聚乳酸纖維的性能、應用及發(fā)展方向*

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1.江西服裝學院服裝工程學院， 江西 南昌 330201；2.江西省現代服裝工程技術研究中心， 江西 南昌 330201

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，但工業(yè)生產及生活所帶來的污染日益嚴重，因此可再生資源、環(huán)保型原料越來越受到人們的關注。在環(huán)保型材料中，聚乳酸高分子環(huán)保材料逐步受到人們的青睞。聚乳酸纖維具有可再生、成本低、來源廣、環(huán)保等特點，又稱聚丙交酯和玉米纖維。它是先用玉米、小麥、土豆等淀粉原料制成的乳酸，再通過聚合紡絲而得到的纖維。這種纖維具有優(yōu)良的生物降解性、生物相容性和吸收性，其織物具有很好的懸垂性、吸濕透氣性、耐曬性以及光澤性、回彈性、成型加工性等優(yōu)點。目前，國外對聚乳酸纖維的研究和開發(fā)較成熟，如美國的杜邦公司，日本的東麗、鐘紡公司等。國內對聚乳酸的研究還處于起步階段，因此對聚乳酸纖維的研究以及開發(fā)應用是非常必要的[1]。

1 聚乳酸纖維的結構和性能

1.1 聚乳酸纖維的結構

聚乳酸纖維可采用溶液紡絲、熔體紡絲和靜電紡絲等加工方法生產，大多采用熔體紡絲法。其纖維結構大體為圓柱體，橫截面近似為圓形。圖1為聚乳酸纖維在水、細菌和氧氣的環(huán)境下處理后的結構照片。

圖1 聚乳酸纖維在水、細菌和氧氣環(huán)境下處理后的結構

由圖1可以看出，聚乳酸纖維在水、細菌和氧氣環(huán)境下處理后橫向截面和縱向表面上存在一些無規(guī)律的斑點和斷斷續(xù)續(xù)的條紋，這是聚乳酸纖維內大量的非結晶部分在水、細菌和氧氣中進行較快的分解所形成的[2]。

1.2 聚乳酸纖維的性能特點

1.2.1 生物可降解性和相容性

聚乳酸纖維原料豐富且可循環(huán)利用。該纖維廢棄在土壤和水中能夠通過微生物降解為二氧化碳和水，降解產物無毒無害，不會對環(huán)境造成影響，隨后在光合作用下，通過小麥、玉米等農作物又成為淀粉的起始原料——乳酸。這個循環(huán)過程既能生產聚乳酸的原料，還可以通過光合作用減少大氣中的二氧化碳。聚乳酸纖維作為一種新興的生物降解材料，其應用極其廣泛。除此之外，聚乳酸在人體內通過酸或酶等水解為乳酸，而乳酸是細胞的一種代謝產物，可以再經過酶的進一步代謝生成二氧化碳和水。因此，聚乳酸纖維還具有很好的生物相容性[3]。

1.2.2 聚乳酸的物理性能

聚乳酸屬于熱塑性高分子材料，可塑性和物理加工性能好，具有良好的彈性和柔韌性以及較高的熔點等，可以進行擠出、拉伸和吹塑等工藝加工成型，在現代材料應用中具有廣泛的應用前景。

1.2.3 聚乳酸的吸濕性

在吸濕方面，聚乳酸具有天然纖維和合成纖維的特點，具有良好的吸濕性能。朱蘭芳等[4]的研究表明：棉纖維中的親水基團多于聚乳酸纖維，而聚乳酸纖維中的親水基團多于聚酯(PET)纖維，所以聚乳酸纖維的吸濕性比PET纖維好，但比棉纖維差。在導濕方面，聚乳酸纖維的極性氧鍵與水分子連接，使水分子可以快速轉移，從而賦予織物導濕快干性能。

2 聚乳酸的合成方法

目前聚乳酸的合成方法主要有兩種：一種是直接聚合法，另一種是丙交酯開環(huán)聚合法。按照加熱方式，聚乳酸的合成方法又可分為傳統(tǒng)法和微波輻射法[5]。

2.1 直接聚合法

利用乳酸的活性，在脫水劑的作用下，通過加熱使乳酸分子中的羥基和羧基受熱脫水，直接縮聚合成低聚物，再加入催化劑繼續(xù)升溫，使低相對分子質量的聚乳酸聚合成更高相對分子質量的聚乳酸[3,5]。

2.2 丙交酯開環(huán)聚合法

丙交酯開環(huán)聚合制備聚乳酸大多采用兩步法合成：將乳酸作為原料，在催化劑的作用下制成丙交酯(環(huán)狀二聚體)，再在催化劑的作用下聚合制成聚乳酸及共聚物。開環(huán)聚合所用的催化劑不同，聚合機理也不同，目前主要有陽離子聚合、陰離子聚合和配位聚合[6]。

2.3 聚合加熱方式

聚合加熱方式主要分為傳統(tǒng)加熱和微波輻射加熱兩種。傳統(tǒng)加熱方式存在設備復雜、操作繁瑣、時間長、效率低、能耗大等問題，不利于進行大規(guī)模生產。微波輻射是一種新型的加熱方式，也是一種無滯后效應、效率高、無污染、環(huán)保的加熱方法。微波輻射的功率和時間對聚合有一定的影響。張科等[7]認為在一定微波功率條件下，反應時間不能過長或過短，有一個最佳值，時間過長會導致聚乳酸的相對分子質量下降。微波輻射功率越大，反應時間越長，所得的產物顏色就越深。微波輻射法更適合商業(yè)用聚乳酸聚合[7]。

3 聚乳酸的應用

3.1 聚乳酸纖維在服裝上的應用

運動服對面料的舒適性有著很高的要求，運動服必須滿足吸濕快干的要求，并且輕薄。聚乳酸纖維具有一定的導濕快干性，以及有利于皮膚的弱酸性和親膚性，適合開發(fā)運動面料。但是純聚乳酸纖維的吸濕性相對較差，無法滿足運動面料吸濕快干的要求。因此，將聚乳酸纖維和其他纖維混紡所制造的面料用于制作運動服裝，不僅可以滿足吸濕快干的要求，還能改善聚乳酸纖維的其他性能。肖云超等[8]將聚乳酸纖維長絲與亞麻/黏膠單紗直接并合加捻，克服了聚乳酸纖維吸濕性差的缺點，同時還提高了織物的耐磨性等。

聚乳酸還可以通過混紡制得類似于絲綢的織物，不但耐用，而且還具有很好的抗皺性，具有絲綢般的風格，是女裝、禮服的理想面料。

3.2 聚乳酸纖維在醫(yī)療領域中的應用

聚乳酸具有很好的生物可降解性，無刺激性，無毒性，因而可以廣泛應用于醫(yī)療領域，可以作為手術縫合線、紗布，還可以用于骨骼修復等。近年來，可降解聚乳酸在醫(yī)療中的應用正由傳統(tǒng)生物材料向智能材料轉變，將有利于骨骼生長的細胞培養(yǎng)到可降解的聚乳酸中，可提供骨骼的生長和恢復。張寧等[9]將質量分數為70%的β-磷酸三鈣加入聚乳酸中，制得的復合材料與骨髓間充質干細胞放在培養(yǎng)板上共同培養(yǎng)，發(fā)現細胞能在復合材料表面黏附和增殖，這一性能有利于骨骼的修復。聚乳酸還可以作為組織工程材料。組織工程是指應用生命科學與工程結構原理和方法，構建一個可以增進人體細胞和恢復人體受損組織或器官的功能。聚乳酸通過生物降解，在人體生成細胞的產物乳酸的共聚物，例如軟骨組織種植在聚乳酸內可以生成軟骨細胞[10]。同時，聚乳酸還可以作為藥物的緩釋材料，用聚乳酸制備的膠囊可以減小大量藥物對腸胃的刺激和傷害，抑制細菌的吞噬等，有效地提高藥物的利用率。

3.3 聚乳酸在塑料中的應用

在現代生活環(huán)境中，生態(tài)污染一直受到人們的關注，不可降解的塑料影響著我們的生活環(huán)境，造成了水質變差、土地變壞等危害，為此，成本低廉、可降解、環(huán)保的聚乳酸受到了人們的關注。聚乳酸的氣體穿透性比聚乙烯(PE)高得多，所以聚乳酸可以制作礦泉水瓶，但是不能長期儲存汽水。甄光明等[11]采用熔融共混法制備的聚乳酸/納米碳酸鈣復合材料，不僅提高了材料的結晶度，還增加了材料對水蒸氣的阻礙穿透能力。聚乳酸很脆，受到外力作用時容易損壞。另外，較差的彈性使之不能與PE生產的購物袋、地膜作比較，所以聚乳酸的共混改性工藝極為重要。

食品包裝被認為是聚乳酸的最大應用市場。聚乳酸對氣體和水蒸氣的透氣性很好，但是對具有香味的精油具有極高的阻隔性。因此，聚乳酸可以作為茶葉、香水等的包裝材料[12]。此外，因為聚乳酸對精油類具有極高的阻礙性，所以聚乳酸也可用于制造香煙的濾嘴。趙群[13]對聚乳酸濾嘴的試驗結果表明，聚乳酸纖維對焦油有一定的吸附作用。

4 聚乳酸的發(fā)展概況和前景

在20世紀，塑料已經被廣泛應用在各個領域，常用的塑料產品有聚乙烯、聚氯乙烯等，這些材料具有質量輕、強度高等特點，但大多為不易分解、對環(huán)境嚴重污染的材料。隨著社會的進步及環(huán)保呼聲的日益提高，人們尋找可降解、環(huán)保性能好的材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料材料成為了必然。聚乳酸作為可降解材料，因其制造成本低、來源廣，近幾年來一直受到社會的廣泛關注。

目前，對聚乳酸進行研究與生產的國家主要有美國、日本、德國、中國等。國外在生物降解材料的研究上投入了大量的資金，美國卡吉爾公司建有7 000 t/a的裝置，日本通產省繼金屬材料、無機材料、高分子材料之后將生物降解材料作為第四類材料。我國對聚乳酸材料的研發(fā)較晚，對聚乳酸的應用十分有限，產業(yè)化正處于萌芽狀態(tài)。隨著國際社會對環(huán)保的重視，我國近幾年也加大了對環(huán)境保護的力度。聚乳酸研究水平的不斷提高和信息交流的影響，使我國科研工作者對聚乳酸研究的熱情不斷提高。山西省化工研究院于2011年8月底宣布成功開發(fā)出TMC系列生物基塑料和生物可降解塑料專用合成劑，在聚乳酸研究方面取得了重大進步。目前我國的聚乳酸產業(yè)剛剛起步，其生產成本仍高于傳統(tǒng)塑料，需要研究的技術還很多，特別是我國大規(guī)模生產的聚乳酸產品質量還不夠穩(wěn)定。此外，在聚乳酸綠色材料的應用推廣中，相關部門的扶持政策也非常重要，通過為聚乳酸的研究產品開發(fā)創(chuàng)造良好的環(huán)境，在資金及技術上給予支持，將有助于推動我國聚乳酸產業(yè)的發(fā)展。

目前，許多發(fā)達國家在可降解塑料的使用方面已經有了明確的規(guī)劃，而我國的環(huán)保制度相對滯后，對聚乳酸纖維產業(yè)缺乏引導，這不利于其的發(fā)展。國家應出臺相應的政策，對聚乳酸產品研發(fā)和生產企業(yè)提供支持，為聚乳酸產品的應用打開市場。

5 結語

聚乳酸纖維具有合成纖維的特性，物理及力學性能較好，同時是一種高結晶度、高取向性的纖維，具有很好的生物相容性、可降解性和易吸收性，對環(huán)境無污染，可廣泛應用在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、食品等領域。未來開發(fā)聚乳酸產品具有很好的商業(yè)經濟價值和環(huán)境保護效益。但目前我國在聚乳酸產品開發(fā)方面還存在生產成本高、工藝復雜等問題。因此，簡化工藝、降低成本、制定相應環(huán)保政策將是聚乳酸方面的研究重點。總之，聚乳酸纖維是目前的主要綠色纖維之一，具有很大的發(fā)展空間和很好的應用前景。