生物降解高分子材料聚乳酸性能以及应用

答辩人：赵进指导老师：王磊

生物降解高分子材料聚乳酸的合成及应用

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目录第一章生物降解高分子材料概述01第二章可降解材料聚乳酸纤维的合成02第三章生物降解高分子材料聚乳酸性能以及应用03Page

4第一章生物降解高分子材料概述

塑料是应用最广泛的高分子材料，按体积计算已居世界首位,由于其难以降解,随着用量的与日俱增,废弃塑料所造成的白色污染已成为世界性的公害。意大利、德国、美国等国家已率先以法律形式,规定了必须使用降解性塑料的塑料产品范围；我国目前的塑料生产和使用已跃居世界前列，每年产生几百万吨不可降解的废旧物,严重污染着环境和危害着我们的健康。可见开发可降解高分子材料、寻找新的环境友好高分子材料来代替塑料已是当务之急。

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一、生物降解高分子材料的定义

理想的生物降解高分子材料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解、最终被无机化而成为自然界中碳元素循环的一个组成部分的高分子材料。Page

61、生物降解高分子材料降解机理根据高分子的性质和所处的环境条件，高分子生物降解有两种不同的机理。第一种是生物或非生物水解而后发生生物同化吸收，称为水解-生物降解。这是杂链高分子如纤维素、淀粉及脂肪族聚酯生物降解的主要过程。通常过氧化反应对这类高分子降解发挥辅助作用，光氧化反应可加速水解-生物降解。水解-生物降解高分子适用于生物医用材料、化妆品及个人卫生用品的处理而不适用于农用薄膜或包装薄膜的降解。第二种机理是过氧化反应而后伴随小分子产物的生物同化吸收，称为氧化-生物降解。这种机理尤其适用于碳链高分子。非生物过氧化反应及随后的生物降解反应可通过所用的合适抗氧剂得到严格控制。二、生物降解高分子材料降解机理及影响因素Page

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2、生物降解高分子材料降解影响因素

影响高分子材料降解的主要因素有：（1）化学键的稳定性：单体的组成、结构和化学性质；（2）物理性质：如亲水性、结晶度，可以通过单体的化学组成和加工条件控制；（3）聚合物的分子量；（4）聚合物器件的几何因素：如大小、形状、表面积；（5）添加剂及环境因素：如PH条件、离子强度；Page

8三、生物降解高分子材料发展的背景

塑料工业发展的环保瓶颈:混入生活垃圾中的废旧塑料很难处理、填埋处理将会长期占用土地、混有塑料的生活垃圾不适用于堆肥处理、废旧塑料分拣回收难度很大；废旧塑料混在土壤中，影响农作物吸收养料和水分，将导致农作物减产。在自然条件下，合成塑料的降解需要数百甚至上千年。目前，绝大多数塑料的原料来自于石油及其副产品。石油的开采使用虽然成就了今日的社会文明，但也带来人类的环境灾难，大量的CO2造成温室效应、全球变暖、气候变迁、环境污染。在这种大背景下，开发使用环境友好型的生物降解塑料正日益成为整个社会的共识！目前聚乳酸（PLA）在生物降解塑料市场中占据最重要地位，是唯一可以与传统塑料竞争的生物降解塑料品种。Page

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第二章可降解材料聚乳酸纤维的合成

聚乳酸具有优良的生物相容性、生物可降解性，最终的降解产物是二氧化碳和水，不会对环境造成污染。这使之在以环境和发展为主题的今天越来越受到人们的重视，并对其在工农业领域、生物医药领域、食品包装领域的应用展开了广泛的研究。Page

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一、聚乳酸纤维的定义

聚乳酸纤维（PLA）的生产原料乳酸是从玉米淀粉中制得，所以也将这种纤维称为玉米纤维。是生物体(包括人体)中常见的天然化合物。通过乳酸环化二聚物的化学聚合或乳酸的直接聚合可以得到高分子量的聚乳酸。以聚乳酸为原料得到的制品，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及很好的生物降解性，并且在可降解热塑性高分子材料中PLA具有最好的抗热性。其结构式如图2—1。Page

11二、原料的生产聚乳酸的原料是乳酸，即1-羟基丙酸、2-羟基丙酸。由于乳酸分子中有一个不对称碳原子，所以具有d-型（右旋光）和L-型（左旋光）两种对映体，等量的L-乳酸和d-乳酸混合而成的dL-乳酸不具旋光性。成纤聚乳酸以L-乳酸为单体。L-乳酸的工业化生产主要有微生物发酵法和化学合成法两大类。中国发酵乳酸工业主要采用玉米、大米、薯干粉等为原料，以谷糠、麦皮等为辅料，以α-淀粉酶、糖化酶为液化剂、糖化剂，CaCO3为中和剂，经发酵生产乳酸钙，再进一步酸化纯化得到乳酸产品。Page

12三、聚乳酸纤维的制备乳酸的制备

乳酸可由含淀粉类谷物(例如玉米、土豆、甘蔗下脚、甜菜下脚)经水解生成葡萄糖、麦芽糖等糖类，再经特殊酵母菌发酵方法制成。聚乳酸的制备

PLA的制备方法主要有直接聚合法(简称一步法)、丙交酯开环聚合法(简称两步法)。另外，采用两步法可先去除乳酸中的水份，制得丙交酯的环状中间体聚合物，然后经真空蒸馏，即可制得分子量范围较宽的PLA聚合物。PLA纤维的制备PLA与PET、PA等聚合物一样,可通过干法纺丝或熔体纺丝来制备PLA纤维。在PLA纺丝过程中，通常要求PLA聚合物原料的平均分子量为33万，最好采用左旋聚乳酸(PLLA)，作为纺丝原料。Page

13第三章生物降解高分子材料聚乳酸性能以及应用一、聚乳酸纤维的性能物理性能

聚乳酸纤维结构规整，具有较高的结晶度（约为83.5％）、较高的拉伸温度和较好的柔软性，具有较好的物理机械性能，与聚酯和聚酰胺纤维比较，PLA纤维具有更好的手感和悬垂性，密度小，抗紫外线好，可燃性差、发烟量小，有较好的卷曲性和保形性。生物降解性聚乳酸纤维具有优良的生物降解性，其主要原因是聚合物上酯键的分解，一般认为，其末端的羧基对其水解起到催化作用，降解过程从无定形区开始。聚乳酸的分解有两个阶段：经水解反应分解之后再靠微生物分解。在自然环境中首先发生水解，然后，微生物进入组织物内，将其分解成二氧化碳和水。Page

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亲水性

由于水分子极易与聚乳酸纤维大分子上的极性氧基团结合，所以聚乳酸纤维比大多数热性聚合物具有更好的亲水性。因而，聚乳酸纤维及其织物的吸湿能力、对湿气的传导能力都比其他合成纤维强，虽然聚乳酸纤维的吸湿能力比不上棉纤维，但是可以在很多情况下代替聚酯纤维和锦纶，使得织物获得较好的透湿气性能，因而，聚乳酸纤维适合做运动服和其他传统服装面料。稳定性最终产品在应用过程中的稳定性也是必须要关注的的性能。聚乳酸纤维产品在生物降解前必须经过高温高湿条件下的水解过程，因此在使用过程中都有较好的稳定性，而不像其他生物降解材料那样在一接触到微生物时就发生降解。Page

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安全性纯净的聚乳酸几乎没有毒性，它在人体中慢慢分解成乳酸，而人体内原本就有乳酸，并且乳酸可以被人体分解吸收，作为碳素元被充分利用。聚乳酸类材料使用后，可以进行自然降解、堆肥和燃烧处理。聚乳酸的自然降解不会给环境带来污染。因此，聚乳酸纤维也被确认为对人体绝对安全的材料，用它制成的织物不刺激皮肤。Page

16二、生物降解高分子材料聚乳酸的应用

生活领域的应用聚乳酸由于它的无毒性和良好的机械性能,适合加工成各种饮料、食品、高档化妆品等的外包装材料以及被压制成透明的纤维、容器、镜片等；可与其他天然纤维混纺,其纤维织物透气性好,抗皱性强。工农业生产领域的应用聚乳酸材料具有很好的韧性,适合加工成高附加值的农用地膜；也可以应用于农林业中作播种织物、薄膜、防草袋、防虫防兽害盖布等；还可用作土壤、沙漠绿化保水材料、农药化肥缓释材料等。Page

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服装领域的应用在服装方面，可作成纱、编织物、非织造布等，具有可染性和生物相容性，制成的织物有丝般的光泽和手感，有优异的悬垂性和很好的滑爽性，不刺激皮肤，对人体健康，穿着舒适，尤其适合于内衣和运动衣。生物医学领域的应用聚乳酸是一种可生物降解的高分子材料,因具备良好的生物相容性、生物降解性、无毒等特点,而被广泛用作药物控制释放材料、手术缝合线、骨修复材料等。Page

18总结与展望优势：

聚乳酸是惟一一种可以熔融加工的以天然材料为基础的聚合物，聚乳酸纤维，其性能与合成纤维相比不相上下，甚至在某些情况下更为优异。以淀粉为原料，可持续供应，价格较低，不受国际原油价格影响，有利于缓解能源问题。原料来自可再生的植物资源，所有富含淀粉的农作物都能生成聚乳酸，不消耗不可再生的矿物资源，也不增加二氧化碳的排放，符合循环经济原则，有利于社会可持续发展。不足：耐热温度太低，纯PLA软化点只有65℃，制品很容易发生变形或粘连，严重