一文了解:聚乳酸(PLA)生物降解塑料改性技术及产业化进展


来源:中国粉体网   昧光

[导读]  聚乳酸(以下简称PLA)是一种热塑性脂肪族聚酯,由于乳酸分子中有一个手性碳原子、两个光学异构体。因此,PLA又可分为聚左旋乳酸(PLLA)、聚右旋乳酸(PDLA)和聚消旋乳酸(PDLLA)。其中,PLLA为部分结晶性聚合物,质地较硬;而PDLLA因分子链中两种异构体无法排列成有序的结晶结构,属非晶形透明聚合物。

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一、PLA基本性质

 

PLA单体为乳酸,乳酸一般为含淀粉玉米、小麦、稻谷、红薯、马铃薯和甜菜的农作物为原料发酵而成。PLA无毒,与生物相容性良好,力学性能、韧性、耐热性优良,透明程度高,同时对水蒸气和氧气的透过性高。PLA主要应用在生活、农林环保、纺织、复合材料、组织工程和3D打印材料等领域。


 

生态循环示意图 图片来源:浙江海正

 

二、生物降解原理

 

生物降解是一系列的复杂过程,首先为聚合物材料在外界环境下碎裂成较小尺寸形状(崩解和生物破碎)。然后是解聚,即聚合物大分子被分解成较低分子量的低聚物、二聚体和单体。解聚产物被微生物作为碳源用来生产能源、生物量和各种初级和次级代谢物等。最后为矿化阶段,这一阶段这些代谢物被完全氧化并转化为二氧化碳、氮气、甲烷、水和不同盐类。


 

需氧条件塑料生物降解机理示意图

 

三、PLA物理改性技术

 

1共混改性

 

通过机械共混的方式来提升PLA材料的力学性能是PLA改性过程中较为广泛使用的方式之一,PLA常用的共混改性物质包括Cs、肝素、羟基磷灰石、聚乙烯、热塑性生物降解塑料等。

 

共混改性能够方便快捷地对PLA进行功能化的融合改性,常用于其韧性、机械强度以及生物相容性的性能改良。

 

2增塑改性

 

大量研究表明,在PLA混溶过程中加入一定量高沸点、低挥发性的小分子量物质,可以改善PLA的力学性能和加工性能,常采用的PLA增塑剂包括柠檬酸酯类增塑剂、PEG和乳酸低聚物等。

 

3复合改性

 

复合改性可以在保留PLA优良降解性能的同时,实现其力学性能的增强、亲水性能的改良,以及赋予其本身不具备的其他性能特征,进而拓宽功能化改性PLA材料的应用领域。

 

目前常见的PLA基复合材料包括PLA/无机复合材料、PLA/Cs复合材料、PLA/合成高分子复合材料以及其他多组分复合材料等。

 

四、PLA产业发展现状

 

1国外

 

美国NatureWorks公司以发酵玉米中的葡萄糖工艺技术生产PLA,产能已达15万t/a。

 

荷兰TotalCorbion公司是全球最大的乳酸及其衍生物供应商,并已在泰国建成7.5万t/a的PLA生产线。

 

UhdeInventa-FischerGmbH(伍德-伊文达菲瑟)公司开发的聚乳酸成套技术PLAneo®(发酵乳酸以及纯净化-合成聚乳酸)具有一体化优势。


 

美国NatureWorks的PLA生产流程示意图

 

2国内

 

中国科学院长春应用化学研究所与浙江海正生物材料股份有限公司从2000年开始合作,于2008年建成了国内第一条PLA中试生产线,

 

目前,浙江海正已是国内产业化规模最大的PLA企业,生产挤片、注塑、吸塑、纺丝、双向拉伸膜、吹膜等不同加工用途的产品。

 

哈尔滨市威力达公司与乌德—伊文达—菲瑟尔(UIF)公司就合作建设世界第二大聚乳酸生产基地的技术引进取得了实质性进展。

 

威力达公司拥有先进的生产装置和生产线,所生产的玉米变性淀粉、葡萄糖等产品成为聚乳酸的生产原料。产能方面,每年可生产聚乳酸1万吨,可转化玉米3万吨。

 

此外,2020年9月安徽丰原集团50万吨乳酸项目开工,10年内将达到300万吨PLA生产线,2025年PLA加工能力将达到1000万吨。2021年金发科技PLA3万吨/年,6万吨/年PABT项目相继投产。

 

3国内外部分PLA生产企业

 

国内方面,浙江海正、吉林中粮、江苏允友成、恒天长江、深圳光华伟业、安徽丰原集团、河南金丹、马鞍山同杰良、百盛科技、江苏森达、济南凯风、五粮液集团、武汉三江航天固德、山东富欣、山东寿光巨能金玉米、河南永乐、河南龙都天仁、浙江友诚、东部湾(上海)、山东泓达、山东同邦等。

 

国外方面,美国NatureWorks、荷兰TotalCorbion、德国UhdeInventa‐Fischer、意大利Snamprogetti、芬兰Hycail、日本武藏野化学(中国)有限公司等。

 

结语

 

2021年,“限塑令”升级为“禁塑令”,不可降解塑料袋、一次性塑料餐具等制品将逐渐退出,随之而来的是可降解塑料市场需求快速增长。“十四五”期间生物降解塑料产能快速提升,大批生产装置正在建设或者计划建设中,生物降解塑料的生产将逐步大规模工业化以缓解供应紧张的局面。

 

参考来源

 

孙浩程,等:生物基可降解塑料物理改性研究进展,中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院

刁晓倩,等:生物降解塑料应用及性能评价方法综述,北京工商大学

孙明超,等:聚乳酸功能化改性研究进展,青岛大学

汪晓鹏,等:绿色生物降解塑料聚乳酸的研究进展,甘肃省轻工研究院有限责任公司

霍艳苓,等:生物降解塑料产业发展相关研究,山东亚新塑料包装有限公司

纪晓寰,等:生物可降解聚酯的技术进展和应用前景

推荐2

作者:昧光

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