Полимолочная кислота , или PLA, как её часто называют, — ещё один революционный материал, находящий применение от 3D-печати до упаковки. PLA изготавливается из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал и сахарный тростник, что делает его более экологичным по сравнению с традиционными пластмассами. Это большое преимущество, когда на первом плане стоят экологические проблемы. В этой статье мы подробно рассмотрим особенности PLA, включая его историю, характеристики, области применения и влияние на окружающую среду. Это руководство поможет производителям, дизайнерам и другим пользователям этого материала легко понять его возможности и области применения, ориентированные на устойчивое развитие.
Что такое PLA и как его производят?
Полимолочная кислота, или PLA, — это пластик, производимый из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал, сахарный тростник или маниока. Он биоразлагаем и производится путем ферментации этого сырья для создания молочной кислоты, полимеризованной в PLA. Образование лактида и полимеризация с раскрытием кольца — два основных этапа полимеризации PLA. Благодаря доступности сырья производство этого пластика считается экологически безопасным по сравнению с пластиками, полученными из нефти. Он широко используется из-за своей глобальной компостируемости, простоты использования в различных областях, таких как упаковка, 3D-печать, медицинское оборудование и промышленная компостируемость.
Понимание мономера молочной кислоты
Молочная кислота, основной мономер в производстве полимолочной кислоты (PLA), представляет собой органическое соединение, получаемое в основном путем ферментации источников углерода, таких как кукуруза, сахарный тростник и свекла. Она имеет две стереоизомерные формы, L-молочную и D-молочную кислоту, которые играют важную роль в определении конечных характеристик PLA. Технология биопроизводства молочной кислоты является передовой и хорошо интегрируется с существующей системой благодаря использованию возобновляемого биотехнологического сырья, что соответствует растущему рынку экологически чистых материалов.
Процесс полимеризации лактида
Лактид обычно используется в качестве сырья для производства полимолочной кислоты (PLA) с использованием процесса полимеризации с раскрытием кольца (ROP). Синтез полимолочной кислоты инициируется полимеризацией лактида, которая выполняется с металлическим катализатором, таким как октоат олова (II). ROP происходит при умеренном нагревании и давлении, что позволяет мономерам лактида раскрыть свою кольцевую структуру и полимеризоваться в длинные цепи PLA. Эта технология особенно эффективна, позволяя управлять результатом молекулярной массы и механической прочности PLA. Такие свойства необходимы при поиске решающих областей применения, таких как упаковка, медицинские и другие одноразовые изделия.
Этапы производства PLA
- Подготовка сырья: Крахмал необходимо извлечь из биомассы, кукурузы или сахарного тростника, а гидролиз преобразует крахмал в необходимые сахара.
- Ферментация: полученные выше сахара будут преобразованы в молочную кислоту (ключевой мономер для PLA) посредством микробной ферментации.
- Очистка молочной кислоты: Молочную кислоту необходимо очистить, чтобы получить высококачественный мономер, что является ключевым требованием для успешной повторной полимеризации.
- Образование лактида: очищенная молочная кислота подвергается реакции конденсации или другим каталитическим процессам, превращаясь в лактид, циклический димер.
- Полимеризация: Раскрытие кольца полимеризации лактида будет инициировано катализатором (октоатом олова (II)) при контролируемой температуре и давлении для полимеризации PLA.
- Постобработка: можно вносить изменения в молекулярную массу или добавлять добавки, чтобы модифицировать полимер PLA в соответствии с конкретными потребностями предполагаемого использования.
- Формование конечного продукта: в зависимости от промышленного использования PLA может быть преобразован в различные формы, включая пленки, волокна или формованные изделия.
Изучение свойств PLA
Механические и термические свойства PLA
PLA имеет высокую прочность на разрыв и модуль, что позволяет использовать его там, где необходимы жесткость и структурная целостность. Однако он имеет ограниченное применение в условиях высоких напряжений из-за низкой ударопрочности по сравнению с другими полимерами. Термически PLA переводит полимерное стекло в резиноподобное состояние при низких температурах, около 55–60 °C, и начинает размягчаться примерно при 150–180 °C. Таким образом, он может потерять свою форму в условиях низкого нагрева. Самое главное, чтобы соответствовать конкретным промышленным потребностям, включая смеси PLA, его механические и термические свойства можно изменять путем смешивания с другими материалами или использования определенных наполнителей или добавок.
Биоразлагаемые и барьерные свойства
В условиях промышленного компостирования PLA характеризуется исключительной биоразлагаемостью и разлагается на воду, углекислый газ и биомассу в течение нескольких месяцев. Это свойство делает его очень востребованным для экологически чистых применений, таких как изготовление упаковочных материалов или одноразовых изделий. С другой стороны, неконтролируемые температуры и отсутствие микробной активности в естественных средах, таких как вода или почва, сравнительно замедляют процесс разложения PLA. Что касается барьерных свойств, PLA обладает умеренной устойчивостью к прохождению кислорода и влаги и, таким образом, подходит для краткосрочной упаковки пищевых продуктов. Сочетание его с другими полимерами или покрытиями для определенных применений может обеспечить дополнительные барьерные свойства.
Влияние молекулярной массы на PLA
Молекулярный вес является одним из наиболее важных факторов, влияющих на механические, термические и деградационные свойства PLA. Полилактиды с высоким молекулярным весом, как правило, обладают большей прочностью, термической стойкостью и более низкими скоростями деградации, что делает их применимыми в условиях, где необходима долговечность. Напротив, полилактиды с низким молекулярным весом имеют более высокую скорость деградации и более полезны в медицинских приложениях, таких как системы доставки лекарств или биоразлагаемые имплантаты. Для удовлетворения этих требований необходимо выбрать адекватную молекулярную массу.
Как PLA-пластик используется в упаковке пищевых продуктов?
Применение полимолочной кислоты в пищевой промышленности
Что касается безопасности пищевых продуктов, возможности получения из экологически чистых источников и компостируемости, полимолочная кислота (PLA) действительно является революционным дополнением к индустрии упаковки пищевых продуктов. Она широко используется в контейнерах, чашках, лотках и упаковочных материалах для свежих фруктов, выпечки и упаковки готовых к употреблению продуктов. Кроме того, PLA является конкурентоспособной заменой PET и PS, где требуется прозрачность, поскольку она является одновременно прозрачной и жесткой.
Кроме того, недавние исследования показывают, что PLA продлевает срок годности товаров, подверженных риску порчи. При смешивании с определенными соответствующими добавками или встраивании в многослойные структуры PLA может изолировать влагу и кислород, которые являются важнейшими элементами в сохранении продуктов питания. Оценки отрасли показывают, что мировые производственные мощности PLA увеличатся более чем на 600,000 2025 метрических тонн к XNUMX году из-за всплеска спроса, прогнозируемого на рынке продуктов питания и напитков. Этот рост свидетельствует о большем внимании к экологически чистым методам упаковки, поскольку правительства и предприятия используют более устойчивую политику.
PLA также актуален в упаковочных материалах для пищевых продуктов из-за его совместимости с принципами экономики замкнутого цикла. Изделия, изготовленные из PLA, могут компостироваться на уровне завода, что помогает сократить отходы на свалках и снизить выбросы углерода. Усилия в исследованиях сосредоточены на расширении диапазона термических и механических возможностей PLA, а разработка инноваций для повышения максимальной рабочей температуры и прочности материала уменьшает его тенденцию становиться хрупким. Это упрощает внедрение материала в различные приложения для упаковки пищевых продуктов.
Преимущества использования биоразлагаемого PLA для упаковки
- Экологическая устойчивость: Поскольку PLA производится из сахарного тростника или кукурузного крахмала, это биоразлагаемый пластик, и его использование может снизить нашу зависимость от ископаемого топлива. Кроме того, в отличие от стандартных пластиков, он оказывает меньшее негативное воздействие на окружающую среду, поскольку может разлагаться на промышленных заводах по компостированию.
- Сокращение углеродного следа: промышленное производство и использование PLA значительно сокращает выбросы вредных парниковых газов по сравнению с производством и использованием пластика на основе нефти. По этой причине он признан лучшим выбором.
- Компостируемость: органическое вещество в упаковке из PLA может разлагаться в контролируемых условиях компостирования, помогая минимизировать количество органических отходов, отправляемых на свалки, и одновременно повышая содержание органических веществ в почве.
- Универсальность: хотя его используют для изготовления контейнеров для пирожков, упаковки для свежих овощей, мяса, выпечки и оберток для других напитков, его практичность соответствует экологическим целям упаковки пищевых продуктов.
Сравнение PLA и традиционного пластика
- Источник материала: PLA изготавливается из кукурузного крахмала или сахарного тростника, в отличие от традиционных пластиков, которые производятся из ископаемого топлива, такого как бензин.
- Биоразлагаемость: PLA распадается на органические вещества в промышленных компостных установках, в то время как обычный пластик разлагается годами и способствует загрязнению окружающей среды.
- Воздействие на окружающую среду: по сравнению с традиционными пластиками производство PLA приводит к меньшим выбросам парниковых газов, что снижает общий углеродный след.
- Производительность: PLA отлично подходит для многих сфер применения; однако по сравнению с некоторыми промышленными пластиками, которые работают при высоких температурах, его термостойкость и долговечность ограничивают сферу его применения.
- Переработка: Поскольку они более распространены, традиционные пластики имеют больше шансов быть принятыми в программы переработки. Однако у PLA нет других способов утилизации, кроме промышленного компостирования.
Принимая все во внимание, становится очевидным, что у PLA есть свои недостатки, в основном касающиеся производительности, но у него также есть свои преимущества в плане устойчивости.
Синтез PLA: приемы и методы
Прямая конденсация молочной кислоты
В производстве PLA прямая конденсация молочной кислоты — это метод, который подразумевает удаление воды, поскольку мономеры молочной кислоты связаны вместе. Обычно эта технология требует повышенных температур и пониженных уровней давления, чтобы подтолкнуть реакцию к эффективному прогрессу. Однако одной из существенных проблем с этим методом является то, что сложно получить полимеры с высокой молекулярной массой из-за равновесной природы реакции, что делает ее неэффективной для крупномасштабных или высокопроизводительных целей.
Методы полимеризации с раскрытием кольца
Полимеризация с раскрытием кольца (ROP) остается одним из наиболее распространенных методов синтеза PLA. Он также является одним из наиболее эффективных, когда требуются высокая молекулярная масса и специфические характеристики полимера. В этом случае лактид, циклический димер молочной кислоты, полимеризуется с использованием катализаторов на основе металлов в контролируемых условиях. Наиболее часто используемым катализатором для эффективной полимеризации является октаноат олова (II); однако в последнее время предпринимаются попытки исследовать нетоксичные заменители, такие как органические катализаторы, для повышения устойчивости и биосовместимости.
Из-за расщепления циклических лактидных структур мономеры могут связываться, образуя длинные цепи полимеров. ROP легко поддается адаптации для достижения определенных молекулярных масс и полидисперсностей, поэтому его часто используют для множества приложений, связанных с PLA, в медицинских устройствах, упаковочных материалах и текстиле. Предварительные исследования показывают, что ROP может достигать молекулярных масс свыше 100,000 XNUMX г/моль в зависимости от условий реакции и природы катализаторов, что, в свою очередь, повышает механическую прочность и долговечность полимера.
Кроме того, разработка новых методов ROP, таких как системы без растворителей и зеленые каталитические системы, повышает выход молочной кислоты и повышает экологичность процесса. Эти инновации соответствуют растущему предложению экологически чистых производимых PLA, способствуя круговой экономике. Используя преимущества этих инноваций, ROP продолжает оставаться одним из самых надежных и легко достижимых методов производства PLA.
Инновации в синтезе PLA
Замена классических каталитических систем ферментативной полимеризацией — не самое захватывающее новшество в синтезе PLA, но скорее освежающее. Ферментативные процессы являются более экологичной альтернативой каталитической полимеризации, поскольку они используют природные ферменты для катализа процесса, тем самым уменьшая токсичные отходы и позволяя проводить более низкие температуры реакции. Кроме того, разработка стереокомплексного синтеза PLA из энантиомерно чистых полимеров улучшила термические и механические свойства материалов. Такие инновации повышают производительность материалов и способствуют устойчивости в процессах производства PLA, что является предпосылкой для более широкого принятия использования PLA.
Каково воздействие PLA на окружающую среду?
PLA как биоразлагаемый полимер
Полимолочная кислота (PLA) считается экологически чистым материалом из-за ее способности разлагаться в промышленных условиях компостирования. По моему мнению, поскольку PLA может быть разложена на свои природные компоненты, такие как углекислый газ и вода, которые в изобилии присутствуют во многих средах, это альтернатива пластику, которая имеет потенциал для сокращения пластиковых отходов. В то же время я понимаю, что потенциал PLA всегда сдерживается, если не внедрена адекватная система управления отходами. Кроме того, я согласен, что PLA NE разлагается так же эффективно в необработанных средах, таких как почва или океан. Поэтому необходима система, в которой отслеживаются ключевые факторы.
Влияние производства PLA на окружающую среду
Воздействие производства молочной кислоты на окружающую среду может быть как полезным, так и вредным для жизненного цикла PLA. Кроме того, исходные материалы для PLA, такие как кукурузный крахмал или сахарный тростник, можно выращивать, что снижает зависимость от ископаемого топлива и даже сокращает выбросы парниковых газов. С другой стороны, процесс производства является очень энергоемким; невозобновляемые источники энергии могут ухудшить экологический след. Кроме того, производство сырьевых культур подразумевает изменение землепользования, использование воды и удобрения, что наносит вред окружающей среде. Эти аспекты предполагают, что необходимо приложить усилия для внедрения экологически чистых методов, чтобы получить максимальную экологическую выгоду от PLA.
Роль PLA в сокращении пластиковых отходов
PLA необходим для снижения загрязнения окружающей среды, поскольку он представляет собой биоразлагаемую замену традиционному невозобновляемому пластику на основе нефти. Проблемы с пластиковыми отходами и загрязнением значительно улучшатся, если мы будем компостировать PLA в промышленных масштабах, однако для того, чтобы это было эффективно, сначала необходимо создать надлежащую сортировку отходов и соответствующую инфраструктуру компостирования. Хотя эти системы необходимо создать для получения выгод от компостирования PLA, я понимаю, что они имеют огромное значение для нашей эффективной борьбы с пластиковыми отходами.
Часто задаваемые вопросы (FAQ):
В: Что такое полимолочная кислота (PLA) и как ее производят?
A: Полимолочная кислота (PLA) — это биоразлагаемый пластик, изготовленный из возобновляемых материалов, таких как кукурузный крахмал или сахарный тростник. PLA производится в процессе ферментации крахмала в молочную кислоту, а затем кислота полимеризуется в полимер PLA. Образование сырого PLA включает конденсацию мономеров молочной кислоты или полимеризацию молочной кислоты или лактида для получения конечного полимера.
В: Какими механическими свойствами обладает PLA?
A: Механические характеристики PLA включают высокую прочность на разрыв и низкое удлинение при разрыве, что подразумевает более высокую жесткость и хрупкость, чем у других полимеров. Эти характеристики, в частности прочность на разрыв и модуль упругости при растяжении, позволяют применять его в 3D-печати, литье под давлением и производстве других биоразлагаемых изделий.
В: Что следует понимать под PLA как биоразлагаемым пластиком?
A: Термин подразумевает, что PLA может разлагаться на такие элементы, как углекислый газ и вода при промышленном компостировании. Разложение PLA облегчается микроорганизмами, которые переваривают полимер. В результате это гораздо более экологичный вариант, чем традиционные пластики.
В: Почему температура плавления PLA составляет 150–160 градусов по Цельсию?
A: PLA оптимально использовать для процесса экструзии при низкой температуре 150–160 градусов по Цельсию. При этой температуре PLA быстро плавится, что делает его пригодным для экструзии через сопла для 3D-печати. Это позволяет производить сложные и изысканные объекты из PLA, напечатанные на 3D-принтере.
В: Каково применение изделий из PLA в повседневной жизни?
A: PLA можно использовать для различных целей, таких как медицинские имплантаты, 3D-печать и упаковки, и он даже отлично подходит для одноразовых столовых приборов. PLA также адаптируем, так как его можно отливать под давлением или печатать на 3D-принтере, что делает его полезным для многих коммерческих и потребительских целей.
В: Можно ли комбинировать PLA с другими пластиками?
A: Безусловно, механические и физические характеристики PLA можно улучшить еще больше, смешивая его с другими полимерами. Добавление других биопластиков или добавок увеличивает гибкость полимера, ударную прочность и термостойкость, расширяя сферу его применения.
В: Какова температура стеклования PLA?
A: Температура стеклования PLA составляет почти 60 градусов по Цельсию. При этой температуре полимер переходит из твердого и стеклообразного состояния в резиноподобное и эластичное состояние, что влияет на его механические свойства и стабильность в различных температурных диапазонах.
В: Как производство PLA способствует устойчивому развитию?
A: Производство PLA является экологически чистым. Он производится из возобновляемого сырья, такого как кукурузный крахмал и сахарный тростник, что снижает зависимость от невозобновляемого ископаемого топлива. Кроме того, поскольку PLA является биоразлагаемым, он минимизирует количество образующихся пластиковых отходов и смягчает общее негативное воздействие на окружающую среду при условии его правильной утилизации.
В: Какие проблемы связаны с использованием PLA?
A: Разрыв и деградация при более низкой температуре, наряду с хрупкостью, являются некоторыми из проблем, связанных с применением PLA в настоящее время; поэтому его использование ограничено в регионах с высокими температурами. Кроме того, хотя одобренное использование промышленных объектов находится вокруг, следует отметить, что существуют особые условия для его адаптации к разрушению PLA.
Справочные источники
1. Полимерная мембрана, изготовленная из полимолочной кислоты и масла бабассу, для заживления ран
- Авторы: Д. Фернандес и др.
- Дата публикации: 2021-02-21
- Ключевые результаты:
- Электропряденая мембрана PLA/babassu продемонстрировала благоприятные свойства для создания раневых повязок. К ним относятся рекомендуемая скорость пропускания водяного пара (WVTR), поддержание влажной среды, отсутствие цитотоксичности, стимуляция клеточных линий кератиноцитов и ингибирование роста Pseudomonas aeruginosa.
- Методология:
- Полимерная мембрана, изготовленная из PLA и масла бабассу, была подвергнута электропрядению, после чего была проведена серия испытаний для определения ее эффективности в качестве перевязочного материала для ран (Фернандес и др. 2021, с. 102173).
2. Технические, физические и абразивные свойства опубликованных 3D-материалов на основе полимолочной кислоты
- Автор: А. Альмаджид
- Дата публикации: 2020-03-01
- Ключевые результаты:
- Исследование было сосредоточено на моделировании осаждения материалов PLA и показало, что показатели прочности на растяжение, модуля упругости и пластичности в значительной степени зависят от процента заполнения и направления печати.
- Методология:
- Для определения механических свойств были проведены испытания на растяжение, твердость и износ образцов PLA с различным процентным содержанием заполнителей (Альмаджид, 2020, стр. 118–125).
3. Характеристики и эффекты смеси PLA, в частности композитов на основе сшитого крахмала и полимолочной кислоты.
- Автор: Ин Ван
- Дата публикации: 07 июля 2018 г.
- Ключевые результаты:
- Согласно исследованию, сочетание PLA с крахмалом и триметилхлорсиланом PLA композитов улучшило механические свойства композитов, оптический анализ и поглощение воды. Увеличение содержания крахмала приведет к снижению механических свойств.
- Методология:
- В данном исследовании семь экспериментальных первичных образцов были изготовлены путем механического смешивания PLA и крахмала в нескольких пропорциях с последующим механическим испытанием и анализом FTIR.Ван, 2018).
