Polymilchsäure erfreut sich aufgrund ihrer biologischen Abbaubarkeit, hervorragenden Leistung und breiten Anwendungsmöglichkeiten großer Beliebtheit. In diesem Artikel wird der Abbaumechanismus von PLA vorgestellt, einschließlich der aktuellen Situation seiner Anwendung als abbaubarer Kunststoff sowie der Verbesserungsmethoden und des zukünftigen Entwicklungstrends.
Was ist der Polymilchsäure?
Ein einzelnes Milchsäuremolekül hat eine Hydroxylgruppe und eine Carboxylgruppe. Wenn mehrere Milchsäuremoleküle zusammenkommen, wird das -OH dehydriert und mit dem -COOH anderer Moleküle kondensiert, und das -COOH wird dehydriert und mit dem -OH anderer Moleküle kondensiert. Und auf diese Weise arbeiten sie Hand in Hand, um ein Polymer namens Polymilchsäure zu bilden. Polymilchsäure wird auch als Polypropylenglykol bezeichnet und gehört zur Familie der Polyester. PLA wird durch Polymerisation von Milchsäure als Hauptrohstoff gewonnen, der gut beschafft und erneuerbar ist. Der Produktionsprozess von PLA ist schadstofffrei. Und das Produkt ist biologisch abbaubar und recycelbar, was es zu einem idealen umweltfreundlichen Polymermaterial macht.
Abbaumechanismus von PLA
PLA ist ein typischer „grüner Kunststoff“. Aufgrund seiner guten Biokompatibilität, vollständigen Abbaubarkeit und Bioabsorbierbarkeit ist es eines der am meisten geschätzten Materialien im Bereich der biologisch abbaubaren Materialien. Und der Abbaumechanismus von PLA wird unten beschrieben.
PLA ist ein synthetischer aliphatischer Polyester. Und sein Abbau kann in einfachen hydrolytischen (Säure-Base-katalysierten) Abbau und enzymkatalysierten hydrolytischen Abbau unterteilt werden. Aus physikalischer Sicht gibt es einen homogenen und einen inhomogenen Abbau. Inhomogener Abbau bedeutet, dass die Abbaureaktion auf der Polymeroberfläche stattfindet, während der homogene Abbau im Inneren des Polymers stattfindet. Aus chemischer Sicht gibt es im Wesentlichen drei Abbauwege.
Erstens der Abbau der Hauptkette zu Oligomeren und Monomeren.
Zweitens die Hydrolyse von Seitenketten, um lösliche Hauptkettenpolymere zu erzeugen.
Drittens: Kreuzkettenpunktspaltung zur Erzeugung löslicher linearer Makromoleküle. Der ontogenetische Erosionsmechanismus legt nahe, dass der Hauptmodus des PLA-Abbaus die ontogenetische Erosion ist und die zugrunde liegende Ursache die Hydrolyse von Esterbindungen in der PLA-Molekülkette ist. Die endständigen Carboxylgruppen von PLA-Polymeren spielen bei ihrer Hydrolyse eine katalytische Rolle. Mit fortschreitendem Abbau nimmt die Menge der Carboxylendgruppen zu und die Abbaugeschwindigkeit beschleunigt sich, was zur Autokatalyse führt.
Da PLA aus nachwachsenden Rohstoffen stammt, wird es polymerisiert, modifiziert und zu Produkten verarbeitet. Wenn die Produkte entsorgt werden, können sie vollständig vom menschlichen Körper aufgenommen oder von Umweltorganismen zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut werden, was dem Menschen zugute kommt und ohne Verschmutzung in die Natur zurückkehrt. Der Produktionsprozess von PLA ist schadstofffrei. Und die Produkte sind biologisch abbaubar und werden in der Natur recycelt, sodass es sich um ein ideales grünes Polymermaterial handelt. Das folgende Diagramm zeigt den Recyclingprozess von PLA in der Natur.
3、Polymilchsäurepräparat
Derzeit umfasst die chemische Synthese von PLA zwei Methoden: die ringöffnende Polymerisation von Propylenglykolester (auch als zweistufige Methode bekannt) und die direkte Milchsäurekondensation (auch als einstufige Methode bekannt). Unter diesen verfügt das Propylenglycerid-Ringöffnungspolymerisationsverfahren über eine einfache Ausrüstung und kann PLA mit hohem Molekulargewicht erhalten. Der Nachteil besteht darin, dass die Kosten höher sind, der gesamte Prozess kompliziert ist und der Weg lang ist. Das direkte Milchsäurekondensationsverfahren verfügt über ausreichende Quellen für Rohmilchsäure, ist kostengünstig, hat eine hohe Monomerumwandlungsrate und ist einfach zu verarbeiten. Und es ist keine Reinigung von Zwischenprodukten erforderlich. Dadurch sind die Kosten geringer; Der Nachteil besteht darin, dass es schwieriger ist, ein Polymer mit hohem Molekulargewicht zu erhalten.
4、Bewerbungsstatus
Verpackung, Faser und Medizin sind die beliebtesten Anwendungsbereiche des PLA-Marktes. Auf dem Verpackungsmarkt macht sein Verbrauch etwa 70% des gesamten PLA-Verbrauchs aus. Mittel- und langfristig wird der Faser- und Textilanteil auf 50% steigen und sich zum größten Verbrauchermarkt für PLA entwickeln. Die Menge an PLA im medizinischen Bereich ist relativ gering, aber die Schwelle ist höher und der Gewinn ist profitabler. In diesem Bericht konzentrieren wir uns auf die Verwendung von PLA in Verpackungsmaterialien.
4.1 Polymilchsäurefilm
Polymilchsäurefilm bezieht sich auf Rohstoffe aus erneuerbaren Stoffen, die die Funktionen und Eigenschaften herkömmlicher Kunststoffe haben, aber auch in der natürlichen Umwelt durch die Einwirkung von Mikroorganismen in Boden und Wasser sowie durch die Einwirkung von ultraviolettem Licht im Sonnenlicht abgebaut und reduziert werden können . Und schließlich werden sie zu Kohlendioxid und Wasser und gelangen in ungiftiger Form wieder in die Umwelt, weshalb es auch als „grüner Kunststoff“ bekannt ist. Daher wird es auch „grüner Kunststoff“ genannt.
Derzeit sind PLA, Bernsteinsäure-Copolymere und modifizierte Stärkekunststoffe auf dem Markt erhältlich. Aufgrund des hohen Preises (drei- bis achtmal höher als der übliche Kunststoff) werden sie jedoch nicht häufig verwendet. Sie sind auf Fälle beschränkt, in denen das Recycling schwierig ist oder die Recyclingkosten zu hoch sind, wie z. B. Knochennägel, chirurgisches Nahtmaterial, künstliche Organe und pharmazeutische Materialien mit langsamer Freisetzung.
4.2 Verpackungsfolie aus Polymilchsäure
Im April 2004 wurden die Süßigkeiten der US-College-Farm-Marke in einer Verpackungsfolie aus biologisch abbaubarem Polymilchsäureharz (PLA) von Natureworks verpackt. Das Aussehen und die Leistung dieser Folie sind denen herkömmlicher Süßigkeitenverpackungsfolien (Cellophan oder biaxial orientierte Polypropylenfolie) gleich, mit kristalliner Transparenz, ausgezeichneter Verdrehungsbeständigkeit, Bedruckbarkeit und Festigkeit sowie einer höheren Barriere und kann den Geschmack von Süßigkeiten besser bewahren.
Ein deutsches Unternehmen, das Polymilchsäure als Rohstoff verwendet, hat erfolgreich einen grünen Lebensmittelbecher mit einer schnellen natürlichen Zersetzungsfunktion entwickelt, um das bisherige Problem der Zersetzung von Einweg-Kunststoffverpackungen zu lösen und eine neue Möglichkeit der Praktikabilität zu eröffnen. Das vom Unternehmen entwickelte abbaubare Material gehört zum Polyesterpolymer. Die Milchsäure kann aus der Fermentationsflüssigkeit der Zuckerrübe extrahiert werden und einer Ringöffnungspolymerisationsreaktion unterzogen werden, um Polymilchsäure herzustellen.
Im Dezember 2002 stellte die japanische Regierung die „Bioengineering Strategy Outline“ und andere Initiativen vor, um fossile Energie oder Produkte durch biologische Materialien zu ersetzen und so die globale Erwärmung zu verhindern. Das gestiegene Bewusstsein der Verbraucher für den Umweltschutz hat auch Unternehmen dazu ermutigt, vollständig Kunststoffe aus pflanzlichen Materialien zu verwenden.
4.3 Einweggeschirr aus Polymilchsäure
Während die PLA-Produktionskapazität und der PLA-Verbrauch zunehmen, werden PLA-Anwendungen immer ausgereifter. Im Jahr 2010 betrug der weltweite PLA-Verbrauch von PLA-Biokunststoff-Einweg-Lunchboxen (PLA) etwa 120.000 Tonnen (reines Harz), wobei die Nachfrage von Westeuropa und Nordamerika dominiert wurde und der Verbrauch in Asien zunimmt. Der Hauptverbrauchsbereich von PLA sind derzeit Verpackungsmaterialien, auf die etwa 651 TP3T des Gesamtverbrauchs entfallen, gefolgt vom biomedizinischen Bereich, auf den etwa 261 TP3T des Gesamtverbrauchs entfallen.
Derzeit wird das biologisch abbaubare Material PLA zur Herstellung aller Arten von Einweggeschirr verwendet, wie zum Beispiel biologisch abbaubare Gabeln, Messer, Kaltgetränkebecher und so weiter.
5. Nachteile von PLA
Durch die direkte Polykondensationsmethode von Milchsäure kann PLA mit höherem Molekulargewicht nicht synthetisiert werden. Und es gibt einige Mängel bei PLA-Materialien, wie z. B. schlechte mechanische Eigenschaften und eine sehr niedrige Hitzebeständigkeitstemperatur. Außerdem ist es teuer und es ist schwierig, die Abbauzeit zu kontrollieren. All dies schränkt den Anwendungsbereich von PLA ein.
6、Verbesserung von Polymilchsäure
6.1 Physische Modifikation
6.1.1 Blending-Modifikation
Unter Blending-Modifikation versteht man das Zusammenschmelzen von zwei oder mehr Polymeren in der Schmelze. Dann wird der Zweck der Modifikation durch die Kombination der Eigenschaften der Polymerkomponenten erreicht. Bei der Modifikation von Polymermischungen handelt es sich um eine physikalische Modifikation, die die makromolekulare Kettenstruktur des Polymers nicht verändert und die Vorteile des ursprünglichen Polymers beibehält, während neue Substanzen hinzugefügt werden. Und die Struktur des Aggregatzustands verändern und so dem Polymer einige neue Eigenschaften verleihen. Eine Mischungsmodifikation kann die Polymereigenschaften verbessern, die Kosten senken und kostengünstige und vielseitige Materialien herstellen. Das Mischen von Polymeren ist eine Möglichkeit, die Zähigkeit von Polymeren zu verbessern.
6.1.2 Weichmachermodifikation
Durch die Zugabe von biokompatiblen Weichmachern zur PLA-Matrix geht aus der Untersuchung der Änderungen der Glasübergangstemperatur, der Kristallisationstemperatur, des Schmelzpunkts, der Kristallinität, des Elastizitätsmoduls und der Bruchdehnung von PLA nach der Plastifizierung hervor, dass die Zugabe von Weichmachern die Flexibilität von PLA erhöht Makromolekulare PLA-Ketten senken die Glasübergangstemperatur sehr deutlich, verringern ihren Elastizitätsmodul und erhöhen die Bruchdehnung, d. h. die Zähigkeit nimmt in gewissem Maße zu. Der Vergleich seiner Verformungs- und Elastizitätseigenschaften zeigt, dass diese Weichmacher die Flexibilität und Schlagfestigkeit von PLA verbessern können.
6.2 Chemische Modifikation
6.2.1 Copolymerisationsmodifikation
Die Copolymerisationsmodifikation von PLA verändert die Eigenschaften des PLA-Copolymers durch Anpassung des Verhältnisses von Milchsäure und anderen Copolymermonomeren. Homopolymerisiertes PLA ist ein hydrophobes Material und der Abbauzyklus ist schwer zu kontrollieren. Durch die Copolymerisation mit anderen Monomeren können die Hydrophobie und Kristallinität des Materials verbessert werden. Und die Abbaurate des Polymers kann entsprechend dem Molekulargewicht des Copolymers, der Art und dem Verhältnis der Copolymermonomere usw. gesteuert werden.
6.2.2 Vernetzungsmodifikation
Unter Vernetzung versteht man den chemischen Reaktionsprozess zwischen Polymer-Makromolekülketten, der zur Bildung chemischer Bindungen führt. Der allgemeine Prozess der PLA-Vernetzung besteht darin, die Eigenschaften von PLA zu verbessern, indem andere Monomere hinzugefügt werden, um sie mit PLA zu vernetzen und unter der Wirkung von Vernetzungsmitteln oder Strahlung ein Netzwerkpolymer zu bilden. Das Vernetzungsmittel ist üblicherweise eine polyfunktionelle Substanz, beispielsweise ein polyfunktionelles Anhydrid oder Polyisocyanat. Die Vernetzungsmethode und der Vernetzungsgrad variieren je nach Situation.
6.3 Compound-Modifikation
Eine weitere Möglichkeit, eine PLA-Modifizierung zu erreichen, besteht darin, PLA mithilfe der Compoundiertechnologie zu kompoundieren. Nach der Compoundierung weisen die meisten PLA-Verbundwerkstoffe eine hervorragende Leistung und besondere Eigenschaften mit ausgezeichneter Biokompatibilität, besserer mechanischer Festigkeit, besserem Elastizitätsmodul und Thermoformbarkeit auf.
Abschluss.
Biologisch abbaubarer Kunststoff PLA ist ein umweltfreundliches Material mit vielfältigen Anwendungsentwicklungen und großen Entwicklungsaussichten. Und seine wichtige Stellung in den heutigen biologisch abbaubaren Materialien ist unersetzlich. Als wichtigstes Biopolymerprodukt hat PLA eine breite Entwicklungsperspektive und wird in den kommenden Jahren im Fokus der Chemie stehen. Und es wird erwartet, dass es in den Bereichen Industrieanlagenbau, Anwendungsmarkt und Nachfrageentwicklung, Preis und Leistung wettbewerbsfähig ist.
Quellen:
