聚乳酸（PLA）

聚乳酸（Polylactic acid，PLA），又稱為聚丙交酯，是以乳酸為原料聚合而成的聚酯。聚乳酸具有優(yōu)良的生物可降解性、相容性和吸收性。聚乳酸是一種無毒、無刺激的合成高分子材料，其原料是乳酸，主要來自淀粉（如玉米、大米）等發(fā)酵，也可以以纖維素、廚房垃圾或魚體廢料為原料獲取。PLA原料來源廣泛，且由其制成的產(chǎn)品使用后可直接進行堆肥或焚燒處理，最終可*降CO2和H2O，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。PLA所擁有的良好透明性和一定的韌性、生物相容性及耐熱等性能，是其被廣泛應用的主要原因。此外，PLA具有熱塑性，可應用于諸多領域，用其制備的產(chǎn)品，如包裝材料、纖維等，主要用于一次性用品如一次性餐具及包裝材料等，汽車車門、腳墊及車座等、服裝、電器和醫(yī)療衛(wèi)生（骨科內固定材料和免拆手術縫合線等）等領域。與傳統(tǒng)的石油化工產(chǎn)品相比，聚乳酸生產(chǎn)過程中的能量消耗只有石油化工產(chǎn)品的 20%~50%，產(chǎn)生的二氧化碳只有石油化工產(chǎn)品的 50%。因此，開發(fā)聚乳酸可降解材料對環(huán)境和能源問題的緩解非常必要。

【特性】

1. 生物可降解性

聚乳酸與傳統(tǒng)塑料相比，能夠通過微生物、光等降解為 CO2和 H2O。其降解產(chǎn)物無毒無害，不會對環(huán)境造成污染。生產(chǎn)聚乳酸的單體是乳酸，而乳酸又可以通過小麥、稻谷和甜菜等農(nóng)作物或農(nóng)副產(chǎn)品發(fā)酵生產(chǎn)。因此，生產(chǎn)聚乳酸的原料具有可再生性。聚乳酸作為一種新興的生物降解材料，其應用極其廣泛。

2. 生物相容和可吸收性

聚乳酸在人體內可經(jīng)過酸或酶水解生成乳酸。乳酸作為細胞的一種代謝產(chǎn)物，可以被機體內的酶進一步代謝，生成 CO2和 H2O。因此，聚乳酸對人體無毒、無害，具有較好的生物相容性和生物可吸收性。聚乳酸通過了美國食品藥品監(jiān)督管理局的認證，能夠作為植入人體的生物材料。

3. 物理加工性

聚乳酸作為熱塑性的高分子材料，可塑性和物理加工性能好，具有較高的熔點和結晶度、良好的彈性和柔韌性，以及優(yōu)良的熱成型性。聚乳酸材料與聚丙烯 （PP）、聚苯乙烯（PS）和聚苯醚樹脂（PPO）等高分子材料一樣，可以進行擠出、拉伸和注射吹塑等成型加工。

【合成】

當前，聚乳酸的合成方法主要有直接聚合法和丙交酯開環(huán)聚合法 2種。直接聚合法是指在脫水劑存在的環(huán)境中，借助乳酸分子的活性脫去羧基和羥基，從而使乳酸分子之間縮聚形成低分子聚合物，之后各分子間通過催化劑的作用或者高溫脫水的方式直接縮合，最終得到聚乳酸。開環(huán)聚合法也叫Ring-Opening Polymerization（ROP）法，即先將乳酸單體經(jīng)脫水環(huán)化合成丙交酯，丙交酯經(jīng)過反復提純之后，再將重結晶的丙交酯通過開環(huán)聚合反應得到聚乳酸。

1. 直接聚合法：直接聚合法主要包括熔融聚合法、溶液聚合法和熔融- 固相聚合法。直接聚合法合成聚乳酸見圖：

1）熔融聚合法：在催化劑的作用下，乳酸分子經(jīng)縮聚反應直接合成聚乳酸的方法稱為熔融聚合法。該方法成本低、成品率高、不需要分離物質就能得到較純的產(chǎn)物，但是所得到的產(chǎn)物相對分子量不高。

2）溶液聚合法：在反應體系中加入一種有機溶劑，該溶劑能夠溶解聚合物但不參與反應，并且能夠與反應體系中的水分形成共沸物，通過共沸回流，可以不斷將水從反應體系中帶出，保證反應向正方向進行，從而合成聚乳酸的方法稱為溶液聚合法。溶液聚合法需要消耗大量的溶劑，而且容易對環(huán)境造成污染。

3）熔融-固相聚合法：先將乳酸通過熔融縮聚得到低分子的預聚物，再將該預聚物處于高于其玻璃化轉變溫度且低于其熔點溫度的條件下進行進一步的聚合，從而得到相對分子量較高的聚乳酸的合成方法稱為熔融-固相聚合法。進一步聚合的機理是無定形區(qū)的低分子與大分子的端基進行反應生成高分子聚合物，使合成的聚乳酸的分子量和結晶度都得到了顯著提升。該方法制備的聚乳酸相對分子量較高，但是反應時間較長。

2. 丙交酯開環(huán)聚合

丙交酯開環(huán)聚合根據(jù)引發(fā)劑和反應機理的不同，分為陰離子型開環(huán)聚合、陽離子型開環(huán)聚合和配位開環(huán)聚合。丙交酯開環(huán)聚合法合成聚乳酸見圖：

1）陰離子型開環(huán)聚合：陰離子型開環(huán)聚合的機理是丙交酯中的羰基碳

在催化劑陰離子親核的攻擊下發(fā)生酰氧鍵斷裂，形成活性中心內酯陰離子，再插入到主鏈中引發(fā)鏈增長，最后制得聚乳酸。陰離子聚合的引發(fā)劑多為強堿，如醇鈉、醇鉀、丁基鋰和氫化鋁鉀等。此反應具有活性高、速度快等優(yōu)點，但易發(fā)生消旋反應，難制備高分子量的聚乳酸。

2）陽離子型開環(huán)聚合：陽離子型開環(huán)聚合的機理是催化劑陽離子首先與單體中的氧原子作用形成氧鎓離子。然后，烷氧鍵發(fā)生斷裂，經(jīng)單分子開環(huán)反應產(chǎn)生?；x子，進而引發(fā)鏈增長，最終制得聚乳酸。陽離子聚合的引發(fā)劑有很多，主要有路易斯金屬鹽或其水合物，如 AlCl3，ZnBr2，SnCl2等；質子酸和烷基化試劑，如對苯磺酸、HCI，HBr 等

3）配位開環(huán)聚合：目前，配位開環(huán)聚合法是國內外應用廣泛、研究多的一種聚乳酸合成方法。通過配位開環(huán)聚合法合成的聚乳酸，其分子量和強度都比較高。其機理是丙交酯上的羰基氧與引發(fā)劑中金屬發(fā)生配位，單體的酰氧鍵進入到配位鍵上進行鏈增長。配位開環(huán)聚合的催化劑主要有金屬的烷基化合物，如 SnPh4，CdEt2等；錫鹽類化合物，如辛酸亞錫、異辛酸亞錫等；稀土類化合物，如有稀土烷氧配合物、稀土胺化物等。

【應用】

1. 生物醫(yī)學領域

在生物醫(yī)學領域，聚乳酸材料可以被用作藥物運輸材料、組織工程支架材料

、骨修復材料等。醫(yī)療領域是 PLA 及其復合物較早開展應用的領域。目前已在骨外科、胸外科、頜面外科、腫瘤的靶向治療等領域進行了廣泛的基礎研究和臨床應用。

2. 工業(yè)和農(nóng)業(yè)領域

聚乳酸的可塑性、耐熱性和物理加工性能良好，可以將其加工成農(nóng)用地膜，用來彌補傳統(tǒng)地膜易碎且不可降解的缺陷，還可以將其加工成汽車行業(yè)的配件工程材料、建筑用繩索、農(nóng)藥化肥緩釋材料等。對比研究普通聚乙烯（PE）地膜，18m 和 15μm 厚聚乳酸地膜的降解性，以及在不同地膜覆蓋下棉花的生長，發(fā)現(xiàn)聚乳酸地膜在20 d 左右開始降解，在棉花收獲期降解面積能達到80%左右，并且降解地膜表現(xiàn)出較好的保溫性能。對比研究普通 PE 地膜與聚乳酸（PLA）地膜對西瓜種植的影響，試驗表明PLA 地膜具有可降解性且不會造成環(huán)境污染，覆蓋 PLA 地膜能夠促進西瓜的生長發(fā)育。

3. 食品包裝材料

聚乳酸與聚乙烯 （Polyethylene，PE）、聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）、聚丙烯（Polypropylene，PP）等材料相比，具有良好的生物可降解性、優(yōu)良的抑菌和抗霉特性。采用PLLA- PVA-PCL 復合膜及加了乳酸鏈球菌素的包裝材料對冷鮮肉進行真空包裝，包裝的肉品貨架期遠遠長于 PE 保鮮膜包裝的冷鮮肉，且肉品保持相對良好的色澤和品質。不同氣體條件下，未包裝、PLA 氣調包裝、PE 氣調包裝、PLA 真空包裝、PE 真空包裝對楊桃保鮮效果的試驗結果表明，PLA 薄膜包裝袋能夠很好的保存楊桃的外觀品質和營養(yǎng)組分，延長楊桃的貨架期。