聚乳酸（PLA）是一種顛覆性材料，其應用範圍涵蓋3D列印到包裝等領域。 PLA由玉米澱粉和甘蔗等可再生資源製成，與傳統塑膠相比更具可持續性。在環境問題日益凸顯的今天，這無疑是一大優勢。本文旨在詳細介紹PLA，包括其發展歷程、特性、用途以及對環境的影響。本指南將幫助製造商、設計師和其他PLA使用者輕鬆了解其性能和應用領域，尤其是在永續發展方面。
什麼是 PLA，它是如何製造的？
聚乳酸（PLA）是一種由玉米澱粉、甘蔗或木薯等可再生資源生產的塑膠。它是可生物降解的，是透過這些原料發酵產生聚合成 PLA 的乳酸而產生的。丙交酯的形成和開環聚合是PLA聚合的兩個主要步驟。由於原材料的可用性，與石油衍生的塑膠相比，這種塑膠的生產被認為是環境安全的。由於其全球可堆肥性、在包裝、3D列印、醫療設備和工業級可堆肥性等各個領域的易用性而廣泛應用。
了解乳酸單體
乳酸是生產聚乳酸（PLA）的主要單體，是一種主要透過玉米、甘蔗和甜菜等碳源發酵而獲得的有機化合物。它有兩種立體異構形式，L-乳酸和D-乳酸，這對於決定PLA的最終特性具有重要意義。乳酸生物生產技術先進，由於使用再生生物技術原料，與現有系統融合良好，滿足了日益增長的環保材料市場需求。
丙交酯聚合過程
丙交酯通常用作開環聚合（ROP）製程生產聚乳酸（PLA）的原料。聚乳酸的合成是透過丙交酯的聚合引發的，該聚合是用金屬催化劑（例如辛酸錫（II））進行的。 ROP 在適度的熱量和壓力下發生，這使得丙交酯單體打開其環狀結構並聚合成 PLA 長鏈。這項技術特別有效，使人們能夠管理 PLA 的分子量和機械強度的結果。當尋求包裝、醫療和其他一次性產品等決定性應用領域時，這些特性至關重要。
PLA 生產涉及的步驟
- 原料製備：澱粉必須從生物質、玉米或甘蔗中提取，水解會將澱粉轉化為必需的糖。
- 發酵：上述產生的醣類經由微生物發酵轉化為乳酸（PLA的關鍵單體）。
- 乳酸純化：必須純化乳酸以獲得高品質的單體，這是成功重複聚合的關鍵要求。
- 丙交酯形成：純化的乳酸將經歷縮合反應或其他催化過程，轉化為丙交酯，一種環狀二聚體。
- 聚合：在控制溫度和壓力下，用催化劑（辛酸錫（II））引發丙交酯聚合的開環，以進行PLA聚合。
- 後處理：可以透過改變分子量或混合添加劑來改質 PLA 聚合物，以滿足預期用途的特定需求。
- 最終產品成型：根據工業用途，PLA 可以轉化為各種形式，包括薄膜、纖維或模製物體。
探索 PLA 的特性
PLA 的機械和熱性質
PLA 具有高拉伸強度和模量，使其可用於需要剛性和結構完整性的地方。然而，由於與其他聚合物相比，其抗衝擊性較低，因此在高應力環境中的使用受到限制。在熱學方面，PLA 在約 55–60°C 的低溫下將聚合物玻璃轉變為橡膠態，並在約 150–180°C 時開始軟化。因此，它可能在低熱條件下失去形狀。最重要的是，為了滿足特定的工業需求，包括 PLA 共混物，可以透過與其他材料共混或使用某些填料或添加劑來改變其機械和熱性能。
可生物降解和阻隔性能
在工業堆肥條件下，PLA 具有出色的生物降解性，可在幾個月內分解成水、二氧化碳和生物質。這項特性使其在環保用途方面備受追捧，例如製造包裝材料或一次性產品。另一方面，水或土壤等自然環境中不受控制的溫度和缺乏微生物活性會相應減緩 PLA 的降解過程。就阻隔性能而言，PLA 對氧氣和濕氣的透過具有中等的抵抗力，因此適合短期食品包裝。將其與其他聚合物或塗料結合用於特定應用可以提供額外的阻隔性能。
分子量對 PLA 的影響
分子量是影響 PLA 機械、熱和降解性能的最關鍵因素之一。高分子量的聚丙交酯往往具有更高的強度、耐熱性和更低的降解率，使其適用於需要耐久性的條件。相較之下，低分子量的聚丙交酯具有更高的降解率，並且在藥物傳輸系統或可生物降解植入物等醫療應用中更有用。滿足這些要求需要選擇足夠的分子量。
PLA塑膠如何用於食品包裝？
聚乳酸在食品工業的應用
就食品安全而言，能夠永續採購可堆肥的聚乳酸 (PLA) 確實是食品包裝行業的革命性補充。它廣泛用於容器、杯子、托盤以及新鮮水果、糕點和即食食品包裝的包裝材料。此外，PLA 是 PET 和 PS 的有競爭力的替代品，因為它既透明又剛性，因此在需要透明度的情況下。
此外，最近的研究表明，PLA 可以延長有滅失風險的物品的保質期。當與某些相關添加劑混合或建構成多層結構時，PLA 可以覆蓋水分和氧氣，這是食品保存的關鍵要素。產業預測，由於食品和飲料市場的需求激增，到 600,000 年，全球 PLA 產能將增加超過 2025 萬噸。這一增長表明，隨著政府和企業採用更永續的政策，人們更加關注環保包裝方法。
由於 PLA 符合循環經濟原則，因此也適用於食品包裝材料。用 PLA 製成的產品可以在工廠進行堆肥，這有助於減少垃圾掩埋場的廢物並降低碳排放。研究工作的重點是擴大 PLA 的熱性能和機械性能範圍，並開發創新技術以提高材料的最高工作溫度和強度，從而減少其變脆的趨勢。這使得該材料在各種食品包裝應用中的應用變得更加容易。
使用可生物降解的 PLA 進行包裝的好處
- 環境永續性：由於PLA是由甘蔗或玉米澱粉製成的，因此它是一種可生物降解的塑料，它的使用可以減少我們對化石燃料的依賴。此外，與標準塑膠不同，它對環境的負面影響較小，因為它可以在工業堆肥廠中分解。
- 減少碳足跡：與石油基塑膠的生產和使用相比，PLA 的工業規模生產和使用大大減少了有害溫室氣體的排放。因此，它被認為是更好的選擇。
- 可堆肥性：PLA 包裝中的有機物可以在受控堆肥條件下分解，有助於最大限度地減少進入垃圾掩埋場的有機廢物，同時提高土壤的有機物含量。
- 多功能性：雖然它用於製作餡餅容器、新鮮蔬菜、肉類、烘焙包裝和其他飲料的包裝紙，但其實用性符合食品包裝的環保目標。
PLA與傳統塑膠的比較
- 材料來源：PLA 由玉米澱粉或甘蔗製成，與傳統塑膠不同，傳統塑膠是由汽油等化石燃料製成的。
- 生物降解性：PLA 在工業堆肥設施中分解為有機物，而日常塑膠需要數年時間才能分解並造成污染。
- 環境影響：與傳統塑膠相比，PLA 生產產生的溫室氣體排放量較低，減少了整體碳足跡。
- 性能：PLA 在許多應用中表現非常出色；然而，與某些在高溫下工作的工業塑膠相比，其耐熱性和耐用性限制了其使用。
- 回收：由於傳統塑膠較常見，因此更有可能被回收計劃接受。然而，PLA除了工業堆肥之外沒有其他處置方式。
綜合考慮，很明顯PLA確實有其缺點，主要是在性能方面，但它在可持續性方面也有其優勢。
PLA 的合成：技術與方法
乳酸直接縮合
在PLA的生產中，乳酸直接縮合是一種需要在乳酸單體結合在一起時去除水的方法。此技術通常需要升高溫度和降低壓力水平來推動反應有效進行。然而，該方法的一個重要問題是，由於反應的平衡性質，獲得高分子量聚合物具有挑戰性，這使得它對於大規模或高性能目的來說效率低下。
開環聚合技術
開環聚合（ROP）仍然是合成PLA最常用的方法之一。當需要高分子量和特定的聚合物特性時，它也是最有效的方法之一。在這種情況下，丙交酯（乳酸的環狀二聚體）在受控條件下與金屬基催化劑聚合。用於有效聚合的最常用催化劑是辛酸錫(II)；然而，最近正在努力研究無毒替代品，例如有機催化劑，以提高永續性和生物相容性。
由於環狀丙交酯結構的斷裂，單體可以鍵結形成聚合物的長鏈。 ROP 很容易客製化以實現一定的分子量和多分散性，因此它經常用於醫療器材、包裝材料和紡織品中的多種 PLA 相關應用。初步研究表明，根據反應條件和催化劑的性質，ROP可以達到100,000 g/mol以上的分子量，從而提高聚合物的機械強度和耐久性。
此外，開發新的 ROP 技術，例如無溶劑和綠色催化劑系統，正在提高乳酸生產的產量並增強製程的生態友善性。這些創新與可持續製造的 PLA 供應量的不斷增長相一致，有助於循環經濟。憑藉這些創新，ROP 仍然是最可靠、最容易實現的 PLA 生產方法之一。
PLA 合成的創新
以酵素聚合取代經典催化劑系統並不是 PLA 合成中最令人興奮的創新，但卻是一項令人耳目一新的創新。酶法是催化聚合的一種更環保的替代方案，因為它們採用天然存在的酶來催化該過程，從而減少有毒廢物並允許較低的反應溫度。此外，由對映體純聚合物合成立體複合PLA已改善了材料的熱性能和機械性能。此類創新提高了材料的性能，並有助於 PLA 製造過程的可持續性，這是更廣泛接受 PLA 使用的先決條件。
PLA 對環境有哪些影響？
PLA 作為可生物降解聚合物
聚乳酸 (PLA) 因其在工業堆肥環境中降解的能力而被認為是一種綠色材料。在我看來，由於 PLA 可以分解成二氧化碳和水等自然成分，而這些成分在許多環境中都豐富存在，因此它是一種塑膠替代品，有可能減少塑膠廢物。同時，我明白，除非實施適當的廢棄物管理系統，否則 PLA 的潛力始終會受到限制。此外，我同意 PLA NE 在土壤或海洋等未經處理的環境中也能有效降解。因此，需要一個對關鍵因素進行監控的系統。
PLA 生產對環境的影響
乳酸生產對環境的影響對 PLA 的生命週期有利也有弊。此外，可以種植玉米澱粉或甘蔗等 PLA 原料，從而降低對化石燃料的依賴，甚至減少溫室氣體排放。另一方面，生產過程是高度能源密集的；不可再生能源可能惡化生態足跡。此外，原料作物生產涉及土地利用變化、用水和施肥，對環境造成損害。這些方面表明，必須努力實施環境友善的做法，以從PLA中獲得最大的生態效益。
PLA 在減少塑膠廢物方面的作用
PLA 對於減輕環境污染至關重要，因為它為傳統的不可再生石油基塑膠提供了可生物降解的替代品。如果我們對聚乳酸進行工業堆肥，塑膠廢物和污染問題將大大改善，但要使其有效，首先應建立適當的廢物分類和適當的堆肥基礎設施。雖然建立這些系統對於獲得 PLA 堆肥的好處是必要的，但我知道它們對我們有效處理塑膠廢物有巨大的影響。
常見問題（FAQ）
Q：什麼是聚乳酸 (PLA)？
答：聚乳酸 (PLA) 是一種可生物降解的塑料，由玉米澱粉或甘蔗等可再生材料製成。 PLA 是在澱粉發酵為乳酸的過程中產生的，隨後酸聚合成 PLA 聚合物。粗PLA的形成涉及乳酸單體的縮合或乳酸或丙交酯的聚合以獲得最終聚合物。
Q：PLA 具有哪些機械性質？
答：PLA 的機械特性包括高拉伸強度和低斷裂伸長率，這意味著比其他聚合物具有更高的剛度和脆性。這些特性，尤其是拉伸強度和拉伸模量，使其能夠應用於 3D 列印、射出成型和生產其他可生物降解物品。
Q：PLA作為可生物降解塑膠該如何理解？
答：這個術語意味著PLA可以透過工業堆肥分解成二氧化碳和水等元素。消化聚合物的微生物促進了 PLA 的分解。因此，它是比傳統塑膠更環保的選擇。
Q：為什麼PLA的熔點在攝氏150-160度很重要？
答：PLA 最適合在攝氏 150 – 160 度的低溫下進行擠出製程。在此溫度下，PLA 會快速熔化，適合透過噴嘴擠出進行 3D 列印。這使得能夠生產複雜而精密的 PLA 3D 列印物件。
Q：PLA 產品在日常活動中有哪些用途？
答：PLA 可用於多種用途，例如醫療植入物、3D 列印和包裝，甚至非常適合用作一次性餐具。 PLA 還具有適應性，因為它可以注塑成型或 3D 列印，這使其可用於許多商業和消費用途。
Q：PLA 是否可以與其他塑膠結合？
答：當然，PLA 的機械和物理特性可以透過與其他聚合物混合來進一步改善。添加其他生物塑膠或添加劑可提高聚合物的柔韌性、衝擊強度和耐熱性，從而拓寬其適用範圍。
Q：PLA 的玻璃化轉變溫度是多少？
答：PLA的玻璃化轉變溫度接近攝氏60度。在此溫度下，聚合物從堅硬的玻璃態轉變為橡膠狀的柔軟態，這會影響其在不同溫度範圍內的機械性能和穩定性。
Q：PLA 的生產如何促進永續發展？
答：PLA 生產是環保的。它由玉米澱粉和甘蔗等可再生原料製成，減少了對不可再生化石燃料的依賴。此外，由於 PLA 是可生物降解的，只要正確處置，它可以最大限度地減少塑膠廢物的產生量，並減輕對環境的整體負面影響。
Q：使用 PLA 有哪些挑戰？
答：PLA目前應用中存在的一些問題是低溫下的斷裂、降解以及脆性；因此，其在高溫地區的使用受到限制。此外，雖然工業設施的使用許可已經存在，但必須指出的是，要針對解放軍的分解而量身定制工業設施是有特定條件的。
參考資料
1. 由聚乳酸和巴巴蘇油製成的聚合物膜促進傷口癒合
- 作者：D. Fernandes 等人。
- 發布日期：2021-02-21
- 主要發現：
- PLA/巴巴蘇靜電紡絲膜表現出適合傷口敷料構造的良好特性。其中包括建議的水蒸氣透過率 (WVTR)、維持潮濕環境、非細胞毒性、刺激角質形成細胞係以及抑制銅綠假單胞菌的生長。
- 方法：
- 由 PLA 和巴巴蘇油製成的聚合物薄膜經過靜電紡絲，然後進行了一系列測試來測量其作為傷口敷料的有效性（費爾南德斯等人。 2021 年，第 102173 頁。 XNUMX).
2. 3D發表的聚乳酸材料的工程、物理和耐磨性能
- 作者：A.阿爾瑪吉德
- 發布日期：2020-03-01
- 主要發現：
- 該研究重點關注 PLA 材料的沉積建模，發現拉伸、模量和延展性能很大程度上取決於填充百分比和列印方向。
- 方法：
- 對具有不同填充百分比的 PLA 樣品進行拉伸、硬度和磨損測試，以確定機械性能（阿爾馬吉德，2020 年，第 118–125 頁).
3. PLA共混物，特別是交聯澱粉與聚乳酸共混複合材料的特性及效果。
- 作者：王瑛
- 發售日期：07 年 2018 月 XNUMX 日
- 主要發現：
- 研究表明，將PLA與澱粉和三甲基氯矽烷PLA複合材料結合可改善複合材料的機械性能、光學分析和吸水率。澱粉含量的增加會降低機械性質。
- 方法：
- 在本案例研究中，透過機械混合 PLA 和澱粉以多種比例生產了 7 個實驗初級樣品，然後進行了機械測試和 FTIR 分析（王，2018).
