科普大赛 | 聚乳酸的环保使命:生物可降解材料

学术   2024-09-23 09:00   吉林  

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1.研究背景


塑料制品因其质轻、防水、耐用、生产技术成熟、成本低等优点,在全世界被广泛应用且呈逐年增长趋势。随着社会生活便利化发展及人们生活节奏加快,一次性塑料饭盒、塑料包装袋等开始频繁地进入人们的日常生活,变得无处不在,但由于使用后随意乱丢乱扔,不仅影响景观,造成“视觉污染”,而且在大自然中难以降解,对生态环境造成潜在危害,形成“白色污染”。


为了解决这一严峻的问题,国家及各地方政府采取了一系列政策措施,例如,限制塑料制品的使用,实施垃圾分类最大程度进行塑料回收等。这些措施在一定程度上有利于减少塑料污染,但仍存在诸多困难。

图1塑料污染[1]


近年来,我国对可降解材料的研发取得了显著性成就,聚乳酸(PLA)等生物降解塑料逐渐进入大众视野,在市场上占据了一席之地,因其具有良好的生物可降解性、相容性和吸收性等特点,成为了绿色塑料的代表[2]

图2降解材料聚乳酸(图源于https://m.sohu.com/a/254923544_640827/?pvid=000115_3w_a)





2.材料本质


单个的乳酸分子中,有两个特殊的官能团,分别是一个羟基(-OH)和一个羧基(-COOH),n个乳酸分子进行脱水缩合。一侧是乳酸分子A中的羧基与乳酸分子B中的羟基进行脱水缩合,另一侧是乳酸分子A中的羟基与乳酸分子C中的羧基进行脱水缩合,再由更多的乳酸分子D等等的乳酸分子通过脱水缩合就形成了名为聚乳酸的聚合物。

图3·聚乳酸分子式(图源于作者)


聚丙交酯(Polylactide,PLA),一般来说指的是聚乳酸,是一种有机高分子材料。这种聚酯类聚合物是以高纯度的乳酸为原料,使粮食作物(如稻米,玉米等)经过发酵提取出的淀粉制成,也可从鱼体废料和厨余垃圾等物质中获得。聚乳酸因其具有广泛的原料来源而使其具备可持续性,若要达到在自然界循环的目的,还是因为能生物降解和具有无污染的生产过程,也是理想的绿色高分子材料。

图4聚乳酸循环过程
(图源于http://www.mastech3d.com/3dfilmant/pla/silver)


聚乳酸是通过乳酸首先经过化学合成生成丙交酯,让丙交酯经过催化作用后进行开环聚合从而形成聚乳酸;乳酸单体也可直接缩聚形成聚乳酸[3]

图5聚乳酸的生产原理(图源于作者)





3.发展历史


最早要追溯到上世纪30年代,来自美国的杜邦公司(DuPont)以Carothers为首的人发现[4],将聚乳酸放在特定的条件下,如高温和真空,它就会快速聚合,从而它就具有了高聚合度。但由于当时合成的聚乳酸熔点太低,生产成本过高,因此未被广泛使用。


之后经过了长达20年的时间,杜邦公司对聚乳酸的研究进入了下一阶段,尝试用间接法来制备,通过先制备中间产物乳酸二聚体(丙交酯),再将其进行纯化和开环聚合的操作,进一步得到的聚乳酸就含有了相对较高的相对分子质量[5]


在我国,20世纪70年代全国科学技术部就开始了对聚乳酸酯聚合物和聚乳酸及其衍生物的研究,但因研究规模小,技术有限,使得研究停滞不前。进入21世纪,我国聚乳酸行业迎来了技术突破,研究人员通过不断探索,成功攻克了聚乳酸生产的关键技术难题[6]





4.实际应用


一次性用品
一次性用品[7]PLA是具有环保、可降解性、可回收性,材料无毒害,不含有重金属的特性,因此被广泛应用于一次性卫生用品,一次性餐具,一次性生活用品等[8]。不仅便利了我们的生活,还因其可降解性降低了对环境的污染。使得越来越多的消费者为响应国家政策,也逐渐开始选择可降解的环保产品,而PLA制品也成为了大多数人的首选。

食品包装行业
PLA材料具有良好的可塑性和耐热性,还是具有良好抑菌和抗霉性质的生物可降解塑料[9]。PLA材料可以制成具有良好保鲜效果的保鲜袋和保鲜膜[10],也可以制成不同形状的容器,盒子等,以延长食品的保鲜期限。

图6可降解餐盒(图源于https://m.jururu.com/goods/623)

生物医药领域
在生物医药领域,聚乳酸也因其具有的特性而被广泛应用[11]。如聚乳酸具有良好的可降解性和生物相容性,以及优良的延伸程度及抗拉性能,空气渗透率、二氧化碳与氧气透过性的性能表现力强[12]

图7聚乳酸共聚物
(图源于https://www.chem17.com/st223282/product_36421441.html)


如可以用作人工烧伤创伤覆盖材料,生物质玻璃,组织工程材料,聚乳酸血管支架[13],可吸收缝线,药用辅料,一次性使用无菌输液器等等[14]在医疗行业是发展前景广阔的高分子材料。

图8 生物玻璃/聚乳酸复合微球细胞微载体制备示意图[15]

工业农业领域
PLA的力学性能及物理性能良好[16],还拥有良好的光泽性和透明度。在工业领域用于制造车辆,船只,飞机内饰及零部件以及家用电器的外壳等;在农业领域用于制作农用薄膜等。

图9聚乳酸具体应用(图源于https://mo.mbd.baidu.com/r/1njCZPuwLqU?f=cp&rs=12007049&ruk=ImByXpffZRMCOV8Zkiwl_w&u=36d0aa7939134d83)






5.总结


随着技术的不断进步和市场的需求不断扩大,在未来,聚乳酸有良好的发展前景和应用环境[17]。随着国家对环保事业的重视,以及对推动经济发展的需求的增加,聚乳酸作为一种环保材料将会在更多领域得到应用和推广。





参考文献




[1]Stephen Buranyi, 刘田宇. 99%的塑料消失在水中,正以肉眼不可见的方式影响着人类健康[J].飞碟探索, 2020, (101):97-101.

[2]刘春阳, 叶强. 聚乳酸产业发展机遇与挑战[J]. 当代石油石化, 2022, 30(1):22-27.

[3]任杰,李建波.聚乳酸[M].北京:化学工业出版社,2014.

[4]王跃,江洪波,陈大明,等.聚乳酸技术与市场现状及发展趋势分析[J].生物产业技术,2017,(6):17-22.

[5]   杨佩琴. 聚乳酸纺熔非织造布的开发及应用前景[J]. 纺织导报, 2021, (11):76-78.

[6]王正祥. 我国聚乳酸产业发展现状与对策研究[J]. 中国工程科学, 2021, 23(6):155-166.

[7]陈杰, 胡荣荣, 刘环宇, 等. 聚乳酸耐热改性研究进展[J]. 塑料科技, 2018, 46(5):115-119.

[8]王婧, 崔反东. 聚乳酸的合成及应用研究[J]. 江西化工, 2023, 39(4):5-8.

[9]高雪雨,王亚凤,闫莉. 含磷丙烯酸酯核壳阻燃剂的合成及在聚乳酸中的应用[J]. 高分子材料科学与工程,2022,38(5):43-49.

[10]贺祺涵, 袁健, 母志平,等. 可降解抗菌聚乳酸薄膜在食品领域应用的研究进展[J]. 农产品加工, 2023 (7):85-89.

[11]高翠丽,夏延致,纪全,等.聚乳酸的改性研究[J].材料导报,2006,20(6):372-374.

[12]朱小明, 章盼梅, 江丽珍等. 聚合物3D打印工艺及打印材料的研究进展[J]. 合成树脂及塑料, 2023, 40(4):65-71.

[13]谢英美, 杨海燕, 张嵩等. 聚乳酸耐热改性研究进展[J]. 建材与装饰, 2023, 19(31):34-36.

[14]李浩宇,张伟,冯凯,等.聚乳酸纤维的制备工艺及应用现状[J].纺织科学与工程学报,2023,40(03):133-138.

[15]高龙, 张赵文斌, 常江. 生物玻璃/聚乳酸多孔微球的制备及其作为细胞载体的研究[J]. 无机材料学报, 2020, 35(10):1163-1168.

[16]赵龙, 徐鼐, 庞素娟, 潘莉莎. PLA 增强改性PBS 共混物制备及性能[J]. 工程塑料应用, 2020, 485):39-45.

[17]汪朝阳,赵海军,侯晓娜,等.聚乳酸合成研究进展[J].高分子材料科学与工程,2009,25(3):162-165.






「审稿人意见」



较好的适合中学生阅读的科普文章。逻辑上把第三部分化学本质调整到第二部分历史之前更好。标题特别说明是生物可降解材料,也许更加贴切,即“聚乳酸的环保使命:生物可降解材料”。



作者姓名:刘嘉仪

作者单位:天津农学院

Email1305676645@qq.com

指导老师:刘大颖

审稿人:胡文兵

编辑:朱真逸


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