浅谈聚乳酸

玉米是我国的主要粮食作物之一，在人们的印象中，玉米主要用来食用、做饲料和榨油。然而，玉米还有一个重要用途却鲜为人知，那就是用来制造一种生物降解塑料——聚乳酸，由食物“变身”为工业用品。

聚乳酸(Polylatic acid),简称PLA，也称为聚丙交酯。是以玉米、小麦、木薯等富含淀粉的农作物为原料，经过现代生物技术合成乳酸，再经过特殊的聚合反应过程生成的高分子材料，属于热塑性直链脂肪族聚酯。通常所讲的玉米塑料就是由玉米制得的聚乳酸，玉米纤维就是玉米制得的聚乳酸纤维。

聚乳酸是生物降解塑料的一种，其他还有聚羟基烷酸酯(PHA)、聚丁二酸酯(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚乙烯醇(PVA)、二氧化碳聚合物等。但聚乳酸是首个大规模工业化的生物基和生物降解塑料，有着广阔的发展潜力。

聚乳酸的发展历史

乳酸又称2-羟基丙酸，于1780年由瑞典科学家Scheele在酸奶中首次发现。1845年，Pelouze 使乳酸在高温下反应，首次得到乳酸的线性二聚体——乳酰乳酸。1932年,杜邦公司Carothers等首次发现在高温和真空条件下聚乳酸可以很快地聚合，得到高聚合度的聚乳酸。到20世纪60年代，科研人员开始研究聚乳酸在生物医学方面的应用，如手术缝合线、外科移植材料等。1986年Battelle公司和杜邦公司分别研究聚乳酸在日用塑料制品的应用技术。1989年日本钟纺和岛津联合开发了聚乳酸纤维。1991年美国卡吉尔(Cargill)公司以玉米为原料然后在真空条件下采用溶剂脱水技发酵生产乳酸，然后生产高分子量的聚乳酸。1997年，美国陶氏化学与Cargill合作成立的CargillDowPolymers(简称CDP公司，后更名为NatureWorks公司)，开始商品化生产聚乳酸，并于2001年建设了世界最大的聚乳酸生产工厂，原料主要是玉米淀粉。如今，世界许多国家均大力支持聚乳酸的研究和开发，力争抢占生物产业和市场的先机。

聚乳酸的特点

传统的塑料是以石油加工产物为原料生产而得，石油资源储量有限，且制得的产品难以分解，废弃后容易造成环境污染。相比传统的塑料，聚乳酸具有以下优点：

(1)聚乳酸原料来源十分丰富，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。

(2)聚乳酸还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。

(3)聚乳酸也具有优异的抗菌性能，是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物降解塑料。焚烧时不会释放出氮化物、硫化物等有毒气体，安全性强。

(4)聚乳酸塑料还有良好的机械性能，透明性，透气透氧性，可直接采用通用塑料设备进行挤出、注射、拉伸、纺丝、吹塑等加工成型，如制成的纤维物理性能接近锦纶和涤纶，透气性和手感却好于涤纶。

(5)聚乳酸的生产能耗只相当于传统石化产品的20%~50%，产生的二氧化碳气体则只为50%。

但是，聚乳酸也存在一些缺陷，如含大量酯基亲水性差，基体分子量低与分子量分布过宽导致部分物理性能较差，如热变形温度低、韧性与抗冲击性能低，降解周期不可控制、价格昂贵等，这些都限制了聚乳酸的应用，需要在生产过程中进行一定的改性予以改善。

聚乳酸生产方式

生产聚乳酸得先制得乳酸，通常有三个来源：含糖的生物质材料提取淀粉再糖化发酵，家庭垃圾中的糖类发酵，以农作物或植物根茎叶等废弃生物质材料为原料提取纤维素再糖化和发酵。

有了乳酸则主要以两种方法生产聚乳酸。一是乳酸直接缩聚法。在脱水剂的作用下，乳酸分子之间的羟基和羧基自发进行缩合脱水反应，直接生成聚乳酸。此方法生产成本低廉，生产流程简单，生产成本较低。但反应中副产物难以除去抑制了反应的进行，难以得到高分子量的聚合物。

二是丙交酯开环聚合法，也称二步法。使乳酸分子先聚合成丙交酯，再进一步缩聚成聚乳酸，是目前工业上大规模生产高分子量聚乳酸最普遍的方法。此方法需进行丙交酯的纯化，工艺流程相对复杂、成本较高、路线较长，可得到分子量达106~107级的聚乳酸。

典型的二步法生产聚乳酸工艺流程示意图

此外，还有熔融聚合法、乳酸固相聚合法以及乳酸与其他材料共聚等方法，不一一赘述。

聚乳酸的应用

自聚乳酸被人类开发以来，最初是用于制作纤维，用在医疗器械上，如制作手术缝合线，后来逐渐用于制造日用品以及工业用品。如今聚乳酸已被广泛用于农用地膜、塑料型材、薄膜、包装材料、食品容器、一次性消费品、服装、纺织品、卫生用品、医疗器械等。其中应用最广也最有潜力的就是包装材料。2005 年 11 月全球零售巨头沃尔玛将所有产品包装改换成聚乳酸(PLA)塑料制品。此外，麦当劳、可口可乐、达能等跨国企业也已开始使用聚乳酸制成的消耗品或包装材料。国内受产品成本制约聚乳酸制品还没有大规模推广使用。

经过改性或共混的聚乳酸复合材料，具有更为优异的物理性能，是较为理想的新型环保合成材料，也被用于制造电脑部件、手机零部件、光盘及家电零部件、汽车零部件等。如日本NEC、富士通等公司制造了以聚乳酸为主材料的电脑外壳。日本东丽和丰田公司合作生产了聚乳酸汽车备用胎外套和地垫。近期上海有一个互联网汽车项目其电动车车身就是聚乳酸材料制成。随着3D打印技术发展，聚乳酸作为一种兼具性能及环保要求的3D打印材料倍受关注，被用于3D打印医疗器械产品、玩具乃至汽车零部件。随着研究深入，聚乳酸将来还有望在更多领域取代现有的材料，得到更广泛的应用。

聚乳酸餐具

聚乳酸发展展望

聚乳酸生产主要集中在美国、中国、德国和日本等国家。世界最大的聚乳酸公司就是美国的NatrueWorks，2001年建厂，是目前全球聚乳酸年产量唯一达到15万吨的企业，还筹划在东南亚建7万吨的分厂。德国的Inventa-Fischer公司、荷兰的Synbra公司等也拥有千吨级的生产线。日本的UNTTKA公司、帝人、三井化学等公司也生产聚乳酸，不过产能多比较小。一些化工巨头也计划进入这个新兴市场，如道达尔和Corbion计划在泰国新建一家年产能为7.5万吨的聚乳酸工厂。

我国聚乳酸工业起步较晚，不过发展速度十分迅速。目前国内最大的聚乳酸企业是浙江正海，已形成年产1.5万吨的生产能力，2015年底开始动工建设年产5万吨聚乳酸产业链项目。上海同杰良、南通九鼎、光华伟业具有年产千吨级以上的生产能力。江苏允友成5万吨的聚乳酸项目已投产。恒天长江、同杰良、中粮集团、富士康、飘安集团等企业都在建或计划建设年产万吨级的聚乳酸项目，产业规模很快将会迎来大幅扩容。

据国际咨询机构预测，未来全球聚乳酸市场将以年均18%的复合增长率增长，预计2020年，全球聚乳酸需求量将达到百万吨以上，市场规模将形成千亿级的产业。随着石油资源的日益消耗以及传统塑料导致的“白色污染”对环境造成的危害加深，以“绿色环保”为特色的聚乳酸正迎来极好的发展机遇。可以预见，将来会有越来越多的聚乳酸制品走进我们的日常生活，助力地球的可持续发展，造福子孙后代。

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