Полимолочная кислота пользуется большим спросом из-за ее биоразлагаемости, превосходных характеристик и широкого применения. В этой статье представлен механизм деградации PLA, включая текущую ситуацию с его применением в качестве разлагаемого пластика, а также методы улучшения и будущие тенденции развития.
Что Полимолочная кислота?
Одна молекула молочной кислоты имеет гидроксильную группу и карбоксильную группу. Когда несколько молекул молочной кислоты собираются вместе, -ОН дегидратируется и конденсируется с -СООН других молекул, а -СООН дегидратируется и конденсируется с -ОН других молекул. Таким образом, они работают рука об руку, образуя полимер под названием полимолочная кислота. Полимолочная кислота также известна как поли(пропиленгликоль) и принадлежит к семейству полиэфиров. PLA получают путем полимеризации молочной кислоты в качестве основного сырья, которое хорошо добывается и возобновляется. Процесс производства PLA не загрязняет окружающую среду. Продукт биоразлагаем и пригоден для вторичной переработки, что делает его идеальным экологически чистым полимерным материалом.
Механизм деградации PLA
PLA – это типичный «зеленый пластик». И это один из самых ценных материалов в области биоразлагаемых материалов благодаря его хорошей биосовместимости, полной разлагаемости и биоабсорбируемости. А механизм деградации PLA описан ниже.
PLA — синтетический алифатический полиэфир. И его деградацию можно разделить на простую гидролитическую (кислотно-основную катализируемую) деградацию и гидролитическую деградацию, катализируемую ферментами. С физической точки зрения существует гомогенная и неоднородная деградация. Неоднородная деградация означает, что реакция деградации происходит на поверхности полимера, а гомогенная деградация происходит внутри полимера. С химической точки зрения существует три основных пути разложения.
Во-первых, разложение основной цепи на олигомеры и мономеры.
Во-вторых, гидролиз боковых цепей с получением растворимых полимеров основной цепи.
В-третьих, точечное расщепление поперечной цепи с образованием растворимых линейных макромолекул. Механизм онтогенетической эрозии предполагает, что основным способом деградации PLA является онтогенетическая эрозия, а основной причиной является гидролиз сложноэфирных связей в молекулярной цепи PLA. Концевые карбоксильные группы полимеров PLA играют каталитическую роль в их гидролизе. По мере разложения количество концевых карбоксильных групп увеличивается, а скорость разложения ускоряется, что приводит к автокатализу.
Поскольку PLA получают из возобновляемых ресурсов, его полимеризуют, модифицируют и перерабатывают в продукты. Когда продукты выбрасываются, они могут полностью усваиваться организмом человека или разлагаться организмами окружающей среды на углекислый газ и воду, принося тем самым пользу людям и возвращаясь в природу без загрязнения. Процесс производства PLA не загрязняет окружающую среду. Продукция биоразлагаема и перерабатывается в природе, поэтому является идеальным экологически чистым полимерным материалом. На диаграмме ниже показан процесс переработки PLA в природе.
3 、 Препарат полимолочной кислоты
В настоящее время химический синтез PLA включает два метода: полимеризацию с раскрытием кольца эфира пропиленгликоля (также известную как двухстадийный метод) и прямую конденсацию молочной кислоты (также известную как одностадийный метод). Среди них метод полимеризации с раскрытием кольца пропиленглицерида имеет простое оборудование и позволяет получить PLA с большой молекулярной массой. Недостаток – стоимость выше, весь процесс сложен, маршрут длинный. Метод прямой конденсации молочной кислоты имеет достаточные источники сырой молочной кислоты, дешев, имеет высокую степень конверсии мономера, простой процесс. И ему не нужно проходить очистку от полупродуктов. Таким образом, стоимость ниже; недостаток в том, что получить высокомолекулярный полимер сложнее.
4、Статус приложения
Упаковка, волокно и медицина являются популярными областями применения на рынке PLA. На рынке упаковки его потребление составляет около 70% от общего потребления PLA. В среднесрочной и долгосрочной перспективе доля волокна и текстиля увеличится до 50%, став крупнейшим потребительским рынком для PLA. Количество PLA в медицинской сфере относительно невелико, но порог выше, а прибыль выгоднее. В этом отчете мы сосредоточимся на использовании PLA в упаковочных материалах.
4.1 Пленка из полимолочной кислоты
Пленка из полимолочной кислоты относится к сырью из возобновляемых веществ, которое имеет функции и характеристики традиционных пластмасс, но также может разлагаться и уменьшаться в естественной среде под действием микроорганизмов в почве и воде, а также под действием ультрафиолета при солнечном свете. . И в конечном итоге они превратятся в углекислый газ и воду и снова попадут в экологическую среду в нетоксичной форме, поэтому его также называют «зеленым пластиком». Поэтому его еще называют «зеленым пластиком».
В настоящее время на рынке доступны PLA, сополимеры янтарной кислоты и пластмассы на основе модифицированного крахмала. Тем не менее, они не получили широкого распространения из-за высокой цены (в 3-8 раз выше, чем обычный пластик). Они ограничены случаями, когда их трудно переработать или стоимость переработки слишком высока, например, костные гвозди, хирургические нити, искусственные органы и фармацевтические материалы с медленным высвобождением.
4.2 Упаковочная пленка из полимолочной кислоты
В апреле 2004 года конфеты торговой марки американских колледжей были упакованы в упаковочную пленку из биоразлагаемой смолы и полимолочной кислоты (PLA) Natureworks из натурального материала. Внешний вид и характеристики этой пленки и традиционной пленки для упаковки конфет (целлофановая или биаксиально-ориентированная полипропиленовая пленка) такие же, с кристальной прозрачностью, превосходным сохранением скручивания, пригодностью для печати и прочностью, а также более высоким барьером и лучше сохраняют вкус конфет.
Немецкая компания, использующая полимолочную кислоту в качестве сырья, успешно разработала зеленую чашку для пищевых продуктов с функцией быстрого естественного разложения, чтобы решить предыдущую проблему разложения одноразовой пластиковой упаковки, открыв новый путь практичности. Разработанный компанией разлагаемый материал относится к полиэфирному полимеру. Молочная кислота может быть извлечена из жидкости ферментации сахарной свеклы и подвергнута реакции полимеризации с раскрытием цикла для получения полимолочной кислоты.
В декабре 2002 г. японское правительство представило «Набросок биоинженерной стратегии» и другие инициативы по замене энергии или продуктов на основе ископаемого топлива биологическими материалами для предотвращения глобального потепления. Повышение осведомленности потребителей о защите окружающей среды также побудило компании полностью использовать пластмассы, изготовленные из растительных материалов.
4.3 Одноразовая посуда из полимолочной кислоты
В то время как производственные мощности и потребление PLA растут, области применения PLA становятся все более зрелыми. Мировое потребление PLA одноразовых ланч-боксов из биопластика PLA (PLA) в 2010 году составило около 120 000 тонн (чистая смола), при этом спрос доминирует в Западной Европе и Северной Америке, а потребление в Азии растет. В настоящее время основной областью потребления PLA являются упаковочные материалы, на которые приходится около 65% от общего потребления, за которым следует биомедицинская сфера, на которую приходится около 26% от общего потребления.
В настоящее время биоразлагаемый материал PLA используется для изготовления всех видов одноразовой посуды, таких как биоразлагаемые вилки, ножи, чашки для холодных напитков и так далее.
5. Недостатки PLA
Методом прямой поликонденсации молочной кислоты синтезировать PLA с более высокой молекулярной массой невозможно. И у материалов PLA есть некоторые дефекты, такие как плохие механические свойства, очень низкая температура термостойкости. Кроме того, это дорого и трудно контролировать время разложения. Все это ограничивает область применения PLA.
6、Улучшение полимолочной кислоты
6.1 Физическая модификация
6.1.1 Модификация смешения
Модификация смешивания относится к смешиванию в расплаве двух или более полимеров вместе. Затем для достижения цели модификации путем компаундирования свойств полимерных компонентов. Модификация полимерной смеси – это физическая модификация, не изменяющая структуру макромолекулярной цепи полимера, сохраняющая преимущества исходного полимера при добавлении новых веществ. И изменить структуру агрегатного состояния, придав тем самым полимеру новые свойства. Модификация смешивания может улучшить свойства полимеров, снизить затраты и создать недорогие и универсальные материалы. Смешивание полимеров - один из способов улучшить ударную вязкость полимеров.
6.1.2 Модификация пластификатора
При добавлении в матрицу ПЛА биосовместимых пластификаторов из изучения изменений температуры стеклования, температуры кристаллизации, температуры плавления, кристалличности, модуля упругости и удлинения при разрыве ПЛА после пластификации становится ясно, что добавление пластификаторов увеличивает гибкость ПЛА. Макромолекулярные цепи PLA очень значительно снижают температуру стеклования, уменьшают его модуль упругости и увеличивают удлинение при разрыве, т. е. в некоторой степени повышается ударная вязкость. Сравнение его деформационных и эластичных свойств показывает, что эти пластификаторы могут улучшить гибкость и ударопрочность PLA.
6.2 Химическая модификация
6.2.1 Сополимеризационная модификация
Сополимеризационная модификация PLA изменяет свойства сополимера PLA путем регулирования соотношения молочной кислоты и других мономеров сополимера. Гомополимеризованный PLA является гидрофобным материалом, и цикл его разложения трудно контролировать. Сополимеризацией с другими мономерами можно улучшить гидрофобность и кристалличность материала. Скорость разложения полимера можно контролировать в зависимости от молекулярной массы сополимера, типа и соотношения мономеров сополимера и т. д.
6.2.2 Модификация сшивания
Сшивание относится к процессу химической реакции между цепями макромолекул полимера, в результате которого образуются химические связи. Общий процесс сшивания PLA заключается в улучшении свойств PLA путем добавления других мономеров для сшивания PLA с образованием сетчатого полимера под действием сшивающих агентов или радиации. Сшивающий агент обычно представляет собой полифункциональное вещество, такое как полифункциональный ангидрид или полиизоцианат. Метод перекрестных связей и степень перекрестных связей будут варьироваться в зависимости от ситуации.
6.3 Составная модификация
Другой способ добиться модификации PLA — это компаундирование PLA с использованием технологии компаундирования. После компаундирования большинство PLA-композитов обладают отличными характеристиками и особыми характеристиками, а также отличной биосовместимостью, лучшей механической прочностью, модулем упругости и способностью к термоформованию.
Заключение.
Биоразлагаемый пластик PLA — это экологически чистый материал, имеющий многогранное применение и большие перспективы развития. И его важное место в современных биоразлагаемых материалах незаменимо. Как наиболее важный биополимерный продукт, PLA имеет широкие перспективы развития и в ближайшие годы будет в центре внимания химической отрасли. Ожидается, что он будет конкурентоспособным в строительстве промышленных предприятий, на рынке приложений и в развитии спроса, цене и производительности.
Источники:
