聚乳酸纖維的性能、應用及發展方向*

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1.江西服裝學院服裝工程學院， 江西 南昌 330201；2.江西省現代服裝工程技術研究中心， 江西 南昌 330201

隨著我國社會經濟的快速發展，人們的生活水平不斷提高，但工業生產及生活所帶來的污染日益嚴重，因此可再生資源、環保型原料越來越受到人們的關注。在環保型材料中，聚乳酸高分子環保材料逐步受到人們的青睞。聚乳酸纖維具有可再生、成本低、來源廣、環保等特點，又稱聚丙交酯和玉米纖維。它是先用玉米、小麥、土豆等淀粉原料制成的乳酸，再通過聚合紡絲而得到的纖維。這種纖維具有優良的生物降解性、生物相容性和吸收性，其織物具有很好的懸垂性、吸濕透氣性、耐曬性以及光澤性、回彈性、成型加工性等優點。目前，國外對聚乳酸纖維的研究和開發較成熟，如美國的杜邦公司，日本的東麗、鐘紡公司等。國內對聚乳酸的研究還處于起步階段，因此對聚乳酸纖維的研究以及開發應用是非常必要的[1]。

1 聚乳酸纖維的結構和性能

1.1 聚乳酸纖維的結構

聚乳酸纖維可采用溶液紡絲、熔體紡絲和靜電紡絲等加工方法生產，大多采用熔體紡絲法。其纖維結構大體為圓柱體，橫截面近似為圓形。圖1為聚乳酸纖維在水、細菌和氧氣的環境下處理后的結構照片。

圖1 聚乳酸纖維在水、細菌和氧氣環境下處理后的結構

由圖1可以看出，聚乳酸纖維在水、細菌和氧氣環境下處理后橫向截面和縱向表面上存在一些無規律的斑點和斷斷續續的條紋，這是聚乳酸纖維內大量的非結晶部分在水、細菌和氧氣中進行較快的分解所形成的[2]。

1.2 聚乳酸纖維的性能特點

1.2.1 生物可降解性和相容性

聚乳酸纖維原料豐富且可循環利用。該纖維廢棄在土壤和水中能夠通過微生物降解為二氧化碳和水，降解產物無毒無害，不會對環境造成影響，隨后在光合作用下，通過小麥、玉米等農作物又成為淀粉的起始原料——乳酸。這個循環過程既能生產聚乳酸的原料，還可以通過光合作用減少大氣中的二氧化碳。聚乳酸纖維作為一種新興的生物降解材料，其應用極其廣泛。除此之外，聚乳酸在人體內通過酸或酶等水解為乳酸，而乳酸是細胞的一種代謝產物，可以再經過酶的進一步代謝生成二氧化碳和水。因此，聚乳酸纖維還具有很好的生物相容性[3]。

1.2.2 聚乳酸的物理性能

聚乳酸屬于熱塑性高分子材料，可塑性和物理加工性能好，具有良好的彈性和柔韌性以及較高的熔點等，可以進行擠出、拉伸和吹塑等工藝加工成型，在現代材料應用中具有廣泛的應用前景。

1.2.3 聚乳酸的吸濕性

在吸濕方面，聚乳酸具有天然纖維和合成纖維的特點，具有良好的吸濕性能。朱蘭芳等[4]的研究表明：棉纖維中的親水基團多于聚乳酸纖維，而聚乳酸纖維中的親水基團多于聚酯(PET)纖維，所以聚乳酸纖維的吸濕性比PET纖維好，但比棉纖維差。在導濕方面，聚乳酸纖維的極性氧鍵與水分子連接，使水分子可以快速轉移，從而賦予織物導濕快干性能。

2 聚乳酸的合成方法

目前聚乳酸的合成方法主要有兩種：一種是直接聚合法，另一種是丙交酯開環聚合法。按照加熱方式，聚乳酸的合成方法又可分為傳統法和微波輻射法[5]。

2.1 直接聚合法

利用乳酸的活性，在脫水劑的作用下，通過加熱使乳酸分子中的羥基和羧基受熱脫水，直接縮聚合成低聚物，再加入催化劑繼續升溫，使低相對分子質量的聚乳酸聚合成更高相對分子質量的聚乳酸[3,5]。

2.2 丙交酯開環聚合法

丙交酯開環聚合制備聚乳酸大多采用兩步法合成：將乳酸作為原料，在催化劑的作用下制成丙交酯(環狀二聚體)，再在催化劑的作用下聚合制成聚乳酸及共聚物。開環聚合所用的催化劑不同，聚合機理也不同，目前主要有陽離子聚合、陰離子聚合和配位聚合[6]。

2.3 聚合加熱方式

聚合加熱方式主要分為傳統加熱和微波輻射加熱兩種。傳統加熱方式存在設備復雜、操作繁瑣、時間長、效率低、能耗大等問題，不利于進行大規模生產。微波輻射是一種新型的加熱方式，也是一種無滯后效應、效率高、無污染、環保的加熱方法。微波輻射的功率和時間對聚合有一定的影響。張科等[7]認為在一定微波功率條件下，反應時間不能過長或過短，有一個最佳值，時間過長會導致聚乳酸的相對分子質量下降。微波輻射功率越大，反應時間越長，所得的產物顏色就越深。微波輻射法更適合商業用聚乳酸聚合[7]。

3 聚乳酸的應用

3.1 聚乳酸纖維在服裝上的應用

運動服對面料的舒適性有著很高的要求，運動服必須滿足吸濕快干的要求，并且輕薄。聚乳酸纖維具有一定的導濕快干性，以及有利于皮膚的弱酸性和親膚性，適合開發運動面料。但是純聚乳酸纖維的吸濕性相對較差，無法滿足運動面料吸濕快干的要求。因此，將聚乳酸纖維和其他纖維混紡所制造的面料用于制作運動服裝，不僅可以滿足吸濕快干的要求，還能改善聚乳酸纖維的其他性能。肖云超等[8]將聚乳酸纖維長絲與亞麻/黏膠單紗直接并合加捻，克服了聚乳酸纖維吸濕性差的缺點，同時還提高了織物的耐磨性等。

聚乳酸還可以通過混紡制得類似于絲綢的織物，不但耐用，而且還具有很好的抗皺性，具有絲綢般的風格，是女裝、禮服的理想面料。

3.2 聚乳酸纖維在醫療領域中的應用

聚乳酸具有很好的生物可降解性，無刺激性，無毒性，因而可以廣泛應用于醫療領域，可以作為手術縫合線、紗布，還可以用于骨骼修復等。近年來，可降解聚乳酸在醫療中的應用正由傳統生物材料向智能材料轉變，將有利于骨骼生長的細胞培養到可降解的聚乳酸中，可提供骨骼的生長和恢復。張寧等[9]將質量分數為70%的β-磷酸三鈣加入聚乳酸中，制得的復合材料與骨髓間充質干細胞放在培養板上共同培養，發現細胞能在復合材料表面黏附和增殖，這一性能有利于骨骼的修復。聚乳酸還可以作為組織工程材料。組織工程是指應用生命科學與工程結構原理和方法，構建一個可以增進人體細胞和恢復人體受損組織或器官的功能。聚乳酸通過生物降解，在人體生成細胞的產物乳酸的共聚物，例如軟骨組織種植在聚乳酸內可以生成軟骨細胞[10]。同時，聚乳酸還可以作為藥物的緩釋材料，用聚乳酸制備的膠囊可以減小大量藥物對腸胃的刺激和傷害，抑制細菌的吞噬等，有效地提高藥物的利用率。

3.3 聚乳酸在塑料中的應用

在現代生活環境中，生態污染一直受到人們的關注，不可降解的塑料影響著我們的生活環境，造成了水質變差、土地變壞等危害，為此，成本低廉、可降解、環保的聚乳酸受到了人們的關注。聚乳酸的氣體穿透性比聚乙烯(PE)高得多，所以聚乳酸可以制作礦泉水瓶，但是不能長期儲存汽水。甄光明等[11]采用熔融共混法制備的聚乳酸/納米碳酸鈣復合材料，不僅提高了材料的結晶度，還增加了材料對水蒸氣的阻礙穿透能力。聚乳酸很脆，受到外力作用時容易損壞。另外，較差的彈性使之不能與PE生產的購物袋、地膜作比較，所以聚乳酸的共混改性工藝極為重要。

食品包裝被認為是聚乳酸的最大應用市場。聚乳酸對氣體和水蒸氣的透氣性很好，但是對具有香味的精油具有極高的阻隔性。因此，聚乳酸可以作為茶葉、香水等的包裝材料[12]。此外，因為聚乳酸對精油類具有極高的阻礙性，所以聚乳酸也可用于制造香煙的濾嘴。趙群[13]對聚乳酸濾嘴的試驗結果表明，聚乳酸纖維對焦油有一定的吸附作用。

4 聚乳酸的發展概況和前景

在20世紀，塑料已經被廣泛應用在各個領域，常用的塑料產品有聚乙烯、聚氯乙烯等，這些材料具有質量輕、強度高等特點，但大多為不易分解、對環境嚴重污染的材料。隨著社會的進步及環保呼聲的日益提高，人們尋找可降解、環保性能好的材料代替傳統塑料材料成為了必然。聚乳酸作為可降解材料，因其制造成本低、來源廣，近幾年來一直受到社會的廣泛關注。

目前，對聚乳酸進行研究與生產的國家主要有美國、日本、德國、中國等。國外在生物降解材料的研究上投入了大量的資金，美國卡吉爾公司建有7 000 t/a的裝置，日本通產省繼金屬材料、無機材料、高分子材料之后將生物降解材料作為第四類材料。我國對聚乳酸材料的研發較晚，對聚乳酸的應用十分有限，產業化正處于萌芽狀態。隨著國際社會對環保的重視，我國近幾年也加大了對環境保護的力度。聚乳酸研究水平的不斷提高和信息交流的影響，使我國科研工作者對聚乳酸研究的熱情不斷提高。山西省化工研究院于2011年8月底宣布成功開發出TMC系列生物基塑料和生物可降解塑料專用合成劑，在聚乳酸研究方面取得了重大進步。目前我國的聚乳酸產業剛剛起步，其生產成本仍高于傳統塑料，需要研究的技術還很多，特別是我國大規模生產的聚乳酸產品質量還不夠穩定。此外，在聚乳酸綠色材料的應用推廣中，相關部門的扶持政策也非常重要，通過為聚乳酸的研究產品開發創造良好的環境，在資金及技術上給予支持，將有助于推動我國聚乳酸產業的發展。

目前，許多發達國家在可降解塑料的使用方面已經有了明確的規劃，而我國的環保制度相對滯后，對聚乳酸纖維產業缺乏引導，這不利于其的發展。國家應出臺相應的政策，對聚乳酸產品研發和生產企業提供支持，為聚乳酸產品的應用打開市場。

5 結語

聚乳酸纖維具有合成纖維的特性，物理及力學性能較好，同時是一種高結晶度、高取向性的纖維，具有很好的生物相容性、可降解性和易吸收性，對環境無污染，可廣泛應用在工業、農業、醫療、食品等領域。未來開發聚乳酸產品具有很好的商業經濟價值和環境保護效益。但目前我國在聚乳酸產品開發方面還存在生產成本高、工藝復雜等問題。因此，簡化工藝、降低成本、制定相應環保政策將是聚乳酸方面的研究重點。總之，聚乳酸纖維是目前的主要綠色纖維之一，具有很大的發展空間和很好的應用前景。