聚乳酸及其立构复合物研究进展与应用

张俊馨，白红伟

（四川大学高分子科学与工程学院高分子材料工程国家重点实验室，成都610065）

聚乳酸及其立构复合物研究进展与应用

张俊馨，白红伟

（四川大学高分子科学与工程学院高分子材料工程国家重点实验室，成都610065）

聚乳酸是良好的环境友好材料，力学性能的不足限制了其应用，所以其立构复合物成为研究热点。本文介绍了聚乳酸立构复合物的制备方法及优良性能，并且对其应用进行了展望。

聚乳酸立构复合物；技术性能；生产现状；应用

随着石油资源的日益枯竭，环境污染严重等压力的增加，由石油线路制得的高分子材料具有能耗大，污染大，不易降解，回收困难等缺点。在这样的背景下，环境友好的生物可降解材料将成为未来的新型材料。聚乳酸是一种可以再生并且由植物资源制备的绿色塑料，在环境中可降解为CO2和H2O，不会对环境造成污染。然而其本身性能并不优良，如耐热性差，韧性差等，对其成为通用塑料和工程塑料以及大规模生产有了很大的限制，四川大学高分子科学与工程学院研究了聚乳酸立构复合物（SC-PLA），发现其在一定程度上克服了聚乳酸的缺点，通过实验对其进行其性能分析，并且查阅文献了解聚乳酸的生产现状，对其应用做出了展望。

1 立构聚乳酸制备及其性能研究

1.1 SC-PLA简介

Ikada[1]等研究表明，乳酸存在左旋和右旋2种对映异构体，聚左旋乳酸（PLLA）和聚右旋乳酸（PDLA）形成的聚乳酸立构复合物（SC-PLA）的熔点比各自均聚物高了50℃，见图1。所以SC-PLA有效提高了PLA的耐热性。PLLA和PDLA晶体为ɑ晶体，其分子链通过103螺旋堆积形成一种伪正交晶系，而SC-PLA则转变为β晶型，左旋和右旋的分子链间隔排列形成互补的结构，使堆积更加紧密，分子间范德华力更大，从而提高了PLA的熔点，SCPLA制备示意图见图1。

1.2 SC-PLA的成型技术

SC-PLA的制备方法主要有以乳酸为原料的直接缩聚和以丙交脂为原料的开环聚合两种途径。在本实验中，首先采用密炼制得SC-PLA粉末，然后采用低温烧结技术，在低于SC晶体熔点的较低温条件下施加较高压力促使SC-PLA粉末相互接触并紧密堆积在一起。低温烧结SC-PLA微观结构图见图2。

图1 SC-PLA制备示意图

图2 低温烧结SC-PLA微观结构图

通过界面区粉末表面构型相反的PLLA和PDLA自由分子链进一步结晶在界面上共结晶形成新的SC晶体，进而实现了SC-PLA粉末间的相互连接。由于等量的PLLA和PDLA通过熔体/溶液共混即可形成纳米尺寸的SC晶粒（200～300 nm），所以具有良好的透明性。

1.3 低温烧结的SC-PLA性能研究

本实验在180～210℃（介于HC晶体熔点和SC晶体熔点之间）的情况下，将压实（0.5～1.0 GPa）压力下的SC-PLA粉末进行低温烧结，结果显示，所得的产物SC晶体的含量接近100%，同时使SC-PLA的熔点比一般PLA熔点高50℃，最高可达240℃，这极大改善了PLA在耐热性上的不足[2，3]。同时，由于结晶率的提高，其力学性能也大大提高，Tsuji[4]等制备的SC-PLA拉伸强度和杨氏模量可达922 MPa和8.6 GPa，，并且其耐水解性能也优于一般的PLA，因为SC-PLA具有更强的氢键和偶极-偶极相互作用，其特殊的三维结构降低了非晶区域的吸水率。

综上，SC-PLA使聚乳酸的熔点、力学性能和耐水解性得到了大幅度提升，其透明性也有所提升，这些提升均来源于SC-PLA的结晶速率和结晶率的提升。SC-PLA性能的提升克服了其不易加工和产品性能差的缺点。

2 聚乳酸生产现状及问题

2.1 中国生产现状

中国有多家科研单位进行PLA的研发与生产，中科院长春研究所从20世纪90年代末便开始了研究[5，6]，在PLA纤维、包装材料等领域均有突破。成都有机化学公司主要从事医疗领域用PLA技术研究。中国PLA生产能力约46 kt/a，但产量不足6 kt，国外生产能力约150.6kt/a，产量约为120kt。由此可见，中国的PLA生产发展与应用还有很大的提升空间。

中国聚乳酸生产具有一定的优势，从政策来说，PLA产业属《产业结构调整目录（2011版）（2013年修订）》鼓励类产业，同时中国也有限塑令，防止白色污染。从原料上来说，中国乳酸资源充足，有十几家乳酸企业，如四川五粮液、江苏海嘉诺、河南金丹等，聚乳酸前景光明。

2.2 产业化聚乳酸的问题

（1）最突出的问题是聚乳酸的热性能、力学性能等。前面主要介绍了SC-PLA，能极大改善PLA各种性能的不足，相信未来若是SC-PLA能够产业化生产，聚乳酸产品的使用前景广阔。

（2）中国产业化与工程开发脱节，国内PLA装置的建设未发挥工程公司的重要作用，部分装置是企业自行进行生产线的设计放大等，不利于规模化生产，正如SC-PLA，虽然在实验室研究了其生产方法，但只能小规模生产，不能大规模应用。

（3）回收处理系统缺失。中国垃圾几乎不分类，造成回收困难，不能发挥PLA可降解成堆肥回用的优势。

3 SC-PLA的应用

PLA在新型环保包装材料、纤维材料、塑料制品、医用材料以及汽车内饰材料等领域应用前景广阔，作为性能更加优良的SC-PLA，其未来应用更加值得期待。可以作为工程塑料，因为其耐热性和力学性能均优于PLLA和PDLA，也可应用于各种电器的外壳和汽车零部件。同时，也可制为可降解纤维，研究表明，干法纺丝和熔融纺丝制得的SC-PLA纤维拉伸强度好，能满足日常应用纤维的强度和耐用性的要求，并且此纤维还具有舒适性好，手感好，悬垂性佳，不刺激皮肤等优点。

关于SC-PLA的3D打印技术也在研究中，因为聚乳酸具有良好的生物相容性，所以可以用来制备人造关节、器官等，而3D打印可准确地勾勒出器官的完整形状，怀化重点实验室对3D打印聚乳酸做了各种性能的研究[7，8]，得到了其打印的最佳条件，打印填充密度70%，打印速度100 mm/s，打印温度210℃。这项应用也为未来人体器官移植打开了新的一扇窗户。

4 结语

综上，聚乳酸这种环境友好材料将在未来占有举足轻重的地位，四川大学高分子材料工程国家重点实验室采用低温烧结的技术制备SC-PLA。SCPLA的研究改善了其热性能，使熔点和热稳定性提高，同时还使其力学性能、耐水解性能和透明性得到了大幅度的增强。从中国聚乳酸生产现状和国家政策得出，国家鼓励发展聚乳酸产业，多家企业已对聚乳酸展开研究并投入生产，但是存在产品性能不优良、产业化和研发脱节、回收处理系统缺失等问题限制其发展。相信不久后的将来，SC-PLA作为一种制备工艺简单、性能卓越的绿色塑料，必将在生产生活中广泛应用。

［1］IkadaY，JamshidiK，TsujiH，HyonS H．Macromolecules，1987，20（4）：904－906.

［2］Reddy M M，VivekanandhanS，MisraM．Bhatia S K，Mohanty A K．ProgPolymSci，2013，38（10－11）：1 653－1 689.

［3］Brizzolara D，Cantow H J，Diederichs K，Keller E，Domb A J．Macromolecules，1996，29（1）：191－197.

［4］KrastD，Yang Y Q．Polymer，2006，47，（13）：4 845－4 850.

［5］Albertsson A C，Varma I K．Biomacromolecules，2003，4（6）：1 466－1 486.

［6］Nampoothiri K M，Nair N R，John R P，BioresourTechnol，2010，101（22）：8 493-8 501.

［7］乔益民，王家民．3D打印技术在包装容器成型中的应用．包装工程，2012，（22）：68－72．

［8］邹君，凌秀琴．可生物降解性高分子材料—聚乳酸．广西化纤通讯，2000，（02）：35－37．

Research progress and application of polylactic acid and stereo structure complex

ZHANG Jun-xin，BAI Hong-wei
（College of polymer science and engineering，Sichuan University；Chengdu 610065，China）

Polylactic acid is a good environmental friendly material，insufficient mechanical properties limits its application，so the three-dimensional structure of composites have become a hot research topic，this paper presents a method for preparation of polylactic acid composite three-dimensional structure and excellent performance，and its application prospect.

polylactic acid stereo structure complex；technical performance；production status；application

TQ325

：B

：1009－1785(2017)05-0045-02

2017-01-15