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一种新型的可降解包装材料——聚乳酸

浏览次数: 日期:2016-07-22 16:08:36

聚乳酸(PLA)是利用有机酸乳酸为原料生产的新型聚酯材料,具有胜于现有塑料聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等材料的优点,被产业界定为新世纪最有发展前途的新型包装材料,是环保包装材料的-颗明星,在未来-将有望代替聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等材料用于塑料制品,应用前景广阔。
  聚乳酸的性能

  聚乳酸有良好的生物可降解性,使用后能被自然界中微生物完全降解,用它制成的各种制品埋在土壤中6至12个月即可完成自动降解。它使用后的废物埋在土中或水中,可在微生物分解下生成碳酸气和水,它们在阳光下,通过光合作用又会生成起始原料淀粉。这样经过一个循环过程既能重新得到聚乳酸初始原料淀粉,又借助光合作用减少了空气中二氧化碳的含量。

  聚乳酸有良好的机械性能及物理性能,适用于吹塑、热塑等各种加工方法,加工方便,应用十分广泛。可用于加工从工业到民用的各种塑料制品、包装食品、快餐饭盒、无纺布、工业及民用布。进耐口工成农用织物、保健织物、抹布、卫生用品、室外防紫外线织物、帐篷布、地垫面等等,市场前景十分看好。

  聚乳酸有良好的相容性与可降解性,在医药领域应用也非常广泛,如可生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线等,低子聚乳酸作药物缓释包装剂等。

  聚乳酸还是一种低能耗产品,比以石油产品为原料生产的聚合物低30%~50%。预计在不可再生的石油资源枯竭期到来之前,石油及其衍生物市场价格暴涨,而可再生的产品必将成为全球范围的紧俏消费品。

  聚乳酸的工业化生产

  聚乳酸生产是以乳酸为原料,传统的乳酸发酵大多用淀粉质原料,目前美、法、日等国家已开发利用农副产品为原料发酵生产乳酸,进而生产聚乳酸。

  美国LLC公司生产聚乳酸工艺为:玉米淀粉经水解为葡萄糖,再用乳酸杆菌厌氧发酵,发酵过程用液碱中和生成乳酸,发酵液经净化后,用电渗析工艺,制成纯度达99.5%的L-乳酸。由乳酸制PLA生产工艺有:(1)直接缩聚法,在真空下使用溶剂使脱水缩聚。(2)非溶剂法,使乳酸生成环状二聚体丙交酯,在开环缩聚成PLA。

  美国一家研究所研制成功把制乳酪后的废弃土豆转化为葡萄糖糖浆,再用细菌发酵成含乳酸酵液,经电渗析分离、加热使水分蒸发,得到可制薄膜与涂层的聚乳酸,可作保鲜袋及代替有聚乙烯和防水蜡的包装材料。

  法国埃尔斯坦糖厂与一所大学研制出用甜菜为原料,先分解成单糖,发酵生产乳酸,再用化学方法将乳酸聚合为聚乳酸,也可利用工业制糖工序的下脚料贫糖液来生产聚乳酸,生产成本大幅度下降。

  日本钟纺公司以玉米为原料发酵生产聚乳酸,利用聚乳酸制成生物降解性发泡材料。其过程是在聚乳酸中混入一种特殊添加剂,对其分子结构进行控制,使之变为易发泡的微粒,再加入用碳水化合物制成有机化合物发泡剂,在成型机中成型、经高压水蒸气加热成发泡材料。该材料的强度压缩应力、缓冲性、耐药性等与聚苯乙烯塑料相同,经焚烧后不污染环境,还可肥田。

  据有关媒体报道,欧洲生物降解塑料生产商---Hycail材料工业公司在提升聚乳酸(PLA)耐温性的开发和生产方面最近取得突破。

 PLA材料耐高温性能差一直是一个难于解决的问题,而新问世的HycailXM1020材料可耐温200℃而不变形,即使盛有脂肪和液体食品的材料经微波加热也不变形或应力破坏,可经受205℃下微波加热30分钟。目前,HycailPLA材料在荷兰的生产装置每年已生产数百吨,Hycail公司准备建设产能至少为2.5万吨/年的大型装置。

  我国目前已建的聚乳酸生产线,规模普遍较小,通常为几十吨或几百吨;可喜的是,拟建项目或扩张项目规模大多达万吨级。相信在不久的将来,聚乳酸在我国的众多领域将代替传统产品,发挥其生物可降解功能。

  同济大学材料与科学工程学院研制的生物高分子材料---聚乳酸最近在工博会拿到了创新奖。这种俗称为“玉米塑料”的聚乳酸被认为是由传统化工塑料带来“白色污染”的终结者。

  聚乳酸的原料不仅仅是玉米,其他多种作物都可以用于提取乳酸。因此,把聚乳酸称为“生物质塑料”更为恰当。

  在石油、煤等各种石化资源日益枯竭的今天,生物资源的开发和应用被全球科学家们关注,也带动了生物质产业的蓬勃发展。这个新兴产业就是利用农作物、畜禽粪便等可再生或循环的有机物质为原料,通过生物化工方法生产燃料、能源以及生物质材料(包括塑料、纤维等)。

  据专业人士介绍,目前全球只有美国一家公司能大规模生产聚乳酸。该公司的生产工艺采用“二步法”,生产成本居高难下,每吨售价在3000美元左右。虽然价格高昂,却挡不住市场的需求,特别是发达国家更是花重金推广。

  而在中国,这样的高额价格显然是市场难以接受的。如何通过技术改进,降低生产成本,从而生产出价廉物美的聚乳酸成为研究的重点。同时,同济大学材料与科学工程学院这个课题也被列为上海首批29个“科教兴市”产业化攻关项目之一。

  在经历了8年研究、1年产业化放大后,同济大学材料与科学工程学院终于研究出“一步法”提制聚乳酸的先进工艺。通过生物工程技术和高分子合成技术有机结合,“一步法”能将从玉米中提取的乳酸合成为聚乳酸粒子,生产成本大大降低,出厂价约在1万元人民币一吨,接近目前化工塑料粒子的价格。由此,聚乳酸具备了在中国推广应用和产业化的条件。

  聚乳酸的发展意义

  聚乳酸在中国应用的意义不仅仅体现在环保方面,对于循环经济、节约型社会的建设也将有积极的作用。化工塑料的原料提取自不可再生的化石型资源---石油,而石油正在成为一种稀缺的消耗性资源。提取自植物的聚乳酸显然有着取之不尽的原料供应量,而分解后的聚乳酸又将被植物吸收,形成一个物质的循环利用。所以聚乳酸有“在地球环境下容易被生物降解的”塑料之称。

  而且相对于化工塑料,聚乳酸不会产生更多的二氧化碳。因为聚乳酸的原料---玉米在生长过程中通过植物的光合作用,又会消耗二氧化碳。此外,聚乳酸的产业化将大大提高农作物的附加值。以玉米为例,中国每年库存达3000多万吨,且大部分被当作了饲料,如果用于生产聚乳酸,形成“玉米-乳酸-聚乳酸-共聚共混物-各种应用制品”的产业链,可大大提高玉米的价格,提高农民收益。

  之前,农用薄膜和方便食品的包装或餐具已经使用了聚乳酸。但是,同利用石油和天然气制造的塑料比较起来,利用植物制造的这种聚乳酸塑料,成本较高,而且在60℃左右就会变形。由于存在着这些缺点,这种材料至今难以普及。

  尽管如此,人们还是非常看好聚乳酸。一个重要的原因,就在于它是以植物作为原料。聚乳酸有可能为解决世界面临的化石燃料枯竭和地球变暖两大难题做出巨大贡献。

  为了摆脱对日趋枯竭的石油资源的依赖,大力开发环境友好的可生物降解的聚合物,替代石油基塑料产品,已成为当前研究开发的热点。经过多年的研究,一些著名的科研机构和企业相继推出了多种可生物降解聚合物。而在众多可生物降解聚合物中,刚刚进入工业化大生产的聚乳酸异军突起,以其优异的机械性能,广泛的应用领域,显著的环境效益和社会效益,赢得了全球塑料行业的瞩目和青睐。预计在2005~2010年期间,随着聚乳酸生产成本逼近传统塑料成本,市场应用的大力拓展,普及使用将进入高峰期,聚乳酸建设热潮将在全球展开。

  据预测,按照已探明的石油储量并以目前的消费量计,全球石油资源仅能够消费30多年。预计在不可再生的石油资源枯竭期到来之前,石油及其衍生物市场价格暴涨,而可再生的产品必将成为全球范围的紧俏消费品。这样,就给聚乳酸带来了千载难逢的市场机遇和巨大的消费潜力。据统计,2000年世界塑料消费量约1.15亿吨,如果10年~20年后替代石油基聚合物的消费量按10%~20%计,世界聚乳酸需求量每年达1150万~2300万吨。

  降低成本,提高与现有塑料的竞争力仍然是今后聚乳酸工业发展需要解决的问题。1998年初,聚乳酸市场价格由5000美元/吨降至2500美元/吨,目前价格比PET(聚对苯二甲酸乙二酯)价格便宜10%~15%,预计7年后,聚乳酸价格可望达到能与所有热塑性树脂竞争的水平。卡吉尔陶氏公司计划在今后10年内投资10亿美元,分别在2006年、2009年再建2套装置,总能力达到45万吨/年。

 日本是世界聚乳酸重要的应用开发地区和应用市场,主要用于包装容器、农业、建筑业,纤维用运动服和被褥等。日本称生物降解塑料为绿色塑料。为了扩大市场份额,卡吉尔陶氏乳酸公司宣布与三井化学品公司合作进行聚乳酸的应用开发。今后还将与日本钟纺合纤、三菱树脂、尤里卡、可乐丽等用户进行合作应用研究,开拓新的应用领域。

  据预测,今后几年北美生物降解聚合物市场需求强劲,2005年年均增长率为7%,达到160万吨,其中聚乳酸需求量近100万吨。

  不久前,美国能源部向卡吉尔陶氏公司颁发200万美元奖金,用于使用可再生资源的发酵研究。另有200万美元资金用于从谷物纤维、植物杆等发酵制聚乳酸和其他产品的研究。

  根据我国可持续发展战略,以再生资源为原料,采用生物技术生产生物降解的聚乳酸的市场潜力巨大。将粮食产品深加工,生产高附加值的产品是实现跨越式经济发展的重大举措。我国是世界产粮大国,玉米产量排在美国之后居世界第二位。以玉米为原料,引进国外先进技术,建设大型聚乳酸装置有很大的发展空间。

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