探究新型绿色包装材料—聚乳酸.doc

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1、探究新型绿色包装材料聚乳酸摘要：本文主要阐述绿色包装材料聚乳酸的基本特性，同时综述了生物可降解材料聚乳酸的间接合成法、直接合成法等工艺取方法及其研究进展，并总结了聚乳酸类生物材料在纺织、包装、医疗卫生和农业方面等领域的主要应用和研究进展，最后对聚乳酸生物材料未来的研究方向提出展望，并阐述了聚乳酸的发展前景与在各个领域中的应用方向和主导作用。关键词：聚乳酸、化学特性、提取、材料、应用、发展一.聚乳酸(PLA)的发展简史生物降解塑料的生物降解，是指生物降解塑料在微生物作用下发生降解、同化的过程。发挥生物降解作用的微生物主要包括真菌、霉菌或藻类。乳酸可通过对含淀粉的农作物（玉米、小麦、土豆、薯类等）

2、进行发酵而大量生产，其中尤其以玉米淀粉产量和用量最大，所以PLA又被称为“玉米塑料”。 1932年Dupont公司科学家Wallace Carothers在真空中将乳酸进行聚合产生低分子量聚合物；1987年美国食品公司Cargill投资研发新的PLA聚合工艺；2001年Cargill与Dow合资，开始大规模生产Nature Works品牌的PLA商品二.聚乳酸的简介及特性聚乳酸（Polylactic acid,PLA）是20世纪90年代迅速发展起来的新一代可完全降解高分子材料，它是以微生物发酵产物L-乳酸为单体，用化学合成方法聚合而成的，是热塑性脂肪族树脂的一种。PLA具有优良的生物相容性和可

3、吸收性，无毒、无刺激性，它在自然界中的微生物、水、酸、碱等作用下能完全分解，最终产物是 CO2 和H2O ，对环境无污染，可作为环保材料代替传统的聚合物材料，受到了世界各国的广泛关注和深入研究。同时，它在人体内的中间产物乳酸对人体无毒性，经美国食品和药品管理局(FDA) 批准广泛用作药物控释载体、医用手术缝合线及骨折内固定材料等生物医用高分子材料，因此，PLA作为一种新型的可生物降解高分子材料逐步得到研究者的重视，其应用范围已从最初用于手术缝合线、接骨材料、生理卫生用品、药物载体等医用领域向各类包装材料等通用高分子材料领域迅速扩展，展现了诱人的发展活力。特性:聚乳酸( PLA)是一种典型的合成

4、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。PLA的自降解以水解为主要形式，通常不需要特殊水解酶，降解产物可参加体内循环，最终以二氧化碳和水的形式排出体外，对环境不产生污染。它在堆肥条件下可以完全生物降解, 是一种完全绿色材料, 被认为是最具竞争力的可再生生物塑料。三.聚乳酸的化学提取聚合方法聚乳酸属于脂肪族聚酯,是一种重要的可生物降解的聚合物,其最终降解产物是二氧化碳和水,中间产物乳酸也是体内正常的糖代谢产物,对人体无害,具有良好的生物相容性。聚乳酸现已成

5、为生物降解医用材料领域中最受重视的材料之一。1995年美国食品与药品管理局(FDA)批准聚乳酸及其衍生物可用于临床。目前,聚乳酸已被广泛应用于药物控制释放材料、免拆手术缝合线和注射用微胶囊、埋植剂、骨材料、眼科材料等。此外,聚乳酸还可用于农业、包装材料、日用杂品等领域。随着聚乳酸应用领域的不断扩大,人们希望制备性能优良的相对分子质量高的聚乳酸。聚乳酸的合成研究始于20世纪40年代,当时多由乳酸直接脱水聚合得到低相对分子质量的聚乳酸,由于机械性能不高而未引起人们的注意。从1954年Lowe CE等、探讨乳酸聚合至今,人们对于聚乳酸合成方法进行了更多的研究,逐步得出了两条主要路线,即直接法和间接法

6、。3.1.直接法其中直接法是通过乳酸分子间脱水、酯化、逐步缩聚成聚乳酸。反应途径如下式:直接法又有多种类型，有溶液聚合法、熔融聚合法、直接-扩链法、直接-固相聚合法。其中最主要和最常用的方法是熔融聚合法，熔融聚合是一种发生在聚合物熔点温度以上,不采用任何介质的本体聚合。得到的产物纯净,不需要分离介质。熔融聚合法合成的聚乳酸相对分子质量不高,这是因为,随着反应的进行,体系的粘度会显著增大,小分子的排出越来越困难,平衡难以向聚合方向移动,在熔融聚合过程中,催化剂、反应时间、反应温度等对产物相对分子质量的影响很大。反应时间越长、反应温度越高,真空度越高,则分子量越高;但反应温度过高,会导致聚合物降解

7、,甚至炭化。3.2、间接法又叫丙交酯开环聚合法,一般先将乳酸脱水缩合得到低聚物,然后裂解环化得到丙交酯;然后使精制过的丙交酯在催化剂作用下开环聚合得到聚乳酸。反应途径如下式: 目前对聚乳酸合成的研究主要集中在丙交酯的开环聚合上,尤其是配位插入开环聚合,能够控制聚合物的相对分子质量大小,相对分子质量分布较窄,是合成聚乳酸的理想方法。但该法流程较长,生产成本高,尚未实现工业化生产。直接法比间接法简洁、成本低、周期短,但相对分子质量不高,最高仅数10万,其中熔融聚合在反应时不需要溶剂,可以降低成本,对环境更友好,更具发展前途3.3 聚乳酸现代合成新工艺城市垃圾中有两类垃圾排放量大而且难以处理和回收，

8、一类是城市家庭、餐厅等处的厨房垃圾。另一类是作为城市垃圾主要组成部分之一的大量塑料废弃物。用生物发酵法从厨房垃圾中提取乳酸，并进一步聚合成生物降解性塑料 聚乳酸。发酵后的残渣可做成高质量的肥料和饲料，从而一方面实现厨房垃圾的零排放；另一方面，有助于解决“白色污染”的问题。 四、PLA材料的性能目前，虽然在我国包装材料领域中PLA材料用量仅占其3.8%.PLA材料除了具有普通塑料的一些性能外，还具有良好的透明性 良好的光泽度及印刷性能等优点，被誉为是新世纪最具有发展前途的新型包装材料，在将来包装材料领域中所占的比例将越来越高， PLA可以作为包装材料使用，是因为它还具有以下主要性能：1.热稳定性

9、能PLA材料具有一定热稳定性，与聚氯乙烯的热稳定性能相类似，但是低于聚丙烯,聚乙烯及聚苯乙烯等的热稳定性，所以加工温度一般控制在170 -230 之间2.物理机械性能PLA 材料具有比较良好的机械性能. 在一般情况下，当粘均分子量超过55000g/mol时， PLA的弹性模量和拉伸强度达到最大, PLA薄膜的拉伸强度是: PE膜的数倍，与PET和定向拉伸PS 的物理机械性能相类似3.透明性能PLA材料具有良好的透明性 在光的波长为 190800nm 范围内，其透明性与聚苯乙烯相类似4.透气性能透气性是聚乳酸在作为包装材料使用可行性方面的一项重要特性，根据材料具有的不同的透气性能确定在包装中的应

10、用领域，如水果的保鲜包装要求材料具有一定的透气性以确保包装内有供给产品的氧气，而作为饮料等包装则要求材料必须能够具有足够阻止氧气进入包装内的特性以抑制霉菌生长，这些性能特别是在作为食品包装材料的时候显得尤为重要，而PLA材料具有良好的透气性 透氧气性及透二氧化碳性.5.耐溶剂性PLA具有良好的耐溶剂性，其耐溶剂性与PET相类似，不溶于醇类, 脂肪类, 烃类等.6.加工性能PLA是热塑性材料，其可塑性与PETPS相类似，加工性能良好，故可以用普通设备进行挤出 ,注射, 拉伸, 吹塑等方法进行加工，而且若将 PLA 制成纤维，具有织布, 染色等加工性能.7.降解性能PLA具有良好的生物降解性，能被

11、酸 ,碱, 生物酶等降解，最终产物为二氧化碳和水，对环境无污染. PLA在自然环境条件下可以完全生物降解，其降解主要分为两个阶段:第一阶段，PLA的降解是水解降解和聚合物主链 酯链断裂，这是由PLA含有的羧基自催化引起的，酯链的断裂使 PLA的分子量降低，在此过程中酸或碱可以加速其降解速度，并且受温度和湿度的影响，随着 PLA分子量降低材料会发生脆化现象；第二阶段，分子量降低到乳酸和低分子量低聚物，然后由微生物自然代谢降解生成二氧化碳和水 PLA的降解过程是一个简单的水解，其降解速率主要是由聚合物与水及催化剂反应决定的，并且受很多因素的影响，如颗粒大小和形状, 温度 ,湿度, 结晶度 ,异构体

12、百分率 ,残留乳酸的含量影响。五.PLA的性能优势和不足1.优势： 具有良好的生物降解性在常温下，聚乳酸树脂可保持稳定的性能。 在堆肥条件下(56-60，湿度大于80-90)可在2-3个月内经由微生物完全分解，最终生成水和二氧化碳，不污染环境。 具有良好的生物相容性和生物可吸收性聚乳酸已被美国FDA批准为可以安全使用的生物医用材料。 聚乳酸是惟一一种可以熔融加工的以天然材料为基础的聚合物，具有良好的力学性质、热塑性及成纤性，耐油、气味阻隔方面也较好，具有与聚酯相似的防渗透性，与PS相似的光泽度、透明度和加工性，提供了比聚烯烃更低温度的可热合性。聚乳酸纤维，其性能与合成纤维相比不相上下，甚至在某

13、些情况下更为优异。其强度与聚酯和PA纤维基本相同，模量介于两者之间，更接近PA。 聚乳酸是一种低能耗产品，比石油基聚合物低30-50。 以淀粉为原料，可持续供应，价格较低，不受国际原油价格影响，有利于缓解能源问题。 原料来自可再生的植物资源，所有富含淀粉的农作物都能生成聚乳酸，不消耗不可再生的矿物资源，也不增加二氧化碳的排放，符合循环经济原则，有利于社会可持续发展。 2.缺点: 耐热温度太低，纯PLA软化点只有65，制品很容易发生变形或粘连，严重限制产品的应用范围。 市售聚乳酸产品脆性较大。与通用塑料相比，售价较高，普通消费者难以接受。六、PLA的改性方法PLA作为热塑性塑料可通用的加工方法进

14、行成型加工。但是PLA在加工温度下极易降解, 这使得其力学性能大大降低,为了解决这个问题, 很多文献相继报道了通过共混、复合、添加增容剂等物理方法对其改性,拓展其应用领域13-14。（1）共混改性共混改性是将两种或两种以上的聚合物进行混合, 通过聚合物各组分性能的复合来达到改性的目的。（2）复合改性通过复合其它材料来对PLA改性可以解决PLA的脆性问题, 达到增强的目的。常用的复合材料有纳米复合材料和纤维复合材料。（3）添加增容剂改性增容剂如多官能团环氧和唑啉等的加入可提高共混物相容性和力学性能。（3）医药卫生 PLA具有无毒、生物相容性和组织吸收性，可以完全降解成二氧化碳和水，这些特性使其可

15、以应用于医药领域中：药物缓释控制材料、骨科固定材料、手术缝合线及眼科材料等。（4）农业方面 PLA在农业方面可加工成农用地膜，以取代目前普遍使用的聚乙烯农用地膜。此外，还可用于缓释农药、化肥等。七、PLA材料在包装领域中的应用1.普通包装容器PLA属热塑性塑料，具有良好的抗拉强度及延展性，可以通过熔融挤出 注射 吹塑 发泡及真空成型等加工成各种形状的容器 如： CargillDowLLC 公司将聚乳酸通过挤出， 热成型 ，流延膜 ，吹膜，注塑拉伸成吹塑瓶和容器，而且在加工的过程中其分子定向排列可以明显提高其力学强度，同时降低其降解速度在欧洲和北美， PLA基包装材料用于超市产品包装， PLA包

16、装容器因符合德国欧洲食品级要求而用于食品，如：瓶装水、瓶装果汁、 酸奶酪等的包装，可以直接与食品接触使用而不会对人体健康造成危害，被美国食品与药品管理局认为是公认安全的产品。2.保鲜包装PLA具有良好的透气性、 透氧气性及透二氧化碳性，可以作保鲜包装材料，所以 PLA 包装盒可以用于小浆果的包装，既可以延长水果的保存期，又可降低包装废弃物对环境的危害。3.抗菌食品包装PLA具有隔离气味的特性，也是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料，聚乳酸材料在使用的过程中，产品表面形成弱酸性环境，使其具有抑菌作用，可以将PLA材料用于抗菌食品包装。4.包装薄膜PLA具有良好的光泽性和透明性，可以制成双

17、向拉伸薄膜，可用作新鲜农产品包装用的不起雾薄膜 薄膜除了具有通用塑料薄膜的性能外，还具有良好的刚性 不会自行恢复的折叠性 耐油性和隔绝气味的性能 良好的制袋性及印刷性能等，所以可以制成包装袋，如用作包装复合肥料的包装袋 而据专家测算，我国每天因塑料袋用量而消耗的石油至少需要1万吨，塑料袋的过度使用对能源 资源以及环境产生了不可忽视的负面影响，而 PLA塑料袋可以克服这些缺陷，同时早期关于PLA的研究显示其在包装材料领域具有广阔的应用前景。5.纺织行业 PLA在纺织领域的研究应用开发是最近10年左右开始的。由于PLA通气性好，因此可以用于纺丝织布。PLA可用防粘法或熔喷法直接制成非纺织布，也可先

18、纺制呈短纤维，再经干法或湿法成网制得非制造布。PLA非纺织布可用于农业、园艺、医疗卫生、生理卫生用品及生活用品方面。6.包装行业 PLA可以通过熔融挤出、注射、吹塑、发泡及真空成型等加工成各种结构形状,在商业上的各种应用中一半以上是用于包装。由于PLA具有良好的透气性、透氧性、透二氧化碳性及隔离气味的特性，故可用作包装带、泡沫塑料、餐具、园艺用膜、冷饮杯等。此外，PLA还具有与传统薄膜相同的印刷性能。八、发展前景绿色的生活方式逐渐成为各国人民的消费时尚，具有完全生物降解特性的生物质塑料必将成为普遍消费者的日常生活用品。与其他生物基或者生物降解塑料相比，聚乳酸是目前最重要的一种材料。生物降解性塑

19、料聚乳酸的合成及应用为人们展示了一个集环境科学、生物化学、高分子化学及化学机械于一体的全新的研究领域，随着发酵技术的完善、合成工艺的提高、以及新原料的挖掘，作为环保产品的聚乳酸，将会得到更广泛的应用。我国由于制备工艺、成本的限制，在降解塑料领域起步较晚，但越来越受到重视，所以发展我国PLA工业越来越显得重要。PLA树脂替代现有降解材料已成为必然，并具有与烯烃类聚合物竞争的能力。在日益重视环保和能源的21世纪,由于聚乳酸以淀粉等可再生资源为原料,并可完全生物降解为二氧化碳和水,属于绿色环保材料,符合可持续发展战略,因而日益受到重视。因其具有优良的应用特性,且极易改性以满足各种需要,应用面日益拓宽

20、,涵盖了医用材料、包装材料、日用塑料制品、纺织面料、农用地膜、地毯、家用装饰品等,仅我国聚乳酸的潜在市场就达250万t以上32。但由于合成成本较高,聚乳酸主要应用于医学材料领域,在生产生活中还未得到广泛应用。今后的研究方向是,进一步降低丙交酯的成本,多途径研究聚乳酸的直接合成,推动聚乳酸合成的工业化。研制高效、无毒、反应条件温和、聚合物相对分子质量及分布可控的催化剂尤其是活性聚合催化剂;通过分子设计合成具有不同组成和特定结构的聚乳酸及其共聚物,以实现聚合物的组成、结构、物理机械性能与生物降解性能可控的目的,满足不同领域的需要。随着对聚乳酸研究的不断深入,相信在不久的将来,人们将克服生产规模小、

21、规格品种不全、价格较贵的问题;同时了解和控制影响聚乳酸的稳定性、重复性的因素,生产出适于不同用途的聚合物。可以预见,作为可生物降解的高分子材料,聚乳酸一旦实现工业化,它在医用及降解塑料方面的应用前景将会是难以估量的。参考文献1焦宁宁聚乳酸及其共聚物合成技术进展J江苏化工,2003,31(3):12152樊新等.聚乳酸类生物可降解材料研究进展J.粉末冶金材料科学与工程.2008,13（4）:189.3 吴玉龙. 美国总统绿色化学挑战奖获奖项目评述J.现代化工, 4 王华林, 戴 静, 翟林峰, 等. 可降解聚乳酸/ 骨粉杂化材料的制备与降解性能J. 高分子材料科学与工程, 2007, 23(3)

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