聚乳酸纤维材料综述(汪曦宇舒毅)

聚乳酸纤维材料综述专业：材料科学与工程班级：13208811姓名（学号）：舒毅（13208127）、汪曦宇（13208128）摘要：本文主要以聚乳酸纤维材料为研究对象。简介其结构与性能。论述了其物理性能以及突出的可降解性及生物相容性。对其合成方式进行讨论。也对其应用历史进行分析。然后对其开发前景做了简单的展望。关键词：聚乳酸纤维材料、可完全降解、自然循环、无污染、开发及应用前景引言：随着人们生态环境意识的增强,全球已经掀起了一股“绿色浪潮”,一个绿色社会已经来临，绿色高分子材料的合成与应用,正越来越被人们所重视[1~2]。聚乳酸纤维是一种可完全生物降解的合成纤维，它可从谷物中取得。其制品废弃后在土壤或海水中经微生物作用可分解为二氧化碳和水，燃烧时，不会散发毒气，不会造成污染，是目前社会所需求的绿色环保生态纤维。一、聚乳酸纤维的定义聚乳酸纤维，即PLA纤维，是一种可完全生物降解的新型合成纤维。是以玉米、小麦、甜菜等含淀粉的农产品为原料，经发酵生成乳酸后，再经缩聚和熔融纺丝制成。聚乳酸纤维是一种原料可种植、易种植，废弃物在自然界中可自然降解的合成纤维。不仅来源丰富,而且来自天然，是一种可持续发展的生态纤维[6~7]。二、聚乳酸纤维结构和性能聚乳酸纤维的化学结构并不复杂但乳酸分子中存在手性碳原子,可分为D型和L型,使丙交酯、聚乳酸(PLA)的种类因立体结构不同而有多种,如聚右旋乳酸(PDLA)、聚左旋乳酸(PLLA)和聚外消旋乳酸(PDLLA)。然而,因为市售的乳酸主要为L一乳酸(左旋乳酸)和D,L一乳酸(外消旋乳酸),故通常大量被合成的聚乳酸为PLLA和PDLLA[3]。因此聚乳酸包括半结晶型聚(L–乳酸)(PLLA)和无定形聚(D，L–乳酸)(PDLLA)两种，它们的力学性能和降解动力学大不相同。（1）物理性能通常PLLA具有一定的结晶度，力学强度较高，降解周期较长，具有成纤性。而PDLLA不具有成纤性，不能单独纺丝，但可以作为改性剂与PLLA共混后再纺丝。PLLA纤维的力学强度高，是因为在成型过程中大分子链发生了强烈取向[14]。聚乳酸纤维不仅有高结晶性和高取向性,还与聚酯、聚苯乙烯树脂具有同样的透明性。由于结构决定性能，聚乳酸纤维具有高耐热性和高强度。因此它和通常的聚酯纤维一样,可制成长丝、单丝、非织造布,以及编织物、缆绳等（2）化学惰性聚乳酸纤维易染色、后加工和树脂加工,故用它可制得流行的、高性能的生物降解纤维制品。聚乳酸纤维属一脂肪族的聚酯,具有较好的化学惰性，对许多溶剂包括干洗剂稳定，耐碱性差。所以它和聚酯一样,经碱处理后有较好的手感,而且处理时用碱量也减少[10].。（3）可降解性聚乳酸具有可降解性，其根本原因是聚合物链上酯键的水解，并且一般认为PLA未端羧基对其水解起自催化作用,降解过程从无定形区开始。对聚乳酸进行共聚可加速或减缓降解速率。水解速率不仅与聚合物的化学结构、分子量及分子量分布、形态结构和样品尺寸有关,而且依赖于外部水解环境,如微生物的种类及其生长条件环境温度、湿度、PH值等[12]。例如,无定型的PDLLA比结晶性的PLLA易降解[14];分子量越小,越易降解:不同PH值情况下,碱性水解最快,酸性次之,中性最慢,存在生物酶作用的活性淤泥中,比一般土壤中更易降解:同等条件下，薄膜的水解比纤维快[8、12]。（4）无毒性聚乳酸具有无毒性。聚乳酸类材料使用后,可以进行自然降解、堆肥和燃烧处理。聚乳酸的自然降解不会给环境带来污染,甚至PLLA降解过程的中间产物能促进值物生长,这对于聚乳酸类材料作为农膜等的农用品应用,具有深远的双重意义[7]。聚乳酸树脂燃烧时,不会产生有毒气体,且可以回收能量[9]。（5）生物相容性聚乳酸(PLA)具有良好的生物相容性[21.22]。纯净的聚乳酸几乎没有毒性,它在人体内慢慢分解成乳酸,而人体内原本就有乳酸。不仅如此,乳酸可被人体分解吸收,作为碳素源被充分利用。其制品在生物医用及日常农用领域有着广泛的应用前景，对它的研究极具医学和环境意义[3~5].。三、聚乳酸纤维的合成（1）直接合成乳酸的直接缩聚是制备聚乳酸的简单方法,因在此反应体系中存在着游离乳酸、水、聚酯及丙交酯的平衡,反应副产物水在粘性熔融物中难以去除,很难保证反应向正方向进行。所得聚合度一般较低(平均相对分子质量小于5000,相对分子质量分布约为2.0),且聚合温度高于180e,通常导致产物带色。Ajioka等开发了连续共沸除水直接聚合乳酸的工艺,聚乳酸相对分子质量可达30万。（2）两步（中间物）法合成到目前为止,聚乳酸主要是通过丙交酯的开环聚合制得。即首先将乳酸分子间脱水,生成环状的丙交酯;然后将丙交酯开环聚合生成高聚物,这种反应可以合成相对分子质量高达70万到100万的聚乳酸。迄今为止,人们依据引发剂的不同提出了三种聚合机理:阳离子聚合、阴离子聚合、配位聚合。直接缩聚与两步法的聚合示意图如图。但聚合物中所含残留单体将严重影响聚乳酸的后加工性,并使聚乳酸降解速率加快。因此采用固相聚合方法可有效解决直接法、两步法所带来的问题。（3）固相聚合（SSP）方法在聚合温度低于预聚物的熔点而高于其玻璃化转变温度进行的一种聚合方法,目前多用于PET、PA6、PA66等聚合物的相对分子质量的进一步提高,但将其应用于聚乳酸聚合的研究报道很少,而且限于丙交酯的固相聚合[9]。因固相聚合温度低,可明显降低因热而引起的聚乳酸降解副反应的产生,并可促进残留单体转化率的提高和聚合物相对分子质量的提高。四、聚乳酸纤维的应用聚乳酸纤维因其性能上的优点。很早就被广泛应用。美国的Cargill公司已将PLA制成纤维用于农用药膜等许多领域,还以PLA为原料制备包装材料。德国在1998年用它生产出来的乳酸盒子已实现商品化。这种物质还有促进植物生长的作用,因此可望用它制作植物移植或植物栽培用容器等。日本岛津公司在1994年建成了生产聚乳酸的装置,并且在各个领域开辟用途。通过压轧,它可以被制成透明的，机械性能良好的纤维、薄膜、容器、镜片等。聚乳酸主要生产厂家包括CargillDow公司、Novamon公司、三井化学公司、丰田公司、Hycail、UhdeInventFischer公司等。此外,壳牌、BP和拜耳等公司正在研究或重新考虑利用生物原料生产聚合物和大宗化工产品,也具有成为这一市场新竞争者的潜力。目前,我国已建成的聚乳酸装置只有几百吨,但在未来2-3年内我国聚乳酸产业将会取得较大发展。聚乳酸(PLA)是一种重要的生物降解材料,被广泛应用于医用缓释材料[16]。随着聚乳酸应用领域的不断扩展,单纯的均聚物已不能满足人们的需要,特别是在高分子药物控制释放体系中,要求对于不同药物有不同的降解速度,同时对于冲击速度,亲水性有更高的要求,这使得人们开始将乳酸与其他单体共聚改性,以调节共聚物的分子量,共聚单体数目和种类来控制降解速度并改善结晶度,亲水性等。长期以来,聚乳酸及其衍生物大都通过丙交酯开环聚合合成,此法易于获得高相对分子质量聚乳酸及其衍生物,但路线冗长、成本高,影响了聚乳酸及其衍生物产品的推广应用[18]。近年来,由乳酸单体直接缩合合成聚乳酸及其衍生物的合成路线,已日趋引人注目。聚乳酸的合成一般采用二步法,即先由乳酸合成乳酸的环状二聚体丙交酯,然后将丙交酯开环聚合,得到聚乳酸,这种方法得到的乳酸具有较高的分子量,但是成本太高,不适合用作乳酸塑料[15]。五、聚乳酸纤维的发展前景聚乳酸纤维符合时代节能减排，绿色环保的大潮流。具有十分良好宽松的发展空间。且聚乳酸纤维的原料大部分取之于自然中的玉米、小麦、甜菜等含有淀粉的农产品。具体原料的优势性，具有来源广，成本低等优势。且原料的重新种植周期短。太阳能提供的原料的生长，发育。虽其合成过程较之其他材料难度偏大。但在近期的发展中聚乳酸的合成纯度以及合成成功率以及大幅提高。从原先的30%调高至大约70%。所以在越来越多的领域以及开始或是将会受到广泛应用[20]。（1）医疗领域聚乳酸纤维在药物缓释，手术缝合线等领域目前已经具有较大的发展。使用可吸收性手术缝合线，无需二次手术拆线，减少病人的痛苦。聚乳酸纤维可用做手术缝合线，吊绳，纱布等等，非制造布可用作手术衣、手术覆盖布。聚乳酸树脂可做骨钉，组织工程支架等。加之现阶段最热门的3d打印人体器官技术。聚乳酸材料因其生物相容性必将得到施展空间。（2）纺织服装领域聚乳酸纤维在这个领域已经有较大的市场，但因其柔软，较强的亲水性、毛细管效应以及水的扩散性、无刺激性。再加上其外观的有丝感，蓬松的手感、抗皱免烫。几乎囊括了所有服装应该有的优点。再其未来合成成功率提高，成本较低的同时。纺织服装领域必将进入聚乳酸纤维的世界。（3）日用领域（其他领域）聚乳酸纤维机械性能好、热塑性强、结晶度高，更重要的是其有可降解性，适用于加工制造各种塑料制品，如快餐的盒饭，农用地膜，地毯，居家饰品等。代替石油制造出新型的生态塑料。非常环保又缓解资源危机[18]。结语：作为一种绿色合成纤维,聚乳酸纤维不使用石油化工原料、取材于天然,来源丰富、环境友好、性能优良、用途广泛,其发展前景非常广阔[11]。但由于聚乳酸树脂成本的高昂、聚乳酸纤维熔融纺丝时热分解等问题的存在，还不能大规模的制备。因此，一方面，需要加强对符合绿色化学工艺的乳酸熔融聚合直接合成聚乳酸的研究,以获得高分子量、低成本的聚乳酸树脂：另一方面,需要开发新型的、环保的、避免纺丝过程中聚乳酸树脂热分解的纺丝工艺。参考文献【1】汪朝阳.绿色社会·绿色化学·绿色观念.化学通报，2001.64（2）：W021【2】汪朝阳。高分子合成与应用中的绿色战略，化工时刊，2002,16（4）：7~10【3】DonaldGarlotta.[J].JouenalofPolymersandtheEnviroment，2002，9(2)：63–83.【4】俞耀庭，张兴东.生物医用材料[M].天津：天津大学出版社，2000：40.【5】姚军燕，杨青芳，秦能.[J].塑料工业，2004，32(10)：6–8.【6】KricheldorfHR.Synthesesandapplicationofpolylaticdes.Chemophere,2001,43:49~54【7】常源亮.完全生物降解性塑料—聚L一乳酸的开发进展,现代化工,1997,11:14~16【8】张颖,朴东旭,毛立江.体内可分解性高分子材料的研究:聚DL乳酸膜InVitro降解特征,中国康复理论与实践,1995(3):106~109【9】李洪权,全大萍,廖凯荣,等.聚乳酸类生物可降解塑料概述.化工新型塑料,1999,27(8):3~6【10】谷山阳一,有利地球环境、自然循环型的可生物降解纤维“LACTRON”.纤维科学（日文）1998,1:34~39【11】季国标.我国化纤工业及其在新世纪初的发展趋势,西北纺织工学院学报，2001,15（3）：1~7【12】严冰,赵耀明.聚丙交酯及可降解脂肪族聚酯类纤维的结构与生物降解性能,合成纤维,2000,29（3）：16~19【13】EngelbergI，KohnJ.[J].Biomaterials，1991，12：292–304.【14】朱志平聚乳酸的性能及应用前景广西轻工业【15】张昊聚乳酸纤维的发展及应用天津工业大学【16】李光，魏淳聚酯纤维的发展过程以及现状产业用纺织品【17】刘丽，李红霞聚乳酸的性能与结构现代丝绸科学与技术【18】李全明，邱发贵，张梅，张万喜聚乳酸纤维的开发和应用吉林大学军需科技学院；吉林大学材料科学与工程学院【19】张旺玺，张慧勤，潘玮，王艳芝聚乳酸纤维的合成加工与应用河南省科技攻关计划重点项目(0523021300)【20】赵如亮，王绍斌，杨敏鸽，郁翠华聚乳酸的合成及聚乳酸纤维性能西安工程大学【21】徐超武聚乳酸纤维的加工和结构性能分析苏州经贸职业技术学院轻纺系苏州215008【22】邵敬党聚乳酸(PLA)纤维的研究与开发利用辽东学院辽宁丹东118003