聚乳酸纤维的性能、应用及发展方向*

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1.江西服装学院服装工程学院， 江西 南昌 330201；2.江西省现代服装工程技术研究中心， 江西 南昌 330201

随着我国社会经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，但工业生产及生活所带来的污染日益严重，因此可再生资源、环保型原料越来越受到人们的关注。在环保型材料中，聚乳酸高分子环保材料逐步受到人们的青睐。聚乳酸纤维具有可再生、成本低、来源广、环保等特点，又称聚丙交酯和玉米纤维。它是先用玉米、小麦、土豆等淀粉原料制成的乳酸，再通过聚合纺丝而得到的纤维。这种纤维具有优良的生物降解性、生物相容性和吸收性，其织物具有很好的悬垂性、吸湿透气性、耐晒性以及光泽性、回弹性、成型加工性等优点。目前，国外对聚乳酸纤维的研究和开发较成熟，如美国的杜邦公司，日本的东丽、钟纺公司等。国内对聚乳酸的研究还处于起步阶段，因此对聚乳酸纤维的研究以及开发应用是非常必要的[1]。

1 聚乳酸纤维的结构和性能

1.1 聚乳酸纤维的结构

聚乳酸纤维可采用溶液纺丝、熔体纺丝和静电纺丝等加工方法生产，大多采用熔体纺丝法。其纤维结构大体为圆柱体，横截面近似为圆形。图1为聚乳酸纤维在水、细菌和氧气的环境下处理后的结构照片。

图1 聚乳酸纤维在水、细菌和氧气环境下处理后的结构

由图1可以看出，聚乳酸纤维在水、细菌和氧气环境下处理后横向截面和纵向表面上存在一些无规律的斑点和断断续续的条纹，这是聚乳酸纤维内大量的非结晶部分在水、细菌和氧气中进行较快的分解所形成的[2]。

1.2 聚乳酸纤维的性能特点

1.2.1 生物可降解性和相容性

聚乳酸纤维原料丰富且可循环利用。该纤维废弃在土壤和水中能够通过微生物降解为二氧化碳和水，降解产物无毒无害，不会对环境造成影响，随后在光合作用下，通过小麦、玉米等农作物又成为淀粉的起始原料——乳酸。这个循环过程既能生产聚乳酸的原料，还可以通过光合作用减少大气中的二氧化碳。聚乳酸纤维作为一种新兴的生物降解材料，其应用极其广泛。除此之外，聚乳酸在人体内通过酸或酶等水解为乳酸，而乳酸是细胞的一种代谢产物，可以再经过酶的进一步代谢生成二氧化碳和水。因此，聚乳酸纤维还具有很好的生物相容性[3]。

1.2.2 聚乳酸的物理性能

聚乳酸属于热塑性高分子材料，可塑性和物理加工性能好，具有良好的弹性和柔韧性以及较高的熔点等，可以进行挤出、拉伸和吹塑等工艺加工成型，在现代材料应用中具有广泛的应用前景。

1.2.3 聚乳酸的吸湿性

在吸湿方面，聚乳酸具有天然纤维和合成纤维的特点，具有良好的吸湿性能。朱兰芳等[4]的研究表明：棉纤维中的亲水基团多于聚乳酸纤维，而聚乳酸纤维中的亲水基团多于聚酯(PET)纤维，所以聚乳酸纤维的吸湿性比PET纤维好，但比棉纤维差。在导湿方面，聚乳酸纤维的极性氧键与水分子连接，使水分子可以快速转移，从而赋予织物导湿快干性能。

2 聚乳酸的合成方法

目前聚乳酸的合成方法主要有两种：一种是直接聚合法，另一种是丙交酯开环聚合法。按照加热方式，聚乳酸的合成方法又可分为传统法和微波辐射法[5]。

2.1 直接聚合法

利用乳酸的活性，在脱水剂的作用下，通过加热使乳酸分子中的羟基和羧基受热脱水，直接缩聚合成低聚物，再加入催化剂继续升温，使低相对分子质量的聚乳酸聚合成更高相对分子质量的聚乳酸[3,5]。

2.2 丙交酯开环聚合法

丙交酯开环聚合制备聚乳酸大多采用两步法合成：将乳酸作为原料，在催化剂的作用下制成丙交酯(环状二聚体)，再在催化剂的作用下聚合制成聚乳酸及共聚物。开环聚合所用的催化剂不同，聚合机理也不同，目前主要有阳离子聚合、阴离子聚合和配位聚合[6]。

2.3 聚合加热方式

聚合加热方式主要分为传统加热和微波辐射加热两种。传统加热方式存在设备复杂、操作繁琐、时间长、效率低、能耗大等问题，不利于进行大规模生产。微波辐射是一种新型的加热方式，也是一种无滞后效应、效率高、无污染、环保的加热方法。微波辐射的功率和时间对聚合有一定的影响。张科等[7]认为在一定微波功率条件下，反应时间不能过长或过短，有一个最佳值，时间过长会导致聚乳酸的相对分子质量下降。微波辐射功率越大，反应时间越长，所得的产物颜色就越深。微波辐射法更适合商业用聚乳酸聚合[7]。

3 聚乳酸的应用

3.1 聚乳酸纤维在服装上的应用

运动服对面料的舒适性有着很高的要求，运动服必须满足吸湿快干的要求，并且轻薄。聚乳酸纤维具有一定的导湿快干性，以及有利于皮肤的弱酸性和亲肤性，适合开发运动面料。但是纯聚乳酸纤维的吸湿性相对较差，无法满足运动面料吸湿快干的要求。因此，将聚乳酸纤维和其他纤维混纺所制造的面料用于制作运动服装，不仅可以满足吸湿快干的要求，还能改善聚乳酸纤维的其他性能。肖云超等[8]将聚乳酸纤维长丝与亚麻/黏胶单纱直接并合加捻，克服了聚乳酸纤维吸湿性差的缺点，同时还提高了织物的耐磨性等。

聚乳酸还可以通过混纺制得类似于丝绸的织物，不但耐用，而且还具有很好的抗皱性，具有丝绸般的风格，是女装、礼服的理想面料。

3.2 聚乳酸纤维在医疗领域中的应用

聚乳酸具有很好的生物可降解性，无刺激性，无毒性，因而可以广泛应用于医疗领域，可以作为手术缝合线、纱布，还可以用于骨骼修复等。近年来，可降解聚乳酸在医疗中的应用正由传统生物材料向智能材料转变，将有利于骨骼生长的细胞培养到可降解的聚乳酸中，可提供骨骼的生长和恢复。张宁等[9]将质量分数为70%的β-磷酸三钙加入聚乳酸中，制得的复合材料与骨髓间充质干细胞放在培养板上共同培养，发现细胞能在复合材料表面黏附和增殖，这一性能有利于骨骼的修复。聚乳酸还可以作为组织工程材料。组织工程是指应用生命科学与工程结构原理和方法，构建一个可以增进人体细胞和恢复人体受损组织或器官的功能。聚乳酸通过生物降解，在人体生成细胞的产物乳酸的共聚物，例如软骨组织种植在聚乳酸内可以生成软骨细胞[10]。同时，聚乳酸还可以作为药物的缓释材料，用聚乳酸制备的胶囊可以减小大量药物对肠胃的刺激和伤害，抑制细菌的吞噬等，有效地提高药物的利用率。

3.3 聚乳酸在塑料中的应用

在现代生活环境中，生态污染一直受到人们的关注，不可降解的塑料影响着我们的生活环境，造成了水质变差、土地变坏等危害，为此，成本低廉、可降解、环保的聚乳酸受到了人们的关注。聚乳酸的气体穿透性比聚乙烯(PE)高得多，所以聚乳酸可以制作矿泉水瓶，但是不能长期储存汽水。甄光明等[11]采用熔融共混法制备的聚乳酸/纳米碳酸钙复合材料，不仅提高了材料的结晶度，还增加了材料对水蒸气的阻碍穿透能力。聚乳酸很脆，受到外力作用时容易损坏。另外，较差的弹性使之不能与PE生产的购物袋、地膜作比较，所以聚乳酸的共混改性工艺极为重要。

食品包装被认为是聚乳酸的最大应用市场。聚乳酸对气体和水蒸气的透气性很好，但是对具有香味的精油具有极高的阻隔性。因此，聚乳酸可以作为茶叶、香水等的包装材料[12]。此外，因为聚乳酸对精油类具有极高的阻碍性，所以聚乳酸也可用于制造香烟的滤嘴。赵群[13]对聚乳酸滤嘴的试验结果表明，聚乳酸纤维对焦油有一定的吸附作用。

4 聚乳酸的发展概况和前景

在20世纪，塑料已经被广泛应用在各个领域，常用的塑料产品有聚乙烯、聚氯乙烯等，这些材料具有质量轻、强度高等特点，但大多为不易分解、对环境严重污染的材料。随着社会的进步及环保呼声的日益提高，人们寻找可降解、环保性能好的材料代替传统塑料材料成为了必然。聚乳酸作为可降解材料，因其制造成本低、来源广，近几年来一直受到社会的广泛关注。

目前，对聚乳酸进行研究与生产的国家主要有美国、日本、德国、中国等。国外在生物降解材料的研究上投入了大量的资金，美国卡吉尔公司建有7 000 t/a的装置，日本通产省继金属材料、无机材料、高分子材料之后将生物降解材料作为第四类材料。我国对聚乳酸材料的研发较晚，对聚乳酸的应用十分有限，产业化正处于萌芽状态。随着国际社会对环保的重视，我国近几年也加大了对环境保护的力度。聚乳酸研究水平的不断提高和信息交流的影响，使我国科研工作者对聚乳酸研究的热情不断提高。山西省化工研究院于2011年8月底宣布成功开发出TMC系列生物基塑料和生物可降解塑料专用合成剂，在聚乳酸研究方面取得了重大进步。目前我国的聚乳酸产业刚刚起步，其生产成本仍高于传统塑料，需要研究的技术还很多，特别是我国大规模生产的聚乳酸产品质量还不够稳定。此外，在聚乳酸绿色材料的应用推广中，相关部门的扶持政策也非常重要，通过为聚乳酸的研究产品开发创造良好的环境，在资金及技术上给予支持，将有助于推动我国聚乳酸产业的发展。

目前，许多发达国家在可降解塑料的使用方面已经有了明确的规划，而我国的环保制度相对滞后，对聚乳酸纤维产业缺乏引导，这不利于其的发展。国家应出台相应的政策，对聚乳酸产品研发和生产企业提供支持，为聚乳酸产品的应用打开市场。

5 结语

聚乳酸纤维具有合成纤维的特性，物理及力学性能较好，同时是一种高结晶度、高取向性的纤维，具有很好的生物相容性、可降解性和易吸收性，对环境无污染，可广泛应用在工业、农业、医疗、食品等领域。未来开发聚乳酸产品具有很好的商业经济价值和环境保护效益。但目前我国在聚乳酸产品开发方面还存在生产成本高、工艺复杂等问题。因此，简化工艺、降低成本、制定相应环保政策将是聚乳酸方面的研究重点。总之，聚乳酸纤维是目前的主要绿色纤维之一，具有很大的发展空间和很好的应用前景。