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新時代生物質降解材料聚乳酸,助力綠色環保的“未來之鑰”

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出品:科普中國

作者:丁建勛 李鴻杰 楊佳臻(中國科學院長春應用化學研究所)

監制:中國科普博覽

塑料給我們的生活帶來了諸多便利,我們的衣食住行中都用到許多塑料制品。但是對于塑料,許多人都有一個共同的印象——不環保。這是由于常用的石油基塑料在自然環境中難以降解,其污染治理也是一個世界性難題。

近年來,“白色污染”、“微塑料”、“垃圾大陸”等問題受到廣泛關注,我們越來越重視不可降解塑料給自然帶來的負擔,人類社會對于不可降解塑料的限制已成為主流趨勢。然而塑料制品在我們日常生活中卻又無處不在。于是,可降解塑料逐漸成為新趨勢。

為此,科學家們提出“源于自然,歸于自然”的新理念,開發出將玉米等生物質轉化為生物可降解的聚乳酸(Poly(lactic acid),PLA)塑料的合成路線,通過化學的魔法為塑料污染治理提供了可行的解決方案。這種由植物淀粉轉化而成的塑料,制備工藝上擯棄了不環保的石油化工原料,具有優異的生物降解性,是一種環境友好塑料。

PLA的普及能有效減少使用不可降解塑料,對塑料污染的治理具有重大意義。那么,PLA是如何由玉米等生物質一步步轉化而來,又是如何在日常生活、生物醫藥研發、農業生產、紡織、工程制造等方面取代繁榮百年的傳統石油基塑料?讓我們來一探究竟!

PLA循環再生過程及其應用

(圖片來源:自制,部分插圖引用自參考文獻26-29)

農作物變塑料的“魔法”

PLA是一種由乳酸(Lactic acid,LA)經過低聚、環化、聚合等過程而成的脂肪族聚酯。PLA的轉化過程是這樣的——化學家可以高效地將從玉米等農作物中提取出的淀粉通過水解、微生物發酵的步驟制成LA,進一步通過縮合聚合或開環聚合的手段將其轉化為PLA,實現農作物變塑料的“魔法”。

由于LA單體中既含有羥基(?OH),又含有羧基(?COOH),分別可以與另一LA單體的羧基和羥基發生縮合反應。就這樣,LA單體們往復交替發生反應,得到高分子量的PLA材料。

這么看來,這么環保的材料,為什么一開始沒有得到廣泛應用呢?其實這個過程并沒有說的這么簡單,在制備過程中存在諸多化學、工程問題和瓶頸。例如,縮合反應過程中生成的水分子(H2O)無法被及時排出,將大大抑制反應進程;此外,較為苛刻的反應條件也降低了該方案應用于工業生產的潛力。

不過現在,制備PLA的方案得到了改良,讓整個過程更加可控了?,F有的工業化生產PLA的主流路線丙交酯開環聚合法就能夠實現PLA分子的可控合成。

不過,為了獲得滿足日常需求的PLA塑料,光靠特定的分子量是遠遠不夠的,加工工藝和改性方法的進步也很重要,接下來,我們將介紹PLA的特性,以及如何將PLA轉變為各種生活中常見的物品。

PLA合成路徑與LA、丙交酯和PLA的化學結構。A. 直接縮聚法合成PLA;B. 丙交酯開環聚合法合成PLA;C. LA、丙交酯和PLA的立體異構體

(圖片來源:自制)

PLA的性質與改性

說到PLA的性質,有一點需要指出:LA中含有一個手性碳原子,可以分為左旋乳酸(L-LA)和右旋乳酸(D-LA),前者與人體代謝的LA結構相同,但大量攝入D-LA會有毒副作用。

因此,商用的PLA一般為L-LA合成的左旋PLA(PLLA)。此外,還存在由D-LA合成的右旋PLA(PDLA),以及由L-LA和D-LA共聚合成的聚(D, L-LA)(PDLLA)。

從PLA的化學結構可以推斷,PLA主鏈中的大量酯鍵是其具有良好降解性能的關鍵。在堆肥(高溫、高濕度和微生物作用)條件下,PLA只需幾個月的時間就能充分降解為H2O和二氧化碳(CO2),經植物光合作用實現循環再生。

此外,PLA還能在人體內降解,其水解產物LA可以被人體吸收利用,這一優異的生物相容性使其在生物醫藥領域展現出了極高的應用價值。

PLA主要降解途徑示意圖:PLA光氧化和水解(左)、微生物產生的酶對PLA的生物降解(右)

(圖片來源:自制)

除了優異的生態友好性、生物可降解性和生物相容性外,PLA還具有與傳統石油基塑料相媲美的物理性質。

注:PET為聚對苯二甲酸乙二醇酯,PS聚苯乙烯,HIPS為高抗沖苯乙烯,PP 為苯乙烯

(數據來源:參考文獻10)

PLA因其優良的熱成型性,能夠通過擠出成型、吸塑成型、淋膜、吹塑成型、注射成型、纖維紡絲、發泡等方式加工成各種各樣的塑料制品,具有廣泛的適用性。

(數據來源:蚌埠市生物基材料產業發展規劃)

然而,PLA在應用中也暴露出一些不足,如易發生脆斷、降解周期不可控、生物相容性不足等等。

針對PLA的這些問題,科學家也在積極尋找解決方案。例如,通過共混、共聚、納米復合、立構復合等手段進一步改善了PLA的韌性、降解周期可調控性、親水性、抗菌性等性能,大大拓寬了PLA的應用范圍。

注:PBS為聚丁二酸丁二醇酯,PBAT為聚己二酸丁二醇酯,PHDA為聚(六亞甲基-十亞甲基己二酸酯)

PLA的應用與發展

PLA其實并不陌生,在你生活中的各個方面都可能會遇到。

從吃的角度來說,在近幾年外賣、快遞和餐飲行業快速發展的背景與國家出臺的“禁塑令”等政策的共同推動下,PLA產品的商業化大步向前發展。像我們日常喝奶茶,除了紙吸管,現在比較常用的也是PLA吸管。

從穿的角度,通過PLA與抑菌劑共混制造的PLA服飾受到消費者青睞。

從日常使用的角度,經過增塑增韌改性的PLA應用于日用品外殼和兒童玩具,能夠有效防止兒童攝入有害塑料微粒。

從醫學使用上來看,通過改善PLA親水性和生物相容性,并加強PLA降解時間的控制,使PLA血管支架、可吸收材料、外科手術縫合線等生物醫用高分子也逐步投入使用。

此外,PLA地膜、沙障等材料具有廣闊市場,對環境治理具有重要意義,具有十分龐大的應用市場。

2017?2021年中國聚乳酸消費統計圖

(數據來源:觀研報告網)

現如今,國內PLA產能約25萬噸/年,但近幾年PLA需求量呈上升趨勢。目前,各企業在建或計劃建設PLA生產線總產能已超過150萬噸/年,預計在未來3?5年,PLA將得到更廣泛的普及。

盡管國內PLA產業發展迅速,但仍面臨兩大挑戰。一是產業關鍵技術亟需提高,二是PLA生產成本還需進一步降低。目前PLA生產成本比常用石油基塑料高3倍甚至更多,導致其難以實現對傳統塑料的替代。除了在生產技術上降低成本,還需加強PLA產業布局,加快PLA生產線建設,使其成本降到與傳統塑料相當的“白菜價”。

結語

當前,PLA因其優異的生物降解性、生物相容性和廣泛的適用性等優勢已在日常生活、生物醫藥研發、農業生產、紡織、工程制造等方面取得一席之地,但與發展百年的石油基塑料相比,PLA較高的生產成本與復雜的生產工藝仍是阻礙其廣泛普及的主要原因。

如今,在“雙碳”戰略實施和禁塑令的推動下,PLA迎來了市場發展新機遇,這種由谷物生產的塑料實現了“源于自然,歸于自然”環保理念,為解決塑料污染問題指明方向。也許有一天,我們能夠將環??山到獾乃芰先嫫占?,既能享受塑料產品帶來的便捷,也能實現與自然的和諧共處。

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編輯:郭雅欣

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評論
無限探索者
太師級
在“雙碳”背景下,生物基材料聚乳酸PLA將是助力綠色環保的“未來之鑰”,為解決塑料污染問題指明了方向,為人們打造健康新生活,創造新一輪綠金經濟!
2023-04-09
科普老兵聞向東
太師級
也許有一天,我們能夠將環??山到獾乃芰先嫫占?,既能享受塑料產品帶來的便捷,也能實現與自然的和諧共處。
2023-04-07
追夢人C·hui
太師級
保護生態環境,倡導“源于自然,歸于自然”環保理念,實施好“雙碳”戰略實施和禁塑令!
2023-04-09
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