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)

简述了美国NatureWorks公司开发和规模化生产的以生物质资源为原料的聚乳酸(PLA)产品IngeoTM的发展过程。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优良特性。介绍了Ingeo切片及其纤维的性能指标。

Ingeo，PLA切片，PLA纤维，性能

在全球原油资源紧张、环保呼声高涨的环境下，以生物质资源为原料的聚乳酸(PLA)产品被市场广为看好。NatureWorks公司是世界上第一家实现PLA大规模产业化生产的企业，已经成为全球最大的PLA生产商，并成功开发了美国、欧洲和亚洲几个国家的PLA市场。该公司PLA产品的商标为IngeoTM。

1 Ingeo的发展历程

美国最大的农业公司Cargill公司最先参加由玉米制造 PLA的研发工作，并早在1993年以EcoPLA的商标推出适用于挤出和注塑成型的PLA聚合物［1］。Cargill公司先与擅长生物化学的Purac Biochem公司合作，完善了从玉米制造乳酸的发酵过程，然后与Dow Chemical公司于1997年各占50%股份合资成立Cargill-Dow Polymer股份公司，总部设在Nebraska的Blair。该公司致力于生产乳酸及PLA，2000年在Blair建成Pilot工厂，产能为6 000 t/a，产品的商品名为NatureWorks PLA;而后投资3亿美元建造了年产7万t的PLA聚合物工厂，并于2002年初正式投产［2］。2003年1月发布了PLA的品牌名称Ingeo。Ingeo来自短语“ingredients from the earth”，意为来自地球的组分［3］。2005年1月Cargill公司收购了Dow Chemical公司持有的股份，2月份公司启用新的名称 Nature Works［4］。2008 年底 NatureWorks公司开始增加位于Blair工厂的产能，并于2009年7月7日完成，使PLA的年产量达到了14万t［5］。

2 Ingeo的优良性能

2.1 原料可再生性

NatureWorks公司的PLA产品主要是通过简单的植物糖(如玉米糖)发酵、过滤、聚合而成，原料为可再生的生物质资源。

到目前为止，NatureWorks公司应用于纤维和塑料领域的全部型号的Ingeo均已获得OK biobased最高星级标准(四星)的认证标签。该认证于2009年9月推出，目的是为消费者鉴定包装材料、纤维制品、个人护理产品、电子产品和其他制造商品中生物碳的含量。Vincotte的OK biobased认证遵照ASTM D6866标准检验产品中可再生或生物基的碳含量。该认证标签对材料进行星级区分，根据可再生碳含量将材料分为四个等级:一星级代表生物基碳含量为20% ～40%，二星级为40% ～60%，三星级为60% ～80%，四星级为80%以上。根据测试，NatureWorks公司生产的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制品废弃后在土壤或水中，30 d内会在微生物、水、酸和碱的作用下彻底分解成二氧化碳和水，不会对环境产生污染，不会造成白色污染，因而是一种具有完全可生物降解性的合成高分子材料［7］。

PLA类材料的降解可分为简单水解降解和酶催化水解降解［8］。

简单水解降解反应是水分子攻击PLA分子中的酯键，使其分解为羧酸和醇的反应，是酯化反应的逆反应。水解主要包括吸水、酯键断裂、可溶性齐聚物扩散和碎片溶解等四个过程。PLA的酶催化降解和纤维素等天然聚合物的降解是不同的。天然聚合物的降解，一般是直接和酶反应;而聚乳酸酯不接受直接的酶攻击，在自然降解环境下首先发生水解，使其相对分子质量有所降低，分子骨架有所破裂，形成较低相对分子质量的组分。水解到一定程度，方可以进一步在酶的作用下新陈代谢，使降解过程得以完成。在PLA类材料的降解过程中，第一步的水解作用几乎是不可避免的，因此聚乳酸酯的酶降解过程是间接的。

2.3 生物相容性

乳酸是乳酸杆菌产生的一种碳水化合物，是生物体(包括人体)中常见的天然化合物。通过乳酸环化二聚物的化学聚合或乳酸的直接聚合可得到高相对分子质量的PLA。目前的合成工艺基本上以L-乳酸为单体，而L-乳酸是人体内正常的糖代谢产物，且人体内还含有分解L-乳酸的酶，因此PLA纤维在人体内具有优良的生物相容性，可以作为优良的材料应用于生物医学领域［9］。由于PLA优良的生物相容性，其降解产物能参与人体代谢，美国食品医药局(FDA)已批准PLA可用于制作医用手术缝合线、注射用胶囊、微球及埋植剂等，并可能在不远的将来用于替代金属移植物［10］。

2.4 低能耗和低碳排放量性

据报道［11］，NatureWorks公司使用植物取代石油生产的Ingeo天然塑料于2008年底采用全新的制作过程，与原有技术相比，Ingeo天然塑料可减少高达35%的二氧化碳排放，并能有效降低16%的矿物能源消耗，图1是Ingeo与聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和通用级聚苯乙烯(GPPS)的二氧化碳排放量及能量消耗的比较。

图1 二氧化碳排放量及能量消耗比较

相对于其他由石油为原料制得的塑料，Ingeo天然塑料可减少二氧化碳排放量与能源消耗量。例如，常用于制造水瓶、碳酸饮料罐和合成纤维的PET，在传统生产过程中每千克切片会释放3.2 kg的二氧化碳;采用新工艺生产的Ingeo可使二氧化碳排放量减少59%，每千克切片仅释放1.3 kg的二氧化碳。同时，新的Ingeo制作过程与生产等量PET相比，其能源消耗减少高达38%。

3 Ingeo产品

由于Ingeo聚合物性能优良，在一定程度上可以用作PET、聚烯烃、聚苯乙烯(PS)等的替代品。目前Ingeo聚合物可用于制造纤维、非织造布、包装及涂层材料等产品。

3.1 Ingeo切片

美国NatureWorks公司共生产23种牌号的PLA树脂，其中塑料级切片10种，纤维级切片10种，还有是用作涂层材料的切片3种。Ingeo切片及相关产品性能见表1～表5，纤维性能比较见表6(表中数据均来自于NatureWbrks公司)。

表1 注塑用PLA切片性能

表2 用膜级PLA切片制成的薄膜性能

表3 瓶级PLA切片的性能及加工条件

表4 纤维级PLA切片及其纤维性能

表5 非织造布用PLA切片及其非织造布性能

表6 PLA纤维与常见纤维性能比较

3.2 Ingeo纤维

以Ingeo切片为原料在传统纺丝和牵伸装置上生产出的纤维具有优良的性能。

通过比较可以看到，PLA纤维的主要优点:①PLA是唯一可熔纺的可再生聚合物;②密度比天然纤维低;③强度比天然纤维高;④回潮率明显比天然纤维低;⑤燃烧时产生的烟雾比其他合成纤维小;⑥抗紫外线性能优异。主要缺点是:①耐碱性差，在常见的分散性燃料中有强度损失;②熔点低，熨烫温度不能太高。

4 展望

美国NatureWorks公司积极联合世界各公司共同开展PLA纤维及下游产品加工与巿场开拓工作，PLA的应用领域和总量正在不断扩大和增加。可以断定，PLA将成为21世纪新材料领域最耀眼的明星，而NatureWorks公司的Ingeo将在很长时间内统治PLA的市场。中国的相关企业可与其合作，消化吸收技术，进行创新，建立自己的品牌。

［1］魏淳，李光.聚乳酸纤维的发展过程及现状［J］.产业用纺织品，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］王晓青，石峰晖，严庆.生物降解塑料在包装领域的加工应用技术进展［C］//2005年全国高分子学术论文报告会论文摘要集.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－hortifair.aspx

［7］邹君，凌秀琴.可生物降解性高分子材料——聚乳酸［J］.广西化纤通讯，2000，28(2):35-37.

［8］张敏，崔春娜.聚乳酸降解的影响因素和降解机理的分析［J］.包装工程，2008，29(8):16-18.

［9］王向冰，杨革生.聚乳酸熔融法纺丝原料选择的研究［J］.合成纤维，2005，35(11):1-5.

［10］陆小成，罗新星，资武成.基于聚乳酸纤维技术的玉米产业化发展对策研究［J］.山西农业科学，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，技术助理。主要从事新型非织造材料的研究。