科普 | 三分钟了解聚乳酸PLA的制备和主要应用

聚乳酸（PLA）是一种新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生的植物资源（如 玉米、木薯等）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。

★ 聚乳酸（PLA） ★

中文名：聚乳酸

英文名：polylactic acid

别 称：polylactide;PLA

化学式：(C3H4O2)n

熔点：155-185°C

密 度：1.20-1.30 kg/L

CAS 登录号：26100-51-6

聚乳酸也称为聚丙交酯(polylactide)，属于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生，主要以玉米、木薯等为原料。聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。

聚乳酸的热稳定性好，加工温度 170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装(内衣、外衣)、产业 (建筑、农业、林业、造纸)和医疗卫生等领域。

PLA 在规模产业化之前的价格为 1000 美元/公斤。后来经密歇根州立大学 Ramani Narayan 教授课题组的产业化研究，实现了规模化生产。

美国 NatureWorks 公司是全球最大的聚乳酸生产企业，年产能达18万吨，占据了全球30%以上的聚乳酸产能。聚乳酸的生产在我国目前仍属起步发展阶段。PLA 有很多的应用，可以在挤出、注塑、拉膜、纺丝等多领域应用。

一、聚乳酸的制备方法

总的来说，聚乳酸（PLA）的制备是以乳酸为原材料进行合成的。目前合成方法有很多种，较为成熟的是乳酸直接缩聚法，另一种是先由乳酸合成丙交酯，再在催化剂的作用下开环聚合。另外还有一种固相聚合法。

01.乳酸直接聚合法

直接缩聚法

直接聚合法早在 20 世纪 30~40 年代就已经开始研究，但是由于涉及反应中的水脱除等关键技术还不能得到很好的解决，所以其产物的分子量较低（均在 4000 以下），强度极低，易分解，没有实用性。

日本昭和高分子公司采用将乳酸在惰性气体中慢慢加热升温并缓慢减压，使乳酸直接脱水缩合，并使反应物在 220~260℃，133Pa 下进一步缩聚，得到相对分子质量在 4000 以上的聚乳酸。但是该方法反应时间长，产物在后期的高温下会老化分解，变色，且不均匀。日本三井压化学公司采用溶液聚合法使乳酸直接聚合得到聚乳酸。

直接法的主要特点是合成的聚乳酸不含催化剂，因此缩聚反应进行到一定程度时体系会出现平衡态，需要升温加压打破反应平衡，反应条件相对苛刻。近几年来，通过技术的创新与改进，直接聚合法取得了一定的进展，应该在不久的将来随着技术的不断成熟，能够应用于工业化的大生产中去。

02.开环聚合法

开环聚合法

开环聚合法是目前世界上用的较多的生产方法。早在 20 世纪中叶，杜邦公司的科研人员就用开环聚合法获得了高分子量的聚乳酸。近年来，国外对聚乳酸合成的研究主要集中在丙交酯的开环聚合上。

德国的 Boeheringer Zngelhelm 公司用此法生产的聚乳酸系列产品以商品名出现在市场上；美国 Cargill 公司用此法生产的聚乳酸经熔喷与纺粘后加工，开发了医用无纺布产品；而我国能够合成高分子聚乳酸的仅有中山大学高分子研究所等屈指可数的几家。

开环聚合多采用辛酸亚锡作引发剂，分子量可达上百万，机械强度高，聚合分离两步进行：

第一步是聚乳酸经脱水环化制得丙交酯；

第二步是丙交酯经开环聚合制得聚丙交酯；

但是这种开环聚合法在聚合的时候对催化剂的纯度，单体的纯度要求极高，即使是极微量的杂质也会使 PLA 的分子量低于 10 万，而且聚合条件如温度、压力、催化剂的种类和用量、反应时间等等也会极大地影响 PLA 的分子量，所以高分子量 PLA 的合成是一个技术难点。

03.固相聚合法

这种方法是将直接聚合法得到的低分子量树脂在减压真空、温度在 Tg—Tm 之间的条件下进行聚合反应得到，以提高其聚合度，增加分子量，从而提高材料强度和加工性能。

二、聚乳酸的制备流程

我们主要说说较常用的开环聚合方法，它的制程大致是这样的：

01取材

将玉米等壳类作物碾碎后，从中提取淀粉，然后将淀粉制成未精化的葡萄糖。现在很多高技术已克服减去了碾碎的过程，直接从大量的农作物中提取原料。

02发酵

以类似生产啤酒或酒精的方式来发酵葡萄糖，而葡萄糖发酵后变成类似于食物添加用于人体肌肉组织内中的乳酸。

03中间型产物

将乳酸单体以特殊的浓缩制程，转变成中间型产物——减水乳酸，即丙交酯。

04聚合

丙交酯单体经过真空净化后，再以一种不使用溶剂的溶解制程来完成开环的动作，使单体聚合。

05聚合物修饰

由于聚合物的分子量与结晶度的不同，可使材料特性的变化空间很大，所以因不同应用的产品，将 PLA 做不同的修饰。

三、聚乳酸的应用领域

01.生物医学领域

在生物医学领域，聚乳酸材料可以被用作药物运输材料、组织工程支架材料、骨修复材料等。

医疗领域是 PLA 及其复合物较早开展应用的领域。目前已在骨外科、胸外科、颌面外科、肿瘤的靶向治疗等领域进行了广泛的基础研究和临床应用。

02.工业和农业领域

聚乳酸的可塑性、耐热性和物理加工性能良好，可以将其加工成农用地膜，用来弥补传统地膜易碎且不可降解的缺陷，还可以将其加工成汽车行业的配件工程材料、建筑用绳索、农药化肥缓释材料等。

对比研究普通聚乙烯（PE）地膜和聚乳酸地膜的降解性，以及在不同地膜覆盖下棉花的生长，发现聚乳酸地膜在20 d 左右开始降解，在棉花收获期降解面积能达到80%左右，并且降解地膜表现出较好的保温性能。

对比研究普通 PE 地膜与聚乳酸（PLA）地膜对西瓜种植的影响，试验表明PLA 地膜具有可降解性且不会造成环境污染，覆盖 PLA 地膜能够促进西瓜的生长发育。

03.食品包装材料

聚乳酸与聚乙烯 （Polyethylene，PE）、聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）、聚丙烯（Polypropylene，PP）等材料相比，具有良好的生物可降解性、优良的抑菌和抗霉特性。

采用PLLA- PVA-PCL 复合膜及加了乳酸链球菌素的包装材料对冷鲜肉进行真空包装，包装的肉品货架期远远长于 PE 保鲜膜包装的冷鲜肉，且肉品保持相对良好的色泽和品质。

不同气体条件下，未包装、PLA 气调包装、PE 气调包装、PLA 真空包装、PE 真空包装对杨桃保鲜效果的试验结果表明，PLA 薄膜包装袋能够很好的保存杨桃的外观品质和营养组分，延长杨桃的货架期。