綠色可降解材料——玉米PLA

孫晨陽

摘 要：面對席卷全球的綠色浪潮，材料科學(xué)以玉米等的自然資源為原料成功提煉出了高分子原料——綠色可生物降解的環(huán)保新型合成材料玉米PLA（聚乳酸），其具有良好的力學(xué)性能、降解產(chǎn)物無毒、生物相容性好等特點(diǎn)。本文主要介紹了玉米PLA作為設(shè)計(jì)材料的主要性能、應(yīng)用以及玉米PLA杯子為例的加工工藝及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：綠色可降解無毒材料；玉米PLA；聚乳酸；應(yīng)用；加工工藝

引言

隨著高新技術(shù)和全球經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展以及新興國家的崛起，世界范圍內(nèi)人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，致使其對塑料產(chǎn)品的使用依賴性愈加增長。資源過度消耗導(dǎo)致資源日趨枯竭，環(huán)境污染尤其是白色垃圾增多，生態(tài)日益惡化。人們由此掀起了一場綠色革命，對綠色制造、綠色消費(fèi)等越來越重視，一個(gè)“綠色社會”已經(jīng)來臨。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域尤其是與食品相關(guān)的工業(yè)產(chǎn)品上，綠色材料的應(yīng)用正越來越被設(shè)計(jì)師及消費(fèi)者認(rèn)同。這其中，玉米PLA作為一種綠色材料的典型，正愈來愈多的出現(xiàn)在人們的日常生活中。

玉米PLA可以通過生物降解回歸大自然，其合成的最初原料乳酸由淀粉發(fā)酵得到，不僅來源豐富，而且來自天然。這種材料與傳統(tǒng)塑料具有相似的性能，但其能在自然環(huán)境中較快地分解，達(dá)到自然生態(tài)的平衡。因此，聚乳酸在工業(yè)產(chǎn)品上的開發(fā)與應(yīng)用，是人類對自然界碳循環(huán)的一種和諧參與，在綠色可降解材料中尤其引人注目。目前，市面上已有以聚乳酸為原料生產(chǎn)的玉米PLA全降解餐具和一些兒童用工業(yè)產(chǎn)品。在以“環(huán)境與開發(fā)”為大背景的21世紀(jì)，積極開發(fā)和利用聚乳酸顯得尤為重要。

1 PLA的主要性能與應(yīng)用領(lǐng)域

1.1PLA的物理性能

由于具有高結(jié)晶性和高取向性，PLA具有高強(qiáng)度和高耐熱性，能與聚酯相媲美，還有與聚酯同樣較為理想的透明性，同時(shí)其以高光澤度以及良好的阻隔性著稱。

與其他塑料相比，PLA的最大特點(diǎn)就是具有生物可降解性。PLA降解的最終產(chǎn)物為二氧化碳和水，而這兩種產(chǎn)物又可通過植物的光合作用，變成乳酸的原料淀粉，因此 PLA 可以參與自然界的碳循環(huán)，不會對環(huán)境造成污染，是非常理想的綠色環(huán)保材料。

PLA可降解的根本原因是聚合物鏈上酯鍵的水解，并且一般認(rèn)為PLA末端羧基對其水解起自催化作用，降解過程從無定形區(qū)開始。水解速率不僅與聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及分子量分布、形態(tài)結(jié)構(gòu)和樣品尺寸有關(guān)，還依賴于外部水解環(huán)境，如微生物的種類及其生長條件、環(huán)境溫度、濕度、pH值等。

1.2 PLA的安全性能

純凈的PLA幾乎沒有毒性，它在生物體內(nèi)慢慢分解成乳酸。而乳酸作為人體內(nèi)固有的產(chǎn)物，可被人體分解吸收，并作為碳素源被人體充分利用。因此聚乳酸產(chǎn)品對人體無毒無傷害。

PLA材料使用后，可以進(jìn)行以下三種方式的處理：（1）自然降解；（2）堆肥；（3）燃燒處理。PLA自然降解的最終產(chǎn)物為二氧化碳和水，而這兩種產(chǎn)物均是自然界中存在的，不會引起環(huán)保問題。PLA材料燃燒時(shí)燃燒氣中幾乎沒有NOx ，燃燒熱更是只有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）的三分之一左右，因此PLA相對于普通油基塑料更加安全環(huán)保。

1.3 PLA的主要應(yīng)用領(lǐng)域

PLA作為生物降解材料在醫(yī)藥及醫(yī)療用品方面的開發(fā)應(yīng)用受到了高度重視。PLA纖維因其優(yōu)良的生物降解性、低毒性和生物相容性，在醫(yī)療、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。PLA還被廣泛應(yīng)用于紡織領(lǐng)域，還可以用作薄膜、膠粘劑、注拉吹制品、乳液、泡沫及熱成型或注塑模成型制品等。

2 PLA的加工工藝（以玉米PLA杯子為例）

2.1 PLA的性能特點(diǎn)及加工要點(diǎn)

純的PLA具有成品收縮率高、加工穩(wěn)定性差、尺寸穩(wěn)定性差、結(jié)晶速度慢和耐久性差等缺點(diǎn)，而且材料本身韌性較差，熱變形溫度較低，因此在很大程度上制約了PLA的加工工藝。因此，通過加入添加物的方式來改善其性質(zhì)，可以使之采用幾乎所有熱塑性塑料的加工工藝來成型。

在PLA杯子的成型加工過程中，需要注意的是對成型溫度（如料溫、噴嘴溫度和模具溫度等）、壓力（如射出壓力和模內(nèi)壓力等）和與之對應(yīng)的各種作用時(shí)間（如射出時(shí)間、保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間等）的精確控制，同時(shí)也不要忽視會影響塑料溫度和壓力變化的其他加工因素，如螺桿轉(zhuǎn)速、加料量及料管內(nèi)的停留時(shí)間是否過長等。

2.2溫度

PLA原料的熔化溫度為145～155℃，PLA對溫度較為敏感的特性以及在料管內(nèi)較長時(shí)間的停留容易導(dǎo)致PLA降解，因此，在設(shè)定溫度時(shí)，要結(jié)合杯子模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，均衡溫度與停留時(shí)間的關(guān)系。料管的溫度要設(shè)定在PLA的熔融溫度以上，約在180～200℃。喂料段的溫度要盡可能地設(shè)定為較低溫度以保證喂料順暢，尤其對于非結(jié)晶化處理的PLA材料。另外，為了保證成品性能，防止局部剪切生熱過多導(dǎo)致PLA降解，螺桿的轉(zhuǎn)速不能太高。

2.3模具

在通常情況下，可以使用加工PET所用的現(xiàn)有的杯子模具，PLA的伸展度與PET相似，而密度為1.25g/cm，比PET低。PLA熔膠的冷卻速度由杯子的模具溫度直接決定，同時(shí)還影響PLA的充填行為和最終成品的性能。因此，在設(shè)定溫度時(shí)，不僅要保證射出的脫模不變形、質(zhì)量完整，還要綜合考慮模溫對PLA的結(jié)晶、分子取向、成品應(yīng)力和其他力學(xué)性能的影響。在熔融條件下，如果模具表面非常冷，PLA容易分解出乳酸，只有溫度高于25℃時(shí)這種情況才可以得到避免，故模具溫度不可低于25℃。

2.4射出周期和射出速度

成型周期中對成品的性能和質(zhì)量起決定性影響的是冷卻時(shí)間和射出時(shí)間。單從時(shí)間來看，成品的射出時(shí)間一般少于1s，保壓時(shí)間為2～5s，而冷卻時(shí)間則以控制成品脫模時(shí)不發(fā)生翹曲變形且脫模順利為原則，并符合PLA再結(jié)晶化的時(shí)間需求，對于玉米PLA杯子的生產(chǎn)來說，這個(gè)時(shí)間大概是在40～50s。

3玉米PLA的發(fā)展趨勢

PLA已得到得紐約生物降解產(chǎn)品協(xié)會的認(rèn)可，這也意味著它將在諸多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，而未來，降低價(jià)格、提高性能將會是玉米PLA材料發(fā)展的主要趨勢。由于PLA材料加熱時(shí)易熱分解等問題的存在，其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用仍然受很大限制。因此，一方面需要加強(qiáng)對符合綠色化學(xué)工藝的乳酸熔融聚合直接合成聚乳酸的研究，以獲得高分子量、低成本的聚乳酸材料；另一方面，需要開發(fā)新型的、環(huán)保的、避免制造過程中聚乳酸材料熱分解的工藝。

4結(jié)語

（1）PLA作為一種綠色合成材料，不使用石油化工原料、取材于天然，來源豐富、可持續(xù)發(fā)展、無公害、性能優(yōu)良、用途廣泛，其發(fā)展前景非常廣闊。

（2）PLA如能完全替代石油基合成纖維和塑料，將有不可估量的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境意義。

（3）PLA在工業(yè)領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間，目前市面上已有PLA兒童用牙刷及PLA玩具等一系列兒童產(chǎn)品，這種無毒材料對人體尤其是抵抗力差的兒童來說更安全可靠。除了兒童用品，廚房用具及一次性餐具、杯子均可以采用PLA材料制作，而且PLA可制成纖維用于紡織領(lǐng)域，不僅對生物無毒無害，而且具有環(huán)境友好性。

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