O ácido polilático é altamente favorecido devido à sua biodegradabilidade, excelente desempenho e ampla aplicação. Este artigo apresenta o mecanismo de degradação do PLA, incluindo a situação atual de sua aplicação como plástico degradável, bem como os métodos de melhoria e a tendência futura de desenvolvimento.
O que é ácido poliláctico?
Uma única molécula de ácido láctico possui um grupo hidroxila e um grupo carboxila. Quando múltiplas moléculas de ácido láctico se juntam, o -OH é desidratado e condensado com o -COOH de outras moléculas, e o -COOH é desidratado e condensado com o -OH de outras moléculas. E dessa forma, eles trabalham lado a lado para formar um polímero chamado ácido polilático. O ácido polilático também é conhecido como poli(propilenoglicol) e pertence à família do poliéster. O PLA é obtido pela polimerização do ácido láctico como principal matéria-prima, de boa origem e renovável. O processo de produção do PLA é livre de poluição. E o produto é biodegradável e reciclável, o que o torna um polímero verde ideal.
Mecanismo de degradação do PLA
PLA é um típico “plástico verde”. E é um dos materiais mais valorizados na área de materiais biodegradáveis devido à sua boa biocompatibilidade, degradabilidade completa e bioabsorvibilidade. E o mecanismo de degradação do PLA é descrito abaixo.
PLA é um poliéster alifático sintético. E sua degradação pode ser dividida em degradação hidrolítica simples (catalisada por ácido-base) e degradação hidrolítica catalisada por enzimas. Do ponto de vista físico, existe degradação homogênea e não homogênea. Degradação não homogênea significa que a reação de degradação ocorre na superfície do polímero, enquanto a degradação homogênea ocorre dentro do polímero. Do ponto de vista químico, existem três formas principais de degradação.
Em primeiro lugar, degradação da cadeia principal em oligómeros e monómeros.
Em segundo lugar, hidrólise de cadeias laterais para produzir polímeros solúveis de cadeia principal;,.
Em terceiro lugar, clivagem de pontos de cadeia cruzada para gerar macromoléculas lineares solúveis. O mecanismo de erosão ontogenética sugere que o principal modo de degradação do PLA é a erosão ontogenética, e a causa subjacente é a hidrólise das ligações éster na cadeia molecular do PLA. Os grupos carboxila finais dos polímeros PLA desempenham um papel catalítico na sua hidrólise. À medida que a degradação prossegue, a quantidade de grupos carboxila finais aumenta e a taxa de degradação acelera, resultando em autocatálise.
Como o PLA provém de recursos renováveis, é polimerizado, modificado e processado em produtos. Quando os produtos são descartados, podem ser totalmente absorvidos pelo corpo humano ou degradados pelos organismos ambientais em dióxido de carbono e água, beneficiando assim o homem e retornando à natureza sem poluição. O processo de produção do PLA é livre de poluição. E os produtos são biodegradáveis e reciclados na natureza, por isso é um material polimérico verde ideal. O diagrama abaixo mostra o processo de reciclagem do PLA na natureza.
3、Preparação de ácido polilático
Atualmente, a síntese química do PLA inclui dois métodos: polimerização por abertura de anel de éster de propilenoglicol (também conhecido como método de duas etapas) e condensação direta de ácido láctico (também conhecido como método de uma etapa). Dentre eles, o método de polimerização por abertura de anel de propilenoglicerídeo possui equipamentos simples e pode obter PLA de grande peso molecular. A desvantagem é que o custo é mais alto, todo o processo é complicado e o percurso é longo. O método de condensação direta de ácido láctico possui fontes suficientes de ácido láctico bruto, barato, alta taxa de conversão de monômero e processo simples. E não precisa passar pela purificação de intermediários. Assim o custo é menor; o defeito é que é mais difícil obter polímero de alto peso molecular.
4、Status do aplicativo
Embalagem, fibra e medicina são as áreas populares de aplicações do mercado de PLA. No mercado de embalagens, o seu consumo representa cerca de 70% do consumo total de PLA. A médio e longo prazo, a proporção de fibras e têxteis aumentará para 50%, tornando-se o maior mercado consumidor de PLA. A quantidade de PLA na área médica é relativamente pequena, mas o limite é maior e o lucro é mais lucrativo. Neste relatório, focamos no uso de PLA em materiais de embalagem.
4.1 Filme de Ácido Poliláctico
Filme de Ácido Poliláctico refere-se a matérias-primas provenientes de substâncias renováveis, que possuem funções e características dos plásticos tradicionais, mas também podem ser degradadas e reduzidas no ambiente natural pela ação de microrganismos no solo e na água, bem como pela ação da luz ultravioleta na luz solar . E acabarão por se transformar em dióxido de carbono e água, e reentrar no ambiente ecológico numa forma não tóxica, por isso também são conhecidos como “plástico verde”. Por isso, também é chamado de “plástico verde”.
Atualmente, PLA, copolímeros de ácido succínico e plásticos de amido modificado estão disponíveis no mercado. Ainda assim, eles não têm sido usados popularmente por causa do alto preço (3-8 vezes maior que o plástico em geral). Eles são limitados a quando é difícil reciclar ou o custo da reciclagem é muito alto, como pregos de osso, suturas cirúrgicas, órgãos artificiais e materiais farmacêuticos de liberação lenta.
4.2 Filme de embalagem de ácido polilático
Em abril de 2004, os doces da marca College Farm dos EUA foram embalados em um filme de embalagem de material natural de resina biodegradável de ácido polilático (PLA) Natureworks. A aparência e o desempenho deste filme e do filme tradicional para embalagens de doces (celofane ou filme de polipropileno orientado biaxialmente) são iguais, com transparência cristalina, excelente retenção de torção, capacidade de impressão e resistência, e uma barreira mais alta, podendo reter melhor o sabor dos doces.
Uma empresa alemã que utiliza o ácido poliláctico como matéria-prima desenvolveu com sucesso um copo de comida verde com uma função de rápida decomposição natural para resolver o problema anterior de degradação de embalagens plásticas descartáveis, abrindo uma nova forma de praticidade. O material degradável desenvolvido pela empresa pertence ao polímero poliéster. O ácido lático pode ser extraído do líquido de fermentação da beterraba açucareira e passar por uma reação de polimerização de abertura de anel para produzir ácido polilático.
Em dezembro de 2002, o governo japonês apresentou o “Bioengineering Strategy Outline” e outras iniciativas para substituir a energia ou produtos de origem fóssil por materiais biológicos para evitar o aquecimento global. O aumento da conscientização do consumidor sobre a proteção ambiental também incentivou as empresas a usar totalmente plásticos feitos de materiais vegetais.
4.3 Talheres descartáveis de ácido poliláctico
Enquanto a capacidade de produção e o consumo de PLA estão em expansão, as aplicações de PLA estão cada vez mais maduras. Em 2010, o consumo global de PLA de lancheiras descartáveis de bioplástico PLA (PLA) foi de cerca de 120.000 toneladas (resina pura), com a demanda dominada pela Europa Ocidental e pela América do Norte, e o consumo na Ásia está crescendo. Atualmente, a principal área de consumo de PLA são os materiais de embalagem, representando cerca de 65% do consumo total, seguida pela área biomédica, responsável por cerca de 26% do consumo total.
Atualmente, o material biodegradável PLA tem sido utilizado para fazer todos os tipos de talheres descartáveis, como garfo biodegradável, faca, copo para bebida gelada e assim por diante.
5. Desvantagens do PLA
Pelo método de policondensação direta do ácido láctico, o PLA de maior peso molecular não pode ser sintetizado. E existem alguns defeitos nos materiais PLA, como propriedades mecânicas deficientes e temperatura de resistência ao calor muito baixa. Também é caro e difícil controlar o tempo de degradação. Tudo isso restringe a faixa de aplicação do PLA.
6、Melhoria do Ácido Poliláctico
6.1 Modificação física
6.1.1 Modificação da mistura
A modificação da mistura refere-se à mistura por fusão de dois ou mais polímeros. Em seguida, para atingir o objetivo de modificação através da combinação das propriedades dos componentes do polímero. A modificação da mistura de polímeros é uma modificação física, não alterando a estrutura da cadeia macromolecular do polímero, mantendo as vantagens do polímero original ao adicionar novas substâncias. E alterando a estrutura do estado de agregação, conferindo ao polímero algumas novas propriedades. A modificação da mistura pode melhorar as propriedades do polímero, reduzir custos e produzir materiais baratos e versáteis. A mistura de polímeros é uma forma de melhorar a tenacidade dos polímeros.
6.1.2 Modificação do Plastificante
Ao adicionar plastificantes biocompatíveis à matriz do PLA, fica claro, a partir do estudo das mudanças na temperatura de transição vítrea, temperatura de cristalização, ponto de fusão, cristalinidade, módulo de elasticidade e alongamento na quebra do PLA após a plastificação, que a adição de plastificantes aumenta a flexibilidade do As cadeias macromoleculares do PLA diminuem significativamente a temperatura de transição vítrea, diminuem seu módulo de elasticidade e aumentam o alongamento na ruptura, ou seja, a tenacidade aumenta até certo ponto. A comparação de suas propriedades elásticas e de deformação mostra que esses plastificantes podem melhorar a flexibilidade e a resistência ao impacto do PLA.
6.2 Modificação química
6.2.1 Modificação da copolimerização
A modificação da copolimerização do PLA altera as propriedades do copolímero de PLA ajustando a proporção de ácido láctico e outros monômeros de copolímero. O PLA homopolimerizado é um material hidrofóbico e o ciclo de degradação é difícil de controlar. Através da copolimerização com outros monómeros, a hidrofobicidade e a cristalinidade do material podem ser melhoradas. E a taxa de degradação do polímero pode ser controlada de acordo com o peso molecular do copolímero, o tipo e a proporção dos monômeros do copolímero, etc.
6.2.2 Modificação de reticulação
A reticulação refere-se ao processo de reação química entre cadeias de macromoléculas poliméricas, resultando na formação de ligações químicas. O processo geral de reticulação do PLA consiste em melhorar as propriedades do PLA adicionando outros monômeros para reticulação com o PLA para formar um polímero de rede sob a ação de agentes de reticulação ou radiação. O agente de reticulação é geralmente uma substância polifuncional, tal como anidrido polifuncional ou poliisocianato. O método de reticulação e o grau de reticulação variarão dependendo da situação.
6.3 Modificação do composto
Outra maneira de conseguir a modificação do PLA é compor o PLA usando a tecnologia de composição. Após a composição, a maioria dos compósitos de PLA apresenta excelente desempenho e características especiais com excelente biocompatibilidade, melhor resistência mecânica, módulo de elasticidade e termoformabilidade.
Conclusão.
O plástico biodegradável PLA é um material verde com desenvolvimento de aplicações multifacetadas e grande perspectiva de desenvolvimento. E a sua posição importante nos materiais biodegradáveis de hoje é insubstituível. Sendo o produto biopolímero mais importante, o PLA tem amplas perspectivas de desenvolvimento e será foco de atenção na área química nos próximos anos. E espera-se que seja competitivo na construção de plantas industriais, mercado de aplicações e desenvolvimento de demanda, preço e desempenho.
Origens:
