聚乳酸耐熱改性方法專利技術綜述

班會濤 吳瑩瑩 巴晶

摘要：本綜述針對聚乳酸耐熱改性技術領域的國內外專利情況作了全面深入的分析，根據專利申請趨勢、國內外技術分布及技術演進路線等，詳細分析了聚乳酸耐熱改性的主要技術手段，并對其技術發展脈絡和技術研發的熱點進行了介紹。

關鍵詞：聚乳酸;耐熱共混改性;結晶改性;鏈結構改性

中圖分類號：TQ322 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）09-097-05

1 引言

聚乳酸（PLA）是目前應用比較廣泛的生物基材料之一，主要應用于包裝、服裝家紡、農膜地膜以及生物醫藥等領域。在自然條件（如土壤和水等）作用下，PLA可以充分降解為CO2和H2O，是環境友好型高分子材料。聚乳酸盡管具有良好的生物降解性和生物相容性，但是與通用塑料相比存在熱穩定性和耐熱性差的缺點，熱變形溫度遠低于聚對苯二甲酸類、聚苯乙烯、聚丙烯等，這使得PLA的應用受到了很大的限制，因此，改善PLA的耐熱性對于拓寬PLA的應用領域非常重要。

常用的改性方法包括共混改性、結晶改性、鏈結構改性，其中共混改性包括聚合物共混改性、填充共混改性、聚合物/填充復合改性以及其他改性（如耐熱穩定劑改性），填充共混改性包括纖維改性和/或非纖維填充改性;結晶改性包括成核劑改性、工藝改性;鏈結構改性包括共聚改性、交聯改性及封端改性等[1-3]。

本綜述重點對聚乳酸的耐熱改性的方法進行詳細分析。在S系統中，分別使用CNABS和DWPI數據庫，采用關鍵詞+分類號的檢索策略進行檢索。

分類號主要涉及：C08L67+，C08G63+;

關鍵詞主要包括：聚乳酸、PLA、PLLA、PDLA、耐熱、高溫、熱變形、熱降解、熱分解、玻璃化轉變溫度、玻璃化溫度、Tg、結晶、成核、熱穩定、熱性能、尺寸穩定、耐溫、耐濕熱、熔點、熔融溫度、熔化溫度;heat+ 1w resist+， thermal+ 1w stab+， thermal 1w property， heat+ 1w stab+， anti+ 1w heat+;

經檢索后，人工篩選去除明顯無技術貢獻的申請，將篩選后的文獻作為分析的數據樣本。

2 國內外聚乳酸耐熱改性相關專利申請量趨勢

圖1顯示全球聚乳酸耐熱改性專利申請人和申請量的總體趨勢，申請人的數量走勢與申請量走勢相似。

從圖1可知，從1986年出現第一件關于聚乳酸耐熱改性的專利來看，涉及聚乳酸耐熱的技術研究已經經歷了32年的發展歷程，其歷程大致可分為2個發展階段：

2.1 申請起步階段（2000年之前）

1986—2000底之前，這一時期相關聚乳酸耐熱改性專利申請數量較少，1986年出現第一項明確涉及聚乳酸耐熱改性的相關專利申請，隨后申請量維持在較低的水平，直到2000年專利申請量才達到16項。這是由于聚乳酸發展時間較短，1997年才開始由卡吉爾公司以年產4000噸的生產量進行小規模的商業化生產并投入市場，因此前期的改性研究規模較小。

2.2 技術發展期

a.緩慢發展階段（2001—2004年）

2001年以后，相關申請數量出現平穩的增長，增長速率緩慢，這標志著關于聚乳酸耐熱改性的技術進入初步發展期，該技術領域的生命周期處于成長階段，這說明聚乳酸耐熱改性領域的專利研究開始受到關注。

b.快速發展期（2005—2008年）

從2005年開始，聚乳酸耐熱改性相關專利申請數量出現快速增長，到2006年申請量達到170件，這說明該領域的專利研究備受關注，具有優勢的企業開始自主研發，并開始進行專利布局。

c.平穩發展期（2009—至今）

從2009年開始，聚乳酸耐熱改性相關專利申請數量有所下降，總體申請量出現小幅度波動，這表明全球有關該技術領域的聚乳酸專利布局基本完成，改進技術趨于成熟。

3 國內外耐熱改性技術手段技術演進

3.1 全球聚乳酸耐熱改性技術手段分布

圖2給出了全球聚乳酸耐熱改性技術手段分布情況。可以看出，專利申請中提高聚乳酸耐熱性能的技術手段主要包括共混改性、鏈結構改性、結晶改性，其中共混改性主要為聚合物復合改性和填充改性，鏈結構改性主要手段為共聚改性，結晶改性主要手段為成核劑改性。JP2012184368A將聚丙烯樹脂和結晶成核劑聯用并和聚乳酸共混，得到了一種具有優異耐熱性的模塑制品;JP2002003709A采用滑石粉、二氧化硅作為填充材料改善聚乳酸的結晶性能，進而改善其耐熱性;JP2009132814A采用晶體成核劑和芳族聚酰胺纖維聯用改性聚乳酸，得到的樹脂顆粒具有優異的柔韌性、耐熱性和機械強度;WO03014224A1指出，一般而言聚縮醛具有良好的機械性能和成型性，但是其結晶速度快難以加工成纖維;而聚乳酸樹脂和聚縮醛樹脂是相容的，將二者混合具有優異的特性;WO2011024693通過混沌混合法制備SC晶體立構復合聚乳酸，其耐熱性明顯提高，制品可作為聚乳酸的成核劑使用。

3.2 國內聚乳酸耐熱改性技術手段分布

圖3給出了國內聚乳酸耐熱改性技術手段分布情況，與圖2全球聚乳酸耐熱改性技術手段相似的是，提高聚乳酸的耐熱性能的技術手段主要是共混改性，其次是結晶改性和鏈結構改性。不同的是，國內涉及共混改性的專利申請主要為填充改性。

聚碳酸酯是一種具有優良熱性能的工程塑料，聚碳酸酯的引入可改善聚乳酸的耐熱性能（如CN101827889A、CN101747611A、CN101798450A）。但是聚碳酸酯和聚乳酸的復合會使得聚乳酸的可完全降解的生物優勢下降，只能達到部分降解。中國科學院長春應用化學研究所采用PPC等多種生物降解樹脂和PLA復合以提高其耐熱性能（CN1749317A、CN1749315A、CN1749318A）;填充改性特別是填充纖維填料一方面可以增強聚乳酸的耐熱性能，另一方面也可以增加材料強度（CN101240108A，CN101235194A），另外，關于納米復合材料填充也進行了諸多研究（CN1760265A、CN1810878A、CN101215411A）。交聯改性也是聚乳酸耐熱改性的常用技術手段，在交聯劑存在的情況下先通過添加引發劑或通過輻照方式可使聚乳酸形成不同程度的交聯，提高分子量、形成三維網絡結構、限制分子鏈的運動，從而提高聚乳酸的耐熱性（CN1805999A，CN103965595A）。在聚乳酸分子鏈中引入其他單體類型同樣可改善聚乳酸的耐熱性，例如CN101100505A采用熔融直接縮聚的方法制備出羧基封端的乳酸預聚物，然后再與脂肪族的聚碳酸酯二元醇進行共聚，從而得到高分子量，耐熱性好的聚乳酸共聚物。

根據聚乳酸耐熱改性的主要技術手段，繪制了聚乳酸耐熱改性的全球專利申請的技術演進圖，如圖4所示。從圖中可以看出，2000年之前是聚乳酸耐熱改性的初期，在這期間，共混改性、結晶改性、鏈結構改性都有了初步的萌芽，例如美國杜邦公司JP2714538B在聚乳酸中添加熱穩定劑氧化硼/硼酸，日本三菱JP3280927B2中將聚乳酸與脂族聚酯共混，日本佳麗寶JP3350605B2在聚乳酸聚合過程中加入結晶成核劑如金屬氧化物、碳酸鹽等和/或有機組分如聚乙烯、高級脂肪酸金屬鹽等;日本島津公司申請的JP3620304B2采用紫外輻照技術來提高聚乳酸的耐熱性等。通過上述改性手段可以看出，在2000年之前，聚乳酸耐熱改性的手段與通用樹脂提高樹脂耐熱性的方法相近。

2000—2004年，聚乳酸耐熱改性技術開始進入初步發展期。在共混改性方面，將聚乳酸與其他常規聚合物共混制備成聚合物合金為這一時期的研究重點。日本東麗JP4135383B2將聚乳酸與聚縮醛共混， JP4529356B2將聚乳酸與聚酯、聚酰胺或聚碳酸酯共混，日本豐田JP5352937B2添加橡膠接枝共聚物;另外，共混改性中填料共混也有一定的研究，尤尼吉可的JP3831278B2在聚乳酸中添加層狀硅酸鹽來提高聚乳酸的耐熱性。

在結晶改性方面，在使用常規成核劑的基礎上對成核劑進行改性以及對成核劑的種類進行擴展，日本豐田的JP3945264B2在聚乳酸中添加具有酰胺基的低分子量化合物和由有機鎓鹽組成的層狀粘土礦物來提高結晶速率。JP4547964B2中提出的新型晶體成核劑聚乳酸立體絡合物來改性耐熱性以及透明性。

在鏈結構改性方面，日本東麗JP4586909B2采用羧基反應性封端劑的聚乳酸樹脂與聚縮醛共混，尤尼吉可JP3825702B2通過選擇特定結構的異氰酸酯與過氧化物來改善聚乳酸的耐熱性

2005—2008年，聚乳酸耐熱改性技術進入快速發展期。在共混改性方面，擴展共混物的種類是這一階段的研究主流，日本尤尼吉可的JP5198804B2選擇添加含有聚乳酸結構與柔性樹脂結構的嵌段共聚物與聚乳酸共混;日本東麗的JP5145695B2選擇具有聚乳酸鏈段以及具有基于聚醚的鏈段和/或基于聚酯的鏈段結構的增塑劑來提高聚乳酸的耐熱性。在這一階段，國內有關聚乳酸耐熱改性的科研能力也取得了進步，中國科學院長春應用化學研究所申請的CN1749316B在聚乳酸中添加聚聚丙撐碳酸酯和聚3-羥基丁酸酯來提高聚乳酸的耐熱性，同濟大學的CN101200578B將有機改性的蒙脫土和天然纖維復配來提高聚乳酸的耐熱性。

在結晶改性方面，日本凸版印刷株式會社JP5040236B2提出了采用結晶多糖作為成核劑，其粒徑為500μm或更小;通過粉碎、混合并造粒得到樹脂組合物，具有優異耐熱性和可模塑性的模塑產品。

在鏈結構改性方面，為了克服聚乳酸與常規共聚物相容性差，東麗的JP4665540B2將聚乳酸與芳香聚酯共聚來提高聚乳酸的耐熱性，同濟大學的CN101100505B將乳酸與含有苯環的小分子酸以及小分子二元酸進行共聚，合成帶有端羧基的乳酸預聚物再與聚碳酸二元醇共聚物來提高共聚產物的耐熱性。另外，東麗JP4923172B2采用分子中具有兩個或更多個乙烯基的乙烯基類單體作為交聯劑和輻照來制備耐熱性良好的聚乳酸纖維。

這一階段，各種手段的配合使用也被逐漸重視，日本豐田的JP4249744B2采用聚酯彈性體和交聯劑來制備耐熱性良好的聚酯單絲。同濟大學的CN101200579B采用馬來酸鈣對聚乳酸進行接枝改性再與天然纖維復合。

2009年以后，各個手段的發展已經相對成熟，大多是在之前的改性思路上進行擴展。在共混改性方面，上野制藥JP5241547B2提出了將液晶聚合物、相容劑與聚乳酸共混來提高聚乳酸的耐熱性。東麗JP5365421B2提出了采用核-殼結構的橡膠、熱塑性樹脂與聚乳酸共混來提高聚乳酸的耐熱性。韓國HUVIS提出了在聚乳酸中添加聚四亞甲基醚二醇來提高聚乳酸纖維的熱穩定性。中國科學院長春應用化學研究所CN103772928B提出了將包含脂肪族聚酯鏈段和聚乳酸鏈段第一聚乳酸嵌段共聚物與乳酸類聚合物共混，制備聚乳酸立體復合物來提高材料的耐熱性。

在結晶改性方面，擴展結晶成核劑的種類依然是主要研究方向。大阪瓦斯株式會社JP6057559B2提出了含有芴結構的酚類作為聚乳酸成核劑，中國科學院長春應用化學研究所CN108384210A提出了采用丙酮酸鹽類作為成核劑來提高聚乳酸的結晶速度和結晶率。

在鏈結構改性方面，中國科學院長春應用化學研究所CN105440605B提出了包含脂肪族-芳香族共聚酯鏈段的聚乳酸樹脂與采用特定結構的擴鏈劑進行共混可以提高聚乳酸的耐熱性;LG化學KR101476378B提出了將聚乳酸與環氧化的腰果酚共聚以提高耐熱性。

在聯合改性方面，四川大學的CN106189131B提出了采用彈性體和碳納米粒子通過特定工藝來提高材料的結晶度從而提高材料的耐熱性。

從上可以看出，共混改性的成本和門檻要求相對較低，共混改性依然屬于聚乳酸耐熱改性方面的研究熱點。目前的研究趨勢是通過對共混聚合物的結構改性以提高其與聚乳酸的相容性。結晶改性主要在于擴展結晶成核劑的種類，其在國內的研究主要集中在科研院所。鏈結構改性的研究趨勢在于對聚乳酸本身的結構進行調整從而提高聚乳酸與其他共聚物的相容性。另外，隨著研究的深入，人們逐漸發現共混改性、結晶改性以及鏈結構改性各具優勢，因此將多種手段并用也是改進聚乳酸耐熱手段的趨勢。

4 結語

從全球申請人和申請量的年度分布來看，申請人的數量走勢與申請量走勢基本一致。2000年以前，由于聚乳酸發展時間較短，相關專利申請數量較少;2000年后，聚乳酸耐熱改性技術的研究經過緩慢發展后，呈現出快速發展的勢頭;經歷了近10年的發展之后，申請量有所下降，說明聚乳酸耐熱改性技術已趨于成熟。

共混改性是聚乳酸耐熱改性的主要技術手段，其次是結晶改性和鏈結構改性;不同的是，在共混改性中，國外主要是聚合物復合，國內則以填充改性為主。目前的研究趨勢是通過對共混聚合物的結構改性提高其與聚乳酸的相容性;結晶改性主要在于擴展結晶成核劑的種類，鏈結構改性的研究趨勢在于對聚乳酸本身的結構進行調整以提高聚乳酸與其他共聚物的相容性。隨著研究的深入，將多種改性手段并用也是改進聚乳酸耐熱手段的趨勢。

參考文獻：

[1] 徐鼐.通用級聚乳酸的改性與加工成型[M].北京：中國科學技術大學出版社，2016.

[2] 陳杰，胡榮榮，劉環宇，董又嘉，張永強，金范龍.聚乳酸耐熱改性研究進展[J].塑料科技，2018，46（5）：115-199.

[3] 丁曉慶，王新龍.高熱變形溫度聚乳酸的研究進展[J].現代塑料加工應用，2018，30（5）：56-58.