聚乳酸纖維材料綜述(汪曦宇、舒毅)

1、聚乳酸纖維材料綜述專業(yè)：材料科學(xué)與工程班級(jí)：13208811姓名（學(xué)號(hào)）：舒毅（13208127）、汪曦宇（13208128）摘要：本文主要以聚乳酸纖維材料為研究對(duì)象。簡介其結(jié)構(gòu)與性能。論述了其物理性能以及突出的可降解性及生物相容性。對(duì)其合成方式進(jìn)行討論。也對(duì)其應(yīng)用歷史進(jìn)行分析。然后對(duì)其開發(fā)前景做了簡單的展望。關(guān)鍵詞：聚乳酸纖維材料、可完全降解、自然循環(huán)、無污染、開發(fā)及應(yīng)用前景 引言：隨著人們生態(tài)環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng), 全球已經(jīng)掀起了一股“ 綠色浪潮” , 一個(gè)綠色社會(huì)已經(jīng)來臨，綠色高分子材料的合成與應(yīng)用, 正越來越被人們所重視12。聚乳酸纖維是一種可完全生物降解的合成纖維，它可從谷物中取得。其制品

2、廢棄后在土壤或海水中經(jīng)微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時(shí)，不會(huì)散發(fā)毒氣，不會(huì)造成污染，是目前社會(huì)所需求的綠色環(huán)保生態(tài)纖維。一、 聚乳酸纖維的定義聚乳酸纖維，即PLA 纖維，是一種可完全生物降解的新型合成纖維。是以玉米、小麥、甜菜等含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品為原料，經(jīng)發(fā)酵生成乳酸后，再經(jīng)縮聚和熔融紡絲制成。聚乳酸纖維是一種原料可種植、易種植，廢棄物在自然界中可自然降解的合成纖維。不僅來源豐富, 而且來自天然，是一種可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)纖維67。二、聚乳酸纖維結(jié)構(gòu)和性能聚乳酸纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜但乳酸分子中存在手性碳原子, 可分為D 型和L 型, 使丙交酯、聚乳酸( PLA 的種類因立體結(jié)構(gòu)不同而有多種,

3、如聚右旋乳酸( PDLA、聚左旋乳酸( PLLA 和聚外消旋乳酸( PDLLA。然而, 因?yàn)槭惺鄣娜樗嶂饕獮長 一乳酸(左旋乳酸 和D,L 一乳酸(外消旋乳酸, 故通常大量被合成的聚乳酸為PLLA 和PDLLA 3。因此聚乳酸包括半結(jié)晶型聚(L乳酸(PLLA和無定形聚(D，L 乳酸(PDLLA兩種，它們的力學(xué)性能和降解動(dòng)力學(xué)大不相同。（1）物理性能通常PLLA 具有一定的結(jié)晶度，力學(xué)強(qiáng)度較高，降解周期較長，具有成纖性。而PDLLA 不具有成纖性，不能單獨(dú)紡絲，但可以作為改性劑與PLLA 共混后再紡絲。PLLA 纖維的力學(xué)強(qiáng)度高，是因?yàn)樵诔尚瓦^程中大分子鏈發(fā)生了強(qiáng)烈取向14。聚乳酸纖維不僅有高結(jié)

4、晶性和高取向性, 還與聚酯、聚苯乙烯樹脂具有同樣的透明性。由于結(jié)構(gòu)決定性能，聚乳酸纖維具有高耐熱性和高強(qiáng)度。 因此它和通常的聚酯纖維一樣, 可制成長絲、單絲、非織造布, 以及編織物、纜繩等（2）化學(xué)惰性聚乳酸纖維易染色、后加工和樹脂加工, 故用它可制得流行的、高性能的生物降解纖維制品。聚乳酸纖維屬一脂肪族的聚酯, 具有較好的化學(xué)惰性，對(duì)許多溶劑包括干洗劑穩(wěn)定，耐堿性差。 所以它和聚酯一樣, 經(jīng)堿處理后有較好的手感, 而且處理時(shí)用堿量也減少10.。（3）可降解性聚乳酸具有可降解性，其根本原因是聚合物鏈上酯鍵的水解，并且一般認(rèn)為PLA 未端羧基對(duì)其水解起自催化作用, 降解過程從無定形區(qū)開始。對(duì)聚乳

5、酸進(jìn)行共聚可加速或減緩降解速率。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), 而且依賴于外部水解環(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12。例如, 無定型的PDLLA 比結(jié)晶性的PLLA 易降解14; 分子量越小, 越易降解: 不同PH 值情況下, 堿性水解最快, 酸性次之, 中性最慢, 存在生物酶作用的活性淤泥中, 比一般土壤中更易降解: 同等條件下，薄膜的水解比纖維快8、12。（4）無毒性聚乳酸具有無毒性。聚乳酸類材料使用后, 可以進(jìn)行自然降解、堆肥和燃燒處理。聚乳酸的自然降解不會(huì)給環(huán)境帶來污染, 甚至PLLA 降解過程的中間產(chǎn)物能促進(jìn)

6、值物生長, 這對(duì)于聚乳酸類材料作為農(nóng)膜等的農(nóng)用品應(yīng)用, 具有深遠(yuǎn)的雙重意義7。聚乳酸樹脂燃燒時(shí), 不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體, 且可以回收能量9。（5）生物相容性聚乳酸(PLA具有良好的生物相容性21.22 。純凈的聚乳酸幾乎沒有毒性, 它在人體內(nèi)慢慢分解成乳酸, 而人體內(nèi)原本就有乳酸。不僅如此, 乳酸可被人體分解吸收, 作為碳素源被充分利用。其制品在生物醫(yī)用及日常農(nóng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)它的研究極具醫(yī)學(xué)和環(huán)境意義35.。三、聚乳酸纖維的合成（1）直接合成乳酸的直接縮聚是制備聚乳酸的簡單方法, 因在此反應(yīng)體系中存在著游離乳酸、水、聚酯及丙交酯的平衡, 反應(yīng)副產(chǎn)物水在粘性熔融物中難以去除, 很難保證

7、反應(yīng)向正方向進(jìn)行。所得聚合度一般較低(平均相對(duì)分子質(zhì)量小于5000, 相對(duì)分子質(zhì)量分布約為2.0, 且聚合溫度高于180e, 通 常導(dǎo)致產(chǎn)物帶色。Ajioka 等開發(fā)了連續(xù)共沸除水直接聚合乳酸的工藝, 聚乳酸相對(duì)分子質(zhì)量可 達(dá)30萬。（2）兩步（中間物）法合成到目前為止, 聚乳酸主要是通過丙交酯的開環(huán)聚合制得。即首先將乳酸分子間脫水, 生成環(huán)狀的丙交酯; 然后將丙交酯開環(huán)聚合生成高聚物, 這種反應(yīng)可以合成相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)70萬到100萬的聚乳酸。迄今為止, 人們依據(jù)引發(fā)劑的不同提出了三種聚合機(jī)理:陽離子聚合、陰離子聚合、配位聚合。直接縮聚與兩步法的聚合示意圖如圖。但聚合物中所含殘留單體將嚴(yán)重影

8、響聚乳酸的后加工性, 并使聚乳酸降解速率加快。因此采用固相聚合方法可有效解決直接法、兩步法所帶來的問題。 （3）固相聚合（SSP ）方法在聚合溫度低于預(yù)聚物的熔點(diǎn)而高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行的一種聚合方法, 目前多用于PET 、PA6、PA66等聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量的進(jìn)一步提高, 但將其應(yīng)用于聚乳酸聚 合的研究報(bào)道很少, 而且限于丙交酯的固相聚合9 。因固相聚合溫度低, 可明顯降低因熱而引起的聚乳酸降解副反應(yīng)的產(chǎn)生, 并可促進(jìn)殘留單體轉(zhuǎn)化率的提高和聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的提高。四、聚乳酸纖維的應(yīng)用聚乳酸纖維因其性能上的優(yōu)點(diǎn)。很早就被廣泛應(yīng)用。美國的Cargill 公司已將PLA 制成纖維用于農(nóng)用藥膜

9、等許多領(lǐng)域, 還以PLA 為原料制備包裝材料。德國在1998年用它生產(chǎn)出來的乳酸盒子已實(shí)現(xiàn)商品化。這種物質(zhì)還有促進(jìn)植物生長的作用, 因此可望用它制作植物移植或植物栽培用容器等。日本島津公司在1994年建成了生產(chǎn)聚乳酸的裝置, 并且在各個(gè)領(lǐng)域開辟用途。通過壓軋, 它可以被制成透明的，機(jī)械性能良好的纖維、薄膜、容器、鏡片等。聚乳酸主要生產(chǎn)廠家包括CargillDow 公司、Novamon 公司、三井化學(xué)公司、豐田公司、Hycail 、UhdeInventFischer 公司等。此外, 殼牌、BP 和拜耳等公司正在研究或重新考慮利用生物原料生產(chǎn)聚合物和大宗化工產(chǎn)品, 也具有成為這一市場新競爭者的潛力

10、。目前, 我國已建成的聚乳酸裝置只有幾百噸, 但在未來2-3年內(nèi)我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)將會(huì)取得較大發(fā)展。聚乳酸(PLA是一種重要的生物降解材料, 被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用緩釋材料16 。 隨著聚乳酸應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展, 單純的均聚物已不能滿足人們的需要, 特別是在高分子藥物控制釋放體系中, 要求對(duì)于不同藥物有不同的降解速度, 同時(shí)對(duì)于沖擊速度, 親水性有更高的要求, 這使得人們開始將乳酸與其他單體共聚改性, 以調(diào)節(jié)共聚物的分子量, 共聚單體數(shù)目和種類來控制降解速度并改善結(jié)晶度, 親水性等。長期以來, 聚乳酸及其衍生物大都通過丙交酯開環(huán)聚合合成, 此法易于獲得高相對(duì)分子質(zhì)量聚乳酸及其衍生物, 但路線冗長、成本高

11、, 影響了聚乳酸及其衍生物產(chǎn)品的推廣應(yīng)用18 。近年來, 由乳酸單體直接縮合合成聚乳酸及其衍生物的合成路線, 已日趨引人注目。聚乳酸的合成一般采用二步法, 即先由乳酸合成乳酸的環(huán)狀二聚體丙交酯, 然后將丙交酯開環(huán)聚合, 得到聚乳酸, 這種方法得到的乳酸 具有較高的分子量, 但是成本太高, 不適合用作乳酸塑料15 。五、聚乳酸纖維的發(fā)展前景聚乳酸纖維符合時(shí)代節(jié)能減排，綠色環(huán)保的大潮流。具有十分良好寬松的發(fā)展空間。且聚乳酸纖維的原料大部分取之于自然中的玉米、小麥、甜菜等含有淀粉的農(nóng)產(chǎn)品。具體原料的優(yōu)勢性，具有來源廣，成本低等優(yōu)勢。且原料的重新種植周期短。太陽能提供的原料的生長，發(fā)育。雖其合成過程較

12、之其他材料難度偏大。但在近期的發(fā)展中聚乳酸的合成純度以及合成成功率以及大幅提高。從原先的30%調(diào)高至大約70%。所以在越來越多的領(lǐng)域以及開始或是將會(huì)受到廣泛應(yīng)用20 。（1） 醫(yī)療領(lǐng)域聚乳酸纖維在藥物緩釋，手術(shù)縫合線等領(lǐng)域目前已經(jīng)具有較大的發(fā)展。使用可吸收性手術(shù)縫合線，無需二次手術(shù)拆線，減少病人的痛苦。聚乳酸纖維可用做手術(shù)縫合線，吊繩，紗布等等，非制造布可用作手術(shù)衣、手術(shù)覆蓋布。聚乳酸樹脂可做骨釘，組織工程支架等。加之現(xiàn)階段最熱門的3d 打印人體器官技術(shù)。聚乳酸材料因其生物相容性必將得到施展空間。（2） 紡織服裝領(lǐng)域聚乳酸纖維在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)有較大的市場，但因其柔軟，較強(qiáng)的親水性、毛細(xì)管效應(yīng)以及水的擴(kuò)散性、無刺激性。再加上其外觀的有絲感，蓬松的手感、抗皺免燙。幾乎囊括了所有服裝應(yīng)該有的優(yōu)點(diǎn)。再其未來合成成功率提高，成本較低的同時(shí)。紡織服裝領(lǐng)域必將進(jìn)入聚乳酸纖維的世界。（3） 日用領(lǐng)域（其他領(lǐng)域）聚乳酸纖維機(jī)械性能好、熱塑性強(qiáng)、結(jié)晶度高，更重要的是其有可降解性，適用于加工制造各種塑料制品，如快餐的盒飯，農(nóng)用地膜，地毯，居家飾品等。代替石油制造出新型的生態(tài)塑料。非常環(huán)保又緩解資源危機(jī)18 。結(jié)語：作為一種綠色合