Полилактид (PLA): всесторонний обзор применений полимолочной кислоты

Поскольку отрасли ищут способы улучшить свои углеродные следы, нет сомнений, что они сделают шаг в сторону полилактида, в просторечии известного как PLA, поскольку у него много возможностей стать экологически сознательным полимером благодаря его способности быть биоразлагаемым и его способности поддерживать себя, будучи при этом экономически эффективным. В этой статье различные отрасли, которые используют PLA, предоставляя важную информацию о его свойствах и использовании, например, медицинские приборы, 3D-печать и текстиль используют PLA, также как и упаковочная промышленность для их устойчивой привлекательности. Но загрязнение Земли не будет возможным для этих отраслей сейчас из-за таких видов бизнеса, как современное производство и многое другое.

Что такое PLA и почему это важно?

Описание полимолочной кислоты и ее типов

Полимолочная кислота (PLA) — это термопластичный полимер и экологически чистый продукт благодаря своей биоразлагаемости, получаемый из возобновляемых источников, таких как кукурузный крахмал и сахарный тростник. Она привлекла к себе большое внимание, поскольку лецитин необходимо компостировать в промышленных условиях. Молекулярная структура приводит к образованию PLA в различных формах, включая поли-L-молочную кислоту (PLLA) и поли-DL-молочную кислоту (PDLLA). Они различаются по кристалличности и механическим характеристикам, что делает PLA подходящей для самых разных применений, от упаковки до медицинских имплантатов. Она важна, поскольку снижает зависимость от пластмассовых изделий на основе нефти, одновременно способствуя устойчивому развитию и защите окружающей среды.

Процессы и синтез полилактида

Корниш и сахарный тростник, наряду с другими культурами, обогащенными глюкозой, являются основными полимерами, которые используются для разработки Pla. Для этого выполняется ферментация микроорганизмов, которая помогает преобразовать определенные сахара в молочную кислоту, эта кислота затем преобразуется в PLA двумя способами: конденсационной полимеризацией или лактидом с открытым кольцом. Однако более распространенной технологией является полимеризация с открытым кольцом, поскольку она приводит к более высокой молекулярной массе PLA и обеспечивает благоприятные характеристики полилактиду PLA. Цикл того, как создается этот полимер, дополнительно демонстрирует, как он вносит вклад в возобновляемый цикл.

Значение полилактида на современном рынке

Полилактид PLA имеет решающее значение на современном рынке, поскольку он экономически эффективен и экологичен. Благодаря тому, что он производится из растений глюкозы, он помогает минимизировать углеродный след и соответствует глобальной повестке дня по обеспечению экологической безопасности. Благодаря своим биоразлагаемым характеристикам он может быть и уже широко используется в упаковочных материалах, одноразовых столовых приборах и даже текстиле. Он также используется в медицинской технике (шовные материалы и имплантаты) и 3D-печати. ​​Этот спектр использования поддерживает и поощряет сочетание экологической безопасности с практичностью при продвижении полилактида PLA.

Каков механизм деградации полилактида?

Факторы, влияющие на разложение полилактида

На деградацию полилактида (ПЛА) могут влиять несколько важных факторов:

1. Температура: Высокие температуры вызывают гидролиз, делая разрушение полимерных цепей более эффективным. Деградация происходит быстрее при температурах, превышающих температуру стеклования PLA.

• Влажность: Вода необходима в гидролизе, поскольку она способствует разрыву эфирных связей, из которых состоит PLA. Большая влажность или содержание влаги может значительно увеличить скорость распада.
• Уровни рН: Может произойти деградация PLA из-за кислых или концентрированных щелочных растворов поскольку они катализируют гидролитические реакции.
• Микробная активность: Некоторые микроорганизмы могут увеличивать скорость деградации PLA, синтезируя ферменты, разрушающие материал.

Реализация этих факторов позволяет более точно прогнозировать деградацию полилактида во многих промышленных процессах, тем самым оптимизируя деградацию в соответствии с особенностями окружающей среды или продукта.

Понимание деградации PLA в различных условиях

Окружающая среда играет чрезвычайно важную роль в определении эффективности деградации PLA. Эти среды включают:

1. Промышленное компостирование: PLA может гидролизоваться всего за несколько недель под воздействием микробов в процессе промышленного компостирования при более высоких температурах, около 60-70 градусов.
2. Домашнее компостирование: Домашнее компостирование, как правило, занимает гораздо больше времени, чем промышленное, поскольку установка становится холоднее. Это приводит к замедлению деградации и занимает несколько месяцев, а иногда и лет, чтобы полностью разложить PLA.
3. Морская среда: При низких температурах в морской среде PLA распадается медленнее, чем другие методы, и для естественного распада обычно требуется больше времени, которое составляет годы по сравнению с другими формами.
4. Полигоны: В отличие от других сред, полигоны обеспечивают оптимальные условия и температуру для PLA, что позволяет ему сохранять стабильность и предотвращать изменения.

Учет этих различий имеет решающее значение при разработке стратегии оптимизации управления отходами производства изделий из полимолочной кислоты (PLA) и оценке их воздействия на окружающую среду.

Компостирование и проблемы PLA

Одной из обоснованных проблем, с которой сталкивается компостирование PLA, является использование компостных установок. Для меня одной из основных проблем является значение выше 140, которое требуется для разложения и должно быть достигнуто в промышленном компосте. Более того, разложение может длиться в течение длительных периодов, что обычно не относится ко многим циклам компостирования, что делает его неэффективным для массового потребления. Чтобы преодолеть вышеуказанную проблему, я бы рекомендовал, чтобы люди были оснащены базовыми знаниями о компостировании и имели лучший доступ к промышленным предприятиям. Кроме того, может быть целесообразно дополнительно усовершенствовать формулы PLA, чтобы облегчить их биодеградацию в условиях компостирования.

Каковы механические свойства PLA?

Углубляемся в химические и физические структуры

Полимолочная кислота (PLA) — это экологически чистый полимер, обычно получаемый из кукурузного крахмала или сахарного тростника. В отличие от своих источников, он не биоразлагаем. Однако, поскольку он производится из возобновляемых источников, он также является полукристаллическим или аморфным полимером, для которого существуют специфические технологические требования и структура, определяющие его гибкость или термостойкость. PLA, состоящий из сложноэфирных связей, образуется из повторяющихся мономеров, при этом используется молочная кислота; это может вызывать изменения PLA в условиях гидролиза, тем самым изменяя его структурные свойства. Такая структура обеспечивает PLA умеренную прочность и жесткость; конечно, в необработанном виде он может быть хрупким в своей сердцевине. Уникальное сочетание его свойств и способность к разрушению делает его подходящим для таких применений, как 3D-печать и упаковка, где учитываются экологические факторы.

Механические свойства PLA и их значимость

Полимолочная кислота (PLA) обладает несколькими механическими свойствами, которые делают ее пригодной для определенных случаев использования. Она имеет высокую прочность на разрыв, составляющую примерно от 50 до 70 МПа, что дает ей возможность разрываться на значительное расстояние без разрушения. Кроме того, PLA имеет модуль упругости от 3.5 до 4 ГПа, что повышает жесткость и размерную стабильность. Тем не менее, она хрупкая с удлинением при разрыве, как правило, менее 10%, и это позволяет использовать ее в тех случаях, когда после деформации возникают трещины.

Полезность этих свойств заключается в том, что они хорошо подходят для конкретных применений. В частности, прочность на растяжение и жесткость PLA оказываются полезными при 3D-печати, где точность деталей и целостность структур имеют решающее значение. Однако его хрупкость затрудняет применение в областях, требующих гибкости или ударопрочности, что делает его более полезным после смешивания с другими материалами или добавками для обеспечения повышенной прочности. Эти механические свойства гарантируют PLA оптимальный выбор материала для проектирования экологически устойчивых продуктов в мировой упаковочной и аддитивной промышленности.

Улучшения с помощью добавок и сополимеров

В качестве мер, позволяющих смягчить ограничения эксплуатационных характеристик полимолочной кислоты (PLA), были предложены добавки, дополненные сополимерами. Обычно для повышения прочности на изгиб и ударопрочности при сохранении биоразлагаемости PLA используются упрочняющие агенты, пластификаторы или эластомерные добавки. Аналогично, смешивание с полигидроксиалканоатами (PHA) или полиэтиленгликолем (PEG) улучшает механические свойства и термическую стабильность PLA. Модификация химической основы матрицы PLA часто приводит к сополимеризации, и такое изменение позволяет получить желаемые характеристики, такие как повышенная пластичность с меньшей хрупкостью и более низкой температурой. Эти разработки гарантируют, что PLA будет соответствовать все большему числу промышленных применений, одновременно сохраняя свои экологические преимущества.

Перерабатываемые полимеры: роль PLA

PLA в пищевой упаковке

Биоразлагаемая природа и прочность материала — две основные особенности, которые позволяют PLA преуспеть в сфере упаковки пищевых продуктов. Некоторые из применений включают, но не ограничиваются, биоразлагаемыми пищевыми контейнерами, чашками, столовыми приборами, пленками для упаковки хлебобулочных изделий или даже свежей продукцией. Существуют различные причины, по которым PLA может служить идеальной заменой альтернативам на основе нефти для одноразовой упаковки, к этим причинам относятся: нейтральная прозрачность, влагостойкость и способность сохранять свежесть продуктов. Кроме того, соответствие PLA экологическим нормам в форме жизнеспособности от утробы до могилы при соблюдении требований к продуктам питания отображает его применимость в деловом мире.

PLA в экологически чистом производстве

Главное преимущество PLA в экологически чистом производстве заключается в использовании ископаемого топлива в процессе изготовления. В основе PLA лежат такие ингредиенты, как кукурузный крахмал и сахарный тростник, которые обеспечивают меньшие выбросы парниковых газов по сравнению с традиционными пластиками, тем самым снижая общий вред для окружающей среды. Будучи биоразлагаемым, PLA сокращает использование свалок и способствует улучшению управления отходами, поскольку больше внимания уделяется решению проблемы биоразлагаемости PLA. PLA представляет собой экологически чистую альтернативу практически для всех отраслей, включая 3D-печать, производство потребительских товаров и даже текстиля, что упрощает внедрение принципов циркулярной экономики для производителей. Благодаря снижению выбросов и многофункциональности, внедрение PLA позволит любому предприятию перейти к более экономически выгодным производственным практикам.

Переход от обычных пластиков к PLA

Переход от традиционных методов разработки к разработке PLA включает три основных этапа. Во-первых, производители должны оценить свои цепочки поставок, чтобы получить экологически чистые сырьевые компоненты, такие как кукуруза или сахарный тростник, для производства PLA. Затем предприятию может потребоваться модернизация или модификация оборудования, поскольку PLA обладает термическими свойствами, отличающимися от других пластмасс . Кроме того, для широкого использования PLA в других отраслях необходимо избавиться от отходов, не соответствующих экологическим требованиям PLA, используя такие методы, как компостирование и переработка. Также потребуются усилия со стороны различных отраслей для согласования стандартов и сертификатов, которые бы поддерживали упомянутые выше преимущества использования PLA. Если все заинтересованные отрасли предпримут такие меры, например, включат PLA в свои процессы разработки, то отрасль сможет сделать шаг к более устойчивому будущему.

Каково термическое поведение полимолочной кислоты, структурированной как?

Комплексный анализ температуры стеклования

Температура стеклования полимолочной кислоты (PLA) составляет около 55-60 градусов Цельсия, что влияет на ее эффективность в качестве конструкционного композита в процессе изготовления и сушки. Это температурный диапазон, в котором PLA переходит из жесткого, стеклообразного состояния в более гибкое, термопластичное состояние. Она чувствительна к степени гидролиза, происходящего в процессе сшивания, молекулярной доле полимера и концентрации ионов. Знание нижней критической эндотермической температуры (температуры, ниже которой CPLA нельзя использовать в качестве матрицы) имеет первостепенное значение для оценки характеристик композита при создании функциональных применений, таких как сенсорные системы. Термопластичные композиты на основе CPLA также более склонны к ослаблению и деформации при более высоких температурах.

Термическое поведение и подходы к обработке:

Полимолочная кислота (PLA) обладает замечательным термическим поведением, поскольку оно влияет на то, как она может быть изготовлена ​​и применена. Из структурной оценки было замечено, что полимолочная кислота имеет температуру плавления приблизительно от 150 до 160 градусов Цельсия, в зависимости от кристалличности материала и его минерального типа. Полимолочная кислота обладает довольно значительным механическим и термическим свойством, на которое существенно влияет скорость охлаждения, используемая во время кристаллизации полимолочной кислоты. Литье под давлением и 3D-печать — это технологии, требующие определенных температур, поскольку выше определенной температуры PLA имеет тенденцию разлагаться при 200 градусах Цельсия. Знание этих термодинамических характеристик позволяет нам выполнять все операции, не нарушая структуру детали во время производства, при этом достигая максимально возможного эффекта от ее работы.

Влияние молекулярной массы на термическую стабильность:

Молекулярная масса является одним из важных факторов, влияющих на термическую стабильность полимолочной кислоты (PLA). Как и в случае с другими полимерами, высокомолекулярные полимеры полимолочной кислоты обладают лучшей термической стабильностью, чем полимеры с низкой молекулярной массой, поскольку молекулы с более длинной цепью лучше защищены от термической деградации. Для разрушения длинных цепей требуется энергия, что приводит к более высокой температуре, вызывающей начало деградации. С другой стороны, низкомолекулярный PLA имеет низкую термическую стойкость и, таким образом, легко деградирует при таких высоких температурах, что делает его неблагоприятным для большинства применений. Следовательно, использование технологии подразумевает изначальный выбор подходящей молекулярной массы PLA для долговечного применения, для которого термические характеристики будут работать эффективно.

Часто задаваемые вопросы (FAQ):

В: Что такое полилактид (PLA) и как его производят?

A: Полилактид (PLA) — это высокофункциональный полиэфир, синтезированный через биомассу, который, как полагают, является биоразлагаемым. Он производится путем конденсационной полимеризации молочной кислоты, которая преобразует ферментированные растительные крахмалы в ожидаемые мономеры. Два наиболее распространенных метода синтеза PLA — это конденсация молочной кислоты и полимеризация с раскрытием кольца лактида. Эти методы дают полимеры PLA с очень большой молекулярной массой и превосходными физическими и механическими свойствами.

В: Каковы основные области применения PLA как термопластичного материала?

A: PLA — это очень широко используемый термопластик в некоторых коммерческих областях. Некоторые ключевые области применения: 1. Упаковщики продуктов питания, столовые приборы и другие одноразовые предметы 2. Нити для 3D-принтеров 3. Волокна для текстиля и других тканей 4. Протезы и трансдермальные устройства 5. Мульчирующая пленка в сельском хозяйстве. Эти области применения используют преимущества биодеградации и биосовместимости PLA и его свойства, подходящие для простого и экономически эффективного производства.

В: Сравните и сопоставьте физические характеристики PLA с другими традиционными пластиками.

A: По сравнению с другими обычными пластиками, PLA имеет особые и отличающиеся физические характеристики для своего использования. Его прочность на разрыв и модуль упругости довольно высоки; таким образом, он рекомендуется для приложений на основе нагрузки на основе PLA. PLA также имеет достойные барьерные характеристики для кислорода и водяного пара. С другой стороны, он не может конкурировать с некоторыми дисками на масляной основе в отношении температуры стеклования и температуры тепловой деформации, поэтому его применение в зонах высоких температур несколько ограничено. PLA является биоразлагаемым, что является важным плюсом по сравнению с другими пластиками.

В: Опишите различные преимущества включения PLA в композитные материалы.

A: Некоторые преимущества наличия PLA в композитных материалах привели к его более широкому использованию в последнее время. Некоторые из них включают следующее: 1. Биоразлагаемость, что способствует сохранению окружающей среды 2. Хорошие адгезионные свойства с натуральными волокнами 3. Лучшие инженерные качества в качестве матричного материала 4. Потенциал для производства полностью биокомпозитов 5. Биополимеры, используемые в настоящее время, имеют более низкую обрабатываемость по сравнению с некоторыми другими биополимерами. Эти характеристики актуальны для использования композитов на основе PLA в автомобильной, строительной и потребительской промышленности.

В: Каким образом изменяются характеристики PLA, если в одном слое смешать PLA с другими полимерами?

А: Согласно исследованиям, смешивание полимеров PLA с другими полимерами может существенно изменить их свойства. Например, при смешивании с полимером PDLA (поли-D-молочной кислоты) может повыситься термостойкость и кристалличность матрицы PLA. Смешивание PLA с другими типами биоразлагаемых полимеров, такими как PCL (поликапролактон) или крахмал, может изменить скорость разложения и механические характеристики. Смеси с небиоразлагаемыми полимерами могут повысить прочность или улучшить технологические характеристики, но при этом снизят биоразлагаемость. Конечные свойства смесей PLA зависят от химического состава смешиваемых компонентов, а также от их соотношения.

В: Каковы основные препятствия при применении ПЛА в различных целях?

А: Несмотря на множество преимуществ, полимолочная кислота (PLA) имеет ряд проблем, препятствующих ее более широкому применению: 1. Более низкие значения температуры деформации под воздействием тепла, чем у некоторых распространенных полимеров; 2. Появление запаха пищевых продуктов или поглощение влаги во время обработки и/или после использования; 3. Более высокая стоимость по сравнению с низкосортными пластмассами; 4. Возможность нежелательной биодеградации в некоторых областях применения; 5. Низкая прочность и низкое удлинение при пределе текучести; 6. Узкий диапазон температур, благоприятных для обработки методом экструзии и формования. В настоящее время ведутся исследования по дальнейшему улучшению физических и химических свойств, а также процессов модификации и обработки PLA, обеспечивающих высокую биосовместимость и биологическую безопасность.

В: Как PLA соотносится с другими биоразлагаемыми полимерами с точки зрения легкости его разложения?

A: PLA выделяется как один из лучших полимеров, которые могут биоразлагаться, и это потому, что он широко доступен на рынке, а также имеет хорошие характеристики для деполимеризации. Однако среди PHB или PCL (поликапролактон), которые также классифицируются как биоразлагаемые полимеры, PLA сохраняется дольше и может оставаться нетронутым в окружающей среде, но их компостируют на промышленных предприятиях. Кроме того, скорость, с которой разлагается PLA, зависит от нескольких факторов: молекулярной массы полимера, степени кристаллизации и использования добавок. Такой допуск гарантирует, что PLA разнообразен и может использоваться в многочисленных приложениях.

В: Какие экологически безопасные практики или факторы следует учитывать при использовании PLA?

A: PLA помогает окружающей среде в различных аспектах, и вот некоторые из них: 1. Снижение зависимости от ископаемого топлива, поскольку продавцам больше не нужно использовать невозобновляемые продукты 2. Используется для меньшего использования пластика, поскольку при некоторых обстоятельствах его можно компостировать 3. Использование ископаемого топлива снизило его общие выбросы углерода 4. Его можно перерабатывать и использовать в производстве новых предметов. С другой стороны, существуют такие проблемы, как: 1. Производство PLA довольно дорого из-за его высокого потребления энергии 2. Сельскохозяйственные культуры для производства продовольствия нуждаются в нем, что затрудняет производство 3. Правильная утилизация PLA является обязательным условием для того, чтобы произошла деградация 4. В процессе распада PLA микропластик может быть сброшен в море, и все это представляет угрозу. Принимая во внимание все это, мы обеспечим разумное использование PLA.

Справочные источники

1. Антипирен лизин изначально усиливает низкую огнестойкость, а относительная кристалличность полилактида способна в определенной степени деацетилировать матрицу PLA.Авторы: Мяохонг Яо и др.Дата публикации: 1 марта 2023 г.Вывод: В статье представлен антипирен, полученный из лизина, который повышает воспламеняемость матрицы полилактида (PLA). Авторы измеряют влияние этого антипирена на свойства деградации PLA, диспергированного в водной фазе. Методология использует термический анализ и испытания на горение для измерения характеристик модифицированного PLA. Анализ экспериментальных результатов демонстрирует десятикратное повышение огнестойкости и улучшение механических свойств, что намекает на возможное использование в соответствующих областях безопасности.
2. Достижения в области 3D-печати биоматериалов на основе полилактида и поликапролактона для применения в тканевой инженерииАвторы: Зия Улла Ариф и др.Опубликовано: 2022Обзор: В этом обзоре основное внимание уделяется биокомпозитам PLA и PCL, изготовленным на основе 3D-технологий, которые эффективны в тканевой инженерии. Во многих аспектах тканевой инженерии обсуждаются методы изготовления, типы материалов и области применения. Целью данной статьи является систематический анализ литературы последних исследований, посвященных композитам PLA, которые будут использоваться в биомедицинских областях. Результаты сосредоточены на использовании PLA для изготовления каркасов для костной, сердечной и нервной тканей.
3. Атомно-экономичный синтез олигомерного P/N-содержащего антипирена для получения огнестойких и механически прочных полилактидных биокомпозитовАвторы: Цзябин Фэн и др. Дата публикации: 1 апреля 2023 г. Резюме: Огнестойкие биокомпозиты, использующие полилактид (PLA), могут быть усовершенствованы с помощью фосфор/азотсодержащей системы, как представлено в этом исследовании. Путь синтеза материала аналитически охарактеризован и подробно описан; Таким образом, все результаты представлены в ряде методологий, включая механический анализ и оценку поведения продукта при горении. В статье показаны удовлетворительные результаты и говорится, что композиты PLA значительно улучшились в плане пожарной безопасности и механической прочности после добавления специально разработанных антипиренов.
4. Пластики на основе эфиров коричной кислоты как экологически чистые пластификаторы для полилактидов с улучшенной пластичностьюАвторы: Алендро Барандиаран и др.Дата публикации: 16 марта 2023 г.Краткое содержание: В этом исследовании рассматривается использование эфиров коричной кислоты в качестве зеленых пластификаторов для составов полилактида (PLA) для улучшения его пластичности. Авторы оценивают влияние различных типов пластификаторы на механические свойства PLA с использованием компаундирования с последующим литьем под давлением. Методология включает механические испытания и термический анализ. Результаты также показывают, что использование этих натуральных пластификаторов радикально увеличивает удлинение при разрыве и ударную вязкость PLA, тем самым расширяя его универсальность.
5. 3D-каркасы, изготовленные из полилактидов, в которые встроена лакказа, для повышения устойчивости к ферментам и обработке сточных вод эстрогеномАвторы: Агнешка Рыбарчик и др.Дата публикации: 1 мая 2023 г.Краткое содержание: В этой публикации сообщается об усилиях по эффективному удалению эстрогенов из сточных вод путем проектирования 3D-лакказо-встроенных полилактидных (PLA) каркасов с повышенной стабильностью ферментов. Каркас был изготовлен, и была оценена эффективность фермента в сточных водах. В представленной работе широко используются определения активности ферментов и тесты на стабильность. Результаты показывают многообещающие результаты для прототипов биоремедиации, активируемых PLA, поскольку фермент достигает значительного улучшения производительности.
6. Полимолочная кислота
7. Polymer