聚乳酸及其立構復合物研究進展與應用

張俊馨，白紅偉

（四川大學高分子科學與工程學院高分子材料工程國家重點實驗室，成都610065）

聚乳酸及其立構復合物研究進展與應用

張俊馨，白紅偉

（四川大學高分子科學與工程學院高分子材料工程國家重點實驗室，成都610065）

聚乳酸是良好的環境友好材料，力學性能的不足限制了其應用，所以其立構復合物成為研究熱點。本文介紹了聚乳酸立構復合物的制備方法及優良性能，并且對其應用進行了展望。

聚乳酸立構復合物；技術性能；生產現狀；應用

隨著石油資源的日益枯竭，環境污染嚴重等壓力的增加，由石油線路制得的高分子材料具有能耗大，污染大，不易降解，回收困難等缺點。在這樣的背景下，環境友好的生物可降解材料將成為未來的新型材料。聚乳酸是一種可以再生并且由植物資源制備的綠色塑料，在環境中可降解為CO2和H2O，不會對環境造成污染。然而其本身性能并不優良，如耐熱性差，韌性差等，對其成為通用塑料和工程塑料以及大規模生產有了很大的限制，四川大學高分子科學與工程學院研究了聚乳酸立構復合物（SC-PLA），發現其在一定程度上克服了聚乳酸的缺點，通過實驗對其進行其性能分析，并且查閱文獻了解聚乳酸的生產現狀，對其應用做出了展望。

1 立構聚乳酸制備及其性能研究

1.1 SC-PLA簡介

Ikada[1]等研究表明，乳酸存在左旋和右旋2種對映異構體，聚左旋乳酸（PLLA）和聚右旋乳酸（PDLA）形成的聚乳酸立構復合物（SC-PLA）的熔點比各自均聚物高了50℃，見圖1。所以SC-PLA有效提高了PLA的耐熱性。PLLA和PDLA晶體為ɑ晶體，其分子鏈通過103螺旋堆積形成一種偽正交晶系，而SC-PLA則轉變為β晶型，左旋和右旋的分子鏈間隔排列形成互補的結構，使堆積更加緊密，分子間范德華力更大，從而提高了PLA的熔點，SCPLA制備示意圖見圖1。

1.2 SC-PLA的成型技術

SC-PLA的制備方法主要有以乳酸為原料的直接縮聚和以丙交脂為原料的開環聚合兩種途徑。在本實驗中，首先采用密煉制得SC-PLA粉末，然后采用低溫燒結技術，在低于SC晶體熔點的較低溫條件下施加較高壓力促使SC-PLA粉末相互接觸并緊密堆積在一起。低溫燒結SC-PLA微觀結構圖見圖2。

圖1 SC-PLA制備示意圖

圖2 低溫燒結SC-PLA微觀結構圖

通過界面區粉末表面構型相反的PLLA和PDLA自由分子鏈進一步結晶在界面上共結晶形成新的SC晶體，進而實現了SC-PLA粉末間的相互連接。由于等量的PLLA和PDLA通過熔體/溶液共混即可形成納米尺寸的SC晶粒（200～300 nm），所以具有良好的透明性。

1.3 低溫燒結的SC-PLA性能研究

本實驗在180～210℃（介于HC晶體熔點和SC晶體熔點之間）的情況下，將壓實（0.5～1.0 GPa）壓力下的SC-PLA粉末進行低溫燒結，結果顯示，所得的產物SC晶體的含量接近100%，同時使SC-PLA的熔點比一般PLA熔點高50℃，最高可達240℃，這極大改善了PLA在耐熱性上的不足[2，3]。同時，由于結晶率的提高，其力學性能也大大提高，Tsuji[4]等制備的SC-PLA拉伸強度和楊氏模量可達922 MPa和8.6 GPa，，并且其耐水解性能也優于一般的PLA，因為SC-PLA具有更強的氫鍵和偶極-偶極相互作用，其特殊的三維結構降低了非晶區域的吸水率。

綜上，SC-PLA使聚乳酸的熔點、力學性能和耐水解性得到了大幅度提升，其透明性也有所提升，這些提升均來源于SC-PLA的結晶速率和結晶率的提升。SC-PLA性能的提升克服了其不易加工和產品性能差的缺點。

2 聚乳酸生產現狀及問題

2.1 中國生產現狀

中國有多家科研單位進行PLA的研發與生產，中科院長春研究所從20世紀90年代末便開始了研究[5，6]，在PLA纖維、包裝材料等領域均有突破。成都有機化學公司主要從事醫療領域用PLA技術研究。中國PLA生產能力約46 kt/a，但產量不足6 kt，國外生產能力約150.6kt/a，產量約為120kt。由此可見，中國的PLA生產發展與應用還有很大的提升空間。

中國聚乳酸生產具有一定的優勢，從政策來說，PLA產業屬《產業結構調整目錄（2011版）（2013年修訂）》鼓勵類產業，同時中國也有限塑令，防止白色污染。從原料上來說，中國乳酸資源充足，有十幾家乳酸企業，如四川五糧液、江蘇海嘉諾、河南金丹等，聚乳酸前景光明。

2.2 產業化聚乳酸的問題

（1）最突出的問題是聚乳酸的熱性能、力學性能等。前面主要介紹了SC-PLA，能極大改善PLA各種性能的不足，相信未來若是SC-PLA能夠產業化生產，聚乳酸產品的使用前景廣闊。

（2）中國產業化與工程開發脫節，國內PLA裝置的建設未發揮工程公司的重要作用，部分裝置是企業自行進行生產線的設計放大等，不利于規模化生產，正如SC-PLA，雖然在實驗室研究了其生產方法，但只能小規模生產，不能大規模應用。

（3）回收處理系統缺失。中國垃圾幾乎不分類，造成回收困難，不能發揮PLA可降解成堆肥回用的優勢。

3 SC-PLA的應用

PLA在新型環保包裝材料、纖維材料、塑料制品、醫用材料以及汽車內飾材料等領域應用前景廣闊，作為性能更加優良的SC-PLA，其未來應用更加值得期待。可以作為工程塑料，因為其耐熱性和力學性能均優于PLLA和PDLA，也可應用于各種電器的外殼和汽車零部件。同時，也可制為可降解纖維，研究表明，干法紡絲和熔融紡絲制得的SC-PLA纖維拉伸強度好，能滿足日常應用纖維的強度和耐用性的要求，并且此纖維還具有舒適性好，手感好，懸垂性佳，不刺激皮膚等優點。

關于SC-PLA的3D打印技術也在研究中，因為聚乳酸具有良好的生物相容性，所以可以用來制備人造關節、器官等，而3D打印可準確地勾勒出器官的完整形狀，懷化重點實驗室對3D打印聚乳酸做了各種性能的研究[7，8]，得到了其打印的最佳條件，打印填充密度70%，打印速度100 mm/s，打印溫度210℃。這項應用也為未來人體器官移植打開了新的一扇窗戶。

4 結語

綜上，聚乳酸這種環境友好材料將在未來占有舉足輕重的地位，四川大學高分子材料工程國家重點實驗室采用低溫燒結的技術制備SC-PLA。SCPLA的研究改善了其熱性能，使熔點和熱穩定性提高，同時還使其力學性能、耐水解性能和透明性得到了大幅度的增強。從中國聚乳酸生產現狀和國家政策得出，國家鼓勵發展聚乳酸產業，多家企業已對聚乳酸展開研究并投入生產，但是存在產品性能不優良、產業化和研發脫節、回收處理系統缺失等問題限制其發展。相信不久后的將來，SC-PLA作為一種制備工藝簡單、性能卓越的綠色塑料，必將在生產生活中廣泛應用。

［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］喬益民，王家民．3D打印技術在包裝容器成型中的應用．包裝工程，2012，（22）：68－72．

［8］鄒君，凌秀琴．可生物降解性高分子材料—聚乳酸．廣西化纖通訊，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