對(duì)可降解塑料聚乳酸的研究

摘要：白色污染日益嚴(yán)重的當(dāng)今社會(huì)，研究可快速降解的環(huán)境友好型塑料已經(jīng)迫在眉睫，本文就針對(duì)環(huán)境友好型的可降解生物高分子材料做了一總體介紹，簡(jiǎn)要概括了其降解機(jī)理及影響塑料降解的因素，重點(diǎn)介紹了聚乳酸的降解性能及共混降解改性的研究，最后對(duì)可降解塑料的應(yīng)用現(xiàn)狀作一介紹，對(duì)其研究方向作一展望。

關(guān)鍵詞：白色污染； 聚乳酸； 降解

前言

隨著塑料的廣泛應(yīng)用和產(chǎn)量的持續(xù)增大?！鞍咨廴尽眴?wèn)題己變得越來(lái)越嚴(yán)重，成為當(dāng)今世界最嚴(yán)重污染源之一，己受到各國(guó)的重視，并且制定了相關(guān)的法律政策來(lái)處理?，F(xiàn)在各國(guó)除了研究如何回收廢棄塑料外，更多的精力是研究可降解的高分子材料，從而在根本上解決塑料的“白色污染”問(wèn)題。主要原因是高分子材料的回收利用，從理論上講，可以解決環(huán)境污染，也可以解決資源短缺的問(wèn)題，但在實(shí)施過(guò)程中，往往受到高分子材料本身性質(zhì)、技術(shù)及成本等的限制；而研究開(kāi)發(fā)可降解的高分子材料則成為20世紀(jì)70年代以來(lái)重要課題，受到世界范圍內(nèi)的關(guān)注仁。

1可降解性高分子材料的降解機(jī)理

高分子材料的生物降解是指在生物（主要是指真菌、細(xì)菌等）作用下，聚合物發(fā)生降解、同化的過(guò)程、生物降解主要取決于聚合物分子的大小和結(jié)構(gòu)、微生物的種類以及環(huán)境因素。聚合物的降解機(jī)理十分復(fù)雜，一般認(rèn)為材料在體內(nèi)的降解和吸收是受生物環(huán)境作用的復(fù)雜過(guò)程，包括物理、化學(xué)和生化因素。物理因素主要是外應(yīng)力，化學(xué)因素主要有水解、氧化及酸堿作用，生化因素主要是酶和微生物。由于植入體內(nèi)的材料主要接觸組織和體液，因此水解（包括酸堿作用和自催化作用）和酶解是最主要的降解機(jī)制。

2聚乳酸的降解性能

與大部分熱塑性聚合物相比，PLA具有更好的降解性能。PLA的降解首先通過(guò)主鏈上的降解性能。PLA的降解首先通過(guò)主鏈上的C-O水解，然后在酶的作用下進(jìn)一步降解，最終生成無(wú)害的水和二氧化碳。由于具有降解性能，故人們擔(dān)心其使用壽命。實(shí)際上，PLA的降解速度相對(duì)比較緩和；更為重要的是，PLA的降解總是在先行水解之后才可能酶解。依照聚合物的初始相對(duì)分子品質(zhì)、形態(tài)、結(jié)晶度等，PLA降解的速度可從幾星期到幾個(gè)月甚至是1～2年。但如果與微生物和復(fù)合有機(jī)廢料混合埋入地下，它的降解速度會(huì)加快。因此它是一種理想的生物降解材料，特別適宜于2～3年的短期用途。影響PLA降解速度的因素主要有結(jié)晶度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、相對(duì)分子質(zhì)量和介質(zhì)的pH值等。水先滲入聚乳酸的無(wú)定形區(qū)，導(dǎo)致酷鍵斷裂，當(dāng)大部分無(wú)定形區(qū)己降解時(shí)，才由晶區(qū)邊緣向晶區(qū)中心逐步降解。晶區(qū)降解速度很慢，因此結(jié)晶度大小對(duì)降解速度有很大的影響。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于水解溫度則水解加快。相對(duì)分子質(zhì)量越小及其分布越寬的PLA降解速度越快，這是因?yàn)橄鄬?duì)分子質(zhì)量越大，聚合物的結(jié)構(gòu)越緊密，內(nèi)部的酷鍵越不容易斷裂，并且相對(duì)分子質(zhì)量越大，降解所得的鏈段越長(zhǎng)，易溶于水中，產(chǎn)生的H+越少，使pH值下降緩慢。酸或堿都能催化PLA水解，介的pH值也是影響PLA降解速率的重要因素。

3 PLA共混改性的研究進(jìn)展

通過(guò)與韌性聚合物共混，也是常用的改進(jìn)聚乳酸柔性的途徑，目前人們己經(jīng)研究的很多共混體系，如乙烯一醋酸乙烯共聚物（poly（ethylene-vinyl acetate））、聚4-乙烯基苯酚（poly（4-vinylphenol）、聚ε-己內(nèi)酯、聚3羥基丁酸酯（poly（3-hydroxybutyrate）等。

沈一丁等[4]將熱塑性淀粉（TPS）與聚乙二醇（PEG）、聚乳酸（PLA）共混后，采用溶劑蒸發(fā)法制備出完全生物降解的聚乙二醇改性淀粉/聚乳酸薄膜（SPLA）。聚乙二醇增塑SPLA薄膜，有效的降低了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱塑性淀粉和PLA的相容性，體系的耐水性、強(qiáng)度均隨著PLA含量的增加而增加，不過(guò)這種薄膜的強(qiáng)度和柔性并沒(méi)有得到改善。

龔華俊等[5]采用超聲輔助原位濕法合成多壁碳納米管/輕基磷灰石納米復(fù)合材料（MWNTs/HA），并通過(guò)溶液澆鑄法制備了PLA/MWNTs/HA復(fù)合材料薄膜，靜態(tài)力學(xué)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析表明，當(dāng)MWNTs/HA為0.05～0.10份時(shí)，對(duì)復(fù)合薄膜有一定的增韌效果，復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨著MWNTs舊A用量增加呈上升趨勢(shì)。

PCL除可以和PLA共聚形成共聚物改善柔性外，還可以與PLA共混來(lái)改善PLA基體的脆性。直接共混PLA和PCL，兩種組分是不相容的，兩者混合時(shí)必須添加一定的相容劑。Wang等在PLL刀PcL體系中，以亞磷酸三苯酯（TPPi）為催化劑，在熔融狀態(tài)下進(jìn)行混合。結(jié)果表明，在共混過(guò)程中發(fā)生酯交換反應(yīng)，生成界面相容劑，促進(jìn)組分均勻分布，提高體系的機(jī)械性能，并大大改善了體系的柔性，當(dāng)添加TPPi2%時(shí)，PLLA/pCL（80/20）斷裂伸長(zhǎng)率從28%提高到了128%。

顧書(shū)英等[11]采用熔融擠出法制備聚乳酸/對(duì)苯二甲酸-己二酸-1，4-丁二醇三元共聚酯（PBAT）共混物，發(fā)現(xiàn)低含量低的PBAT的加入適當(dāng)?shù)奶岣吡司廴樗岬臄嗔焉扉L(zhǎng)率，不過(guò)共混物的拉伸、彎曲性能也有所降低。當(dāng)PBAT含量較高時(shí)，共混物斷面的SEM照片可以明顯觀察到兩相不相容。

4 聚乳酸在包裝領(lǐng)域的生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀

聚乳酸作為包裝材料有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)，聚乳酸包裝材料完全可以替代傳統(tǒng)的包裝材料，在很多方面更優(yōu)于傳統(tǒng)包裝材料。與傳統(tǒng)熱塑性塑料相比，聚乳酸作為包裝材料有以下優(yōu)點(diǎn)[13]：

（l）完全折疊性和纏結(jié)保持力取向性的PLA薄膜具有和玻璃紙膜、金屬薄片等相媲美的完全折疊性和纏結(jié)保持力，即可以弄皺或折疊，這些普通塑料膜是不具備的。

（2）高的光澤度和透明度PLA的高透明性和光澤度可以和玻璃紙以及聚對(duì)苯二甲酸乙二酯相比，是普通聚丙烯薄膜的2～3倍，低密度聚乙烯的10倍。

（3）阻隔性能和良好的印刷性能乳酸的基本重復(fù)單元使得PLA是一種內(nèi)在極性的材料，這種高的極性導(dǎo)致聚乳酸具有高的表面能，從而產(chǎn)生良好的印刷性能，此外它還能夠阻止脂肪族分子的透過(guò)，具有很好的抗油性。

（4）低溫?zé)岱庑阅軣o(wú)定形聚乳酸薄膜的熱封溫度和EVA（巧%）相同，都在80～85℃之間。

以上的這些優(yōu)點(diǎn)，注定聚乳酸會(huì)在包裝領(lǐng)域大放異彩，就目前的生產(chǎn)狀況來(lái)看，聚乳酸薄膜開(kāi)發(fā)應(yīng)用的前沿集中在日本和美國(guó)，國(guó)內(nèi)僅僅出于起步階段。

5 可降解塑料的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)及發(fā)展前景

可降解塑料盡管存在種種問(wèn)題，但它的發(fā)展方興未艾，以下幾個(gè)方面代表了可降解塑料的發(fā)展方向：（1） 積極開(kāi)發(fā)高效廉價(jià)光敏劑、氧化劑、生物誘發(fā)劑、降解促進(jìn)劑和穩(wěn)定劑等，進(jìn)一步提高可降解塑料的準(zhǔn)時(shí)可控性、用后快速降解性和完全降解性。（2）為避免二次污染，同時(shí)保證有豐富的原料，以天然高分子微生物合成高分子的完全生物降解塑料將會(huì)越來(lái)越受到重視。（3） 水解性塑料和可食性材料由于具有特殊的功能和用途而備受矚目，也成為環(huán)境適應(yīng)性材料的又一熱點(diǎn)。（4） 充分利用基因工程技術(shù)培育可生產(chǎn)聚酯的生物性植物以降低生物降解塑料的成本。

可降解塑料的發(fā)展，不但在一定程度上緩解了環(huán)境污染，而且對(duì)日益枯竭的石油資源也是一個(gè)補(bǔ)充。許多國(guó)家已開(kāi)始考慮用生物可降解塑料代替部分石油化工合成塑料，并陸續(xù)頒布了一些法規(guī)，如意大利的立法規(guī)定自1991 年起所有包裝用塑料都必須可降解，我國(guó)也已開(kāi)始考慮禁用不可降解的塑料制品。據(jù)日本生物降解塑料實(shí)用化檢討委員會(huì)預(yù)測(cè)，今后10 年內(nèi)全世界生物可降解塑料的市場(chǎng)規(guī)模為130 萬(wàn)噸。我國(guó)每年產(chǎn)生的塑料垃圾達(dá)100 萬(wàn)噸以上，若其中的20 %以降解塑料取代的話，需求量也在20 萬(wàn)噸以上，市場(chǎng)潛力是很大的。可降解塑料的發(fā)展適應(yīng)了人類可持續(xù)發(fā)展的要求，因此，可降解塑料的發(fā)展前景是美好的。

參考文獻(xiàn)

[1]王巖，陳復(fù)生，姚永志，等.糧食與飼料工業(yè)，2005，3：21～22

[2] 任杰.化學(xué)工業(yè)出版社.北京.2003.10

[3]黃俊俊，宋躍明，劉立眠，王軍.中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2004，18（l）：21～24

[4]賀小虎，章慶國(guó)，李新松.中國(guó)臨床康復(fù)2005，9（38）：36～38

作者簡(jiǎn)介：李婭 出生年月：1995年5月 性別：女

名族：漢族 籍貫（省市）：云南彌勒 學(xué)歷：本科，研究方向：高分子材料