高摩爾質(zhì)量的PLA。在反應(yīng)溫度為150℃、催化劑用量為0.5%、螺桿轉(zhuǎn)速為75 r/min時(shí)可通過雙螺桿反應(yīng)擠出縮聚法快速有效地提高PLA的摩爾質(zhì)量，而且反應(yīng)擠出產(chǎn)物分散系數(shù)減小，均勻性變好。通過DSC曲線的比較發(fā)現(xiàn)，通過反應(yīng)擠出縮聚法制得的PLA結(jié)晶度有所降低，這對改善聚乳酸PLA材料在使用過程中表現(xiàn)出較大的脆性是有益的。
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擠出級樹脂的市場應(yīng)用
擠出級樹脂是聚乳酸PLA的主要用途，主要用于大型超市里新鮮蔬果包裝，該類包裝已成為歐洲市場鏈中的重要一員；其次用于一些宣揚(yáng)安全、節(jié)能、環(huán)保的電子產(chǎn)品包裝上。在這些用途中PLA高透明度、高光澤度、高剛性等優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)得淋漓盡致，目前已經(jīng)是PLA應(yīng)用的主導(dǎo)方向。另外，擠出級樹脂在園藝上的應(yīng)用也開始獲得重視，目前在斜坡綠化、沙塵暴治理等領(lǐng)域已有所應(yīng)用。然而，PLA的擠出加工卻并非易事，僅適合在一些先進(jìn)的PET擠出成型機(jī)上進(jìn)行加工，且擠出片材的厚度一般只在0.2～1.0mm范圍。加工過程對水分含量及加工溫度尤其敏感，擠出加工時(shí)，一般要求其水分含量要小于50×10-6，這對設(shè)備的干燥系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)又提出了新的要求。加工過程中，如果沒有適宜的結(jié)晶設(shè)備，邊料的回收也是一大難題，這也正是市場上有大量PLA邊角料在流通的原因。
注塑級樹脂的市場應(yīng)用
在聚乳酸PLA的注塑應(yīng)用中，較為廣泛的是改性后的樹脂。盡管純PLA有著高透明度、高光澤度等優(yōu)點(diǎn)，但是其硬而脆、加工難度大且不耐熱等缺點(diǎn)影響了它在注塑方面的應(yīng)用。當(dāng)然，化學(xué)、塑料工業(yè)界都一直致力于解決這些問題。例如，利用BPM-500這種添加劑可以提高PLA的沖擊強(qiáng)度；加入少量一種名為Biomax Strong的乙烯基共聚物可以改進(jìn) PLA的韌性；與另一種生物降解樹脂PHA共混可以改善PLA的一些性能；另外，日本的科學(xué)家們則開發(fā)出了一種添加紙漿的耐熱PLA樹脂。通過以上一些方式改性后的PLA制品犧牲了透明性，但是卻改進(jìn)了PLA在耐熱性、柔韌性、抗沖性等方面的缺陷，提高了其加工容易程度，因此應(yīng)用范圍也得到了拓展。而整體上，相對高昂的成本是阻礙PLA在注塑市場上廣泛應(yīng)用的最大原因。雖然純樹脂通過填充改性可以降低一些成本，但是在保證其性能的前提下，這一措施的作用也有限，如果需要在全生物降解這一前提之下改善PLA性能上的缺陷，比如耐熱性能，成本則更高。
口腔固定材料
研究表明，該類可吸收性聚合材料有足夠的強(qiáng)度，可以用于頜面部骨折的內(nèi)固定。國外專家于1976年首次提出引導(dǎo)組織再生術(shù)(GTR)概念。一般將膜放在牙周組織與根組織之間的技術(shù)稱為GTR，主要應(yīng)用于牙周病治療與口腔種植。將膜放在骨缺損與齦組織之間的技術(shù)稱為引導(dǎo)骨組織再生術(shù)。聚乳酸PLA膜的優(yōu)良性能不僅符合上述要求，而且因?yàn)榭晌招远m合應(yīng)用于齦翻瓣術(shù)和半厚瓣提升術(shù)。也適合應(yīng)用于口腔種植手術(shù)中組織瓣與骨膜的縫合，可增強(qiáng)組織與種植體的適應(yīng)性。該膜雖有一定缺陷，但PLA-GTR技術(shù)已成為治療種植體骨缺損與牙周炎骨缺損時(shí)可選用的成熟方法。眼科材料
增生性玻璃體視網(wǎng)膜病變是視網(wǎng)膜脫離手術(shù)失敗的主要原因之一。糖皮質(zhì)激素和抗代謝藥物有抗增殖作用，但由于藥物在玻璃體內(nèi)半衰期短，需反復(fù)注射方能維持有效濃度。而將聚乳酸PLA及其共聚物作為眼科材料制成長效緩釋系統(tǒng)(DDS)就可能成為治療增生性玻璃體視網(wǎng)膜病變的較好方法。糖皮質(zhì)激素是治療白內(nèi)障術(shù)后炎癥反應(yīng)的常用藥物，用含地塞米松60μg與PLA制成直徑及厚度為1mm的粒狀地塞米松-DDS，證實(shí)地塞米松-DDS比地塞米松滴眼液能更有效地減輕術(shù)后炎癥反應(yīng)，且無明顯的不良反應(yīng)，是安全有效的治療方法，目前此劑型已在眼科臨床上使用。另外，青光眼濾過術(shù)后抗瘢痕的藥物和給藥方法很多，但多很不理想。而長效DDS能維持較低的治療濃度，應(yīng)是較為理想的給藥方法。聚乳酸PLA在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用
生物醫(yī)藥行業(yè)是聚乳酸PLA最早開展應(yīng)用的領(lǐng)域。PLA對人體有高度安全性并可被組織吸收，加之其優(yōu)良的物理力學(xué)性能，可應(yīng)用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，如一次性輸液工具、免拆型手術(shù)縫合線、藥物緩解包裝劑、人造骨折內(nèi)固定材料、組織修復(fù)材料、人造皮膚等。高相對分子質(zhì)量的PLA，有非常高的力學(xué)性能，在歐美等國已被用來替代不銹鋼，作為新型的骨科內(nèi)固定材料如骨釘、骨板而被大量使用，其可被人體吸收代謝的特性，使病人免受二次開刀之苦。其技術(shù)附加值高，是醫(yī)療行業(yè)發(fā)展前景較好的高分子材料。電子電器領(lǐng)域的應(yīng)用
為了節(jié)省石油資源，同時(shí)減少地球溫室效應(yīng)，進(jìn)一步拓展由可再生的生物資源制造而來的聚乳酸PLA的應(yīng)用領(lǐng)域，各國都對PLA在電子電器領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，并取得了卓越的成效。經(jīng)過改性后的聚乳酸PLA，可改善PLA的耐沖性、耐熱性、剛性和阻燃性等性能。已廣泛用于制造電腦部件、手提筆記本外殼、手機(jī)零部件、影碟機(jī)殼體、光盤及家電零部件等，PLA與其他樹脂、無機(jī)材料等材料可進(jìn)行多元共混復(fù)合，生產(chǎn)成具有物理性能優(yōu)異的新的塑料“合金”，這些材料的特性在抗靜電、尺寸穩(wěn)定性、撕裂強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等方面都具有優(yōu)良的特性，是較為理想的新型環(huán)保合成材料。
一次性用品的應(yīng)用
聚乳酸PLA對人體絕對無害的特性使得PLA在一次性餐具、食品包裝材料等一次性用品領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。其能夠完全生物降解也符合世界各國，特別是歐盟、美國及日本對于環(huán)保的高要求。但是采用PLA原料所加工的一次性餐具存在著不耐高溫、不耐油及溶劑等缺陷。這樣就造成其本身的功能作用大打折扣，以及在運(yùn)輸途中餐具變形、材質(zhì)變脆，造成大量次品。不過，經(jīng)過技術(shù)發(fā)展，目前市場有經(jīng)過PLA改性后的材料，可以有效克服原來的缺點(diǎn)，有的甚至耐熱溫度高達(dá)120℃以上，可以用作微波爐用具材料。