可生物降解材料IngeoTM

魏建斐

(宏大研究院有限公司，北京，100176)

可生物降解材料IngeoTM

魏建斐

(宏大研究院有限公司，北京，100176)

簡述了美國NatureWorks公司開發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)的以生物質(zhì)資源為原料的聚乳酸(PLA)產(chǎn)品IngeoTM的發(fā)展過程。Ingeo具有原料可再生、制品可降解、生物相容性好、低能耗和低碳排放量等優(yōu)良特性。介紹了Ingeo切片及其纖維的性能指標(biāo)。

Ingeo，PLA切片，PLA纖維，性能

在全球原油資源緊張、環(huán)保呼聲高漲的環(huán)境下，以生物質(zhì)資源為原料的聚乳酸(PLA)產(chǎn)品被市場廣為看好。NatureWorks公司是世界上第一家實(shí)現(xiàn)PLA大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)，已經(jīng)成為全球最大的PLA生產(chǎn)商，并成功開發(fā)了美國、歐洲和亞洲幾個(gè)國家的PLA市場。該公司PLA產(chǎn)品的商標(biāo)為IngeoTM。

1 Ingeo的發(fā)展歷程

美國最大的農(nóng)業(yè)公司Cargill公司最先參加由玉米制造 PLA的研發(fā)工作，并早在1993年以EcoPLA的商標(biāo)推出適用于擠出和注塑成型的PLA聚合物［1］。Cargill公司先與擅長生物化學(xué)的Purac Biochem公司合作，完善了從玉米制造乳酸的發(fā)酵過程，然后與Dow Chemical公司于1997年各占50%股份合資成立Cargill-Dow Polymer股份公司，總部設(shè)在Nebraska的Blair。該公司致力于生產(chǎn)乳酸及PLA，2000年在Blair建成Pilot工廠，產(chǎn)能為6 000 t/a，產(chǎn)品的商品名為NatureWorks PLA;而后投資3億美元建造了年產(chǎn)7萬t的PLA聚合物工廠，并于2002年初正式投產(chǎn)［2］。2003年1月發(fā)布了PLA的品牌名稱Ingeo。Ingeo來自短語“ingredients from the earth”，意為來自地球的組分［3］。2005年1月Cargill公司收購了Dow Chemical公司持有的股份，2月份公司啟用新的名稱 Nature Works［4］。2008 年底 NatureWorks公司開始增加位于Blair工廠的產(chǎn)能，并于2009年7月7日完成，使PLA的年產(chǎn)量達(dá)到了14萬t［5］。

2 Ingeo的優(yōu)良性能

2.1 原料可再生性

NatureWorks公司的PLA產(chǎn)品主要是通過簡單的植物糖(如玉米糖)發(fā)酵、過濾、聚合而成，原料為可再生的生物質(zhì)資源。

到目前為止，NatureWorks公司應(yīng)用于纖維和塑料領(lǐng)域的全部型號的Ingeo均已獲得OK biobased最高星級標(biāo)準(zhǔn)(四星)的認(rèn)證標(biāo)簽。該認(rèn)證于2009年9月推出，目的是為消費(fèi)者鑒定包裝材料、纖維制品、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、電子產(chǎn)品和其他制造商品中生物碳的含量。Vincotte的OK biobased認(rèn)證遵照ASTM D6866標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)產(chǎn)品中可再生或生物基的碳含量。該認(rèn)證標(biāo)簽對材料進(jìn)行星級區(qū)分，根據(jù)可再生碳含量將材料分為四個(gè)等級:一星級代表生物基碳含量為20% ～40%，二星級為40% ～60%，三星級為60% ～80%，四星級為80%以上。根據(jù)測試，NatureWorks公司生產(chǎn)的Ingeo含有99%可再生植物糖(即可再生的碳)［6］。

2.2 制品可降解性

PLA制品廢棄后在土壤或水中，30 d內(nèi)會(huì)在微生物、水、酸和堿的作用下徹底分解成二氧化碳和水，不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生污染，不會(huì)造成白色污染，因而是一種具有完全可生物降解性的合成高分子材料［7］。

PLA類材料的降解可分為簡單水解降解和酶催化水解降解［8］。

簡單水解降解反應(yīng)是水分子攻擊PLA分子中的酯鍵，使其分解為羧酸和醇的反應(yīng)，是酯化反應(yīng)的逆反應(yīng)。水解主要包括吸水、酯鍵斷裂、可溶性齊聚物擴(kuò)散和碎片溶解等四個(gè)過程。PLA的酶催化降解和纖維素等天然聚合物的降解是不同的。天然聚合物的降解，一般是直接和酶反應(yīng);而聚乳酸酯不接受直接的酶攻擊，在自然降解環(huán)境下首先發(fā)生水解，使其相對分子質(zhì)量有所降低，分子骨架有所破裂，形成較低相對分子質(zhì)量的組分。水解到一定程度，方可以進(jìn)一步在酶的作用下新陳代謝，使降解過程得以完成。在PLA類材料的降解過程中，第一步的水解作用幾乎是不可避免的，因此聚乳酸酯的酶降解過程是間接的。

2.3 生物相容性

乳酸是乳酸桿菌產(chǎn)生的一種碳水化合物，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(xué)聚合或乳酸的直接聚合可得到高相對分子質(zhì)量的PLA。目前的合成工藝基本上以L-乳酸為單體，而L-乳酸是人體內(nèi)正常的糖代謝產(chǎn)物，且人體內(nèi)還含有分解L-乳酸的酶，因此PLA纖維在人體內(nèi)具有優(yōu)良的生物相容性，可以作為優(yōu)良的材料應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［9］。由于PLA優(yōu)良的生物相容性，其降解產(chǎn)物能參與人體代謝，美國食品醫(yī)藥局(FDA)已批準(zhǔn)PLA可用于制作醫(yī)用手術(shù)縫合線、注射用膠囊、微球及埋植劑等，并可能在不遠(yuǎn)的將來用于替代金屬移植物［10］。

2.4 低能耗和低碳排放量性

據(jù)報(bào)道［11］，NatureWorks公司使用植物取代石油生產(chǎn)的Ingeo天然塑料于2008年底采用全新的制作過程，與原有技術(shù)相比，Ingeo天然塑料可減少高達(dá)35%的二氧化碳排放，并能有效降低16%的礦物能源消耗，圖1是Ingeo與聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和通用級聚苯乙烯(GPPS)的二氧化碳排放量及能量消耗的比較。

圖1 二氧化碳排放量及能量消耗比較

相對于其他由石油為原料制得的塑料，Ingeo天然塑料可減少二氧化碳排放量與能源消耗量。例如，常用于制造水瓶、碳酸飲料罐和合成纖維的PET，在傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中每千克切片會(huì)釋放3.2 kg的二氧化碳;采用新工藝生產(chǎn)的Ingeo可使二氧化碳排放量減少59%，每千克切片僅釋放1.3 kg的二氧化碳。同時(shí)，新的Ingeo制作過程與生產(chǎn)等量PET相比，其能源消耗減少高達(dá)38%。

3 Ingeo產(chǎn)品

由于Ingeo聚合物性能優(yōu)良，在一定程度上可以用作PET、聚烯烴、聚苯乙烯(PS)等的替代品。目前Ingeo聚合物可用于制造纖維、非織造布、包裝及涂層材料等產(chǎn)品。

3.1 Ingeo切片

美國NatureWorks公司共生產(chǎn)23種牌號的PLA樹脂，其中塑料級切片10種，纖維級切片10種，還有是用作涂層材料的切片3種。Ingeo切片及相關(guān)產(chǎn)品性能見表1～表5，纖維性能比較見表6(表中數(shù)據(jù)均來自于NatureWbrks公司)。

表1 注塑用PLA切片性能

表2 用膜級PLA切片制成的薄膜性能

表3 瓶級PLA切片的性能及加工條件

表4 纖維級PLA切片及其纖維性能

表5 非織造布用PLA切片及其非織造布性能

表6 PLA纖維與常見纖維性能比較

3.2 Ingeo纖維

以Ingeo切片為原料在傳統(tǒng)紡絲和牽伸裝置上生產(chǎn)出的纖維具有優(yōu)良的性能。

通過比較可以看到，PLA纖維的主要優(yōu)點(diǎn):①PLA是唯一可熔紡的可再生聚合物;②密度比天然纖維低;③強(qiáng)度比天然纖維高;④回潮率明顯比天然纖維低;⑤燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙霧比其他合成纖維小;⑥抗紫外線性能優(yōu)異。主要缺點(diǎn)是:①耐堿性差，在常見的分散性燃料中有強(qiáng)度損失;②熔點(diǎn)低，熨燙溫度不能太高。

4 展望

美國NatureWorks公司積極聯(lián)合世界各公司共同開展PLA纖維及下游產(chǎn)品加工與巿場開拓工作，PLA的應(yīng)用領(lǐng)域和總量正在不斷擴(kuò)大和增加?？梢詳喽ǎ琍LA將成為21世紀(jì)新材料領(lǐng)域最耀眼的明星，而NatureWorks公司的Ingeo將在很長時(shí)間內(nèi)統(tǒng)治PLA的市場。中國的相關(guān)企業(yè)可與其合作，消化吸收技術(shù)，進(jìn)行創(chuàng)新，建立自己的品牌。

［1］魏淳，李光.聚乳酸纖維的發(fā)展過程及現(xiàn)狀［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2005，23(7)，8-12.

［2］Dow and cargill in joint venture for new resins［N］.Financial Times，1997-11-25.

［3］SUNG K.New fiber on the march［J］.Textile Asia，2003，34(4):7-8.

［4］王曉青，石峰暉，嚴(yán)慶.生物降解塑料在包裝領(lǐng)域的加工應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展［C］//2005年全國高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集.北京，2005:688.

［5］NatureWorks Doubles IngeoTMnatural plastic supply availability.Press Releases of NatureWorks LLC［EB/OL］.［2009-7-7］.http://www.natureworksllc.com/news －and－events/press－releases/2009/07－07－09－capacity－expansion.aspx

［6］NatureWorks IngeoTMresins certified four-star renewable.Press Releases of NatureWorks LLC［EB/OL］.［2010-03-26］.http://www.natureworksllc.com/news－and－events/press－releases/2009/10－13－09－h(huán)ortifair.aspx

［7］鄒君，凌秀琴.可生物降解性高分子材料——聚乳酸［J］.廣西化纖通訊，2000，28(2):35-37.

［8］張敏，崔春娜.聚乳酸降解的影響因素和降解機(jī)理的分析［J］.包裝工程，2008，29(8):16-18.

［9］王向冰，楊革生.聚乳酸熔融法紡絲原料選擇的研究［J］.合成纖維，2005，35(11):1-5.

［10］陸小成，羅新星，資武成.基于聚乳酸纖維技術(shù)的玉米產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對策研究［J］.山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(6):26-29.

［11］IngeoTMplastic made from plants achieves a new eco plateau reducing CO2emissions by 35%.Press Releases of NatureWorks LLC ［EB/OL］.［2009-2-10］.http://www.natureworksllc.com/news－and－events/press－releases/2009/02－10－09－ingeo－ecoprofile.aspx

Biodegradable materials IngeoTM

Wei Jianfei
(Hongda Research Institute Co.，Ltd.)

The progress on development and production of PLA IngeoTMscalely with adopting biomaterial as raw material at America NatureWorks was presented briefly.Ingeo has excellent performances such as，recyclability of raw material，degradability of product，good biological property，lower power consumption and carbon extrude.The performance inspection of Ingeo chip and fiber were introduced in the paper.

Ingeo，PLA chip，PLA fiber，performance

TQ326.9;TS102.52

B

1004－7093(2010)07－0022－05

2010－05－07

魏建斐，男，1986年生，技術(shù)助理。主要從事新型非織造材料的研究。