绿色可降解材料——玉米PLA

孙晨阳

摘 要：面对席卷全球的绿色浪潮，材料科学以玉米等的自然资源为原料成功提炼出了高分子原料——绿色可生物降解的环保新型合成材料玉米PLA（聚乳酸），其具有良好的力学性能、降解产物无毒、生物相容性好等特点。本文主要介绍了玉米PLA作为设计材料的主要性能、应用以及玉米PLA杯子为例的加工工艺及发展趋势。

关键词：绿色可降解无毒材料；玉米PLA；聚乳酸；应用；加工工艺

引言

随着高新技术和全球经济的蓬勃发展以及新兴国家的崛起，世界范围内人们物质文化生活水平的不断提高，致使其对塑料产品的使用依赖性愈加增长。资源过度消耗导致资源日趋枯竭，环境污染尤其是白色垃圾增多，生态日益恶化。人们由此掀起了一场绿色革命，对绿色制造、绿色消费等越来越重视，一个“绿色社会”已经来临。在工业设计领域尤其是与食品相关的工业产品上，绿色材料的应用正越来越被设计师及消费者认同。这其中，玉米PLA作为一种绿色材料的典型，正愈来愈多的出现在人们的日常生活中。

玉米PLA可以通过生物降解回归大自然，其合成的最初原料乳酸由淀粉发酵得到，不仅来源丰富，而且来自天然。这种材料与传统塑料具有相似的性能，但其能在自然环境中较快地分解，达到自然生态的平衡。因此，聚乳酸在工业产品上的开发与应用，是人类对自然界碳循环的一种和谐参与，在绿色可降解材料中尤其引人注目。目前，市面上已有以聚乳酸为原料生产的玉米PLA全降解餐具和一些儿童用工业产品。在以“环境与开发”为大背景的21世纪，积极开发和利用聚乳酸显得尤为重要。

1 PLA的主要性能与应用领域

1.1PLA的物理性能

由于具有高结晶性和高取向性，PLA具有高强度和高耐热性，能与聚酯相媲美，还有与聚酯同样较为理想的透明性，同时其以高光泽度以及良好的阻隔性著称。

与其他塑料相比，PLA的最大特点就是具有生物可降解性。PLA降解的最终产物为二氧化碳和水，而这两种产物又可通过植物的光合作用，变成乳酸的原料淀粉，因此 PLA 可以参与自然界的碳循环，不会对环境造成污染，是非常理想的绿色环保材料。

PLA可降解的根本原因是聚合物链上酯键的水解，并且一般认为PLA末端羧基对其水解起自催化作用，降解过程从无定形区开始。水解速率不仅与聚合物的化学结构、分子量及分子量分布、形态结构和样品尺寸有关，还依赖于外部水解环境，如微生物的种类及其生长条件、环境温度、湿度、pH值等。

1.2 PLA的安全性能

纯净的PLA几乎没有毒性，它在生物体内慢慢分解成乳酸。而乳酸作为人体内固有的产物，可被人体分解吸收，并作为碳素源被人体充分利用。因此聚乳酸产品对人体无毒无伤害。

PLA材料使用后，可以进行以下三种方式的处理：（1）自然降解；（2）堆肥；（3）燃烧处理。PLA自然降解的最终产物为二氧化碳和水，而这两种产物均是自然界中存在的，不会引起环保问题。PLA材料燃烧时燃烧气中几乎没有NOx ，燃烧热更是只有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）的三分之一左右，因此PLA相对于普通油基塑料更加安全环保。

1.3 PLA的主要应用领域

PLA作为生物降解材料在医药及医疗用品方面的开发应用受到了高度重视。PLA纤维因其优良的生物降解性、低毒性和生物相容性，在医疗、医学领域具有广阔的应用前景。PLA还被广泛应用于纺织领域，还可以用作薄膜、胶粘剂、注拉吹制品、乳液、泡沫及热成型或注塑模成型制品等。

2 PLA的加工工艺（以玉米PLA杯子为例）

2.1 PLA的性能特点及加工要点

纯的PLA具有成品收缩率高、加工稳定性差、尺寸稳定性差、结晶速度慢和耐久性差等缺点，而且材料本身韧性较差，热变形温度较低，因此在很大程度上制约了PLA的加工工艺。因此，通过加入添加物的方式来改善其性质，可以使之采用几乎所有热塑性塑料的加工工艺来成型。

在PLA杯子的成型加工过程中，需要注意的是对成型温度（如料温、喷嘴温度和模具温度等）、压力（如射出压力和模内压力等）和与之对应的各种作用时间（如射出时间、保压时间和冷却时间等）的精确控制，同时也不要忽视会影响塑料温度和压力变化的其他加工因素，如螺杆转速、加料量及料管内的停留时间是否过长等。

2.2温度

PLA原料的熔化温度为145～155℃，PLA对温度较为敏感的特性以及在料管内较长时间的停留容易导致PLA降解，因此，在设定温度时，要结合杯子模具的结构特点，均衡温度与停留时间的关系。料管的温度要设定在PLA的熔融温度以上，约在180～200℃。喂料段的温度要尽可能地设定为较低温度以保证喂料顺畅，尤其对于非结晶化处理的PLA材料。另外，为了保证成品性能，防止局部剪切生热过多导致PLA降解，螺杆的转速不能太高。

2.3模具

在通常情况下，可以使用加工PET所用的现有的杯子模具，PLA的伸展度与PET相似，而密度为1.25g/cm，比PET低。PLA熔胶的冷却速度由杯子的模具温度直接决定，同时还影响PLA的充填行为和最终成品的性能。因此，在设定温度时，不仅要保证射出的脱模不变形、质量完整，还要综合考虑模温对PLA的结晶、分子取向、成品应力和其他力学性能的影响。在熔融条件下，如果模具表面非常冷，PLA容易分解出乳酸，只有温度高于25℃时这种情况才可以得到避免，故模具温度不可低于25℃。

2.4射出周期和射出速度

成型周期中对成品的性能和质量起决定性影响的是冷却时间和射出时间。单从时间来看，成品的射出时间一般少于1s，保压时间为2～5s，而冷却时间则以控制成品脱模时不发生翘曲变形且脱模顺利为原则，并符合PLA再结晶化的时间需求，对于玉米PLA杯子的生产来说，这个时间大概是在40～50s。

3玉米PLA的发展趋势

PLA已得到得纽约生物降解产品协会的认可，这也意味着它将在诸多领域发挥更大的作用，而未来，降低价格、提高性能将会是玉米PLA材料发展的主要趋势。由于PLA材料加热时易热分解等问题的存在，其在更多领域的应用仍然受很大限制。因此，一方面需要加強对符合绿色化学工艺的乳酸熔融聚合直接合成聚乳酸的研究，以获得高分子量、低成本的聚乳酸材料；另一方面，需要开发新型的、环保的、避免制造过程中聚乳酸材料热分解的工艺。

4结语

（1）PLA作为一种绿色合成材料，不使用石油化工原料、取材于天然，来源丰富、可持续发展、无公害、性能优良、用途广泛，其发展前景非常广阔。

（2）PLA如能完全替代石油基合成纤维和塑料，将有不可估量的经济效益和环境意义。

（3）PLA在工业领域有很大的发展空间，目前市面上已有PLA儿童用牙刷及PLA玩具等一系列儿童产品，这种无毒材料对人体尤其是抵抗力差的儿童来说更安全可靠。除了儿童用品，厨房用具及一次性餐具、杯子均可以采用PLA材料制作，而且PLA可制成纤维用于纺织领域，不仅对生物无毒无害，而且具有环境友好性。

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