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)

簡述了美國NatureWorks公司開發和規模化生產的以生物質資源為原料的聚乳酸(PLA)產品IngeoTM的發展過程。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優良特性。介紹了Ingeo切片及其纖維的性能指標。

Ingeo，PLA切片，PLA纖維，性能

在全球原油資源緊張、環保呼聲高漲的環境下，以生物質資源為原料的聚乳酸(PLA)產品被市場廣為看好。NatureWorks公司是世界上第一家實現PLA大規模產業化生產的企業，已經成為全球最大的PLA生產商，并成功開發了美國、歐洲和亞洲幾個國家的PLA市場。該公司PLA產品的商標為IngeoTM。

1 Ingeo的發展歷程

美國最大的農業公司Cargill公司最先參加由玉米制造 PLA的研發工作，并早在1993年以EcoPLA的商標推出適用于擠出和注塑成型的PLA聚合物［1］。Cargill公司先與擅長生物化學的Purac Biochem公司合作，完善了從玉米制造乳酸的發酵過程，然后與Dow Chemical公司于1997年各占50%股份合資成立Cargill-Dow Polymer股份公司，總部設在Nebraska的Blair。該公司致力于生產乳酸及PLA，2000年在Blair建成Pilot工廠，產能為6 000 t/a，產品的商品名為NatureWorks PLA;而后投資3億美元建造了年產7萬t的PLA聚合物工廠，并于2002年初正式投產［2］。2003年1月發布了PLA的品牌名稱Ingeo。Ingeo來自短語“ingredients from the earth”，意為來自地球的組分［3］。2005年1月Cargill公司收購了Dow Chemical公司持有的股份，2月份公司啟用新的名稱 Nature Works［4］。2008 年底 NatureWorks公司開始增加位于Blair工廠的產能，并于2009年7月7日完成，使PLA的年產量達到了14萬t［5］。

2 Ingeo的優良性能

2.1 原料可再生性

NatureWorks公司的PLA產品主要是通過簡單的植物糖(如玉米糖)發酵、過濾、聚合而成，原料為可再生的生物質資源。

到目前為止，NatureWorks公司應用于纖維和塑料領域的全部型號的Ingeo均已獲得OK biobased最高星級標準(四星)的認證標簽。該認證于2009年9月推出，目的是為消費者鑒定包裝材料、纖維制品、個人護理產品、電子產品和其他制造商品中生物碳的含量。Vincotte的OK biobased認證遵照ASTM D6866標準檢驗產品中可再生或生物基的碳含量。該認證標簽對材料進行星級區分，根據可再生碳含量將材料分為四個等級:一星級代表生物基碳含量為20% ～40%，二星級為40% ～60%，三星級為60% ～80%，四星級為80%以上。根據測試，NatureWorks公司生產的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制品廢棄后在土壤或水中，30 d內會在微生物、水、酸和堿的作用下徹底分解成二氧化碳和水，不會對環境產生污染，不會造成白色污染，因而是一種具有完全可生物降解性的合成高分子材料［7］。

PLA類材料的降解可分為簡單水解降解和酶催化水解降解［8］。

簡單水解降解反應是水分子攻擊PLA分子中的酯鍵，使其分解為羧酸和醇的反應，是酯化反應的逆反應。水解主要包括吸水、酯鍵斷裂、可溶性齊聚物擴散和碎片溶解等四個過程。PLA的酶催化降解和纖維素等天然聚合物的降解是不同的。天然聚合物的降解，一般是直接和酶反應;而聚乳酸酯不接受直接的酶攻擊，在自然降解環境下首先發生水解，使其相對分子質量有所降低，分子骨架有所破裂，形成較低相對分子質量的組分。水解到一定程度，方可以進一步在酶的作用下新陳代謝，使降解過程得以完成。在PLA類材料的降解過程中，第一步的水解作用幾乎是不可避免的，因此聚乳酸酯的酶降解過程是間接的。

2.3 生物相容性

乳酸是乳酸桿菌產生的一種碳水化合物，是生物體(包括人體)中常見的天然化合物。通過乳酸環化二聚物的化學聚合或乳酸的直接聚合可得到高相對分子質量的PLA。目前的合成工藝基本上以L-乳酸為單體，而L-乳酸是人體內正常的糖代謝產物，且人體內還含有分解L-乳酸的酶，因此PLA纖維在人體內具有優良的生物相容性，可以作為優良的材料應用于生物醫學領域［9］。由于PLA優良的生物相容性，其降解產物能參與人體代謝，美國食品醫藥局(FDA)已批準PLA可用于制作醫用手術縫合線、注射用膠囊、微球及埋植劑等，并可能在不遠的將來用于替代金屬移植物［10］。

2.4 低能耗和低碳排放量性

據報道［11］，NatureWorks公司使用植物取代石油生產的Ingeo天然塑料于2008年底采用全新的制作過程，與原有技術相比，Ingeo天然塑料可減少高達35%的二氧化碳排放，并能有效降低16%的礦物能源消耗，圖1是Ingeo與聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和通用級聚苯乙烯(GPPS)的二氧化碳排放量及能量消耗的比較。

圖1 二氧化碳排放量及能量消耗比較

相對于其他由石油為原料制得的塑料，Ingeo天然塑料可減少二氧化碳排放量與能源消耗量。例如，常用于制造水瓶、碳酸飲料罐和合成纖維的PET，在傳統生產過程中每千克切片會釋放3.2 kg的二氧化碳;采用新工藝生產的Ingeo可使二氧化碳排放量減少59%，每千克切片僅釋放1.3 kg的二氧化碳。同時，新的Ingeo制作過程與生產等量PET相比，其能源消耗減少高達38%。

3 Ingeo產品

由于Ingeo聚合物性能優良，在一定程度上可以用作PET、聚烯烴、聚苯乙烯(PS)等的替代品。目前Ingeo聚合物可用于制造纖維、非織造布、包裝及涂層材料等產品。

3.1 Ingeo切片

美國NatureWorks公司共生產23種牌號的PLA樹脂，其中塑料級切片10種，纖維級切片10種，還有是用作涂層材料的切片3種。Ingeo切片及相關產品性能見表1～表5，纖維性能比較見表6(表中數據均來自于NatureWbrks公司)。

表1 注塑用PLA切片性能

表2 用膜級PLA切片制成的薄膜性能

表3 瓶級PLA切片的性能及加工條件

表4 纖維級PLA切片及其纖維性能

表5 非織造布用PLA切片及其非織造布性能

表6 PLA纖維與常見纖維性能比較

3.2 Ingeo纖維

以Ingeo切片為原料在傳統紡絲和牽伸裝置上生產出的纖維具有優良的性能。

通過比較可以看到，PLA纖維的主要優點:①PLA是唯一可熔紡的可再生聚合物;②密度比天然纖維低;③強度比天然纖維高;④回潮率明顯比天然纖維低;⑤燃燒時產生的煙霧比其他合成纖維小;⑥抗紫外線性能優異。主要缺點是:①耐堿性差，在常見的分散性燃料中有強度損失;②熔點低，熨燙溫度不能太高。

4 展望

美國NatureWorks公司積極聯合世界各公司共同開展PLA纖維及下游產品加工與巿場開拓工作，PLA的應用領域和總量正在不斷擴大和增加。可以斷定，PLA將成為21世紀新材料領域最耀眼的明星，而NatureWorks公司的Ingeo將在很長時間內統治PLA的市場。中國的相關企業可與其合作，消化吸收技術，進行創新，建立自己的品牌。

［1］魏淳，李光.聚乳酸纖維的發展過程及現狀［J］.產業用紡織品，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］王曉青，石峰暉，嚴慶.生物降解塑料在包裝領域的加工應用技術進展［C］//2005年全國高分子學術論文報告會論文摘要集.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］鄒君，凌秀琴.可生物降解性高分子材料——聚乳酸［J］.廣西化纖通訊，2000，28(2):35-37.

［8］張敏，崔春娜.聚乳酸降解的影響因素和降解機理的分析［J］.包裝工程，2008，29(8):16-18.

［9］王向冰，楊革生.聚乳酸熔融法紡絲原料選擇的研究［J］.合成纖維，2005，35(11):1-5.

［10］陸小成，羅新星，資武成.基于聚乳酸纖維技術的玉米產業化發展對策研究［J］.山西農業科學，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，技術助理。主要從事新型非織造材料的研究。