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 из-за его биоразлагаемости, получаемой из возобновляемых источников, таких как кукурузный крахмал и сахарный тростник. Он привлек к себе большое внимание, поскольку лецитин должен компостироваться 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 пригодным для таких разнообразных применений, как упаковка и медицинские имплантаты. Это важно, поскольку снижает зависимость от масляных пластиковые изделия, способствуя устойчивому развитию и усилия по 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.

Признание этих различий имеет решающее значение. формулирование стратегии оптимизации для управления отходами продукции PLA и оценки ее экологических последствий.

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

PLA, также известная как полимолочная кислота, является экологически чистым полимером, обычно сделано из кукурузы крахмал или сахарный тростник. В отличие от своих источников, он не биоразлагаем. Однако, поскольку производится из возобновляемых источников, он также является полукристаллическим или аморфным полимером, который имеет особые требования к обработке и структуру, которые определяют его гибкость или термическую прочность. PLA, состоящий из сложноэфирных связей, образуется из повторяющихся мономеров, в которых используется молочная кислота; это может привести к изменению PLA в гидролитических условиях, тем самым изменяя его структурные свойства. Такие структуры обеспечивают PLA умеренной прочностью и жесткостью; конечно, в своей сырой форме он может быть хрупким в своей основной форме. Уникальное сочетание его свойств и его способности распадаться делает его пригодным для приложения, такие 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 целевого использования. В частности, прочность на разрыв и жесткость PLA пригодятся во время 3D-печати, где точность деталей и целостность структур имеют решающее значение. Но его хрупкость затрудняет приложения, требующие гибкости или материал, чтобы противостоять ударам, что делает его более полезным после того, как он был смешан с другими материалами или добавками для обеспечения улучшенной прочности. Эти механические свойства гарантируют PLA оптимальный выбор материала для проектирования устойчивых продуктов в мировой упаковочной и аддитивной промышленности.

Улучшения с помощью добавок и сополимеров

Добавки, дополненные сополимерами, были названы в качестве мер, которые могут смягчить ограничения производительности PLA. Обычно, упрочняющие агенты, пластификаторы или эластомерные добавки используются для акцентирования изгиба и ударопрочности, сохраняя при этом биоразлагаемую природу PLA. Аналогично, смешивание с полигидроксиалканоатами (PHA) или полиэтилен гликоль (ПЭГ) улучшает механические свойства и термическую стабильность PLA. Изменение химической основы матрицы PLA часто приводит к сополимеризации, и такое изменение обеспечивает желаемые характеристики, такие как повышенная пластичность с меньшей хрупкостью и более низкой температурой. Эти разработки гарантируют, что PLA по-прежнему будет соответствовать все большему количеству промышленных применений, в то же время обеспечивая его экологическую безопасность 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

Передовые возможности, которые обеспечивает PLA в области экологичности производство вовлекается в процесс без использования ископаемого топлива для производства, что предлагает PLA. Такие ингредиенты, как кукурузный крахмал и сахарный тростник, составляют основу PLA, и эти ингредиенты обеспечивают более низкие выбросы парниковых газов при размещении по сравнению с традиционными пластиками, тем самым снижая общий вред окружающей среде. Будучи биоразлагаемым, PLA сокращает использование свалок и способствует улучшению управления отходами, поскольку больше внимания может быть уделено решению проблемы биоразлагаемости 745 PLA. PLA представляет собой экологически чистую альтернативу практически всем отраслям, включая 3D-печать, потребительские товары и даже текстиль, что упрощает для производителей принятие принципов круговой экономики. Благодаря сокращению выбросов и многофункциональности принятие PLA позволит любому предприятию перейти к более экономически выгодным методам производства.

Переход от обычных пластиков к PLA

Существует три основных шага для перехода от традиционной разработки к разработке PLA. Для начала производители должны оценить свои цепочки поставок, чтобы получить устойчивые сырьевые компоненты, такие как кукуруза или сахарный тростник, для создания PLA. Затем предприятию может потребоваться модернизация или модификация своего оборудования, поскольку PLA имеет термическую свойства, которые отличаются от других пластиков. Также избавляемся от мусора, который не вписывается в НОАК Экологичность природы посредством таких методов, как компостирование и переработка, является еще одним шагом, необходимым для широкого использования PLA в других отраслях. Также потребуются усилия со стороны многих отраслей промышленности для согласования стандартов и сертификации, которые будут поддерживать ранее упомянутые преимущества использования PLA. Если такие меры будут приняты всеми заинтересованными отраслями промышленности, например, по включению PLA в процесс 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 по Цельсию, что влияет на ее эффективность как структурного композита во время изготовления и сушки. Это температурный диапазон, в котором PLA переходит из жесткого, стеклообразного состояния в более гибкое, термопластичное состояние. Он чувствителен к количеству гидролиза, происходящего в процессе сшивания, молекулярной фракции полимера и концентрации ионов. Знание нижней критической эндотермической температуры (температуры, ниже которой CPLA не может использоваться в качестве матрицы) имеет первостепенное значение для оценки производительности композита при создании функциональных приложений, таких как сенсорные системы. CPLA термопластичные композиты 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?

A: Согласно исследованию, смешивание полимеров PLA с другими полимерами может кардинально изменить его свойства. Например, когда PDLA (поли-D-молочная кислота) смешивается с полимером, термостойкость и кристалличность матрицы PLA могут быть улучшены. PLA, смешанный с другими типами биоразлагаемых полимеров, такими как PCL (поликапролактон) или крахмал, может изменить Скорость деградации и механические характеристики. Смеси с небиоразлагаемыми полимерами могут повысить прочность или характеристики обработки, но ухудшат биоразлагаемость. Конечные свойства смесей PLA зависят от химии компонентов смеси, а также от их соотношений.

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

A: Несмотря на то, что PLA имеет множество преимуществ, у него есть ряд проблем, которые мешают его более широкому использованию: 1. Более низкие значения температуры теплового изгиба, чем у некоторых распространенных полимеров. Запах пищи или поглощение влаги во время обработки и/или после использования 3. Дороже, чем низкосортные пластики 4. Возможность нежелательного биоразложения в некоторых случаях применения 5. Низкая прочность и низкое удлинение при пределе текучести 6. Узкие диапазоны температур, благоприятные для процесс экструзии и формование. Дальнейшее улучшение физических и химических свойств, а также процессов PLA, которые являются высоко биосовместимыми и биологически безопасными путем модификации и обработки, находятся в стадии изучения.

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