聚乳酸材料性能改进研究进展

收稿日期：2023-04-20基金项目：河北省大学生创新创业训练计划项目（课题号：S202210101005、S202210101008）作者简介：王培（1982-），女，毕业于山西师范大学，讲师，研究方向：可生物降解高分子材料的加工及应用，***************；通讯联系人：冯嘉玮（2002-），女，本科生在读，研究方向：高分子材料，*****************。聚乳酸材料性能改进研究进展

王 培，冯嘉玮，邓祎慧，刘雪微，张 帅

（衡水学院 应用化学系，河北 衡水 053000）

摘要：聚乳酸（polylacticacid，PLA）是一种以植物资源为原料合成的聚酯，主要应用于医学、生物、环境保护等领域。随着科学技术的进步，对聚乳酸材料的性能提出了新的要求和用途，必须通过改性提高其加工与应用性能。从物理改性、化学改性方面综述了PLA性能改进的研究进展。旨在保留PLA性能的优势，为拓宽PLA应用市场提供一定参考价值。关键词：聚乳酸；物理改性；化学改性doi：10.3969/j.issn.1008-553X.2024.02.003

中图分类号：O648.17 文献标识码：A 文章编号：1008-553X（2024）02-0009-05安 徽 化 工ANHUI CHEMICAL INDUSTRYVol.50，No.2Apr.2024第50卷，第2期2024年4月

聚乳酸（PLA），又称聚丙交酯或聚羟基丙酸，一种

重要的乳酸衍生物，是由乳酸单体缩聚而成的可生物降

解的高分子材料[1]。因其具有可降解性、良好的生物相

容性和力学性能及易于加工等特性被认为是最具发展

前景的生物可降解材料之一，是唯一具有优良抑菌及抗

霉特性的生物可降解塑料。PLA广泛应用于医疗卫生、

包装材料、纤维、非织造物、建筑、农业等领域。在医疗

卫生方面，PLA已应用于可降解手术缝合线、缓释药物

载体[2]、医用伤口敷料[3]、3D多孔聚乳酸支架[4]、人工皮

肤[5]口腔固定材料、眼科材料等方面。聚乳酸还可应用

于加工从工业到民用的各种塑料制品、包装食品、快餐

饭盒、无纺布、工业及民用布[6]；还可以加工成农用地膜，

用来弥补传统地膜易碎且不可降解的缺陷，并提高农田

水热特性[7]；以及汽车行业的配件工程材料、建筑用绳

索、农药化肥缓释材料等[8]。

随着科学技术的进步，PLA的应用领域不断扩大。

但PLA存在韧性差、质地硬脆、弹性和柔性不足、加工性

能差、耐热性差、强度和模量有限、价格昂贵、降解周期

不可控等缺点，单一的PLA已无法满足各方需求。因

此，改性PLA成为不可或缺的重要技术与材料。

为了改善PLA材料的缺陷，拓宽其应用，很多研究

者试图通过物理法和化学法，经共聚、共混、分子修饰等

方式来对PLA进行改性[9]，在合成方法和改性研究方面

取得了新的成果。

单一PLA材料存在耐热性差，熔点仅170℃；染色性

差，易染色同时也易褪色[10]；断裂伸长率高，织物手感

差，舒适度低；存在大量的酯键，亲水性差，易水解造成分子量的下降；PLA 的相对分子量分布过宽及本身为

线型聚合物，材料强度低，脆性高，加工耐热解性差；降

解周期难以控制等缺点。作为在医药领域备受青睐的

生物类可降解材料，单纯的PLA材料在医用方面存在如

下缺点：① PLA在体内后续缓慢降解过程中，降解速率

不均衡，会出现系列并发症；② PLA在骨骼承力部位的

应用效果不甚明显；③ PLA主链中酯键的大量存在增

加了聚合物表面的疏水性，增加了其生物排异性[11]。为

更好地将PLA材料应用于各领域，研究者通过将化学试

剂与PLA进行共聚、共混，对PLA进行改性。1 物理改性

物理改性即在保持聚合物优良性能的前提下对其

进行共混，从而提高聚合物材料的物理机械性能。物理

改性分为共混改性、增塑增韧改性以及复合改性，相较

于化学改性工艺，物理改性相对简单。1.1 共混改性1.1.1 降解改性

成都大学刘文龙等[12]将PLA与PEG在二氯甲烷做

溶剂的情况下进行共混，再通过旋涂法制备出薄膜。降

解率表明，相比于纯PLA薄膜的降解效果，PLA/PEG 薄

膜的降解效果更加显著，并且降解率随着 PEG 的添加

量增加而增加，降解速率不断提高，相比较于纯聚乳酸

薄膜最多可提高45.77倍。热性能测试表明，PEG的添

加能够在不影响PLA本身结构的情况下，显著增强PLA

的降解率。

中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院张矿生

等[13]将PLA与降解性能良好的PEG 共混，采用转矩流9总第248期2024年第2期（第50卷）安 徽 化 工

变仪制备了不同组成的PLLA/PEG共混物颗粒。将其

置于酸碱环境下进行降解实验，结果显示，PLLA/PEG

共混物在等温结晶中表现出比纯PLLA更快的结晶速

度。实验表明，PLLA/PEG共混物的降解率高于纯PLLA

材料且降解率随降解时间的延长而增大；降解液中酸碱

浓度的提高以及PEG含量的增加，促使PLLA/PEG共混

物的降解速率加快。1.1.2 亲水改性

重庆化工职业学院苏婷婷等[14]通过螺杆降解法制

备出低分子量PLA，使其与聚乙二醇熔融共聚，形成一

种具有双亲性的共聚物。接触角测试表明，聚乙二醇链

段的引入使PLA的接触角从110.0°降低到70.5°，显著

提高了PLA的亲水性。Elena Llorens等[15]以聚乳酸（PLA）和聚乙二醇

（PEG）的不同混合物为原料制备电纺膜，PLA/PEG支架

在乙醇中的溶解度与在水中的溶解度有很大不同。因

浸入乙醇后，大量的PEG有效地保留在PLA基质中，而

浸入水中后，PLA基质中仅保留了低水平的PEG。即使

暴露于水中，从PLA/PEG混合物中获得的支架的亲水

性高于PLA。

广西大学高琳等[16]利用低温等离子方法处理PLA

薄膜，提高其亲水性与粘附性。通过对其进行X射线光

电子能谱分析得知，经低温等离子体处理后，PLA表面

羟基、羧基等亲水性基团的含量增加，PLA薄膜的亲水

性得以提高。

第三军医大学医学检验系任建敏等[17]采用奥氏粘

度计或凝胶层析法（GPC）测定PLA/PEG共混物分子量

并考查其重量及形态变化。测试结果表明，PLA/PEG降

解时间早于PLA且同时间内重量、分子量下降明显。实

验表明，在PLA中引入亲水性好、毒性小的PEG可较好

地改善PLA材料的亲水性能，提高其生物相容性。1.2 增塑增韧改性1.2.1 增韧改性

北京化工大学颜克福等[18]通过双螺杆共混挤出法，

将PLA与PEG熔融共混挤出造粒，然后采用吹塑成型

方法制备PLA共混薄膜。通过对加入不同质量分数的PEG对共混改性PLA微观结构、结晶性能和力学性能进

行研究，测试结果表明，随着PEG质量分数的增加，共

混薄膜的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低，断裂伸长率逐

渐提高。

东华大学董玉佳等[19]通过熔融共混法制备不同相

对分子质量PEG的PLA/PEG共混材料。通过拉伸性能

测试得知，当PEG相对分子质量为1 000和2 000时，对应材料的断裂强度、断裂伸长率等显著提高，表明PLA

熔喷非织造材料的韧性得以提升。

萍乡学院何娇等[20]采用熔融纺丝的方法制备PLA/PEG共混纤维。通过对共混材料进行力学性能测试得

出，随着PEG添加量的逐渐增加，PLA/PEG共混纤维的

断裂伸长率逐渐提高，模量与强度有所降低，韧性逐渐

增强，材料脆性得到改善。

包头稀土研究院曹鸿璋等[21]在弱碱性环境下，采用

水热法制备了长度为3～5 μm，直径约为80 nm的La

（OH）3纳米晶须（LaNWs），通过熔融共混法制备 PLA/

LaNWs/ESO 三元复合材料，并进行机械性能等稳定性

的测试。最后证实，LaNWs可以达到良好的增韧效能，

可用于PLA的增韧改性。1.2.2 增塑改性

南京理工大学黄颖等[22]通过溶液共混的方法，分别

以聚乙二醇200（PEG200）和聚乙二醇1000（PEG1000）

作为增塑剂，制得PEG增塑聚乳酸复合薄膜。通过机

械拉伸、热重等方法对所制得混合膜进行力学性能、热

稳定性的表征，实验结果表明，随着混合薄膜中PEG的

含量增高，断裂伸长率随之增大而断裂强度则随之降

低，且少量添加时PEG200比PEG1000的增塑效果更

明显。

湖北工业大学王鑫等[23]利用聚丙交酯二元醇（ PLA-diol）对PLA进行增塑改性，通过添加增溶剂来对

PLA进行增塑改性。加入不同浓度的ADR对其进行力

学性能测试、动态热机械性能测试、流变性能测试，来表

明拉伸强度和冲击强度的变化。结果表明，PLA-diol对PLA有良好的增塑效果。

1.3 复合改性1.3.1 天然色素改性聚乳酸

武汉纺织大学郭慧等[24]通过流延法和溶剂蒸发技

术分别制备含不同质量的PLA及姜黄素的可生物降解

复合薄膜。红外光谱测试表明，复合膜中两者仅为互

溶；且经体外缓释试验表明，该复合薄膜具有一定的缓

释作用。

南京理工大学李旭等[25]利用静电纺丝技术制备PLA与不同含量的超导炭黑（EC-600JD）纳米纤维膜，

并将其用于PM2.5的吸收。通过对纳米纤维膜进行热失

重曲线分析，表明少量的超导炭黑的加入即可增大PLA

纳米纤维膜对PM2.5的吸附能力。

Masek Anna[26]针对PLA存在老化，导致材料寿命缩

短的问题，对在其中加入δ-生育酚（维生素E）、姜黄素、β-胡萝卜素和槲皮素进行研究，结果证明姜黄素和槲10皮素在延缓PLA老化上最有效果。比较老化过程前后

力学性能的老化系数，证明加入槲皮素的共混物，加速

老化200 h后的PLA性能可能仅下降约30%。槲皮素

在这一方面更优于姜黄素，同时槲皮素也同姜黄素一样

具有许多药理活性，如抗氧化及清除氧自由基作用、抗

癌、抗肿瘤、抗纤维化等，但是相对成本比姜黄素高。

此外，Asadi等[27]研究了一种新型聚乳酸薄膜，其由PLA中加入二氧化钛和番茄红素颜料制备，结果表明，

番茄红素大量的共轭双键给聚乳酸复合膜提供了很好

的抗氧化活性和透水性，获得了性能优异的复合薄膜。Yong qing等[28]利用熔融复合法探究蚕丝和PLA的复合

材料，研究过程中对其结构性能进行前后对比，最终结

果表明，制备的复合材料在高温时，储能模量、损耗模量

均随着蚕丝含量的增加而增加。1.3.2 纤维素改性聚乳酸

郑州大学李桂丽等[29]制备出模压聚乳酸（PLA）/苎

麻纤维（RF）复合材料，并采用偏光显微镜（PLM）、差示

扫描量热仪（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）等方法对复

合材料结晶行为和拉伸强度进行测试。测试结果表明，RF诱导PLA结晶与纤维表面形貌和复合材料的界面性

质有关，碱处理参数影响RF诱导PLA的结晶行为，且一

定时间后碱处理对PLA结晶有阻碍作用。

东北林业大学杨龙等[30]研究竹纤维和PLA共混之

后的性能，研究过程中发现，增塑剂在竹纤维与PLA之

间会有氢键生成，进而降低表面能，促进竹纤维分散，提

高竹纤维与PLA的界面相容性，使增塑后复合材料的强

度和韧性增大。

此外，Huda，Masud S.等[31]证实了将洋麻纤维置于

氢氧化钠溶液再用 3-氨丙基三乙氧基硅烷进行处理后

与 PLA 共混，得到的最终材料的耐热性和柔顺性都有

所提高。Quiles-Carrillo等[32]研究了碱处理后的农作物

废料-纤维核桃壳填料在PLA中的效果，发现最终产物

的弹性模量值比未处理核桃壳提高了约四分之一，强度