綠色可降解材料——玉米PLA

孫晨陽

摘 要：面對席卷全球的綠色浪潮，材料科學以玉米等的自然資源為原料成功提煉出了高分子原料——綠色可生物降解的環保新型合成材料玉米PLA（聚乳酸），其具有良好的力學性能、降解產物無毒、生物相容性好等特點。本文主要介紹了玉米PLA作為設計材料的主要性能、應用以及玉米PLA杯子為例的加工工藝及發展趨勢。

關鍵詞：綠色可降解無毒材料；玉米PLA；聚乳酸；應用；加工工藝

引言

隨著高新技術和全球經濟的蓬勃發展以及新興國家的崛起，世界范圍內人們物質文化生活水平的不斷提高，致使其對塑料產品的使用依賴性愈加增長。資源過度消耗導致資源日趨枯竭，環境污染尤其是白色垃圾增多，生態日益惡化。人們由此掀起了一場綠色革命，對綠色制造、綠色消費等越來越重視，一個“綠色社會”已經來臨。在工業設計領域尤其是與食品相關的工業產品上，綠色材料的應用正越來越被設計師及消費者認同。這其中，玉米PLA作為一種綠色材料的典型，正愈來愈多的出現在人們的日常生活中。

玉米PLA可以通過生物降解回歸大自然，其合成的最初原料乳酸由淀粉發酵得到，不僅來源豐富，而且來自天然。這種材料與傳統塑料具有相似的性能，但其能在自然環境中較快地分解，達到自然生態的平衡。因此，聚乳酸在工業產品上的開發與應用，是人類對自然界碳循環的一種和諧參與，在綠色可降解材料中尤其引人注目。目前，市面上已有以聚乳酸為原料生產的玉米PLA全降解餐具和一些兒童用工業產品。在以“環境與開發”為大背景的21世紀，積極開發和利用聚乳酸顯得尤為重要。

1 PLA的主要性能與應用領域

1.1PLA的物理性能

由于具有高結晶性和高取向性，PLA具有高強度和高耐熱性，能與聚酯相媲美，還有與聚酯同樣較為理想的透明性，同時其以高光澤度以及良好的阻隔性著稱。

與其他塑料相比，PLA的最大特點就是具有生物可降解性。PLA降解的最終產物為二氧化碳和水，而這兩種產物又可通過植物的光合作用，變成乳酸的原料淀粉，因此 PLA 可以參與自然界的碳循環，不會對環境造成污染，是非常理想的綠色環保材料。

PLA可降解的根本原因是聚合物鏈上酯鍵的水解，并且一般認為PLA末端羧基對其水解起自催化作用，降解過程從無定形區開始。水解速率不僅與聚合物的化學結構、分子量及分子量分布、形態結構和樣品尺寸有關，還依賴于外部水解環境，如微生物的種類及其生長條件、環境溫度、濕度、pH值等。

1.2 PLA的安全性能

純凈的PLA幾乎沒有毒性，它在生物體內慢慢分解成乳酸。而乳酸作為人體內固有的產物，可被人體分解吸收，并作為碳素源被人體充分利用。因此聚乳酸產品對人體無毒無傷害。

PLA材料使用后，可以進行以下三種方式的處理：（1）自然降解；（2）堆肥；（3）燃燒處理。PLA自然降解的最終產物為二氧化碳和水，而這兩種產物均是自然界中存在的，不會引起環保問題。PLA材料燃燒時燃燒氣中幾乎沒有NOx ，燃燒熱更是只有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）的三分之一左右，因此PLA相對于普通油基塑料更加安全環保。

1.3 PLA的主要應用領域

PLA作為生物降解材料在醫藥及醫療用品方面的開發應用受到了高度重視。PLA纖維因其優良的生物降解性、低毒性和生物相容性，在醫療、醫學領域具有廣闊的應用前景。PLA還被廣泛應用于紡織領域，還可以用作薄膜、膠粘劑、注拉吹制品、乳液、泡沫及熱成型或注塑模成型制品等。

2 PLA的加工工藝（以玉米PLA杯子為例）

2.1 PLA的性能特點及加工要點

純的PLA具有成品收縮率高、加工穩定性差、尺寸穩定性差、結晶速度慢和耐久性差等缺點，而且材料本身韌性較差，熱變形溫度較低，因此在很大程度上制約了PLA的加工工藝。因此，通過加入添加物的方式來改善其性質，可以使之采用幾乎所有熱塑性塑料的加工工藝來成型。

在PLA杯子的成型加工過程中，需要注意的是對成型溫度（如料溫、噴嘴溫度和模具溫度等）、壓力（如射出壓力和模內壓力等）和與之對應的各種作用時間（如射出時間、保壓時間和冷卻時間等）的精確控制，同時也不要忽視會影響塑料溫度和壓力變化的其他加工因素，如螺桿轉速、加料量及料管內的停留時間是否過長等。

2.2溫度

PLA原料的熔化溫度為145～155℃，PLA對溫度較為敏感的特性以及在料管內較長時間的停留容易導致PLA降解，因此，在設定溫度時，要結合杯子模具的結構特點，均衡溫度與停留時間的關系。料管的溫度要設定在PLA的熔融溫度以上，約在180～200℃。喂料段的溫度要盡可能地設定為較低溫度以保證喂料順暢，尤其對于非結晶化處理的PLA材料。另外，為了保證成品性能，防止局部剪切生熱過多導致PLA降解，螺桿的轉速不能太高。

2.3模具

在通常情況下，可以使用加工PET所用的現有的杯子模具，PLA的伸展度與PET相似，而密度為1.25g/cm，比PET低。PLA熔膠的冷卻速度由杯子的模具溫度直接決定，同時還影響PLA的充填行為和最終成品的性能。因此，在設定溫度時，不僅要保證射出的脫模不變形、質量完整，還要綜合考慮模溫對PLA的結晶、分子取向、成品應力和其他力學性能的影響。在熔融條件下，如果模具表面非常冷，PLA容易分解出乳酸，只有溫度高于25℃時這種情況才可以得到避免，故模具溫度不可低于25℃。

2.4射出周期和射出速度

成型周期中對成品的性能和質量起決定性影響的是冷卻時間和射出時間。單從時間來看，成品的射出時間一般少于1s，保壓時間為2～5s，而冷卻時間則以控制成品脫模時不發生翹曲變形且脫模順利為原則，并符合PLA再結晶化的時間需求，對于玉米PLA杯子的生產來說，這個時間大概是在40～50s。

3玉米PLA的發展趨勢

PLA已得到得紐約生物降解產品協會的認可，這也意味著它將在諸多領域發揮更大的作用，而未來，降低價格、提高性能將會是玉米PLA材料發展的主要趨勢。由于PLA材料加熱時易熱分解等問題的存在，其在更多領域的應用仍然受很大限制。因此，一方面需要加強對符合綠色化學工藝的乳酸熔融聚合直接合成聚乳酸的研究，以獲得高分子量、低成本的聚乳酸材料；另一方面，需要開發新型的、環保的、避免制造過程中聚乳酸材料熱分解的工藝。

4結語

（1）PLA作為一種綠色合成材料，不使用石油化工原料、取材于天然，來源豐富、可持續發展、無公害、性能優良、用途廣泛，其發展前景非常廣闊。

（2）PLA如能完全替代石油基合成纖維和塑料，將有不可估量的經濟效益和環境意義。

（3）PLA在工業領域有很大的發展空間，目前市面上已有PLA兒童用牙刷及PLA玩具等一系列兒童產品，這種無毒材料對人體尤其是抵抗力差的兒童來說更安全可靠。除了兒童用品，廚房用具及一次性餐具、杯子均可以采用PLA材料制作，而且PLA可制成纖維用于紡織領域，不僅對生物無毒無害，而且具有環境友好性。

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