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生物可降解材料聚乳酸的制备改性及应用摘要：聚乳酸（PLA）是人工合成的可生物降解的的热塑性脂肪族聚酯，其具有良好的机械性能、热塑性、生物相容性和生物降解性等，广泛应用于可控释材料、生物医用材料、组织工程材料、合成纤维等领域。
本文主要介绍了聚乳酸的合成、改性及其在各个领域的应用。
关键词：聚乳酸；生物降解；合成；应用随着大量高分子材料在各个领域的应用，废弃高分子材料对环境的污染有着日益加剧的趋势。
处理高分子材料的一些老套方法如焚烧、掩埋、熔融共混挤出法、回收利用等都存在缺陷并有一定的局限性，给环境带来严重的负荷，因此开发环境可接受的降解性高分子材料是解决环境污染的重要途径。
而乳酸主要来源于自然界十分丰富的可再生植物资源如玉米淀粉、甜菜糖等的发酵。
聚乳酸（polylactide简称PLA)在自然环境中可被水解或微生物降解为无公害的最终产物CO2和H2O，对其进行堆肥或焚烧处理也不会带来新的环境污染[1]。
此外聚乳酸及其共聚物是一种具有优良的生物相容性的合成高分子材料。
它具有无毒、无刺激性、强度高、可塑性强、易加工成型等特点，因而被认为是最有前途的生物可降解高分子材料[2]。
利用其可降解性，也可用作生物医用材料如组织支架、外科手术缝合线、专业包装、外科固定等。
1 生物降解机理[3，4]生物降解是指高分子材料通过溶剂化作用、简单水解或酶反应，以及其他有机体转化为相对简单的中间产物或小分子的过程。
高分子材料的生物降解过程可分为4个阶段：水合作用、强度损失、物质整体化丧失和质量损失。
微生物首先向体外分泌水解酶，与可生物降解材料表面结合，通过水解切断这些材料表面的高分子链，生成低相对分子质量的化合物（有机酸、糖等)，然后，降解的生成物被微生物摄入体内，合成为微生物体物或转化为微生物活动能量，在耗氧条件下转化为CO2，完成生物降解的全过程。
材料的结构是决定其是否可生物降解的根本因素。
合成高分子多为憎水性的，一般不能生物降解，只有能保持一定湿度的材料才有可能生物降解。
聚乳酸纤维的结构与性能一、概述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。
是一种可持续发展的生态纤维。
”1.乳酸纤维的发展概况聚乳酸纤维的研究历史可追溯到上世纪30年代，其发明报道可追溯到50年代，杜帮公司最早测定了聚乳酸酯的分子量，60年代以后，各国科技工作者对此作了广泛的研究，日本以玉米为原料开发了新型聚乳酸纤维，90年代后期，美国两家大公司联合开发了聚乳酸纤维，它们以玉米为原料，首先建设了生产能力很大的试验工厂，完善了现代化生产高分子聚乳酸的生产工艺，开创了聚乳酸酯的工业化发展阶段。
日本钟纺、仓敷公司、香港的福田实业公司、日本的东丽公司和台湾的远纺公司等先后开发研制了聚乳酸纤维。
2002年上海华源股份有限公司开始与美国CDP公司合作，成为国内第一家实现工业化开发聚乳酸产品的化纤企业。
二、聚乳酸（P LA）纤维制备<1> 乳酸的制取合成聚乳酸的单体是乳酸，乳酸的生产可分为：1发酵法是采用玉米、小麦、稻谷和木薯等含淀粉农作物为原料，从原料中提取淀粉，经淀粉酶分解得到葡萄糖等单糖，再加入纯乳酸菌和碳酸钙进行发酵。
发酵液用石灰乳中和至微碱性，煮沸杀菌，冷却后过滤，用热水重结晶。
再加入50％的硫酸分解出乳酸和硫酸钙沉淀。
滤出硫酸钙，滤液在减压下蒸发浓缩，即得到工业用乳酸。
2.石油合成法由于发酵法原料来源广泛，原料的利用率和转化率较高，大多数生产商采用此法进行生产。
<2> 聚乳酸树脂的制取乳酸的聚合是PLA 生产的一项核心技术。
近年来国内外对乳酸的聚合工艺作了不少研究，目前聚乳酸的制造方法有两种：一种是直接聚合，即在高真空和高温条件下用溶剂去除凝结水，将精制的乳酸直接聚合（缩合）成聚乳酸树脂，可以生产较低分子量的聚合体。
此方法工艺流程短，成本低，对环境污染小，但制得的PLA 平均分子量较小，强度低，不能用作塑料和纤维加工，用途不广，不适合大规模工业化生产。
PLA是什么材料PLA是什么材料、PLA可分为易着色PLA、本色PLA、白色PLA、黑色PLA、耐溶剂性PLA、耐化学性PLA、耐老化PLA、耐候PLA、耐油性PLA、可降解PLA、环保PLA、医疗级PLA.PLA纤维是由日本、美国等率先开发出来的一种新型绿色环保纤维,是一种高分子材料,其原材料是聚乳酸。
PLA是由再生的植物资源(玉米、小麦、谷物、甜菜等)为起始原料制成,然后经纺丝生成聚乳酸纤维。
这种纤维制品废弃后,借助土壤和水中的微生物作用, 完全分解成植物生长所需要的二氧化碳和水, 是一种完全自然循环的可生物降解环保纤维。
在当前绿色高分子材料的研究开发热潮中,需求迫切、发展快的当属环境可降解高分子材料。
PLA纤维原材料又极其丰富,己被众多专家推荐为“21世纪的环境友好循环材料”,是一种极具发展潜力的生态型纤维。
PLA纤维因为其良好的生物可降解性能被世界所属目,从医疗卫生领域到工农业领域,特别是在纺织加工领域,随着对PLA纤维的研究的不断推进,人们对PLA纤维的认识也越来越深刻。
PLA纤维是一种可生物降解的新型环保纤维。
由于生产PLA纤维的原料一一乳酸是从可再生天然物质发醇制取的, 因而加工乳酸大的优点是不使用石油等化工原料, 从原料到废弃物均可生物降解。
PLA纤维以淀粉制得的乳酸为原料,具有生物降解性,其废弃物埋入土中后,在土壤和水中的微生物作用下,大约经过1-2年的时间,纤维即可被完全分解为C02和H20,从而发生降解。
其产生的二氧化碳可通过植物光和作用减少其在大气中的含量, 对地球环境不会造成污染。
由于这是一个循环过程, 专家们把PLA纤维称为“21世纪的环境循环材料”.专家们预言,通过21世纪初期全球PLA聚合物和纤维的生产规模的扩大, 随着乳酸原料生产成本的降低,其价格会向接近PET纤维发展,其用途将迅速扩展,其经济效益将逐步显现出来。
PLA塑料的玻璃化温度和熔点较低,分别只有57℃和175℃,明显低于涤纶.热定形温度应介于玻璃化温度和熔点之间,加热到140℃时会收缩, 因此聚乳酸纤维产品在加工过程中温度不能过高。
聚乳酸（PLA）利用来自于谷物或其它有机物的发酵糖可以生产乳酸，而乳酸可以通过聚合反应得到一种线形脂肪族聚酯--聚乳酸（PLA）。
PLA的降解分为两个阶段，第一阶段是它的酯基团逐步水解成为乳酸和其它小分子，然后这些小分子被环境中的微生物所分解。
PLA经常和淀粉共混以增强其可降解性能并降低成本。
但是这种共混产物太脆了，因此常常还要加入一些增塑剂如甘油和山梨糖醇使其变得柔软一些。
一些生产者也经常使用一些别的可降解聚酯与PLA共混来达到替代增塑剂的目的。
PLA材料具有光洁的表面和高度的透明度，因此可以在某些应用领域同聚苯乙烯和PET竞争。
PLA 已经应用于如水果蔬菜、鸡蛋、熟食和烘烤食品的硬包装。
PLA薄膜正在用于三明治、饼干和鲜花等商品的包装上。
还有将PLA吹塑成瓶子用于包装水、汤、食品和食用油等方面的应用。
一些汽车制造商，最著名的如日本的丰田公司，正在进行将PLA和其它可生物降解塑料应用于未来轿车的研究。
完全生物质高分子材料——聚乳酸〔PLA〕是被世界视作继金属材料、无机材料、高分子材料之后的“第四类最具广泛应用价值和环保应用价值的新型高分子材料”，是国家列入“九五”、“十五”、“863”、“十一五”和《国家中长期科技发展计划》重点科研攻关项目之一。
PLA是一种高分子环保聚酯材料，此材料具有理化性能优良、透明度极高、生物及化学降解性能好且降解时间可控、无毒无味、耐酸碱、防病菌、防紫外线、易加工成型且表面更加光滑及易降解生成对环境无害的二氧化碳和水等诸多优良的性能，而且在透气性、防皱性、高强度、高弹性、耐热性和可生物降解性等方面更是尤为出众，因而它还是生产纤维类纺织品的良好天然材料。
其用途相当广泛，可应用于工业、农业、林业、建筑业、纺织业、食品包装业、日常用品、文化体育、医疗卫生等各个领域。
生物质材料——聚乳酸〔PLA〕必将取代聚乙烯〔PE〕、聚丙烯〔PP〕等化学石油基塑料，可全面有效地解决世界性“白色污染”的难题。
1、 PLA纤维的生产工艺、结构特点和主要性能 生产工艺：工艺 PLA切片→干燥→螺杆挤压→预过滤→纺丝箱→冷却上油→卷绕→热盘拉伸→DT纤维
（1） 切片干燥：像PET一样，PLA切片必须经过干燥处理后才能进行熔融纺丝。PLA属聚酯类产品，由于其聚合物在活跃和潮湿的环境中会通过酯键断裂发生水解而产生降解，造成分子量大幅下降，从而严重影响成品纤维的品质，因此纺丝前要严格控制PLA聚合物的含水率。PLA切片干燥后含水率与干切片特性粘度的控制尤为重要，因为含水率控制不当引起的分子量损失将给正常的熔融纺丝带来困难。
（2） 熔融纺丝：由于具有高结晶性和高取向性，PLA纤维具有高耐热性和高强度，且无需特殊的设备和操作工艺，应用常规的加工工艺便可进行纺丝。但 PLA纤维不同于芳香酯的PET，其熔点175℃（由差示扫描量热DSC法测定）与PET的260℃差距较大，且熔融纺丝成形较PET困难，主要表现在PLA的热敏性和熔体高粘度之间的矛盾。要使PLA在纺丝成形时具有较好的流动性和可纺性，必须达到一定的纺丝温度，但PLA物料在高温下，尤其是经受较长时间的相对高温时极易发生热降解，因此造成PLA熔融成形的温度范围极窄。
（3） 纺丝组件：由于PLA熔体的表观剪切粘度随剪切速率的增大而下降，表现为切力变稀流动现象。因为在剪切应力的作用下，大分子构象发生变化，长链分子偏离平衡构象而沿熔体流动取向，表现出预取向性，从而使体系解缠并使大分子链彼此分离，导致PLA熔体的表观剪切粘度下降。因此，必须通过加强剪切来降低其表观粘度，进而解决PLA聚合物热敏性和熔体高粘度之间的矛盾，实现纺丝的顺利进行。
（4） 速率和卷绕超喂：在生产过程中，为保证PLA纤维有一定的取向度，同时希望拉伸应力和卷绕应力在纺丝过程中得到及时有效地消除，有效控制卷绕张力是关键。另外，由于PLA纤维的玻璃化温度较低，易造成卷绕过程中应力松驰加剧，使纤维沿轴向发生一定尺寸的收缩。在尽可能保证卷绕稳定的情况下，适当增大卷绕超喂率，在不影响成形的前提下，减少卷绕张力，相应调整摩托辊与筒子的接触压力，可以得到优质的大卷装丝。
（5） 拉伸温度、速度：在平牵机上，热盘的温度即为拉伸温度，作为影响纤维的重要条件之一，选择合适的拉伸温度是提高纤维物理-机械性能的关键。低温时，拉伸初生PLA纤维时易发生脆性断裂，随着拉伸温度的提高，塑性变形越来越明显，PLA纤维结构单元包括链段和大分子的活动性随温度升高而增大。同时，随着温度的提高，一方面由于PLA大分子在拉伸过程中发生取向，伸直链段的数目增多，而折叠链段的数目减少；另一方面，由于拉伸过程中发生了结晶，片晶之间的连接链相应增加，从而提高了PLA纤维的强度和抗拉性，表现在纤维的物理性能上是纤维的断裂强度明显增大，断裂伸长率也增加。
结构特点：PLA纤维形态结构如图，由图可知，PLA纤维的横截面呈非完整的圆形
主要性能： （1） PLA纤维的生物降解性和可循环性：与其它合成纤维相比，PLA纤维的最大优点是它在自然环境下容易被分解，分解产生的二氧化碳和水不会污染环境，并且可通过绿色植物的光合作用又重新进入生态循环当中去。 （2） PLA纤维的无毒性：PLA纤维是以人体内含有的乳酸作原料合成的，对人体而言是绝对安全的。经测试，用PLA纤维制成的布料不会刺激皮肤，具有抗菌和防腐性能且对人体健康有益，并有舒适感，用于内衣，与PET和PBT纤维相比具有优良的悬垂性、滑爽性并富有光泽。纤维合成过程都无环境污染；纤维生产过程通常采用的熔融法纺丝在化纤工艺中最简洁、最干净，也没有很难以处理的三废问题。聚乳酸纤维植入体内无毒副作用，而且有一定的耐菌性和耐紫外线性能，因此安全性好，不但可用作可吸收的手术缝合线和组织工程材料，而且很适于室外应用领域和室内装饰织物。并且PLA纤维燃烧无毒性，燃烧气体中亦不含有二恶英，氮—氧气体也极少。 （3） PLA纤维的低温染色性：PLA纤维的玻璃化温度一般为58～62℃，染料分子易进入纤维内部并能染成深色，所以其染色性能优于PET纤维，能够在无载体的情况下常压低温染色或沸染。 （4） PLA纤维的回弹性和抗皱性：PLA纤维的大分子结构决定了它有良好的回弹性，在5％应变作用下，回弹率是93％，在10％应变作用下，回弹率是64％；而PET纤维在5％应变作用下，回弹率是63％，在10％应变作用下，回弹率是51％。 （5） PLA纤维的阻燃性能：PLA纤维的极限氧指数（26％～27％），接近于国家标准对阻燃纤维极限氧指数的要求（28％～30％），燃烧时发热量低（只有PET纤维的16％），只有轻微的烟雾释出（只有PET纤维的57％），易自熄，火灾危险性小。因此PLA纤维的阻燃性能已引起人们的特别关注。 （6） PLA纤维的耐紫外线性：纤维大分子结构中的C—C、C—H等键，一般不吸收波长大于290nm的光线，照射到地球表面的紫外线，对含有这些键的纤维几乎没有影响[11]。而PLA纤维的分子结构中含有大量的C—C、C—H键，因此，PLA纤维具有优良的耐紫外线性。PLA纤维是由高纯度的L-乳酸制成，所含杂质极少，这也是其具有优良耐紫外线性的原因之一。
另外，PLA纤维和PET纤维同样富有疏水性，对皮肤不发粘；如与棉混纺做内衣，有助于水份的转移，接触皮肤时有干燥感，更为重要的是，PLA纤维的生物相容性比较好，不刺激皮肤，因此穿着时的舒适感特别好。PLA纤维的加工适应性也很好，可以适应机织、针织、簇绒和非织造布等现有绝大多数加工设备，这为它的推广应用提供了极大的便利。
2、 Modal纤维和Tencel纤维的生产工艺及化学结构、超分子结构和形态结构的特点 Modal Tencel 生产工艺 木浆—溶解过滤—纺丝—冷却—干燥—纤维 以针叶树为原料，采用于喷湿法纺丝，其工艺流程为：浆粕一预混一溶解于氧化胺一除杂一水中凝固一后加工。 形态结构 纵向：有1~2根沟槽 横截面：不规则类似腰圆形，较圆滑，有皮芯 纵向：光滑；
横截面:较规则圆形或椭圆形，有皮芯层 化学结构 纤维素分子结构 纤维素分子结构 超分子结构 结晶度40%，DP：450~600 聚合度、结晶度较高，大分子堆积比较有序，纤维中缝隙空洞又少，DP:500~550
3、大豆蛋白纤维、牛奶蛋白纤维、蚕蛹蛋白纤维相关信息 大豆蛋白纤维： 大豆蛋白纤维是目前我国刚刚问世的一种新型纺织原料，属于再生植物蛋白纤维类，是从榨掉油脂的大豆豆渣中提炼出来的，该纤维的整个生产过程对环境、空气、人体、土壤、水质等无污染，纤维本身主要由蛋白质组成，是一种易生物降解的纤维。因此大豆蛋白纤维是一种绿色环保纤维。
以大豆蛋白纤维为主要原料的纺织品，具有耐酸、耐碱性较好，手感柔软，具有羊绒般的手感、蚕丝般的柔和光泽、棉纤维的吸湿性和导湿性及穿着舒适性，同时具有羊毛的保暖性，即它汇集各种天然纤维产品的优良特性于一身。如果利用加入消炎杀菌类药物、紫外线吸收剂的纤维，纺织品将具有保健作用。
（1）舒适性 在纤维牵伸过程中，由于纤维表面脱水，取向较快导致纤维表面有沟漕，从而使纤维具有良好的导湿性。因为蛋白质分子中含有大量的氨基、羧基、羟基等亲水基团，从而使该种纤维具有良好的吸湿性，其吸湿性与棉相当而导湿透气性远优于棉，保证了穿着的舒适与卫生。
（2）外观 大豆蛋白质纤维面料，具有类似真丝的光泽，其悬垂性也极佳，给人以飘逸脱俗的感觉，用高支纱织成的织物，表面纹路细洁、清晰、是高档的衬衣面料。
（3）染色性好 大豆蛋白质纤维本色为淡黄色，很像柞蚕丝色。它可以用酸性染料、活性染料、尤其是用活性染料染色，产品颜色鲜艳而有光泽，同时日晒牢度也非常好，与真丝产品相比解决了染色鲜艳与染色牢度的矛盾。
（4）物理机械性能 该种纤维断裂强度比羊毛、棉、蚕丝的强度都高，仅次于涤纶等高强纤维，而纤度已经可以达到，目前，用的棉型纤维在棉纺设备上已经纺出6dtex的高质量纱，可以开发出高档高质高密面料，由于大豆蛋白质纤维的纺丝模量偏高，而沸水收缩率低，故面料尺寸稳定性好。在常规洗涤下不必担心织物的收缩，抗皱性也非常出色且易洗快干。
（5）保健功能 大豆蛋白质纤维与人体皮肤亲和性好且含有多种人体必须的氨基酸，具有良好的保健作用。在大豆蛋白质纤维纺丝工艺中加入定量的杀菌消炎作用的中草药与蛋白质侧链以化学键相结合，药效显著且持久，避免了棉制品用后整理方法开发的功能性产品效果难以持久的缺点。
牛奶蛋白纤维： 所谓的牛奶蛋白纤维就是将液态牛奶去水、脱脂、利用接枝共聚技术将蛋白质分子与丙烯腈分子制成牛奶浆液，再经湿纺新工艺处理而成，使其形成一种在结构中含有牛奶蛋白质氨基酸大分子的线型高分子，因此可以将牛奶蛋白纤维描述为一种含动物蛋白氨基酸的合成纤维。正因为纤维中含有大量动物蛋白的氨基酸，所以具有良好的亲肤特性；也正因为其制作过程采用接枝共聚、湿纺等技术，纤维的性能和品种可根据需要调整，具有极好的加工性能。在棉、麻、丝、毛等天然纤维和其他化学纤维中，动物蛋白质纤维与人体皮肤性质最为相近，细而柔软、平滑、富有弹性，并具有较好的吸湿性和光泽。 蚕蛹蛋白纤维： 蚕蛹蛋白纤维是我国近年来开发的一种复合长丝纤维，它由70的粘胶纤维和30的蚕蛹蛋白混纺而成。133dtex（120D）蚕蛹蛋白粘胶长丝具有良好的物理性能，其光泽、吸湿性、悬垂性等具有独特的优点。干湿断裂强度、干断裂伸长率线密度偏差、单丝根数偏差率等主要指标均达到织造的技术要求，用该纤维制成的织物，透气性、经向强力分别比同类组织结构的真丝织物高，悬垂性、耐磨性、弯曲刚度等性能与同类真丝织物相近，吸湿率与真丝和人丝相当，产品市场前景看好。蚕蛹蛋白纤维带金黄色，给纤维漂白和染色带来一定的难度。
