El ácido poliláctico es muy preferido debido a su biodegradabilidad, excelente rendimiento y amplia aplicación. Este artículo presenta el mecanismo de degradación del PLA, incluida la situación actual de su aplicación como plástico degradable, así como los métodos de mejora y la tendencia de desarrollo futuro.
Cuál es el Ácido polilactico?
Una sola molécula de ácido láctico tiene un grupo hidroxilo y un grupo carboxilo. Cuando se juntan varias moléculas de ácido láctico, el -OH se deshidrata y se condensa con el -COOH de otras moléculas, y el -COOH se deshidrata y se condensa con el -OH de otras moléculas. Y de esta forma, trabajan de la mano para formar un polímero llamado ácido poliláctico. El ácido poliláctico también se conoce como poli(propilenglicol) y pertenece a la familia de los poliésteres. El PLA se obtiene polimerizando ácido láctico como principal materia prima, que es renovable y de buenas fuentes. El proceso de producción de PLA está libre de contaminación. Y el producto es biodegradable y reciclable, lo que lo convierte en un material polimérico ecológico ideal.
Mecanismo de degradación del PLA
El PLA es un típico “plástico verde”. Y es uno de los materiales más valorados en el campo de los materiales biodegradables por su buena biocompatibilidad, completa degradabilidad y bioabsorbibilidad. Y el mecanismo de degradación del PLA se describe a continuación.
El PLA es un poliéster alifático sintético. Y su degradación se puede dividir en degradación hidrolítica simple (catalizada por ácido-base) y degradación hidrolítica catalizada por enzimas. Desde el punto de vista físico, existe una degradación homogénea y no homogénea. La degradación no homogénea significa que la reacción de degradación ocurre en la superficie del polímero, mientras que la degradación homogénea ocurre dentro del polímero. Desde el punto de vista químico, existen tres formas principales de degradación.
En primer lugar, la degradación de la cadena principal a oligómeros y monómeros.
En segundo lugar, la hidrólisis de cadenas laterales para producir polímeros solubles de la cadena principal;
En tercer lugar, escisión de puntos de cadena cruzada para generar macromoléculas lineales solubles. El mecanismo de erosión ontogenética sugiere que el modo principal de degradación del PLA es la erosión ontogenética, y la causa subyacente es la hidrólisis de los enlaces éster en la cadena molecular del PLA. Los grupos carboxilo terminales de los polímeros PLA desempeñan un papel catalítico en su hidrólisis. A medida que avanza la degradación, la cantidad de grupos carboxilo terminales aumenta y la velocidad de degradación se acelera, lo que resulta en autocatálisis.
Debido a que el PLA proviene de recursos renovables, se polimeriza, modifica y procesa para obtener productos. Cuando los productos se desechan, pueden ser completamente absorbidos por el cuerpo humano o degradados por organismos ambientales en dióxido de carbono y agua, beneficiando así a los humanos y regresando a la naturaleza sin contaminación. El proceso de producción de PLA está libre de contaminación. Y los productos son biodegradables y reciclados por naturaleza, por lo que es un material polimérico ecológico ideal. El siguiente diagrama muestra el proceso de reciclaje del PLA en la naturaleza.
3, preparación de ácido poliláctico
Actualmente, la síntesis química de PLA incluye dos métodos: polimerización con apertura de anillo de éster de propilenglicol (también conocida como método de dos pasos) y condensación directa de ácido láctico (también conocida como método de un solo paso). Entre ellos, el método de polimerización con apertura de anillo de propilenglicéridos tiene un equipo simple y puede obtener PLA de gran peso molecular. La desventaja es que el costo es mayor, todo el proceso es complicado y el camino es largo. El método de condensación directa de ácido láctico tiene fuentes suficientes de ácido láctico crudo, barato, alta tasa de conversión de monómero y proceso simple. Y no es necesario pasar por la purificación de intermediarios. Por tanto, el coste es menor; el defecto es que es más difícil obtener un polímero de alto peso molecular.
4, estado de la aplicación
Embalaje, fibra y medicina son áreas populares de aplicaciones del mercado de PLA. En el mercado del embalaje, su consumo representa alrededor de 70% del consumo total de PLA. A medio y largo plazo, la proporción de fibra y textil aumentará hasta 50%, convirtiéndose en el mayor mercado consumidor de PLA. La cantidad de PLA en el campo médico es relativamente pequeña, pero el umbral es más alto y las ganancias son más rentables. En este informe, nos centramos en el uso de PLA en materiales de embalaje.
4.1 Película de ácido poliláctico
Película de ácido poliláctico Se refiere a materias primas provenientes de sustancias renovables, que tienen las funciones y características de los plásticos tradicionales, pero que también pueden degradarse y reducirse en el medio natural por la acción de microorganismos del suelo y del agua, así como por la acción de la luz ultravioleta de la luz solar. . Y eventualmente se convertirán en dióxido de carbono y agua, y volverán a ingresar al entorno ecológico en una forma no tóxica, por eso también se lo conoce como “plástico verde”. Por eso, también se le llama “plástico verde”.
Actualmente, el PLA, los copolímeros de ácido succínico y los plásticos de almidón modificado están disponibles en el mercado. Aún así, no se han utilizado popularmente debido al alto precio (3-8 veces más alto que el plástico general). Se limitan a cuando es difícil de reciclar o el costo de reciclaje es demasiado alto, como clavos para huesos, suturas quirúrgicas, órganos artificiales y materiales farmacéuticos de liberación lenta.
4.2 Película de envasado de ácido poliláctico
En abril de 2004, los dulces de la marca de la granja universitaria estadounidense se envasaron en una película de embalaje de material natural de resina biodegradable de ácido poliláctico (PLA) de Natureworks. La apariencia y el rendimiento de esta película y la película tradicional para empaque de dulces (película de celofán o polipropileno orientado biaxialmente) son los mismos, con transparencia cristalina, excelente retención de torsión, imprimibilidad y resistencia, y una barrera más alta, y pueden retener mejor el sabor de los dulces.
Una empresa alemana que utiliza ácido poliláctico como materia prima desarrolló con éxito un vaso verde para alimentos con una función de descomposición natural rápida para resolver el problema anterior de la degradación de los envases de plástico desechables, abriendo una nueva forma de practicidad. El material degradable desarrollado por la empresa pertenece al polímero poliéster. El ácido láctico se puede extraer del líquido de fermentación de la remolacha azucarera y someterse a una reacción de polimerización con apertura de anillo para producir ácido poliláctico.
En diciembre de 2002, el gobierno japonés presentó el "Esquema de la estrategia de bioingeniería" y otras iniciativas para reemplazar la energía o productos basados en fósiles con materiales biológicos para prevenir el calentamiento global. La mayor conciencia de los consumidores sobre la protección del medio ambiente también ha alentado a las empresas a utilizar plenamente plásticos fabricados con materiales vegetales.
4.3 Vajilla desechable de ácido poliláctico
Si bien la capacidad de producción y el consumo de PLA se están expandiendo, las aplicaciones de PLA están madurando cada vez más. En 2010, el consumo mundial de loncheras desechables (PLA) de bioplástico de PLA fue de aproximadamente 120.000 toneladas (resina pura), con una demanda dominada por Europa occidental y América del Norte, y el consumo en Asia está creciendo. Actualmente, el principal área de consumo de PLA son los materiales de embalaje, que representan alrededor de 651 TP3T del consumo total, seguido por el campo biomédico, que representa alrededor de 261 TP3T del consumo total.
En la actualidad, el material biodegradable PLA se ha utilizado para fabricar todo tipo de vajillas desechables, como tenedores, cuchillos, vasos para bebidas frías, etc.
5. Desventajas del PLA
Mediante el método de policondensación directa del ácido láctico, no se puede sintetizar PLA de mayor peso molecular. Y hay algunos defectos en los materiales PLA, como malas propiedades mecánicas y temperaturas de resistencia al calor muy bajas. También es caro y difícil controlar el tiempo de degradación. Todo esto restringe el rango de aplicación del PLA.
6、Mejora del ácido poliláctico
6.1 Modificación física
6.1.1 Modificación de mezcla
La modificación de la mezcla se refiere a la combinación en estado fundido de dos o más polímeros. Luego, lograr el propósito de modificación mediante la combinación de las propiedades de los componentes poliméricos. La modificación de la mezcla de polímeros es una modificación física que no cambia la estructura de la cadena macromolecular del polímero y conserva las ventajas del polímero original al tiempo que agrega nuevas sustancias. Y cambiar la estructura del estado de agregación, dando así al polímero algunas propiedades nuevas. La modificación de la mezcla puede mejorar las propiedades de los polímeros, reducir costos y producir materiales económicos y versátiles. La mezcla de polímeros es una forma de mejorar la tenacidad de los polímeros.
6.1.2 Modificación del plastificante
Al agregar plastificantes biocompatibles a la matriz de PLA, está claro del estudio de los cambios en la temperatura de transición vítrea, la temperatura de cristalización, el punto de fusión, la cristalinidad, el módulo elástico y el alargamiento a la ruptura del PLA después de la plastificación que la adición de plastificantes aumenta la flexibilidad de Las cadenas macromoleculares de PLA disminuyen la temperatura de transición vítrea de manera muy significativa, disminuyen su módulo elástico y aumentan el alargamiento a la rotura, es decir, la tenacidad aumenta hasta cierto punto. La comparación de sus propiedades elásticas y de deformación muestra que estos plastificantes pueden mejorar la flexibilidad y la resistencia al impacto del PLA.
6.2 Modificación química
6.2.1 Modificación por copolimerización
La modificación por copolimerización del PLA cambia las propiedades del copolímero de PLA ajustando la proporción de ácido láctico y otros monómeros del copolímero. El PLA homopolimerizado es un material hidrófobo y el ciclo de degradación es difícil de controlar. Al copolimerizar con otros monómeros, se puede mejorar la hidrofobicidad y cristalinidad del material. Y la tasa de degradación del polímero se puede controlar según el peso molecular del copolímero, el tipo y la proporción de los monómeros del copolímero, etc.
6.2.2 Modificación de reticulación
La reticulación se refiere al proceso de reacción química entre cadenas de macromoléculas poliméricas, que da como resultado la formación de enlaces químicos. El proceso general de reticulación de PLA consiste en mejorar las propiedades del PLA agregando otros monómeros para reticular con PLA para formar un polímero de red bajo la acción de agentes reticulantes o radiación. El agente reticulante suele ser una sustancia polifuncional, como anhídrido polifuncional o poliisocianato. El método de reticulación y el grado de reticulación variarán según la situación.
6.3 Modificación de compuestos
Otra forma de lograr la modificación de PLA es componer PLA utilizando tecnología de composición. Después de la composición, la mayoría de los compuestos de PLA tienen un excelente rendimiento y características especiales con excelente biocompatibilidad, mejor resistencia mecánica, módulo elástico y termoformabilidad.
Conclusión.
El plástico biodegradable PLA es un material ecológico con un desarrollo de aplicaciones multifacético y una gran perspectiva de desarrollo. Y su importante posición en los materiales biodegradables actuales es insustituible. Como producto biopolímero más importante, el PLA tiene una amplia perspectiva de desarrollo y será el foco de atención en el campo químico en los próximos años. Y se espera que sea competitivo en la construcción de plantas industriales, el mercado de aplicaciones y el desarrollo de la demanda, el precio y el rendimiento.
Fuentes:
