生物降解高分子材料聚乳酸性能以及應用

答辯人：趙進指導老師：王磊

生物降解高分子材料聚乳酸的合成及應用

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目錄第一章生物降解高分子材料概述01第二章可降解材料聚乳酸纖維的合成02第三章生物降解高分子材料聚乳酸性能以及應用03Page

4第一章生物降解高分子材料概述

塑料是應用最廣泛的高分子材料，按體積計算已居世界首位,由于其難以降解,隨著用量的與日俱增,廢棄塑料所造成的白色污染已成為世界性的公害。意大利、德國、美國等國家已率先以法律形式,規(guī)定了必須使用降解性塑料的塑料產品范圍；我國目前的塑料生產和使用已躍居世界前列，每年產生幾百萬噸不可降解的廢舊物,嚴重污染著環(huán)境和危害著我們的健康。可見開發(fā)可降解高分子材料、尋找新的環(huán)境友好高分子材料來代替塑料已是當務之急。

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一、生物降解高分子材料的定義

理想的生物降解高分子材料是一種具有優(yōu)良的使用性能、廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解、最終被無機化而成為自然界中碳元素循環(huán)的一個組成部分的高分子材料。Page

61、生物降解高分子材料降解機理根據高分子的性質和所處的環(huán)境條件，高分子生物降解有兩種不同的機理。第一種是生物或非生物水解而后發(fā)生生物同化吸收，稱為水解-生物降解。這是雜鏈高分子如纖維素、淀粉及脂肪族聚酯生物降解的主要過程。通常過氧化反應對這類高分子降解發(fā)揮輔助作用，光氧化反應可加速水解-生物降解。水解-生物降解高分子適用于生物醫(yī)用材料、化妝品及個人衛(wèi)生用品的處理而不適用于農用薄膜或包裝薄膜的降解。第二種機理是過氧化反應而后伴隨小分子產物的生物同化吸收，稱為氧化-生物降解。這種機理尤其適用于碳鏈高分子。非生物過氧化反應及隨后的生物降解反應可通過所用的合適抗氧劑得到嚴格控制。二、生物降解高分子材料降解機理及影響因素Page

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2、生物降解高分子材料降解影響因素

影響高分子材料降解的主要因素有：（1）化學鍵的穩(wěn)定性：單體的組成、結構和化學性質；（2）物理性質：如親水性、結晶度，可以通過單體的化學組成和加工條件控制；（3）聚合物的分子量；（4）聚合物器件的幾何因素：如大小、形狀、表面積；（5）添加劑及環(huán)境因素：如PH條件、離子強度；Page

8三、生物降解高分子材料發(fā)展的背景

塑料工業(yè)發(fā)展的環(huán)保瓶頸:混入生活垃圾中的廢舊塑料很難處理、填埋處理將會長期占用土地、混有塑料的生活垃圾不適用于堆肥處理、廢舊塑料分揀回收難度很大；廢舊塑料混在土壤中，影響農作物吸收養(yǎng)料和水分，將導致農作物減產。在自然條件下，合成塑料的降解需要數百甚至上千年。目前，絕大多數塑料的原料來自于石油及其副產品。石油的開采使用雖然成就了今日的社會文明，但也帶來人類的環(huán)境災難，大量的CO2造成溫室效應、全球變暖、氣候變遷、環(huán)境污染。在這種大背景下，開發(fā)使用環(huán)境友好型的生物降解塑料正日益成為整個社會的共識！目前聚乳酸（PLA）在生物降解塑料市場中占據最重要地位，是唯一可以與傳統(tǒng)塑料競爭的生物降解塑料品種。Page

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第二章可降解材料聚乳酸纖維的合成

聚乳酸具有優(yōu)良的生物相容性、生物可降解性，最終的降解產物是二氧化碳和水，不會對環(huán)境造成污染。這使之在以環(huán)境和發(fā)展為主題的今天越來越受到人們的重視，并對其在工農業(yè)領域、生物醫(yī)藥領域、食品包裝領域的應用展開了廣泛的研究。Page

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一、聚乳酸纖維的定義

聚乳酸纖維（PLA）的生產原料乳酸是從玉米淀粉中制得，所以也將這種纖維稱為玉米纖維。是生物體(包括人體)中常見的天然化合物。通過乳酸環(huán)化二聚物的化學聚合或乳酸的直接聚合可以得到高分子量的聚乳酸。以聚乳酸為原料得到的制品，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及很好的生物降解性，并且在可降解熱塑性高分子材料中PLA具有最好的抗熱性。其結構式如圖2—1。Page

11二、原料的生產聚乳酸的原料是乳酸，即1-羥基丙酸、2-羥基丙酸。由于乳酸分子中有一個不對稱碳原子，所以具有d-型（右旋光）和L-型（左旋光）兩種對映體，等量的L-乳酸和d-乳酸混合而成的dL-乳酸不具旋光性。成纖聚乳酸以L-乳酸為單體。L-乳酸的工業(yè)化生產主要有微生物發(fā)酵法和化學合成法兩大類。中國發(fā)酵乳酸工業(yè)主要采用玉米、大米、薯干粉等為原料，以谷糠、麥皮等為輔料，以α-淀粉酶、糖化酶為液化劑、糖化劑，CaCO3為中和劑，經發(fā)酵生產乳酸鈣，再進一步酸化純化得到乳酸產品。Page

12三、聚乳酸纖維的制備乳酸的制備

乳酸可由含淀粉類谷物(例如玉米、土豆、甘蔗下腳、甜菜下腳)經水解生成葡萄糖、麥芽糖等糖類，再經特殊酵母菌發(fā)酵方法制成。聚乳酸的制備

PLA的制備方法主要有直接聚合法(簡稱一步法)、丙交酯開環(huán)聚合法(簡稱兩步法)。另外，采用兩步法可先去除乳酸中的水份，制得丙交酯的環(huán)狀中間體聚合物，然后經真空蒸餾，即可制得分子量范圍較寬的PLA聚合物。PLA纖維的制備PLA與PET、PA等聚合物一樣,可通過干法紡絲或熔體紡絲來制備PLA纖維。在PLA紡絲過程中，通常要求PLA聚合物原料的平均分子量為33萬，最好采用左旋聚乳酸(PLLA)，作為紡絲原料。Page

13第三章生物降解高分子材料聚乳酸性能以及應用一、聚乳酸纖維的性能物理性能

聚乳酸纖維結構規(guī)整，具有較高的結晶度（約為83.5％）、較高的拉伸溫度和較好的柔軟性，具有較好的物理機械性能，與聚酯和聚酰胺纖維比較，PLA纖維具有更好的手感和懸垂性，密度小，抗紫外線好，可燃性差、發(fā)煙量小，有較好的卷曲性和保形性。生物降解性聚乳酸纖維具有優(yōu)良的生物降解性，其主要原因是聚合物上酯鍵的分解，一般認為，其末端的羧基對其水解起到催化作用，降解過程從無定形區(qū)開始。聚乳酸的分解有兩個階段：經水解反應分解之后再靠微生物分解。在自然環(huán)境中首先發(fā)生水解，然后，微生物進入組織物內，將其分解成二氧化碳和水。Page

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親水性

由于水分子極易與聚乳酸纖維大分子上的極性氧基團結合，所以聚乳酸纖維比大多數熱性聚合物具有更好的親水性。因而，聚乳酸纖維及其織物的吸濕能力、對濕氣的傳導能力都比其他合成纖維強，雖然聚乳酸纖維的吸濕能力比不上棉纖維，但是可以在很多情況下代替聚酯纖維和錦綸，使得織物獲得較好的透濕氣性能，因而，聚乳酸纖維適合做運動服和其他傳統(tǒng)服裝面料。穩(wěn)定性最終產品在應用過程中的穩(wěn)定性也是必須要關注的的性能。聚乳酸纖維產品在生物降解前必須經過高溫高濕條件下的水解過程，因此在使用過程中都有較好的穩(wěn)定性，而不像其他生物降解材料那樣在一接觸到微生物時就發(fā)生降解。Page

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安全性純凈的聚乳酸幾乎沒有毒性，它在人體中慢慢分解成乳酸，而人體內原本就有乳酸，并且乳酸可以被人體分解吸收，作為碳素元被充分利用。聚乳酸類材料使用后，可以進行自然降解、堆肥和燃燒處理。聚乳酸的自然降解不會給環(huán)境帶來污染。因此，聚乳酸纖維也被確認為對人體絕對安全的材料，用它制成的織物不刺激皮膚。Page

16二、生物降解高分子材料聚乳酸的應用

生活領域的應用聚乳酸由于它的無毒性和良好的機械性能,適合加工成各種飲料、食品、高檔化妝品等的外包裝材料以及被壓制成透明的纖維、容器、鏡片等；可與其他天然纖維混紡,其纖維織物透氣性好,抗皺性強。工農業(yè)生產領域的應用聚乳酸材料具有很好的韌性,適合加工成高附加值的農用地膜；也可以應用于農林業(yè)中作播種織物、薄膜、防草袋、防蟲防獸害蓋布等；還可用作土壤、沙漠綠化保水材料、農藥化肥緩釋材料等。Page

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服裝領域的應用在服裝方面，可作成紗、編織物、非織造布等，具有可染性和生物相容性，制成的織物有絲般的光澤和手感，有優(yōu)異的懸垂性和很好的滑爽性，不刺激皮膚，對人體健康，穿著舒適，尤其適合于內衣和運動衣。生物醫(yī)學領域的應用聚乳酸是一種可生物降解的高分子材料,因具備良好的生物相容性、生物降解性、無毒等特點,而被廣泛用作藥物控制釋放材料、手術縫合線、骨修復材料等。Page

18總結與展望優(yōu)勢：

聚乳酸是惟一一種可以熔融加工的以天然材料為基礎的聚合物，聚乳酸纖維，其性能與合成纖維相比不相上下，甚至在某些情況下更為優(yōu)異。以淀粉為原料，可持續(xù)供應，價格較低，不受國際原油價格影響，有利于緩解能源問題。原料來自可再生的植物資源，所有富含淀粉的農作物都能生成聚乳酸，不消耗不可再生的礦物資源，也不增加二氧化碳的排放，符合循環(huán)經濟原則，有利于社會可持續(xù)發(fā)展。不足：耐熱溫度太低，純PLA軟化點只有65℃，制品很容易發(fā)生變形或粘連，嚴重