聚乳酸的性能_合成方法及应用

聚乳酸 合成生物学

聚乳酸（PLA）是一种生物可降解聚合物，由乳酸分子通过缩合反应聚合而成。PLA具有优异的可降解性、生物相容性和机械性能等特点，已广泛应用于医疗、包装、纺织、隔热和建筑等领域。

生物合成PLA的过程可分为以下几个步骤：

1. 乳酸的生产

乳酸可以通过柠檬酸循环、糖酵解或生物发酵等途径生产。其中，生物发酵法是目前应用最广泛的方法。

生物发酵法是利用乳酸菌、酵母等微生物将可再生资源如糖、淀粉等转化为乳酸。在乳酸菌发酵中，优良的发酵菌株可提高乳酸产量、纯度和产率等参数。

2. PLA合成

PLA的生物合成可由两种化学方法实现，即酯交换聚合和缩合聚合。酯交换聚合是指乳酸分子通过开环反应形成环丙烷二酸酯（PDLA）和乙醇，再与另一个乳酸分子缩合形成PLA。缩合聚合是指先将L-乳酸和D-乳酸与过量的酸催化剂在高温下缩合生成PLA。

3. PLA的后处理

在生物合成PLA后，需要进行后处理以获得所需的物理性质和化学性质。后处理的过程包括拉伸、热压、改性等。

拉伸可增加PLA的强度和韧性，热压可提高PLA的透明性和耐热性，改性可改善PLA的耐候性和机械性能等。

综上所述，生物合成PLA是一种高效、可持续和环保的制备方法。未来，生物合成PLA的技术将进一步发展和完善，为PLA的广泛应用提供更好的支持和保障。

聚乳酸合成及应用研究

摘要：综述了聚乳酸的合成方法，介绍了其生产应用现状。

关键词：聚乳酸 乳酸 丙交酯 生物降解材料

随着科学与社会的发展，环境和资源问题越来越受到人们的重视，成为全球性问题。以石油为原料的塑料材料应用广泛，这类材料使用后很难回收利用，造成了目前比较严重的“白色污染”问题。而且石油资源不可再生，大量的不合理使用给人类带来了严重的资源短缺问题。可降解材料的出现，尤其是降解材料的原材料的可再生性为解决这一问题提供了有效的手段。

聚乳酸（PLA）是目前研究应用相对较多的一种，它是以淀粉发酵（或化学合成）得到的以乳酸为基本原料制备得到的一种环境友好材料，它不仅具有良好的物理性能，还具有良好的生物相容性和降解性能。聚乳酸属于脂肪族聚酯化合物。聚乳酸的分子构象存在3种异构体，即左旋的L-PLA，右旋的D-PLA以及内消旋的D，L-PLA。由发酵产生的聚乳酸大部分为L-PLA。PLA的几种旋光性结构中，L- PLA及D-PLA是半结晶高分子，机械强度较好；D，L-PLA是非结晶高分子，降解快，强度耐久性差。其中L-PLA由于降解产物是左旋乳酸，能被人体完全代谢，无毒、无组织反应。由于不同的聚乳酸的分子构象，对最终产品的性能产生影响，所以在聚乳酸形成时，控制不同分子构象的相对比例，就可得到不同性能的聚合体。

1913年法国人首先用缩聚的方法合成了聚乳酸，其产量、相对分子质量都很低，实际用途不大。1954年，美国Dupont公司用间接法制备出高相对分子质量的聚乳酸，1962年，美国Cyanamid公司发现聚乳酸具有良好的生物相容性并将聚乳酸应用于医学领域，作为生物降解医用缝线。美国的Dow化学公司和Cargill公司各出资50%组建的CargillDow聚合物公司研制、开发出了新一代PLA树脂及其合金。日本Mitsui Toatsu公司也推出了新一代改进型聚乳酸树脂(商品名为Lacea)，并于1994年建成年产100t的发酵设备。目前，美国Chronopol公司开发的PLA树脂已经半商业化，并计划在未来几年内建成世界级PLA生产装置。芬兰纽斯特(Neste)公司开发的聚乳酸产品也已经投入生产。哈尔滨市威力达公司与瑞士伊文达·菲瑟公司就合作建设世界第二大聚乳酸（该项目总投资4亿元，预计投产后每年可生产聚乳酸1万吨）生产基地的技术引进进行新一轮洽谈，并取得实质性进展；双方基本确定引进的方式、时间、价格等事宜；该项目将于2005年内建成投产。

聚乳酸材料制备及性能研究

在人工合成可降解高分子材料中，聚乳酸是近年来最受研究者们关注的一种。它是一种生物可降解的热塑性脂肪族聚酯，是一种无毒、无刺激性，具有良好生物相容性、强度高、可塑性加工成型的生物降解高分子材料。合成聚乳酸的原料可以通过发酵玉米等粮食作物获得，因此它的合成是一个低能耗的过程。废弃的聚乳酸可以自行降解成二氧化碳和水，而且降解产物经光合作用后可再形成淀粉等物质，可以再次成为合成聚乳酸的原料，从而实现碳循环[3]。因此，聚乳酸是一种完全具备可持续发展特性的高分子材料，在生物可降解高分子材料中占有重要地位。迄今为止，学者们对聚乳酸的合成、性质、改性等方面进行了深入的研究。

2.1聚乳酸的合成

聚乳酸以微生物发酵产物-乳酸为单体进行化学合成的，由于乳酸是手性分子，所以有两种立体结构。

聚乳酸的合成方法有两种；一种是通过乳酸直接缩合；另一种是先将乳酸单体脱水环化合成丙交酯，然后丙交酯开环聚合得到聚乳酸[4]。

2.1.1直接缩合[4]

直接合成法采用高效脱水剂和催化剂使乳酸低聚物分子间脱水缩合成聚乳酸，是直接合成过程，但是缩聚反应是可逆反应，很难保证反应正向进行，因此不易得到高分子量的聚乳酸。但是工艺简单，与开环聚合物相比具有成本优势。因此目前仍然有大量围绕直接合成法生产工艺的研究工作，而研究重点集中在高效催化剂的开发和催化工艺的优化上。目前通过直接聚合法已经可以制备具有较高分子量的聚乳酸，但与开环聚合相比，得到的聚乳酸分子量仍然偏低，而且分子量和分子量分布控制较难。

2.1.2丙交酯开环缩合[4]

丙交酯的开环聚合是迄今为止研究较多的一种聚乳酸合成方法。这种聚合方法很容易实现，并且制得的聚乳酸分子量很大。根据其所用的催化剂不同，有阳离子开环聚合、阴离子开环聚合和配位聚合三种形式。（1）阳离子开环聚合只有在少数极强或是碳鎓离子供体时才能够引发，并且阳离子开环聚合多为本体聚合体系，反应温度高，引发剂用量大，因此这种聚合方法吸引力不高；（2）阴离子开环聚合的引发剂主要为碱金属化合物。反应速度快，活性高，可以进行溶液和本体聚合。但是这种聚合很难制备高分子量的聚乳酸；（3）配位开环聚合是目前研究最深的，也是应用最广的。反应所用的催化剂主要为过渡金属的氧化物和有机物，其特点为单体转化率高，副反应少，易于制备高分子量的聚乳酸。但是开环聚合有一个缺点，所使用的催化剂有一定的毒性，所以目前寻找生物安全性高的催化剂成为配位开环聚合研究的重要方向。

精选资料，欢迎下载 聚乳酸合成方法研究进展

聚乳酸的合成主要有两条路线：一条是乳酸 (lactic acid)

由乳酸预聚生成低分子量物质，其解聚得丙交酯 环聚合(ROP)得到聚乳酸。具体过程如下

图2-1 聚乳酸的两条合成路线

1、直接聚合法JK]

乳酸同时具有-OH和-COOH是可直接缩聚的，采用高效脱水剂和催化剂使

乳酸或乳酸低聚物分子间脱水缩合成高分子质量聚乳酸：

式1.1

采用直接法合成的聚乳酸，原料乳酸来源充足，大大降低了成本，有利于聚 乳酸材料的普及，但该法得到的聚乳酸相对分子质量较低，机械性能较差。

2、丙交酯开环聚合法[L]

开环聚合法是先将乳酸缩聚为低聚物，低聚物在高温、高真空等条件下发生 分子内酯交换反应，解聚为乳酸的环状二聚体-丙交酯。丙交酯经过精制提纯后， 由引发剂如辛酸亚锡、氧化锌等许多化合物催化开环得到高分子量的聚合物

第一步是乳酸经脱水环化制得丙交酯。

式1.2 2 n<200 丙交酯 直接聚合•另一条是

(lactide)，丙交酯重结晶后开

H I □ OH ----- C—COOH ------- ►

CHa + (n-l) H20

脫水

环化 精选资料，欢迎下载

第二步是丙交酯经开环聚合制得聚丙交酯由于此方法可通过 精选资料，欢迎下载

式1.3

由于此方法可通过催化剂的种类和浓度使得聚乳酸分子量高达 70万到100

万【M,机械强度高，适合作为医用材料。

乳酸直接聚合与乳酸先制成丙交酯后再开环聚合制备聚乳酸相比，工艺简 单，成本低廉。但以往的研究表明采用乳酸直接聚合法难以获得具有实用价值的 高分子量聚乳酸，但丙交酯开环聚合的高成本限制了聚乳酸的应用。 随着化工技 术的进步，研究者们对乳酸缩聚制各聚乳酸又重新重视起来。

常有的缩聚方法有：熔融缩聚、溶液缩聚、乳液缩聚和界面缩聚。本实验室 采用了熔融缩聚和溶液缩聚制得分子量较高的聚乳酸。

实验部分

实验原料：乳酸（85-90%）;二水和氯化亚锡（S“Cl2.2H2O ;三氧化二锑（SbO）; 甲醇；高纯氮；二丁基氧化锡（Sn0E2）;月桂酸二丁基锡；醋酸锰（Mn（CHCOO）： 五氧化二磷（P2Q）;苯；氯仿；甲苯；四氢呋喃