可降解材料聚乳酸(PLA)在家居產(chǎn)品中的應(yīng)用及趨勢研究

■鄧伊均，王小康，陳思瀚

(1.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲 412008；2.湖南工業(yè)大學(xué)包裝設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院 ，湖南株洲 412008）

隨著“雙碳”呼聲在全球范圍內(nèi)持續(xù)升溫，生物可降解材料聚乳酸（PLA）以綠色、低碳、可循環(huán)為特征的家居產(chǎn)品正在逐年增長。目前家居產(chǎn)品中大規(guī)模使用的合成纖維原料多來自石油，但石油資源有限，且石油資源的大量使用急劇增加了CO2氣體的排放，帶來全球變暖的環(huán)境問題[1]。在“綠色纖維”國家認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)體系中，聚乳酸化纖是生物基纖維的一類，它是中國目前產(chǎn)業(yè)化技術(shù)最完善、生產(chǎn)量大、費(fèi)用較低的生物基可降解材料。聚乳酸（PLA）纖維原料來源于自然，其制品廢棄物可被完全降解為自然界中的H2O和CO2[2]，它的發(fā)展可以減少對石油基產(chǎn)品的依賴[3]。對環(huán)境友好無污染，可推動(dòng)促進(jìn)“無廢城市”的建設(shè)，成為未來最具發(fā)展前景的綠色環(huán)保材料之一。本文針對其可降解生態(tài)環(huán)保的材質(zhì)特點(diǎn)，開展了家居產(chǎn)品的現(xiàn)狀分析和應(yīng)用趨勢研究。可以幫助家居設(shè)計(jì)師從可降解材料的特性去了解這類材料在家居產(chǎn)品中的應(yīng)用前景，更有利于促進(jìn)環(huán)保新材料企業(yè)的發(fā)展壯大，在生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境和諧共生。

1 可降解材料聚乳酸（PLA）發(fā)展現(xiàn)狀

■圖1 聚乳酸PLA的生成與應(yīng)用回收過程

■圖2 可降解家居紡織品

當(dāng)前，在我國新型經(jīng)濟(jì)模式和“雙碳”戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，環(huán)保經(jīng)濟(jì)成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新亮點(diǎn)。作為生物可降解技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)桿產(chǎn)業(yè)，生物基可降解材料是我國《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》的四大重點(diǎn)領(lǐng)域之一。其中，聚乳酸作為目前產(chǎn)業(yè)鏈較為完整、應(yīng)用范圍較廣的生物基可降解材料，近年來在家居產(chǎn)品市場得到了更加迅速的發(fā)展。

可降解高分子生物材料聚乳酸，全名為Poly Lactic Acid (PLA)，亦稱聚丙交酯，是一種是以淀粉、甘蔗等高糖天然植物為主要原材料，經(jīng)生物發(fā)酵生產(chǎn)乳酸以后再經(jīng)人工化學(xué)合成而得到的熱塑性材料，聚乳酸可以通過水解、微生物降解和酶解來實(shí)現(xiàn)降解[5]。能夠?qū)崿F(xiàn)來自于大自然，又回歸大自然的綠色可持續(xù)發(fā)展循環(huán)系統(tǒng)。聚乳酸復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)將原料端直接引入的生物質(zhì)資源再造以及循環(huán)利用，相比石油基復(fù)合材料，聚乳酸能夠?qū)崿F(xiàn)對大氣中碳濃度的“收支相抵”，因此更有利于“碳中和”目標(biāo)在塑料產(chǎn)業(yè)的實(shí)施。因此，PLA復(fù)合材料具備了環(huán)保、安全、抗菌、阻燃、可降解等優(yōu)勢，被視為是未來最有希望取代石油基化纖材料和塑料傳統(tǒng)地位的高新環(huán)保材料（圖1）。

當(dāng)前，全球生物可降解塑料產(chǎn)業(yè)正在逐年快速發(fā)展。據(jù)預(yù)測，全球生物可降解塑料市場規(guī)模將從2021年的77億美元增長到2026年的233億美元，2021年至2026年的年復(fù)合增長率為24.9%。與此同時(shí)，中國的可降解塑料行業(yè)近年來也出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展。據(jù)《中國可降解塑料行業(yè)研究報(bào)告(2022)》顯示，2021年全球可降解塑料產(chǎn)能約170萬噸，預(yù)計(jì)到2025年全球可降解塑料產(chǎn)能將增長至400萬噸。我國PLA平均成交價(jià)約在每噸2.5-2.9萬元，價(jià)格相對于傳統(tǒng)塑料每噸0.55-1.4萬元的價(jià)格來說偏高。此外，經(jīng)濟(jì)效益偏低也限制了PLA產(chǎn)品的大規(guī)模推廣，減緩了PLA替代傳統(tǒng)塑料產(chǎn)品的進(jìn)程。

2 可降解材料聚乳酸（PLA）在家居產(chǎn)品中的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于國家積極推進(jìn)綠色低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，再加上各類“禁塑令”的持續(xù)實(shí)施，給可降解塑料產(chǎn)業(yè)提供了很大的發(fā)展契機(jī)，進(jìn)入到了“加速期”。而PLA所顯示出的優(yōu)異性能，是其他產(chǎn)品所無法取代的，被人們廣泛認(rèn)為是一種全新的、綠色環(huán)保型的高分子材料。目前，PLA材料在生物醫(yī)藥、3D打印機(jī)、紡織家居、包裝材料、家庭餐具、購物袋、農(nóng)地膜、電器機(jī)殼、兒童紙尿褲、汽車和內(nèi)飾等領(lǐng)域都已得到了一部分的應(yīng)用，并已在全球范圍內(nèi)獲得了廣泛認(rèn)同和歡迎，下面是聚乳酸（PLA）在家居產(chǎn)品中的應(yīng)用現(xiàn)狀：

2.1 聚乳酸纖維在家居紡織品中的應(yīng)用

作為紡織品原材料，聚乳酸是一種生物可降解材料，經(jīng)熔融紡絲等方法可制備聚乳酸纖維[6]。并且具備抗菌、防霉、防螨等優(yōu)良性能，而其他類型的生物可降解紡織原材料，容易滋生細(xì)菌等微生物。聚乳酸纖維，通稱“玉米纖維”，是由采用左旋聚乳酸(PLLA)為原材料，運(yùn)用其高結(jié)晶、高選擇性等特點(diǎn)，采用多樣的紡織工藝技術(shù)加工生產(chǎn)而成。

聚乳酸是一種重要的可生物降解、生物相容的熱塑性聚酯材料[7]，具有抑菌、親膚、導(dǎo)濕、透氣性好等優(yōu)點(diǎn)，還具有適當(dāng)阻燃的功能，可取代聚酯纖維進(jìn)行家居紡織類產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)。在現(xiàn)代家居產(chǎn)品設(shè)計(jì)中合理的使用生態(tài)材料可以從源頭上進(jìn)行干預(yù)，最大程度地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代家居產(chǎn)品生態(tài)化的可行性[8]。基于聚乳酸纖維對人類肌膚的友好特性,PLA針織物具有良好的吸濕快干及尺寸穩(wěn)定性[9]、由于具有輕量保暖、抗菌除異味的功效,其材料被應(yīng)用于服飾、校服、家居產(chǎn)品、嬰幼兒用品等產(chǎn)品。另外,材料天然的抗菌、防螨、防霉、阻燃、蓬松柔韌等特性還非常適用于室內(nèi)的裝飾用品,包括地毯、床單、窗簾、沙發(fā)布藝、毛毯、浴巾、枕芯、被芯等（圖2）。

聚乳酸纖維可制作窗簾、地毯、沙發(fā)面料（沙發(fā)海綿、沙發(fā)皮革皆可使用聚乳酸為原料生產(chǎn)的生物基聚氨酯海綿，這種海綿和皮革具有抗菌、抗螨、透氣無毒、無味的優(yōu)良特性，可稱為環(huán)保型生物基皮革、生物基海綿，未來市場潛力巨大）、拖鞋、毛絨玩具及無紡布家居產(chǎn)品等，產(chǎn)品具有抑菌、抗螨、難燃燒、環(huán)保無毒等優(yōu)點(diǎn)（圖3）。

2.2 聚乳酸混紡材料在家居產(chǎn)品中的應(yīng)用

2.2.1 聚乳酸純紡紗線

聚乳酸純紡紗線及與棉纖維、萊賽爾纖維、莫代爾纖維、亞麻纖維、竹纖維混紡制成的紗線有抗拉強(qiáng)度大、條干平整的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家居產(chǎn)品、服裝等織物。

2.2.2 聚乳酸纖維制品

聚乳酸方巾、洗澡巾采用90%聚乳酸纖維混合10%棉的成分[10]。聚乳酸纖維制品的浴巾、毛巾，具有自然親膚性，纖維為弱酸性，既可以有效控制微生物和螨蟲的滋生，也可以有效減少異味，能為人們提供更加愉悅的感受。即使在夏天使用也無異味產(chǎn)生，具備較高的抑菌抗螨性，使用起來健康舒適。

2.2.3 聚乳酸的水刺無紡布

聚乳酸的水刺無紡布擁有良好的生物降解性能，在廢棄后一年內(nèi)能夠被環(huán)境中的微生物降解，產(chǎn)生大量H2O和CO2，對環(huán)境完全無害。相比目前市場上大多數(shù)無紡布都屬于不可降解的石油基材料，其原料主要是滌綸和粘膠纖維，不僅受原油價(jià)格影響非常大，而且需要400多年以后才有可能會(huì)降解，產(chǎn)生的塑料顆粒對環(huán)境和人體危害很大。可降解的聚乳酸水刺無紡布，目前主要應(yīng)用在家居裝飾陳設(shè)品、洗臉巾、面膜、個(gè)人衛(wèi)生用品等。

2.2.4 聚乳酸熱熔噴布

聚乳酸熱熔噴布，其抑菌率高達(dá)99%以上[10]，有很好的抗菌防螨功能，并且通過生物改性后的聚乳酸熱穩(wěn)定性好，凝聚顆粒大和粉末小，能夠?qū)崿F(xiàn)自然降解、堆肥和焚燒等處理，自然降解過程沒有對周圍環(huán)境造成污染物，從而達(dá)到了碳元素循環(huán)。其卓越的工藝特性，可應(yīng)用于空氣凈化、液體過濾材質(zhì)、隔斷材質(zhì)、吸納材質(zhì)、口罩材質(zhì)、保溫材質(zhì)、吸油料等領(lǐng)域。同時(shí)還可使用于餐廳、酒店等范疇，如中高檔酒店餐廳的餐桌椅裝飾布套、客房專用的聚乳酸床品、衣物、毛巾、浴巾等。

2.3 聚乳酸在餐具產(chǎn)品中的應(yīng)用

當(dāng)前我國對于聚乳酸材料的研究處于初期狀態(tài)，表現(xiàn)較為強(qiáng)勁[11]。其中可降解聚乳酸PLA材料的餐具制品還處在研究發(fā)展階段，并且可降解餐具在耐熱及機(jī)械強(qiáng)度方面還是不如傳統(tǒng)塑料餐具的功能完整。由于PLA材料體現(xiàn)了非常好的環(huán)保特性和抗菌性能，將它制作成餐具產(chǎn)品投入市場，相比其他材料的餐具：陶瓷和玻璃易破碎，木質(zhì)不易清洗，塑料不環(huán)保不健康，這些問題一直被廣大消費(fèi)者詬病，而PLA改性材料制成的餐具很好地解決了這些問題，易清洗耐高溫，環(huán)保又健康。可降解餐具產(chǎn)品的回收具有很大的能源價(jià)值，其中將聚乳酸制成一次性餐具等產(chǎn)品來替代塑料餐具，是解決白色污染的又一大發(fā)展方向。

3 可降解聚乳酸與其他纖維材料的區(qū)別

聚乳酸是新型的聚酯類材料，與傳統(tǒng)的滌綸、晴綸等化學(xué)纖維或者棉、麻、毛等天然纖維相比，聚乳酸具有生物基可降解、抗螨、抑菌、阻燃、防潮、親膚等優(yōu)越性能。聚乳酸與其他種類化學(xué)纖維最大的區(qū)別就在于：聚乳酸的原料來源可再生，并且具有生物降解性，而其他種類化學(xué)纖維90%以上是石油基產(chǎn)物，不可再生也不可降解。表1所示為聚乳酸纖維與其他纖維的對比區(qū)別表。

4 可降解聚乳酸家居產(chǎn)品的發(fā)展趨勢

在當(dāng)前的“雙碳”目標(biāo)下，環(huán)保材料是未來發(fā)展大勢所趨，歷經(jīng)近20年的科學(xué)技術(shù)研究和應(yīng)用探索，中國已具有規(guī)模化產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)聚乳酸未來的發(fā)展，通過“政產(chǎn)學(xué)研用”方面的通力協(xié)作，多領(lǐng)域跨專業(yè)聯(lián)合科技創(chuàng)新，全產(chǎn)業(yè)鏈科技與設(shè)備融通，在破解限制產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)問題的同時(shí)，有望在可降解家居產(chǎn)品領(lǐng)域迎來快速增長，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)。聚乳酸纖維的可降解、抗霉、防螨、阻燃、少煙、防紫外線等優(yōu)點(diǎn)，很好地適應(yīng)了中國新一代化纖產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略需求。我國未來將著重研發(fā)聚乳酸家紡產(chǎn)品、服飾系列、餐具制品、家居衛(wèi)生用品及嬰幼兒用品系列、醫(yī)療用品等領(lǐng)域的廣泛使用。在未來，可降解的PLA材料憑借其優(yōu)良的特性將逐步替代對環(huán)境造成污染的石油基產(chǎn)品。

4.1 改性研究提升聚乳酸纖維性能

生產(chǎn)可降解聚乳酸PLA原料的公司也有不少，但PLA材料仍具有一些影響使用性能的缺點(diǎn)，如不耐高溫、力學(xué)強(qiáng)度不夠，阻隔性、韌性也亟待改善。材料較堅(jiān)硬、易破碎，實(shí)際使用受限較大。市場上現(xiàn)有的聚乳酸纖維制品不耐高溫，洗滌后不可用烘干機(jī)烘干，日常不可用電熨斗直接熨燙。這些問題和缺陷導(dǎo)致了聚乳酸產(chǎn)品在市場上的推廣速度較慢。

針對這些問題缺陷，目前一些科研院校和研究單位、生產(chǎn)企業(yè)都在積極采用生物改性技術(shù)來增強(qiáng)聚乳酸纖維的綜合性能，而未來還可以利用加入其他生物材料（如PHA、納米纖維素等）對聚乳酸原料進(jìn)行生物改性，改性后產(chǎn)品的韌性和耐熱性能都會(huì)有所增強(qiáng)。要進(jìn)一步優(yōu)化親水性則需將其與棉纖維、粘膠等材料進(jìn)行混紡[12]，以此提高聚乳酸材料的親水性。

如湖南菱越科技有限公司結(jié)合研發(fā)出的PLA改性材料，公司計(jì)劃對可降解紡織產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)及推廣，生產(chǎn)出的紡織產(chǎn)品能夠防潮、防霉、抗菌，抗螨、除臭，并且在耐高溫標(biāo)準(zhǔn)上可以達(dá)到105℃，制品可以通過GB/T 18006.1、GB/T 4806.7、GB/T 14934、美國FDA等國內(nèi)外直接接觸類安全標(biāo)準(zhǔn)，解決石油基材料紡織品在廢棄之后無法降解的問題，形成PLA可降解紡織產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，并且建立健全可生物降解材料的產(chǎn)品標(biāo)識及防偽認(rèn)證，建立健全可降解紡織品品牌管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)打造PLA材料應(yīng)用科技展示館。北京服裝學(xué)院為持續(xù)提升聚乳酸纖維性能，研發(fā)推出了超耐熱立構(gòu)復(fù)合纖維、三維旋度纖維、高溫耐受能力、抗菌纖維、防水透濕纖維膜及一系列具有特殊抗菌纖維保護(hù)特性的PLA電熔噴布機(jī)等，并率先在現(xiàn)有聚乳酸改性材料技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)上創(chuàng)新研發(fā)及設(shè)計(jì)創(chuàng)新出不同風(fēng)格款式面料的新一代聚乳酸復(fù)合布料產(chǎn)品及其衍生紡織產(chǎn)品[13]。

■圖3 安徽豐原聚乳酸家居產(chǎn)品系列

■圖4 PLA可降解家居產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈分析

■圖5 PLA可降解家居產(chǎn)品的推廣路線

通過對PLA的改性材料進(jìn)行研究，增強(qiáng)其耐熱性、阻隔性、韌性等，并將改性纖維材料推廣應(yīng)用，研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出能夠替代石油基材質(zhì)的環(huán)保材料與產(chǎn)品，將可生物降解的環(huán)保纖維材料廣泛應(yīng)用于紡織類產(chǎn)品中，加快先進(jìn)環(huán)保材料的應(yīng)用與推廣，為未來社會(huì)的可持續(xù)設(shè)計(jì)生活方式構(gòu)建新的場景和藍(lán)圖[14]。

4.2 聚乳酸家居產(chǎn)品未來產(chǎn)業(yè)鏈分析

由于PLA具有防潮、防霉、抗菌、防螨、除臭的特點(diǎn)，并且經(jīng)過改良后的PLA材質(zhì)，在耐高溫指標(biāo)上能夠達(dá)到105℃的優(yōu)異特性，加工生產(chǎn)后的產(chǎn)品可以在服飾、家居產(chǎn)品、紡織品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。因此家居設(shè)計(jì)師需要將PLA長絲和棉絲復(fù)合的家居產(chǎn)品加以設(shè)計(jì)和研究，并利用棉料的優(yōu)異特點(diǎn)和PLA的特性融合來完成紡織品的設(shè)計(jì)研發(fā)，可以滿足消費(fèi)者對產(chǎn)品迭代升級的需求[15]。在進(jìn)行家居產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候，根據(jù)可降解PLA的材料特性，采用現(xiàn)代簡約風(fēng)格,用色簡單、自然，設(shè)計(jì)語言可以體現(xiàn)品牌形象，突出簡約健康的家居生活風(fēng)格，有較好的可降解面料的識別性，給消費(fèi)者傳遞一種天然的健康家居生活模式。

通過實(shí)踐探索，對聚乳酸材料制作實(shí)踐中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，為聚乳酸在家居產(chǎn)品中的應(yīng)用提供更多的思路與方法。聚乳酸家居產(chǎn)品未來發(fā)展的重點(diǎn)是將PLA改性材料這種環(huán)保新材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石油基化纖材質(zhì)，探索出適合聚乳酸織物染整的加工工藝[16]，進(jìn)行家居產(chǎn)品的設(shè)計(jì)創(chuàng)新與生產(chǎn)、市場銷售、品牌形象推廣，形成PLA可降解家居紡織產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈（圖4）。

4.3 加強(qiáng)可降解聚乳酸家居產(chǎn)品市場推廣培育力度

就可降解聚乳酸家居行業(yè)的整體實(shí)力分析而言，行業(yè)模式、產(chǎn)品類別、企業(yè)實(shí)力、技術(shù)人才等行業(yè)整合能力還有待深入開發(fā)及提升，行業(yè)集群發(fā)展亟待增強(qiáng)[17]。在發(fā)展可降解聚乳酸家居產(chǎn)業(yè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理規(guī)劃，充分考慮到國內(nèi)外市場環(huán)境，并結(jié)合突發(fā)情況對規(guī)劃進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整[18]。當(dāng)前產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅要發(fā)揮政府的引導(dǎo)作用，還需要進(jìn)一步突顯市場的主體作用，在找準(zhǔn)戰(zhàn)略定位的基礎(chǔ)上，因地制宜全面發(fā)展，更加有助于產(chǎn)業(yè)清晰發(fā)展方向，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前相關(guān)政策扶持，加強(qiáng)對產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)[19]。

可降解的生物基材料在未來將逐步取代傳統(tǒng)石化材料（塑膠、化纖等），向著環(huán)保、安全、可回收、易利用、可分解的方向發(fā)展。因此需要加強(qiáng)可降解家居產(chǎn)品市場推廣培育力度，建立PLA可降解家居產(chǎn)品的推廣路線（圖5），著力將可降解PLA改性后的耐高溫、可生物降解材料進(jìn)行推廣應(yīng)用，研發(fā)設(shè)計(jì)出可降解家居產(chǎn)品并且投入市場，形成可降解家居企業(yè)品牌，將PLA材料及產(chǎn)品進(jìn)行市場推廣展示及環(huán)保知識科普，建立線上線下專賣店，加強(qiáng)對人民群眾環(huán)保意識的科普，為國家早日完成禁塑令工作貢獻(xiàn)一份力量[20]。

5 結(jié)語

聚乳酸作為最具有發(fā)展前景的新興環(huán)保材料，擁有卓越的抑菌、防霉、防螨等特性及生物可降解性能，目前廣泛應(yīng)用于家居產(chǎn)品、食品包裝、餐具產(chǎn)品、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中。但自身結(jié)構(gòu)又存在一定的缺陷，制約著其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，未來通過改性方法進(jìn)一步增強(qiáng)聚乳酸纖維的綜合性能，產(chǎn)品的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性能都將得以改善。因此，可降解PLA材料的家居產(chǎn)品行業(yè)具有很大的潛力。用PLA改性材料這種更加環(huán)保的原材料，來取代傳統(tǒng)的石油基化學(xué)纖維材料，建立PLA的可降解紡織制品生產(chǎn)線，并加大對可降解的家居產(chǎn)品市場推廣的力度，助力國家實(shí)施“雙碳”目標(biāo)，推動(dòng)綠色發(fā)展。