薄膜環保樹脂——聚乳酸（PLA）

        隨著全球知名的軟包裝企業Amcor和品牌連鎖企業沃爾瑪相繼計劃推出環境友好型、生物可降解的軟包裝材料，聚乳酸薄膜近幾年成為化工研究和軟包裝產業等機構和企業最熱門的研究方向之一。

聚乳酸（polylactide, polylactic acid, 簡稱PLA ），也稱為聚丙交酯，是以玉米、小麥、木薯等含淀粉生物為最初原料，經過酶分解得到葡萄糖，再經過軟酸菌發酵后變成乳酸，最后經過化合得到生物可降解熱塑性聚酯，聚乳酸的生物相容性好，環境安全，沒有毒性，具有良好的機械性能和光透明度，且加工性能好，可用于地膜、食品包裝袋、藥品等多種包裝材料。

聚乳酸的廢棄制品，經光和生物作用分解后變成二氧化碳和水，在消除白色污染、保護環境和自然生態平衡方面具有重要作用。 

聚乳酸的結構

由于環狀丙交酯存在立體異構體，高分子量PLA的性能很大程度上依賴于主鏈的立體化學結構和分子量。通過對大分子鏈的化學結構控制，聚乳酸的結晶速度、結晶度、機械性能、加工溫度都可以得到控制。丙交酯(lactide)通常具有以下幾種結構：左旋丙交酯（L-lactide）、右旋丙交酯（D-lactide）、內消旋丙交酯（meso-lactide）和外消旋丙交酯（rac-lactide，稱為DL-lactide）。因此，合成的聚乳酸一般也具有四種結構，根據單體類型不同分為：左旋聚乳酸（poly(L-lactide),PPLA）、右旋聚乳酸（poly(D-lactide)，PDLA）、內旋聚乳酸（poly(meso-lactide）和外旋聚乳酸（poly(rac-lactide），PDLLA)。 

在合成過程中，最初的丙交酯與各異構體的分布決定了聚乳酸的結晶性能。當左旋丙交酯含量大于93%時，合成的高聚物是半結晶的；當左旋丙交酯含量在50%~93%之間時，聚合物是無定型的。右旋丙交酯也是一種半結晶的高聚物，只有內旋聚乳酸或外旋聚乳酸是無定型。在聚合過程中，丙交酯總是會包含有一些消旋丙交酯，而右旋丙交酯和消旋丙交酯兩者的存在都可以對左旋聚乳酸規則的分子結構產生一定的扭曲，聚合物的結晶性能也會受到影響。

聚乳酸熱力學性能

對于半結晶性的聚乳酸，其結晶度、晶體尺寸和結晶形態不僅影響聚合物宏觀性能（如拉伸性能、沖擊強度、開裂性能、透明性等），還對降解性能有很大影響。完善的結晶有利于改善PLA的力學性能和調控降解速率，同時還可以提高薄膜材料耐熱性、熱穩定性。

目前發現的聚乳酸有3中晶格結構：α晶系、β晶系、γ晶系，它們分別具有不同的螺旋構象和單元對稱性，在不同結晶條件下或不同外場誘導作用下，可形成不同類型的球晶。α晶系是最常見也是最穩定的一種晶型，通常情況下，它是在熔融、冷結晶以及低溫溶液紡紗等過程中形成。β晶系可在高溫溶液紡紗過程中形成，也是一種穩定的晶型。在高溫、高拉伸率的情況下，α晶系才能夠轉變成β晶系。γ晶系出現情況較少，只有在誘導的情況下才能產生外延γ型晶。

聚乳酸的一些常規熱力學性能如下：

聚乳酸的結晶性能受到很多方面的影響，如分子結構（聚乳酸分子的構象組成，等規度等），外作用場（溫度、應力、輻射等），多組成共混體系（增塑劑等）。

增塑劑的加入，如小分子量的PEG等，可以大大提高PLA分子鏈的活動能力，結晶能力大大提高，結晶度隨著增塑劑的濃度的增加提高，冷結晶溫度呈下降趨勢。

成核劑對聚乳酸的結晶也有很大影響，目前關于聚乳酸的成核劑，以及各種晶型的成核劑報道比較少。有研究機構表明，云母對PLLA有很好的成核作用，而NA（含水滑石的一種混合物成核劑）對PLLA/PDLA有很好的成核作用。滑石粉可以加速PLA結晶化，SiO₂和CaCO₃的研究發現，這兩者只對PLA在加工降解過程中的熱降解性能有一定影響，對結晶成核作用不大。

聚乳酸的機械性能

聚乳酸有比較好的機械性能，其拉伸強度最高可達到60MPa左右，其性能剛而脆，而對于日常包裝應用需要較為柔性的模制產品對聚乳酸而言成為主要問題，與普通高聚物一樣，聚乳酸的機械性能依賴于分子特征，有序結構如結晶度、晶體厚度、球晶尺寸、分子鏈定向程度等。此外，聚乳酸的性能還依賴于高聚物所含各異構體的組成，純度等。

聚乳酸的流變性能

聚乳酸可以通過普通的塑料成型方法如注塑、擠出、吹塑、拉伸等工藝進行加工。聚乳酸的溶體黏度主要與重均分子鏈、L/D型單元體比例、增塑劑含量、剪切速率和溫度等有關。聚乳酸熔體屬于假塑性流體，與無定型PLA相比，半結晶PLA有較高的剪切黏度，但是隨著溫度升高，剪切黏度下降。因此在加工過程中可通過提高剪切力來有效降低其表觀黏度。如圖為幾種典型PLA的流變曲線。

聚乳酸的降解性能

聚乳酸是一種完全可生物降解的材料，其最終降解產物為二氧化碳和水，因此對環境非常友好，對人體也沒有毒害作用，目前對聚乳酸的降解途徑主要是水解和堆肥降解。

聚乳酸降解主要經過兩個步驟：首先，在沒有生化酶的情況下，酯健隨機斷裂，導致分子量降低。這個過程在酸或堿的條件均可被加速，此外還受到溫度和濕度的影響。其次，低分子量PLA從本體向外擴散，經過環境中的微生物吞噬，轉化為CO₂、水和腐殖質。

聚乳酸水解方式大體分為兩種：催化水解和非催化水解。催化水解又分為外部和內部物質催化，聚乳酸的水解機制主要有表面侵蝕和整體侵蝕兩種。影響聚乳酸降解的因素很多，其降解速率主要由聚合物與水和催化劑的反應性來決定。材料的形狀大小、溫度、濕度、結晶度、異構體含量、殘留的乳酸濃度、分子量大小及其分布、吸水性、殘留的反應催化劑等都可以影響聚乳酸的降解速率。

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