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1、生物可降解塑料聚乳酸摘要：本文主要阐述了聚乳酸的合成，改性以及其应用关键词：聚乳酸 合成 改性 应用一、前言目前塑料制品被广泛应用在各个领域，它在给人们生产、生活带来极大方便的同时，“白色污染”也对生态系统造成了严重的威胁。而且，其原料主要来源于石油类不可再生资源，这势必将引起严重的能源和人类生存危机。聚乳酸（PLA）是一种具有优良的生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料，这种线型热塑性生物可降解脂肪族聚酯是以玉米、小麦、木薯等一些植物中提取的淀粉为最初原料,经过酶分解得到葡萄糖再经过乳酸菌发酵后变成乳酸然后经过化学合成得到高纯度聚乳酸。聚乳酸制品废弃后在土壤或水中30天内会在微生物、水、酸
2、和碱的作用下彻底分解成CO2 和H2O,随后在太阳光合作用下又成为淀粉的起始原料不会对环境产生污染，因而是一种完全自然循环型的可生物降解材料。由于聚乳酸树脂具有环境保护、循环经济、节约化石类资源、促进石化产业持续发展等多重效果，是近年来开发研究最活跃、发展最快的生物可降解材料，也是目前唯一一种在成本和性能上可与石油基塑料相竞争的植物基塑料。二、聚乳酸合成 在聚乳酸生产中，生物技术主要体现在乳酸单体生产上，而由乳酸单体生产乳酸聚合物是常规的聚合物合成技术。生物法由植物性原料生产乳酸的关键问题是开发高效、低成本酶催化剂。聚乳酸的合成主要有两种方法：1、乳酸直接缩聚法。在真空下
3、乳酸脱水缩聚直接得到聚乳酸，该法简单，但得到的聚合物分子量较小，一般小于5000。直接缩聚法的主要特点是合成的聚乳酸不含催化剂，但反应条件相对苛刻，近几年来通过技术创新与改进，直接聚合法取得了一定的进展，但目前在工业上还少有应用。 直接法（一步法）2、二步法，也叫非溶剂法或丙交酯开环聚合法。乳酸先脱水环化生成环状二乳酸，再开环缩聚得到聚乳酸，该法可得到分子量较高的聚乳酸，是目前国内外应用较多的生产方法。二步法生产聚乳酸关键技术包括：催化剂和引发剂选择、丙交酯提纯等。 间接法（二步法）三、聚乳酸改性聚乳酸(PLA) 降解材料具有良好的物理性能和生物相容性,但同时存在着降解速度难以控制,强度和韧性
4、不够以及致炎效应等缺点,为此人们对PLA 进行大量的改性研究。聚乳酸的改性方法有物理改性、化学改性。物理改性主要是通过共混、增塑及纤维复合等方法实现对聚合物的改性。化学改性包括共聚、交联、表面修饰等，主要是通过改变聚合物大分子或表面结构改善其脆性、疏水性及降解速率等。现在,人们关注最多的是共聚改性,其通过调节乳酸(LA) 和其他单体的比例改变聚合物的性能,或由第二单体给PLA 以特殊性能,特别是该单体为某功能分子时更加受到重视。下面介绍几种主要的改性方法：3.1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。共混物除具有各组分固有的优良性能外，
5、 还由于组分间某种协同效应呈现新的效应。依据共混组分的生物降解性，可以将聚乳酸共混体系分为完全生物降解体系和部分生物降解体系两大类。3.1.1 PLA 完全生物降解共混体系完全生物降解共混体系的另一组分是完全生物降解的高分子。比如：1、 PLA/PHB（聚3-羟基丁酸酯）共混体系：在PLA 同PHB 的共混体系中,PLA 的分子量决定了共混组分的相容性。2、PA/PCL（己内酯）共混体系：将PLA 和PCL 共混，共混物存在两个明显的玻璃化转变温度，说明PLA/PCL 共混体系是不相容的。3、PLA/PEO（聚氧化乙烯）共混体系：使用各种分子量的PEO 同PLA 共混，用以改善PLA 的机械性
6、能和加工性能。4、PLA/淀粉共混体系：将PLA 与淀粉共混，可以降低PLA 的价格，改善它的降解性。5、PLA/PPC（聚丙撑碳酸亚丙酯）共混体系：将PLA 与PPC 共混，改善了PLA 的韧性，也解决了增韧剂从制品中向外迁移的问题。3.1.2 PLA 部分生物降解体系PLA 的另一种共混体系是部分生物降解体系。比如PLA/PVPh（聚对乙烯基苯酚）共混体系。PLA/PVAc（聚醋酸乙烯酯）共混体系。PLA/PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PLA/PMA（聚丙烯酸甲酯）共混体系3.2 增塑改性增塑改性就是在高聚物中混溶一定量的高沸点、低挥发性的低分子量物质， 从而改善其机械性能与加工性能。例如
7、：把生物相容性增塑剂如柠檬酸酯醚、葡萄糖单醚、部分脂肪酸醚、低聚物聚乙二醇(PEG2400, PEG21500)、低聚物聚乳酸(OLA )、丙三醇添加入聚乳酸基体, 通过研究经增塑后的聚乳酸的玻璃化温度、结晶温度、熔点、结晶度、弹性模量、断裂延伸率的变化可知, 增塑剂的加入使聚乳酸大分子链的柔性提高, 玻璃化温度降低非常明显, 其弹性模量下降, 断裂伸长率提高, 即在一定程度上韧性增加。3.3纤维复合改性聚乳酸可以由干法纺丝或熔融纺丝制得聚乳酸纤维, 由聚乳酸树脂与聚乳酸纤维通过纤维集束模压成型可以得到聚乳酸自增强材料; 而且可以加工成板状、棒状、螺钉等各种形状。碳纤维具有很高的比强度、比模量
8、, 生物相容性和稳定性好, 同完全可吸收聚合物复合材料一样, 骨折愈合后也不必二次手术取出。因此采用碳纤维增强聚乳酸制备复合材料可以用作骨折内固定生物材料。 磷酸盐玻璃纤维是一种能在体内完全吸收、活性很好的纤维, 用它可增强PLLA 的强度。在传统的磷酸钙玻璃中加入22% (质量) 的三氧化二铁制备的纤维增强PLLA 后的复合材料力学性能得到明显的改善。但纤维与基体之间界面结合力差, 强度和模量保持的时间较短。3.4共聚改性 共聚改性是目前研究最多的用来提高聚乳酸柔性和弹性的方法,其主旨是在聚乳酸的主链中引入另一种分子链,使得PLLA大分子链的规整度和结晶度降低。目前聚乳酸的共聚改性
9、主要可以分为以下几个方面: 1、丙交酯与乙交酯共聚聚乙交酯(PGA)是最简单的线型脂肪族聚酯,早在1970年,PGA缝合线就已以“Dexon”商品化,但PGA亲水性好,降解太快,目前用单体乳酸或交酯与羟基乙酸或乙交酯共聚得到无定型橡胶状韧性材料,其中通过调节LLAPG的比例可控制材料的降解速度,作为手术缝合线已得到临床应用,其中L2丙交酯与乙交酯GA的共聚物已商品化。 2、聚乳酸与聚乙二醇(PEG的嵌段共聚物)，聚乙二醇(PEG)是最简单的低聚醚大分子,具有优良的生物相容性和血液相容性、亲水性和柔软性。3、丙交酯与己内酯(CL)共聚合聚(2己内酯)(PCL)是一种具有良好的生物相容性和降解性的
10、生物医用高分子,其降解速度比聚乳酸慢,因此制备LAPC嵌段共聚物来达到控制降解速度,LAPCL嵌段共聚物近年来由于优异的生物降解和生物相容性受到广泛的关注,主要用于生物医学领域。四、聚乳酸应用4.1在生物医学中的应用聚乳酸是一种具有良好的生物相容性和可生物降解的聚合物，是美国食品药品管理局( FDA) 认可的一类生物降解材料，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糖代谢产物，所以不会在重要器官聚集。它具有对人体无毒、无刺激、可控制生物降解、生物相容性较好，且原料易得等优点，因此聚乳酸及其共聚物已经成为一种备受关注的新兴可生物降解的生物医用高分子材料。其在生物医学上的应用主要包括
11、在缝合线、药物控释载体、骨科内固定材料、组织工程支架等方面的应用。例如控制释放就是将药物或其他生物活性物质和基材结合在一起使药物通过扩散等方式在一定时间内，以某一速来率释放到环境中。聚乳酸作为药物载体时，随着聚乳酸在体内的降解，其结构变得疏松，内含药物从中溶解，扩散的阻力减小，药物释放速度加快。当药物释放速度的加快刚好与含药量的减少所引起的释药速度变慢一致时，就实现了药物的长期衡量释放。利用PLA 的末端羟基可以进行功能化，如接载药物或靶向试剂等，通过PLA 的降解，可以将药物或靶向试剂进行有效释放。目前，聚乳酸及其共聚物已被应用到许多药物的控制释放中，主要包括生物活性分子( 如生长素，牛血清
12、白蛋白) 、抗癌物( 如顺氯氨铂，阿霉素，博来霉素等) 、抗生素( 如氯霉素，青霉素等) 、麻醉剂、麻醉剂拮抗物、避孕药以及其他药物的释放。4.2 在纺织领域的应用PLA 在纺织领域的研究应用开发是最近10 年左右开始的。聚乳酸可用纺粘法或熔喷法直接制成非织造布,也可先纺制成短纤维,再经干法或湿法成网制得非织造布。聚乳酸非织造布用于农业、园艺方面,可用作种子培植、育秧、防霜及除草用布等;在医疗卫生方面,可用作手术衣、手术覆盖布、口罩等,也可用作尿布、妇女卫生巾的面料及其他生理卫生用品;在生活用品方面,可用作衣料、擦揩布、厨房用滤水、滤渣袋或其他包装材料。由于聚乳酸纤维的物理力学性能、热稳定性、
13、和热塑性好，较软，较轻、染色性好、有生物相容性，因此用途十分广泛。下表列出了其主要用途。聚乳酸纤维可制成复丝、单丝、短纤维、假捻变形丝、针织物和非织造布等，目前主要用于服装和产业领域。以聚乳酸纤维制得的布料具有真丝的光泽、优良的手感，亮度、吸水性、形状保持性及抗皱性，因此是较理想的面料，适合做服装尤其是妇女服装。钟纺，由尼契卡等公司还已将聚乳酸纤维的用途扩大到产业领域，聚乳酸纤维在产业领域的主要用途是：在木工工程中作网、垫子、沙袋等；在种植业中作养护薄膜等，在农业、林业中作播种织物，薄膜防虫放兽害盖布、芳草袋等，在渔业中做渔网，鱼线等，在家用器具中做垃圾网、手巾、滤器等。4.3 在包装领域的应
14、用PLA 在包装领域的用途主要可用做包装带、包装用膜、农用薄膜、泡沫塑料、餐具、园艺用膜、冷饮杯等。2002 年日本一学者开发了具有生物降解性和优良的机械性能以及柔韧性的包装带,该包装带材料由结晶性聚乳酸、增塑剂和无机填料组成,适用于自动包装机。五、结语近年来,国内外可生物降解塑料得到了很快的发展,成为可持续、循环经济发展的焦点。无论是从能源替代、二氧化碳减少,还是从环境保护方面都具有重要意义。与其它生物基或者生物降解塑料相比, PLA是其中最具代表性和最重要的一种塑料, PLA具有良好的可降解性、生物相容性,原料易得等优点,其领先地位可以由目前PLA在包装、纺织、医药卫生等领域的广泛应用,越来越多的PLA新型产品,逐渐增加的在建项目,日益扩大的工业生产规模和加工企业数量,以及与PLA相关的专利及文章的发表来证明,在当今社会必然有着广阔的研究和应用前景。六 参考文献1、陈佑宁，樊国栋，张知侠，党西妹 聚乳酸的合成和改性研究进展 科技导报2009，27（17）2、张望玺，可降解聚合物的合成及改性研究进展，塑料工业，第34卷 第七期3、王剑峰，生物可降解材料聚乳酸的研究进展，化学工程与设备，2010年 第七期