L'acide polylactique est très apprécié en raison de sa biodégradabilité, de ses excellentes performances et de sa large application. Cet article présente le mécanisme de dégradation du PLA, y compris la situation actuelle de son application en tant que plastique dégradable, ainsi que les méthodes d'amélioration et les tendances de développement futures.
Quel est le L'acide polylactique?
Une seule molécule d’acide lactique possède un groupe hydroxyle et un groupe carboxyle. Lorsque plusieurs molécules d'acide lactique se réunissent, le -OH est déshydraté et condensé avec le -COOH d'autres molécules, et le -COOH est déshydraté et condensé avec le -OH d'autres molécules. Et ainsi, ils travaillent main dans la main pour former un polymère appelé acide polylactique. L'acide polylactique est également connu sous le nom de polypropylène (propylène glycol) et appartient à la famille des polyesters. Le PLA est obtenu en polymérisant de l'acide lactique comme matière première principale, qui est bien sourcée et renouvelable. Le processus de production du PLA est sans pollution. Et le produit est biodégradable et recyclable, ce qui en fait un matériau polymère vert idéal.
Mécanisme de dégradation du PLA
Le PLA est un « plastique vert » typique. Et c'est l'un des matériaux les plus appréciés dans le domaine des matériaux biodégradables en raison de sa bonne biocompatibilité, de sa dégradabilité complète et de sa bio-absorbabilité. Et le mécanisme de dégradation du PLA est décrit ci-dessous.
Le PLA est un polyester aliphatique synthétique. Et sa dégradation peut être divisée en une simple dégradation hydrolytique (catalysée par un acide-base) et une dégradation hydrolytique catalysée par une enzyme. Du point de vue physique, il existe une dégradation homogène et non homogène. Une dégradation non homogène signifie que la réaction de dégradation se produit à la surface du polymère, tandis qu'une dégradation homogène se produit à l'intérieur du polymère. Du point de vue chimique, il existe trois principales voies de dégradation.
Premièrement, la dégradation de la chaîne principale en oligomères et monomères.
Deuxièmement, l'hydrolyse des chaînes latérales pour produire des polymères solubles de la chaîne principale ;
Troisièmement, clivage des points de chaîne croisée pour générer des macromolécules linéaires solubles. Le mécanisme d'érosion ontogène suggère que le principal mode de dégradation du PLA est l'érosion ontogénétique et que la cause sous-jacente est l'hydrolyse des liaisons ester dans la chaîne moléculaire du PLA. Les groupes carboxyles terminaux des polymères PLA jouent un rôle catalytique dans leur hydrolyse. À mesure que la dégradation progresse, la quantité de groupes carboxyles terminaux augmente et le taux de dégradation s'accélère, entraînant une autocatalyse.
Parce que le PLA provient de ressources renouvelables, il est polymérisé, modifié et transformé en produits. Lorsque les produits sont jetés, ils peuvent être complètement absorbés par le corps humain ou dégradés par les organismes environnementaux en dioxyde de carbone et en eau, bénéficiant ainsi aux humains et retournant à la nature sans pollution. Le processus de production du PLA est sans pollution. Et les produits sont biodégradables et recyclés dans la nature, c'est donc un matériau polymère vert idéal. Le schéma ci-dessous montre le processus de recyclage du PLA dans la nature.
3、Préparation d'acide polylactique
Actuellement, la synthèse chimique du PLA comprend deux méthodes : la polymérisation par ouverture de cycle de l'ester de propylène glycol (également connue sous le nom de méthode en deux étapes) et la condensation directe de l'acide lactique (également connue sous le nom de méthode en une étape). Parmi eux, la méthode de polymérisation par ouverture de cycle du propylèneglycéride dispose d'un équipement simple et peut obtenir du PLA de grand poids moléculaire. L’inconvénient est que le coût est plus élevé, que l’ensemble du processus est compliqué et que le parcours est long. La méthode de condensation directe de l'acide lactique dispose de sources suffisantes d'acide lactique brut, d'un taux de conversion de monomères bon marché et élevé, d'un processus simple. Et cela n’a pas besoin de passer par la purification des intermédiaires. Le coût est donc inférieur ; le défaut est qu'il est plus difficile d'obtenir un polymère de haut poids moléculaire.
4、Statut de la demande
L'emballage, la fibre et le secteur médical sont les domaines d'application populaires du marché du PLA. Sur le marché de l'emballage, sa consommation représente environ 70% de la consommation totale de PLA. À moyen et long terme, la proportion de fibres et de textiles augmentera jusqu'à 50%, devenant ainsi le plus grand marché de consommation du PLA. La quantité de PLA dans le domaine médical est relativement faible, mais le seuil est plus élevé et le profit est plus rentable. Dans ce rapport, nous nous concentrons sur l'utilisation du PLA dans les matériaux d'emballage.
4.1 Film d'acide polylactique
Film d'acide polylactique fait référence à des matières premières issues de substances renouvelables, qui ont les fonctions et les caractéristiques des plastiques traditionnels, mais peuvent également être dégradées et réduites dans l'environnement naturel par l'action de micro-organismes présents dans le sol et l'eau, ainsi que par l'action de la lumière ultraviolette du soleil. . Et ils finiront par se transformer en dioxyde de carbone et en eau, et réintégrer l’environnement écologique sous une forme non toxique, c’est pourquoi on l’appelle également « plastique vert ». C’est pourquoi on l’appelle aussi « plastique vert ».
Actuellement, le PLA, les copolymères d'acide succinique et les plastiques à base d'amidon modifié sont disponibles sur le marché. Pourtant, ils n'ont pas été couramment utilisés en raison de leur prix élevé (3 à 8 fois plus élevé que le plastique général). Ils sont limités aux cas où il est difficile de recycler ou dont le coût de recyclage est trop élevé, comme les clous osseux, les sutures chirurgicales, les organes artificiels et les matériaux pharmaceutiques à libération lente.
4.2 Film d'emballage en acide polylactique
En avril 2004, les bonbons de marque américaine College Farm ont été emballés dans un film d'emballage en matériau naturel Natureworks à base de résine biodégradable et d'acide polylactique (PLA). L'apparence et les performances de ce film et le film d'emballage de bonbons traditionnel (cellophane ou film de polypropylène à orientation biaxiale) sont les mêmes, avec une transparence cristalline, une excellente rétention de torsion, une excellente imprimabilité et résistance, ainsi qu'une barrière plus élevée, et peuvent mieux conserver la saveur des bonbons.
Une entreprise allemande utilisant de l'acide polylactique comme matière première a développé avec succès un gobelet alimentaire vert avec une fonction de décomposition naturelle rapide pour résoudre le problème précédent de la dégradation des emballages en plastique jetables, ouvrant ainsi une nouvelle voie pratique. Le matériau dégradable développé par la société appartient au polymère polyester. L'acide lactique peut être extrait du liquide de fermentation de la betterave à sucre et subir une réaction de polymérisation par ouverture de cycle pour produire de l'acide polylactique.
En décembre 2002, le gouvernement japonais a introduit le "Bioengineering Strategy Outline" et d'autres initiatives visant à remplacer l'énergie ou les produits fossiles par des matériaux biologiques pour prévenir le réchauffement climatique. La sensibilisation accrue des consommateurs à la protection de l'environnement a également encouragé les entreprises à utiliser pleinement les plastiques fabriqués à partir de matières végétales.
4.3 Vaisselle jetable en acide polylactique
Alors que la capacité de production et la consommation de PLA augmentent, les applications du PLA mûrissent de plus en plus. En 2010, la consommation mondiale de boîtes à lunch jetables en bioplastique PLA (PLA) était d'environ 120 000 tonnes (résine pure), avec une demande dominée par l'Europe occidentale et l'Amérique du Nord, et la consommation en Asie est en croissance. Actuellement, le principal domaine de consommation du PLA est celui des matériaux d'emballage, qui représentent environ 65% de la consommation totale, suivi du domaine biomédical, qui représente environ 26% de la consommation totale.
À l'heure actuelle, le matériau biodégradable PLA a été utilisé pour fabriquer toutes sortes de vaisselle jetable, telle que la fourchette biodégradable, le couteau, le gobelet pour boisson froide, etc.
5. Inconvénients du PLA
Par la méthode de polycondensation directe de l’acide lactique, le PLA de poids moléculaire plus élevé ne peut pas être synthétisé. Et il existe certains défauts dans les matériaux PLA, tels que de mauvaises propriétés mécaniques et une très faible température de résistance à la chaleur. De plus, il est coûteux et difficile de contrôler le temps de dégradation. Tout cela limite la gamme d’applications du PLA.
6、Amélioration de l'acide polylactique
6.1 Modification physique
6.1.1 Modification du mélange
La modification de mélange fait référence au mélange à l'état fondu de deux ou plusieurs polymères ensemble. Ensuite, pour atteindre l’objectif de modification grâce à la combinaison des propriétés des composants polymères. La modification du mélange de polymères est une modification physique qui ne modifie pas la structure de la chaîne macromoléculaire du polymère et conserve les avantages du polymère d'origine tout en ajoutant de nouvelles substances. Et changer la structure de l'état d'agrégation, conférant ainsi au polymère de nouvelles propriétés. La modification du mélange peut améliorer les propriétés des polymères, réduire les coûts et produire des matériaux peu coûteux et polyvalents. Le mélange de polymères est un moyen d'améliorer la ténacité des polymères.
6.1.2 Modification du plastifiant
En ajoutant des plastifiants biocompatibles à la matrice PLA, il ressort de l'étude des changements de température de transition vitreuse, de température de cristallisation, de point de fusion, de cristallinité, de module d'élasticité et d'allongement à la rupture du PLA après plastification que l'ajout de plastifiants augmente la flexibilité de Chaînes macromoléculaires PLA, diminue la température de transition vitreuse de manière très significative, diminue son module d'élasticité et augmente l'allongement à la rupture, c'est-à-dire que la ténacité augmente dans une certaine mesure. La comparaison de ses propriétés de déformation et d'élasticité montre que ces plastifiants peuvent améliorer la flexibilité et la résistance aux chocs du PLA.
6.2 Modification chimique
6.2.1 Modification de la copolymérisation
La modification par copolymérisation du PLA modifie les propriétés du copolymère PLA en ajustant le rapport entre l'acide lactique et les autres monomères copolymères. Le PLA homopolymérisé est un matériau hydrophobe et son cycle de dégradation est difficile à contrôler. En copolymérisant avec d'autres monomères, l'hydrophobie et la cristallinité du matériau peuvent être améliorées. Et le taux de dégradation du polymère peut être contrôlé en fonction du poids moléculaire du copolymère, du type et du rapport des monomères du copolymère, etc.
6.2.2 Modification de la réticulation
La réticulation fait référence au processus de réaction chimique entre les chaînes de macromolécules polymères, entraînant la formation de liaisons chimiques. Le processus général de réticulation du PLA consiste à améliorer les propriétés du PLA en ajoutant d'autres monomères à réticuler avec le PLA pour former un polymère réseau sous l'action d'agents de réticulation ou de rayonnement. L'agent de réticulation est généralement une substance polyfonctionnelle, telle qu'un anhydride ou un polyisocyanate polyfonctionnel. La méthode de réticulation et le degré de réticulation varient en fonction de la situation.
6.3 Modification du composé
Une autre façon de réaliser la modification du PLA consiste à composer le PLA en utilisant la technologie de composition. Après mélange, la plupart des composites PLA ont d'excellentes performances et des caractéristiques spéciales avec une excellente biocompatibilité, une meilleure résistance mécanique, un module élastique et une thermoformabilité.
Conclusion.
Le PLA plastique biodégradable est un matériau vert avec un développement d'applications à multiples facettes et de grandes perspectives de développement. Et sa place importante dans les matériaux biodégradables d'aujourd'hui est irremplaçable. En tant que produit biopolymère le plus important, le PLA a de larges perspectives de développement et sera au centre de l'attention dans le domaine chimique dans les années à venir. Et on s'attend à ce qu'il soit compétitif dans la construction d'installations industrielles, le marché des applications et le développement de la demande, les prix et les performances.
Sources:
